3 塊體熱電材料塞貝克系數測量儀校準規(guī)范-試驗報告

塊體熱電材料塞貝克系數測量儀測試報告起草單位：中國計量科學研究院起草人：李碩，任玲玲2024年09月概述熱電材料塞貝克系數S是與溫度T相關的參數。溫度T下，由于兩個結點（冷端和熱端）的溫差△T作用，內部載流子發(fā)生定向移動，形成電動勢△V，電動勢△V與溫差△T的比值即為熱電材料在該溫度T下的塞貝克系數S，如公式（1）。（1）式中：S—塞貝克系數，單位μV/℃；△T—冷端和熱端的溫差，單位℃?！鱐=Th-Tc，Th為熱端溫度，Tc為冷端溫度，單位℃；△V—冷端和熱端的電動勢，單位μV。塞貝克系數測量儀主要由加熱爐、樣品臺、熱電偶探針和數據采集系統等組成。2計量特性和校準條件2.1計量特性塊體熱電材料塞貝克系數測量儀的計量特性如表1所示。熱電偶探針為內置的塞貝克系數測量儀可僅開展塞貝克系數重復性和示值誤差項目。表1塊體熱電材料塞貝克系數測量儀的計量特性校準項目計量特性溫度重復性≤0.5℃溫度示值誤差≤±3℃塞貝克系數重復性≤4.0μV/℃塞貝克系數示值誤差≤±10μV/℃2.2校準條件2.2.1環(huán)境條件2.2.1.1環(huán)境溫度：22℃±2℃。2.2.1.2相對濕度：≤85%RH。2.2.1.3其他：校準地點附近無強氣流及腐蝕性氣體、無強電磁場干擾、無振動。2.2.2測量標準和配套設備2.2.2.1熱分析標準物質：適用溫度范圍在本規(guī)范溫度范圍內，片狀，熔化溫度擴展不確定度≤1℃（k=2）。2.2.2.2塞貝克系數標準物質：適用溫度范圍在本規(guī)范溫度范圍內，塞貝克系數擴展不確定度≤8μV/℃（k=2）。熱電偶探針為外置的塞貝克系數測量儀，選用的標準物質長度應不小于探針間距。2.2.2.3分析天平：分度值不大于0.01mg。3校準項目和校準方法3.1外觀檢查通過目視檢查，塞貝克系數測量儀（以下簡稱被校儀器）應有儀器名稱、型號、出廠編號、生產單位等信息。3.2溫度重復性參照JJG936，用分析天平準確稱取熱分析標準物質銦（In）適量，裝于兩支熱電偶探針其中一支的尖端。加熱爐內充填氮氣，升溫速率設定為10℃/min。以兩支熱電偶探針實時溫度之差為縱坐標，被校熱電偶探針溫度為橫坐標作圖，標準物質熔化前基線的外推直線與轉變開始曲線最大斜率處切線的交點為外推起始溫度，即標準物質的熔化溫度，如圖1所示。依照以上步驟更換樣品，重復測量1次。用公式（2）計算溫度重復性。sT=|T2-T1|（2）式中：sT—溫度重復性，單位℃；T1，T2—第1，2次儀器測得的標準物質的熔化溫度，單位℃。圖1標準物質熔化溫度測量示意圖按上述方法，選擇另一支熱電偶探針測量標準物質銦的熔化溫度，重復測量2次，計算溫度重復性。選取另一種熱分析標準物質錫（Sn），兩支熱電偶探針分別重復測量2次，計算溫度重復性。3.3溫度示值誤差根據3.2的測量結果，用公式（3）和（4）計算溫度的示值誤差。=(T1+T2)/2（3）△Te=-Ts（4）式中：T1，T2—第1，2次儀器測得的標準物質的熔化溫度，單位℃；—儀器測得的標準物質的熔化溫度的平均值，單位℃；Ts—標準物質的熔化溫度標準值，單位℃；△Te—溫度的示值誤差，單位℃。采用熱分析標準物質（銦和錫）分別校準塞貝克系數測量儀熱端熱電偶和冷端熱電偶的溫度，結果如表2和3所示。表2熱分析標準物質（銦）溫度校準結果熔化溫度測量值（℃）重復性（℃）平均值（℃）標準值（℃）示值誤差（℃）12熱端熱電偶155.43155.260.17155.35156.52-1.17冷端熱電偶155.12154.940.18155.03-1.49表3熱分析標準物質（錫）溫度校準結果熔化溫度測量值（℃）重復性（℃）平均值（℃）標準值（℃）示值誤差（℃）12熱端熱電偶230.03229.810.22229.92231.81-1.89冷端熱電偶229.32229.470.15229.40-2.423.4塞貝克系數重復性3.4.1標準物質裝載要求標準物質裝于樣品臺中，與兩支熱電偶探針穩(wěn)定接觸，確保標準物質與儀器連接通路。若儀器的熱電偶探針內置，需確保標準物質與樣品臺平面接觸良好，必要時可使用熱界面材料。3.4.2塞貝克系數測試步驟a）參照儀器說明書開機并預熱不少于30min，確保儀器運行正常；b）按照3.4.1的要求裝載標準物質。密閉加熱爐，爐內可為惰性氣體環(huán)境或真空環(huán)境（真空度不大于0.1Pa）；c）選擇室溫和儀器最高適用溫度或本規(guī)范適用最高溫度等2個溫度點，以及適用范圍內均勻分布的至少3個溫度點，進行塞貝克系數測量。d）在設定溫度T測量時，需溫度變化率不大于0.2℃/2min后開始測試。兩支熱電偶的溫差△T范圍1℃至0.01（T+273.15）℃，至少5個溫差/電動勢測量點擬合直線（相關系數R2不小于0.9），采用最小二乘法計算塞貝克系數；e）每個溫度點重復測試不少于5次。或按照要求選擇其他溫度點測試。3.4.3塞貝克系數重復性的計算在選取的溫度下，重復測量標準物質不少于5次，按照公式（5）計算標準物質塞貝克系數重復測量的標準偏差，即塞貝克系數重復性。（5）式中：sS—塞貝克系數重復性，μV/℃；Si—儀器測得的標準物質的塞貝克系數，μV/℃；—儀器測得的標準物質的塞貝克系數的平均值，μV/℃；n—測量次數，n≥5。3.5塞貝克系數示值誤差根據7.4的測量結果，用公式（6）和（7）計算塞貝克系數的示值誤差。=(S1+S2+S3+S4+S5)/5（6）△Se=-Ss（7）式中：S1，S2，S3，S4，S5—第1~5次儀器測得的標準物質的塞貝克系數，單位μV/℃；—儀器測得的標準物質的塞貝克系數的平均值，單位μV/℃；Ss—標準物質的塞貝克標準值，單位μV/℃；△Se—塞貝克的示值誤差，單位μV/℃。使用塞貝克系數測量儀測量塞貝克系數標準物質，氮氣氣氛。在設定溫度T下，熱端溫差△T范圍1℃至0.01（T+273.15）℃，每個溫度點重復測量5次。如圖2所示為室溫條件下塞貝克系數的測量結果，溫差范圍約1℃至3℃，溫差/電動勢擬合直線的相關系數R2=0.99。圖2塞貝克系數測量結果示意圖表4為不同溫度下，塞貝克系數測量儀測量塞貝克系數標準物質的結果。表4塞貝克系數標準物質測量結果溫度（℃）塞貝克系數（μV/℃）平均值（μV/℃）重復性（μV/℃）標準值（μV/℃）示值誤差（μV/℃）1234524.68117.31116.29116.56118.31118.83117.461.10116.910.5534.63123.64123.92125.42123.30126.36124.531.31119.235.3048.35131.20125.66125.83124.82126.12126.722.55122.394.3396.30137.86136.31137.16139.33139.49138.031.38133.204.83145.60153.87147.48148.64150.57147.17149.552.76143.905.65195.41163.76158.74158.45156.70161.24159.782.75154.275.51246.11174.60167.00168.44171.98170.12170.432.98164.376.06296.97184.50180.90178.41177.19179.16180.032.84174.065.97349.36190.29188.57188.63189.04189.03189.110.70183.565.55403.10200.12198.51198.72198.60198.08198.810.77192.816.00455.05206.88205.44203.40210.23201.35205.463.39201.274.19509.15218.93215.32213.05215.96215.81215.812.10209.576.254測量不確定度評定4.1測量模型塞貝克系數示值誤差測量模型如公式（8）所示?！鱏e=-Ss（8）式中：—儀器測得的標準物質的塞貝克系數的平均值，單位μV/℃；Ss—標準物質的塞貝克標準值，單位μV/℃；△Se—塞貝克的示值誤差，單位μV/℃。4.2不確定度來源1）測量重復性引入的不確定度us，即重復測量的標準偏差sS；2）標準物質引入的不確定度uRM。4.3不確定度分量的評估4.3.1測量重復性引入的不確定度分量us測量重復性引入的不確定度分量us，即重復測量的標準偏差sS，如公式(9)。（9）不同溫度下，塞貝克系數測量重復性引入的不確定度分量如表4所示。4.3.2標準物質引入的不確定度分量uRM根據標準物質證書提供的擴展不確定度URM和包含因子kRM，標準物質引入的不確定度分量uRM根據公式（10）計算：（10）式中：uRM—標準物質引入的標準不確定度，單位μV/℃；URM—標準物質證書提供的擴展不確定度，單位μV/℃；k—標準物質證書提供的包含因子。不同溫度下，標準物質引入的不確定度分量如表5所示。表5不同溫度下，標準物質引入的不確定度分量溫度（℃）標準物質的不確定度（μV/℃）24.681.9934.631.9948.351.9996.302.16145.602.32195.412.32246.112.63296.972.78349.362.93403.103.08455.053.22509.153.364.3.3合成標準不確定度各不確定度分量均不相關，則合成標準不確定度uc計算如公式（11）：（11）其中，c1=c2=1。4.3.4擴展不確定度對于正態(tài)分布，置信水平為95％時，包含因子k=2，則擴展不確定度U的計算如公式（12）：QUOTEU=k·uc=2×uc（12）表6為不同溫度下，塞貝克系數測量儀測量不確定度評定結果。表6不同溫度下，塞貝克系數測量儀測量不確定度評定結果溫度（℃）平均值（μV/℃）重復性（μV/℃）標準值（μV/℃）示值誤差（μV/℃）標準物質的不確定度（μV/℃）合成不確定度（μV/℃）擴展不確定度(k=2)（μV/℃）24.68117.461.10116.910.551.992.274.5434.63124.531.31119.235.301.992.384.7648.35126.722.55122.394.331.993.236.4696.30138.031.38133.204.832.162.565.12145.60149.552.76143.905.652.323.607.21195.41159.782.75154.275.512.323.607.20246.11170.43