不同相态镓热电偶的热电特性分析

热电效应是热电偶温度传感器（简称热电偶）测温的理论基础［6］，它由德国医生塞贝克于1821年发现，随后很快就被应用于测温实践。热电偶温度传感器的发展反过来推动了对金属和半导体热电性能的研究。热电偶温度传感器的原理在于：当两种不同成分的导体（或半导体）连接在一起形成闭合回路时，如果两个接点处温度不同，回路中就会产生电动势。

镓是一种特殊的低熔点金属，熔点只有29.8℃，考虑到其为纯金属，性质比较稳定，所以本章主要介绍镓作为热电极之一的热电偶，即镓基热电偶［7］。为验证镓基热电偶的适用温度范围，可设计相应实验，来测试不同相态的镓所构成热电偶的热电特性［6］。

使用镓墨水和铜电偶丝作为配对金属，先将镓墨水熔化为液态，然后封装进内径为1.6 mm的14#硅胶管以防止其受到进一步氧化，管两端用704硅胶封住。使用双级热电片（型号TEC2-31-126-7.5，尺寸50 mm×50 mm×8 mm）作为热端，0℃恒温酒精浴作为冷端。热电偶冷端接入铜丝作为测压线，根据热电偶的中间温度定律，热电偶的两电极材料分别与成分相同的两根连接导线相连，只要热电偶冷端保持在温度Tc，连接导线接点端保持在温度Tv，两连接导线间的电压即为EAB。采用DH1720A-1型直流稳压稳流电源调节热电片温度。经测试在输入电压为4.5 V时，热电片最低温度可达-7℃。采用T型热电偶记录系统中各位置的温度，测量精度主要由热电偶精度（±0.5℃）决定。采用安捷伦34970A数据采集仪记录温度和电压数据。在环境温度下重复进行了多次测试以检验实验结果的可重复性。

实验开始前先通过热电片的作用，使热电偶热端温度降至10℃，并静置一段时间，待镓墨水完全成为固态后，反接热电片，开始对热电偶的热端加热，并使其持续升温至100℃。(www.xing528.com)

图12.1为当热端温度从10℃升高到100℃时，镓铜热电偶热电势与温差的关系［6］。从图中可明显看出，在30℃附近时有一拐点，在该点左侧，热电势随热端温度升高而线性减小，而在该点右侧，热电势随热端温度升高而线性增加，且斜率较拐点前明显增大。根据前述分析可知，热电势——温度曲线的斜率即为热电偶的热电势率，而30℃附近恰好是镓的熔点。于是可作如下推断：当镓热电极为固态时，镓铜热电偶的热电势率为负值，经线性拟合得-0.44 μV/℃；镓热电极为液态时，热电偶的热电势率为正值，经线性拟合得2.08 μV/℃。需要注意的是，对于拐点右侧的情况，由于热电偶冷端一直保持在0℃，所以当热端的镓熔化为液态时，冷端的镓很可能仍然是固态，所以在镓电极中可能存在两种相态，此时得到的热电势率数据并不能真实代表由液态镓构成的热电偶的热电势率。液态镓构成的热电偶的热电势率将在后文加以介绍。

图12.1　镓铜热电偶的热电势与温差的关系［6］

固、液相的镓与同一种导体构成的热电偶有着截然不同的热电特性，决定了镓作为热电极材料必须区分固、液两种相态，从而分别加以应用。而由于镓过冷度较大（可达100℃左右），一旦熔化后再对其进行冷却，则可能在远低于熔点的温度下才会凝固，而实际凝固温度无法预判，这会导致固态温度范围不易确定，加之其在固态时的热电势率较小，所以液态镓较固态镓更适合用作热电偶的热电极材料。另外，由于铜对镓的耐蚀性较差，多次升降温实验后铜已明显受到液态金属的腐蚀，故铜也不适合用作与镓配对的热电极材料［6］。