Содержание

Как изготовить термопару в домашних условиях?

Изготовление термопары для мультиметра своими руками

Большинство предметов для обогрева и измерения, которые мы применяем в быту, требуют использования особых элементов контроля. Такие контроллеры (термопары) предохраняют приборы от перегрева и поломок. Термопару можно использовать и для небольших домашних измерений, и для лабораторных опытов. Для этого не нужно специально искать ее в магазинах. Можно разобраться в ее устройстве и сделать термопару для мультиметра своими руками.

Описание и характеристики
Принцип работы
Изготовление термодатчика

Описание и характеристики

Термопара — это прибор, состоящий из двух различных проводников, которые соединяются в одной или нескольких точках компенсационными проводами. Когда на одном конце провода происходит измерение температуры, на другом создается напряжение определенного значения и силы. Это устройство используется для контроля температуры, а также для преобразования температуры в электрический ток.

Стоит термодатчик совсем недорого. Этот прибор вполне стандартный и измеряет большой диапазон температур. Единственным минусом в работе элемента является неточность, которая может составлять до 1 °C, а это немало для таких значений.

Сделать термопару в домашних условиях не составит труда. Необходимо только помнить, что эти устройства создаются из специальных сплавов, поэтому прослеживается предсказуемая и стойкая зависимость между напряжением и температурой.

Датчики бывают разных типов. Они классифицируются по типу используемых металлов для сплава:

хромель — алюмелевые;
платинородий — платиновые.

От состава зависит и среда применения, ведь такие контроллеры используют как в науке и промышленности, так и в домашних условиях — для котлов, колонок, духовых шкафов.

Принцип работы

Термопара — это самый популярный термодатчик, который был открыт в 1822 году немецким физиком Томасом Зеебеком. Именно поэтому принцип работы такого элемента часто называют эффектом Зеебека.

В книгах и учебниках этот эффект описывают так: если спаи проводников имеют неидентичные температуры, то между ними образовывается электрическая сила (термоэдс), значение которой пропорционально разности температур спаев.

Здесь нужно подчеркнуть, что принимать во внимание стоит именно разность температур, а не какой-либо показатель вообще. Кроме того, если оба спая имеют равнозначную температуру, то термоэдс в цепи не возникнет.

Перед тем как приступить к изготовлению термодатчика, нужно подготовить все материалы и инструменты. Электроды термопары состоят из разнородных материалов, для выбора которых нужно определиться с типом изделия и сферой использования.

Типы термодатчиков обозначаются буквами латинского алфавита и имеют свои характеристики. Например, популярная модель TYPE K состоит из сплава хромель-алюмель, а диапазон ее измерений — 200−1200 °C. Произведя несложные расчеты, можно говорить о нелинейности (термоэдс -35 — 32 мкВ/°C), в то время как нелинейность характеристики должна быть наименьшей. В этом случае погрешность при измерениях будет совсем небольшой.

Термопара может располагаться на удаленном расстоянии от самого оборудования. Для этого ее подключают с помощью специального кабеля. Сам кабель делают из тех же материалов, что и термопару. Разница только в диаметре.

Изготовление термодатчика

Для изготовления термопары своими руками необходимо приобрести проволоку из подходящих материалов. Здесь важное значение имеет диаметр, так как от него зависит погрешность при измерении температуры. Рекомендуется брать проволоку меньшего диаметра, особенно если исследоваться будут объекты небольших размеров.

Материал зависит от диапазона температур, с которым предполагается работа. Наиболее распространенные варианты: хромель-алюмель, медь-константан. Само изготовление заключается в создании соединения, сплава двух проволок. Зачастую для этого используется какой-то источник напряжения (к примеру, автомобильный аккумулятор или трансформатор).

Дальнейшие этапы работы таковы:

свободные концы скрученной проволоки подключают к одному из полюсов источника напряжения;
вывод подсоединяется к другому из полюсов, который дополнительно соединен еще и с графитным карандашом.

При возникновении электрической дуги возникает соединение проволок термопары. При этом напряжение для соединения проводов подбирается путем эксперимента. Как правило, оптимальное значение 40−50 В, но оно может быть меньше, так как зависит от материалов и длины изделия.

Еще один главный момент — соблюдение техники безопасности. Очень важно не использовать слишком высокое напряжение и не касаться оголенных проводов. Лучше заизолировать их специальной лентой или закрыть керамической трубкой.

Это самый простой и доступный способ изготовления термопары для мультиметра своими руками. Иногда проволоки для термопар спаивают с помощью паяльника. Но тогда придется дополнительно приобрести специальный припой и придерживаться определенных температур в работе.

Простой термометр из самодельной термопары.

Предлагаю всем, кто любит что-то делать своими руками, изготовить для домашней лаборатории простой термометр из самодельной термопары, с верхним пределом измерения температуры до 500-700 градусов о С.

Собственно говоря, весь термометр — это термопара (датчик), и средство отображения температуры (индикатор), в качестве которого можно использовать и стрелочный индикатор (микроамперметр) и цифровой мультиметр.
Начнём с изготовления термопары. Для этого нам понадобятся проволоки из разных металлов. Самые доступные — это проволоки из меди и константана. Термо-ЭДС получаемая из такой пары от пламени зажигалки, около 50-ти милливольт.
Так где же можно найти константан? Очень просто. Константан в основном применяется при изготовлении проволочных резисторов, из которых мы его и будем добывать.

Для этого лучше брать проволочные резисторы бОльшей мощности, или резисторы с меньшим сопротивлением (единицы Ом). В этих резистора проволока диаметром больше. Ну может и можно использовать проволоку и меньшего диаметра, но по моему мнению удобней работать с проволокой диаметром от 0,3 мм, а если из термопар собирать батарею, то желательно брать проволоку 0,8 и выше, чтобы внутреннее сопротивление батареи было меньше.

И так резисторы мы нашли, а что дальше? Дальше нужно аккуратно постукивая по резистору отбить у резистора эмаль, стараясь не повредить константановую проволоку и попытаться её отделить от резистора и смотать. Эту проволоку мы и будем использовать для изготовления термопар.

Изготовление термопары.

Изготовление термопары труда большого не представляет. Для этого берём два отрезка проволоки, добытую ранее константановую и любую медную, желательно близких по диаметру, скручиваем их вместе с одного конца на расстояние 0,5 — 1,0 см. Именно эту скрученную часть проволок мы и будем сваривать.

Сваривать термопары в домашних условиях удобно способом, который был описан ранее вот в этой статье. Для лучшего контакта проволок термопары со сварочным крокодилом, можно обмотать элементы будущей термопары проводом, чуть ниже скрутки, прижать к проводу от трансформатора плоскогубцами, и коснуться самой скрутки угольным электродом. Напряжение для надёжной сварки подобрать опытным путём.

У нас должен получиться на конце скрученных вместе проводов, оплавленный шарик (или подобие его), который и есть термопара.

Скрученные ранее провода нужно будет аккуратно раскрутить до места сварки, это на всякий случай, чтобы исключить их замыкание между собой, и надеть на них изоляционные трубочки, в качестве которых можно использовать фторопластовую оболочку от проводов.

Применение термопары.

Полученные таким способом термопары в пламени обычной зажигалки выдают напряжение, где-то в районе 50-ти милливольт.
Для изготовления термометра у меня были две измерительные головки, микроамперметры на 100 мкА. Одна головка с сопротивлением рамки 370 Ом, вторая (тоже на 100 мкА) с сопротивлением рамки 280 Ом.
Так вот, первая головка отклонялась от пламени зажигалки на всю шкалу, вторая, имеющая меньшее сопротивление рамки, зашкаливала.

То есть получается, что предпочтение нужно отдавать головкам, имеющим меньшее сопротивление рамки, так как термопара вырабатывает напряжение (милливольты) и ток отклонения у головок получается больше, если её активное сопротивление рамки меньше, то есть головка получается более чувствительная.
Нашёл у себя в загашниках головку миллиамперметра на 30 мА, с сопротивлением рамки где-то 1,5 — 1,6 Ом (замерил приблизительно). Каково было удивление, когда стрелка этой головки от термопары и зажигалки отклонилась на всю шкалу.

Ну в принципе так и получается по закону Ома. При 45-50 мВ напряжения и 1,5 Ома нагрузки, ток и будет около 30-ти мА. Да, ещё забыл сказать, что медный провод термопары даёт «плюс», а константановый «минус». Так что к головкам нужно подключать термопару в такой полярности.
Вернёмся к термометру. Как уже было сказано выше, термометр — это термопара и средство индикации. Из двух микроамперметров, о которых говорилось выше, были изготовлены термометры. Из первого микроамперметра, имеющего сопротивление рамки 370 Ом — термометр с верхним пределом измерения температуры 700 градусов о С, из второго с меньшим сопротивлением рамки (280 Ом) — термометр с верхним пределом измерения температуры 550 градусов о С. Так как эта головка оказалась более чувствительная, то и верхний предел температуры ниже.
Да, выше 700 — 800 градусов особого смысла делать термометр нет, так как температура плавления меди и константана где-то в районе 1000 градусов о С.
Калибровать таким способом изготовленные термометры, можно термофеном с индикацией температуры воздуха. Нижний предел лучше начинать от 100 градусов о С. Шкала получается почти линейной. Может чуть сжата в начале шкалы. Максимальная температура воздуха у моего фена 450 градусов о С. Отметки на шкале микроамперметров ставились через 50 градусов. Дальше (выше 450 градусов) пришлось ставить отметки на расстояние, вычисленное по предыдущим меткам на шкале. Точность шкалы для домашней лаборатории будет вполне приемлема.

Подобные термопары можно применять в терморегуляторах для любых паяльников не имеющих термодатчики, термофенов и других радиолюбительских конструкциях.
Попробовал я использовать подобную термопару вместо штатного датчика для термометра от цифрового мультиметра. Результатом более, чем доволен.

При измерениях температуры по нескольким разным точкам, отклонения от показаний индикатора на термофене, различались на плюс-минус несколько градусов. Фотография с другой температурой фена ещё есть в начале этой статьи.

Кому ещё интересно, то можно попробовать собрать термогенератор. То есть соединить последовательно множество термопар и попытаться сделать зарядку для телефона от пламени костра. Соединять термопары между собой тоже нужно сваркой (надёжно).

Для получения напряжения такой батареи в 1,5 вольта, необходимо соединить последовательно 20 термопар. Соответственно при выходном напряжении 5,0 вольт (для зарядки мобильника) нужно соединить последовательно не менее 70-80 термопар.
Кстати раньше выпускался советской промышленностью термогенератор, который использовался для питания батарейных ламповых радиоприёмников. Надевался он на горловину керосиновой лампы и вся эта конструкция подвешивалась в удобном месте. И свет был и радио играло.

Вырабатывал он анодное напряжение и напряжение для накала ламп. Ещё статья, как сделать термогенератор, была опубликована в журнале «Юный техник». Кому интересно, то можете попытаться найти её самостоятельно. Называлась вроде как «Напряжение из двух проволок» или как-то похоже. Могу найти её, вернее найду и потом в комментариях укажу номер ЮТ, где была эта публикация.

Да, ещё в качестве положительного электрода, вместо медной проволоки можно (даже желательно) использовать стальную проволоку. Термо-ЭДС такой пары должна даже быть выше, чем с медной. Лично я не пробовал, не оказалось в этот момент под руками стальной проволоки.
Попробуйте сами.
Удачи Вам в творчестве!

Термопары газовых котлов: конструкция, диагностика и замена в домашних условиях

Термоэлектрические датчики – термопары – применяются сугубо в газовых котлах и водогрейных колонках, оснащенных энергонезависимой автоматикой безопасности. Задача элемента – отслеживать наличие пламени горелки, непрерывно подавая напряжение на электромагнитный клапан управляющего блока SIT 630 (или подобного). Наша цель – рассказать, что такое термопара, как она работает и меняется в случае неисправности.

1 Устройство термоэлектрического датчика пламени
2 Принцип действия в составе котла
3 Отличия от датчика температуры
4 Как проверить и заменить термопару
5 Заключение

Устройство термоэлектрического датчика пламени

Термопара – это элемент безопасности газового котла, вырабатывающий напряжение при нагреве и поддерживающий клапан подачи топлива в открытом состоянии, пока горит запальник. Изображенный на фото датчик действует автономно, без подключения внешнего источника электропитания. Сфера применения термопар – газоиспользующие энергонезависимые установки: печи, кухонные домашние плиты и водонагреватели.

Поясним принцип работы термопары для котла, основанный на эффекте Зеебека. Если спаять или сварить концы 2 проводников из разных металлов, то при нагреве этой точки в цепи вырабатывается электродвижущая сила (ЭДС). Разница потенциалов зависит от температуры спая и материала проводников, обычно лежит в пределах 20…50 милливольт (на бытовой технике).

Датчик состоит из следующих деталей (устройство показано ниже на схеме):

термоэлектрод с «горячим» спаем из двух разнородных сплавов, прикрученный гайкой к монтажной пластине рядом с пилотной горелкой котла;
удлинитель – проводник, заключенный внутрь медной трубки, одновременно играющей роль минусового контакта;
плюсовая клемма с диэлектрической шайбой, вставляемая в гнездо автоматического газового клапана и фиксируемая гайкой;
существуют разновидности термопар, подсоединяемые к автоматике с помощью обычных винтовых клемм.

В данной модели нагреваемый электрод крепится к пластине котла без гайки — вставляется в специальный паз

Примечание. Медная трубка нужна для защиты плюсового проводника от внешних наводок, создаваемых домовой сетью 220 В и другими электроприборами. Вспомните: минимальная величина напряжения термопары составляет всего 20 мВ.

Для изготовления электродов, вырабатывающих ЭДС, используются специальные металлические сплавы. Самые распространенные термические пары:

хромель – алюмель (тип K по европейской классификации, обозначение – ТХА);
хромель – копель (тип L, аббревиатура – ТХК);
хромель – константан (тип E, обозначается ТХКн).

Принцип действия термической пары из двух различных сплавов

Справка. Алюмель – это сплав никеля с алюминием, марганцем и кремнием. Состав хромеля – 90% никеля, 10% хрома. Копель тоже включает никель, соединенный с медью и кремнием.

Применение сплавов в конструкции термопар обусловлено лучшей генерацией тока. Если сделать термическую пару из чистых металлов, напряжение на выходе будет слишком малым. В большинстве теплогенераторов, эксплуатируемых в частных домах, установлены датчики ТХА (хромель – алюмель). Больше об устройстве термопар смотрите на видео:

Принцип действия в составе котла

Схема подключения термоэлектрического датчика в различных газоиспользующих приборах примерно одинакова. Измерительный электрод находится в зоне действия фитиля либо основной горелки, проводник присоединен к электромагниту, открывающему подачу газа.

Справочная информация. В турбированных и атмосферных теплогенераторах, подключаемых к домовой электросети, вместо термопары может применяться фотоэлектрический датчик. Он регистрирует наличие огня без непосредственного нагрева.

Как работает термопара на напольных котлах типа АОГВ и аналогичных аппаратах:

Пользователь одной рукой нажимает кнопку и принудительно открывает электромагнитный клапан подачи газа.
Второй рукой домовладелец включает пьезорозжиг, удерживая первую клавишу. Вспыхивает запальник.
Согласно инструкции по эксплуатации, кнопку необходимо держать 5—30 секунд (зависит от модели агрегата), в течение которых фитиль прогревает измерительный электрод.
В цепи электромагнита возникает постоянный ток, идущий от термоэлектродов. Пользователь отпускает клавишу, но подача топлива не прекращается – теперь клапан удерживает напряжение термопары.

Если в силу разных причин огонь потухнет, нагрев термоэлемента закончится, ЭДС исчезнет. Электромагнит отключится, пружина захлопнет клапан и перекроет путь топливу.

Справка. Газовые водогрейные установки, не зависящие от электроэнергии, комплектуются автоматикой различных производителей – EuroSIT, Жуковского завода, «Арбат», «Орион» и так далее. Термопара везде работает по одинаковому принципу – пока электрод греется пламенем, подача газа будет открыта.

Отличия от датчика температуры

Помимо термопары, к автоматическому топливному клапану котла подключается термобаллон, отвечающий за отключение основной горелки при достижении заданной температуры теплоносителя. Внешне колбы элементов и медные соединительные трубки немного похожи. Несведущий домовладелец может запросто перепутать эти датчики.

Перечислим основные отличия температурного измерителя от термопары:

конструкция датчика – цилиндрический сильфон, сделанный в виде колбы из меди с запаянным концом;
термобаллон подключается к газовой автоматике более тонкой капиллярной трубкой, нежели электрогенерирующий датчик;
сама термочувствительная колба устанавливается внутрь погружной гильзы либо прячется под обшивкой возле водяной рубашки, а не крепится около запальника;
измеритель температуры не отсоединяется от автоматики вовсе либо отличается размером крепежной гайки.

Примечание. Термобаллон действует по другому принципу: при нагреве внутри колбы расширяется специальная жидкость. Давление по капилляру передается клапану автоматики, отключающему основную горелку. Пламя запальника не затухает.

Как проверить и заменить термопару

Главный признак неисправности датчика пламени — фитиль тухнет одновременно с отпусканием кнопки. Иногда неполадка проявляется иначе – огонек на запальнике остается, но после розжига основной горелки подача горючего снова перекрывается и котел гаснет полностью. Причины таких проблем:

термический электрод покрылся сажей и плохо прогревается, отчего напряжение в цепи падает ниже минимума;
прогар корпуса измерителя;
нарушение контакта в точке «горячего» спая;
открутилась гайка крепления, рабочий стержень перекосился и плохо прогревается запальником;
пришел в негодность датчик тяги либо случился обрыв его электрической цепи.

Нагреваемый запальником электрод нужно периодически чистить от нагара. Проблема в том, что загрязнение детали плохо видно снаружи, приходится снимать планку либо всю панель с горелкой

Уточнение. Неисправность датчика тяги вызывает аналогичные симптомы, поскольку этот «концевик» включен последовательно с термопарой (в разрыв цепи). Чтобы исключить влияние датчика, временно замкните его провода.

Для диагностики понадобится мультиметр либо другой прибор, способный измерять низкое напряжение (до 100 мВ). Как выполняется проверка:

Закройте подачу газа к теплогенератору либо проточному водонагревателю краном, расположенным на подводящей трубе. Снимите кожух или переднюю панель агрегата.
Пользуясь рожковыми ключами, открутите гайки крепления термоэлектрода и соединительной трубки. Снимите датчик пламени.
Внимательно осмотрите рабочий электрод, очистите его от сажи кистью и ветошью. Если при визуальной проверке обнаружены прогары, термопара безоговорочно подлежит замене.
Переместившись на кухню, зажгите горелку газовой плиты. Подсоедините зажимы мультиметра к центральному контакту и медной трубке. Выставьте низший предел измерения – 0.1 либо 1 В.
Нагревайте термоэлемент конфоркой газовой плиты, наблюдая за показаниями вольтметра.

Главное условие: исправная термопара для котла должна выдавать напряжение не менее 0.02 вольта. Если прибор показывает нули, напряжение скачет или не превышает 20 мВ, элемент нужно поменять. Современные датчики не подлежат ремонту путем перепайки.

Совет. Покупая новую термопару, всегда ориентируйтесь по марке и конкретной модели котла, дабы не запутаться в маркировках и обозначениях.

Если вам не хочется раньше времени снимать элемент, диагностику можно произвести прямо на котле. Открутив гайку, отсоедините трубку термопары от автоматики и подключите мультиметр, как описывалось выше. Удерживая клавишу, разожгите запальник и снимайте показания прибора. Недостаток метода: невозможность визуального осмотра и чистки электрода от сажи.

Устанавливая новую термопару в газовый котел, настройте положение нагреваемого стержня. В идеале электрод стоит горизонтально, не отклоняется вверх или вниз и хорошо омывается пламенем фитиля.

Заключение

Зная устройство термопары котла и способы ее проверки, несложно выявить проблему, как и заменить датчик в домашних условиях. Здесь важно отсечь другие неисправности – поломку датчика тяги либо катушки электромагнита. Последняя неполадка характерна для отечественных моделей автоматики – «Арбат», ЖМЗ и так далее. Как сделать ремонт подручными средствами, смотрите в последнем видео:

Термоэлектрический генератор своими руками: схемы, проекты, принцип работы и сборка самодельного устройства (155 фото и видео)

Большинство начинающих электриков интересуется о возможности создания не затратного и автономного источника электроэнергии. Зачастую, например, выехав на пикник, рыбалку либо просто отдохнуть на свежем воздухе, критически не хватает электричества для зарядки какого-либо прибора или освещения в темное время суток.

В таких случаях может помочь самостоятельно сделанный термоэлектрический генератор, для дома такой прибор не подойдет, если только в крайних случаях.

При помощи его можно вырабатывать электрического напряжение до пяти вольт, этого будет достаточно для зарядки гаджетов и подключения лампочки.

Для визуального ознакомления с ТЭГ нужно лишь посмотреть в любых источниках фото термоэлектрического генератора.

Краткое содержимое статьи:

Что такое ТЭГ

Данное устройство, дает возможность выработать электроэнергию из энергии тепла.

Нужно пояснить, что выражение «Тепловая энергия» не совсем правильное, так как тепло, это метод отдачи, не являющийся отдельным типом энергии. Этим определением обозначают общую кинетику структурных элементов:

молекул;
атомов;
иных частиц, которые входят в состав вещества.

Отличие ТЭГ от ТЭС

На ТЭС применяют топливо для выделения из жидкости пара, вращающий турбину электрогенератора.

С помощью теплоэлектрического генератора электроэнергия генерируется без посреднических преобразований.

Принцип работы

В девятнадцатом веке одним ученым обнаружилось возникновение электродвижущей силы в замкнутой цепи, при изменениях температуры в среде контактировании сурьмы с проводником.

Нагревая один из контактов, возникает магнитное поле, что вызывает ЭДС. При нагревании второго контакта, поток ЭДС противоположно изменяется.

Разорвав цепь, фиксируется противоположность потенциалов на ее краях. Это и является основным принципом работы термоэлектрических генераторов.

Спустя двенадцать 12 лет другой физик выявил противоположный эффект. Пропустив ток по цепи термопары, в контактах создается перепады температур.

В принципе эти оба эффекта разные стороны одного и того же явления, дающего возможность непосредственно получить электричество из тепла.

Перспективы

В данное время продолжают ставить опыты, подбирая оптимальные термопары, позволяющие повысить коэффициент полезного действия.

Большая вероятность того, что скоро разработки усовершенствования доброкачественности термических элементов, обретут высший статус производства материала для повышения взаимодействия термопар, с применением высоких технологий:

нанотехнологий;
ям квантования и т.п.

Вполне возможен вариант изобретения совсем другого принципа, с применением нестандартных материалов.

Были попытки соединения микроскопических проводников из золота искусственно синтезированной молекулой. Этот опыт в дальнейшем вполне может добиться успеха.

Сфера применения и виды

Учитывая низкий коэффициент полезного действия для теплоэлектрического генератора существуют два обстоятельства его использования:

там, где отсутствуют иные источники электрической энергии;
в местах, обладающими избытком тепла.

Как сделать собственноручно

Далее вкратце повествуем, как сделать генератор своими руками, который можно использовать в природных условиях или обесточенных местах.

Конечно, мощность этих приборов не сравнится с радиоизотопным экземпляром, но из-за трудной доступности плутония и его вредным качествам для человеческого организма, приходится радоваться и этому.

Потребуется элемент термоэлектричества. Лучше их использовать не в единственном экземпляре, подключив параллельно, это увеличит мощность.

Однако есть большая проблема, необходимо подбирать элементы с похожими параметрами, что достаточно затруднительно либо дорого обходится, легче приобрести готовый прибор.

Используя один элемент, мощности может не хватить даже зарядить самый простой гаджет.

Еще нужен будет корпус из металла, к примеру, бывшего в употреблении и уже ненужного блока питания от персонального компьютера и элемент охлаждения процессора.

Главные нюансы сборки

Изначально нужно нанести на основание термопасту там, где предназначена фиксация основного элемента, прислонить его и прижать охлаждающей деталью. В итоге получается конструктивное изделие.

Сухой спирт, пожалуй, станет лучшим топливом для этого приспособления. Далее нужно подсоединить к сделанному прибору устройство стабилизирующие напряжение.

Схему возможно посмотреть на сайтах в интернете либо в иных источниках предлагающих эту тему.

Изделие готово, теперь осталось только произвести испытание.

Заключение

В заключении можно сказать, что изготовление данного устройства лучше доверить специалистам либо приобрести его. Попытка создать его самостоятельно может привести к неудаче.

Фото термоэлектрического генератора своими руками

Термопары: устройство и принцип работы простым языком

Что такое термопары

Термопарой, или термоэлектрическим преобразователем, называют устройство для измерения температуры, основой работы которого является термоэлектрический эффект.

В бытовых целях используются в различных приборах, в самых простых и технически сложных: от утюгов, паяльников, холодильников до автомобилей и отопительных котлов. Благодаря большому диапазону измеряемых температур (от -250 о С до +2500 о С) широкое применение термопары нашли в промышленности, коммунальном хозяйстве, науке и медицине. Также термоэлектрические преобразователи работают как часть систем автоматики и управления, снимая и передавая данные об изменениях температуры. Такие датчики отличаются надежностью, невысокой стоимостью, необходимой точностью и низкой инертностью.

Работа термопары основана на свойстве изменения термо-ЭДС (термоэлектродвижущей силы) от повышения или уменьшения температуры. Точность показаний зависит от типа конструкции, соблюдения технологических требований, схемы подключения проводников.

Конструкция термоэлектрического преобразователя обусловлена тепловой инерцией и чувствительностью используемых элементов, условиями применения: диапазоном температур, агрессивностью и агрегатным состоянием среды, необходимостью использовать защиту.

Принцип работы термопары

Принцип действия термопары — термоэлектрический эффект, или эффект Зеебека. Явление это было открыто ученым в 1821 году и состоит в следующем:

в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), если места их соединения, или спаи, поддерживать при разной температуре. Эффект не возникает в случае использования однородных материалов, а также при одинаковых температурах спаев. Величина термоэлектродвижущей силы зависит от материала проводников и разницы температур контактов, направление тока в контуре — от того, температура какого спая выше.

На практике в термопаре используют проводники из разных сплавов, они также называются термоэлектродами. Один спай, «горячий», выполняют сваркой или скручиванием и помещают в среду с измеряемой температурой; другой, «холодный», замыкается на контакты измерительного прибора или соединяется с устройством автоматического управления. В современных сложных термопарах используются цифровые преобразователи сигнала.

Термо-ЭДС возникает за счет разницы потенциалов между соединениями проводников при интенсивном нагреве или охлаждении горячего спая. Напряжение на холодном спае пропорционально зависит от температуры на горячем. При этом температура на холодном должна быть постоянной, иначе возникает большая погрешность измерений. Для высокой точности холодный контакт помещается в специальные камеры, где температура поддерживается на одном уровне.

Применение термопар и их особенности

Область применения термопар огромна, в первую очередь, благодаря широкому измерительному диапазону температур: от сверхнизких до экстремально высоких. Широкое распространение эти устройства получили также из-за стабильности и точности измерений. Их используют в бытовых и промышленных приборах, производственных технологиях для измерения температуры различных устройств, объектов и сред: воздуха, твердых тел, расплавленного металла, жидкостей и газов, вращающихся деталей, тепловых двигателей.

Как датчики температур термоэлектрические преобразователи применяют в автоматизированных системах управления. В газовом оборудовании (котлы, плиты, колонки) с помощью термопар осуществляют термоконтроль. По данным термопары срабатывает аварийное отключение приборов, если превышена допустимая температура.

От назначения термопары зависит ее конструкция и материалы проводников: различные комбинации металлов предназначены для различных сред и диапазонов температур.

Рабочие элементы для защиты от воздействия внешних факторов могут помещаться в колбу, или чехол: например, защитный материал для термопары в газовом котле — нержавеющая или обычная сталь. При температурах до 1000-1100 о С применяют жаростойкие сплавы, при более высоких — фарфор, тугоплавкие сплавы. Для измерений в особых условиях среды, к примеру, при высоком давлении, требуется герметичность термопары.

Если среда измерения не оказывает вредного влияния на проводники, защиту не используют. Бескорпусный вариант с незакрытым местом соединения двух проводников отличается низкой инертностью и практически мгновенным измерением температуры.

В зависимости от количества мест измерения термопары могут быть одноточечные и многоточечные. Соответственно, длина рабочей части термопары колеблется от 120 мм до 20000 мм. Потребность во многих точках измерения (до нескольких десятков) возникает, в частности, в химической и нефтехимической промышленности для тех емкостей, где перерабатываются жидкости (реакторов, баков, колонн фракционирования).

Классификация термопар

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках, поэтому металлы термоэлектродов должны отличаться по химическим и физическим характеристикам. Для применения в термопарах используются различные сплавы цветных и благородных металлов.

Благородные металлы позволяют существенно повысить точность измерений, сказывается меньшая термоэлектрическая неоднородность и стойкость к окислению. Они используются для измерений до 1900 о С, при более высоких температурах необходимы специальные жаростойкие сплавы. Неблагородные металлы применяются до 1400 о С.

Все материалы проводников обладают различной плавкостью, стойкостью к окислению, диапазоном рабочих температур. Именно в указанном производителем интервале температур возможна качественная работа устройства и точные данные измерений.

Для классификации групп термопар по российскому ГОСТу используют три кириллические буквы, международная классификация подразумевает обозначение одной буквой латиницы: например, нихросил-нисиловая термопара имеет обозначение ТНН, или N; платинородий-платинородиевая — ТПР, тип В.

Другая классификация термопар учитывает типы спаев, которые могут быть использованы:

одноэлементные и двухэлементные;
изолированные и соединенные с корпусом;
заземленные и незаземленные.

Инерционность термопары снижается при заземлении на корпус, а это увеличивает быстродействие и точность измерений. Также для уменьшения инерционности в некоторых устройствах спай оставляют снаружи защитного корпуса.

Хромель+алюмель ТХА (тип K)

Существует множество типов термопар, хромель-алюмель — одна из самых распространенных.

Состав сплава хромель:

90% никеля
10% хрома

Состав сплава алюмель:

95% никеля
2% алюминия
2% никеля
1% кремния

Возможность работы с линейной характеристикой в пределах температур от -200 о С до +1300 о С, подходит для нейтральных и окислительных сред, имеет невысокую стоимость. В восстановительной среде требуется защитный корпус. Диапазон рабочих температур зависит от диаметра электродов, может применяться при реакторном облучении.

Отличается высокой чувствительностью (примерно 41 мВ/ о С) и регистрирует даже небольшие изменения температуры, очень широко применяется во многих областях.

Недостатки и особенности. Никель имеет магнитные свойства, что вызывает изменение выходного сигнала при температурах 350 о С. В серной среде возможен преждевременный отказ, при определенных низких концентрациях кислорода работа также нарушается.

Железо+константан ТЖК (Тип J)

Надежная и недорогая термопара для промышленности и науки.

Константан обычно состоит из :

Применяется в более узком диапазоне температур по сравнению с хромель-алюмелем: -200 — +1100 о С, при этом выше чувствительность: 50-60 мкВ/ о С.

Хорошо подходит для вакуумной среды, измерения проводятся также в окислительных, восстановительных, нейтральных средах. Температура длительного воздействия — до +750 о С, кратковременного — до +1100 о С.

Нельзя постоянно применять при отрицательных температурах из-за коррозии на металлическом выводе, окислительные среды сокращают срок действия. При высоких положительных температурах негативно влияет сера.

Хромель+копель ТХК (тип L).

Копель изготавливается примерно в таких пропорциях:

медь 56%
никель 43%
марганец 1%.

В основном используется для пирометрических измерений различных сред при рабочих температурах 200-600 о С, в промышленных и лабораторных установках. Максимальный диапазон измеряемых температур: от -250 о С до +1100 о С при кратковременном воздействии.

Одна из самых высокочувствительных термопар — до 80 мкВ/ о С.

Чувствительна к деформации, очень хрупкая.

Преимущества и недостатки термопар

Термопары имеют давнюю историю эксплуатации и широко применяются благодаря следующим преимуществам:

Способности работать в агрессивных средах и экстремальных температурах от -250 о С до +2500 о С.
Невысокой цены для большинства моделей. Стоимость увеличивается для приборов с благородными металлами, защитными элементами, дополнительными соединениями и разъемами.
Проверенной десятилетиями надежности и неприхотливости.
Точности измерений. Погрешность составляет до 1-2 о С в стандартных приборах, что по большей части достаточно для промышленных и бытовых нужд. Более высокоточные приборы имеют показатель 0,01 о С.
Простой технологии изготовления и обслуживания.

К недостаткам термопар можно отнести:

необходимость применения высокочувствительных приборов для снятия результатов измерений;
малая величина токов требует экранирующей защиты проводов для уменьшения наводки;
ухудшение показателей при длительном использовании в условиях перепадов температур;
для точных измерений требуется градуировка каждого прибора на заводе-изготовителе;
появление нелинейной зависимости термо-ЭДС от нагревания, если превышаются рабочие ограничения.

В целом, возможные сложности в работе с термопарами хорошо изучены и имеют различные способы решения. Благодаря надежности, точности, широкому рабочему диапазону температур устройства очень распространены. Применение определяется их техническими характеристиками и особенностями, а для некоторых систем термопары — единственно возможный вариант. Существующая классификация, а также многочисленные исследования и опыт эксплуатации дают обширную информацию о различных типах устройств, что облегчает их выбор и использование.

Какой тип термопар выбрать

В промышленном оборудовании термопары используются крайне часто для более точного контроля этапов производства товара. В то время пока вы рассматриваете какую термопару выбрать, рекомендуем заострить свое внимание на следующих характеристиках:

Диапазон измерения температур
Устойчивость к химическим средам
Стойкость к вибрации и механическим воздействиям
Совместимость с используемым оборудованием

Как подобрать тип спая термопары

У термопар имеется три типа спая: изолированный, неизолированный или открытый.

На конце датчика с неизолированным переходом провода термопары прикреплены к стенке датчика с внутренней стороны. Благодаря этому достигается отличная теплопередача снаружи через стенку оболочки к спаю термопары. В изолированном типе спай термопары отделен от стенки оболочки. Время отклика меньше, чем у неизолированного типа, но изолированный обеспечивает изоляцию от электричества.

Термопара в стиле открытого спая выступает из конца оболочки и подвержена воздействию среды которая ее окружает. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его можно эксплуатировать только для некоррозионных и негерметичных случаев.

Неизолированный спай используют для замера температур агрессивных сред, или же для областей применения где характерно высокое давление. Спай неизолированной термопары приварен к защитной оболочке, благодаря чему достигается более быстрый отклик, чем при эксплуатации спая изолированного типа.

Изолированный спай отлично себя показывает в измерениях температур в агрессивных средах, где рекомендуется иметь термопару, которая электрически изолирована от оболочки и экранированную ею. Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (оксид магния).

Открытый переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур некоррозионных газов, где понадобится быстрое время отклика. Соединение выходит за пределы защитной оболочки из металла, в следствии чего получается более точный и быстрый отклик. Изоляция оболочки герметична в соединительных местах, благодаря чему исключается любое проникновение влаги или газа, которое могло бы привести к ошибкам.

Как сделать термометр своими руками?

Принцип работы
Необходимые инструменты и материалы
Особенности изготовления

Термометр – предмет, который присутствует практически в каждом доме. Он всегда нужен и полезен, ведь глядя на его шкалу, можно узнать, какова настоящая температура воздуха за окном. Основной процент людей покупает эту деталь в специализированных магазинах, но на самом деле хороший термометр вполне возможно соорудить своими руками. В этой статье мы узнаем, как это можно сделать правильно.

Принцип работы

Прежде чем спешить самостоятельно изготавливать хороший термометр, важно разобраться в принципе его работы. Также важно знать схему будущего изделия и разобраться во всех схемах, которые будут присутствовать в нем. В наше время многие люди выбирают электронные устройства, различающиеся и по форме, и по размерам. Рассмотрим принцип действия современных термометров на примере этих устройств.

Параметры производительности материала напрямую зависят от температуры окружающей среды. Отталкиваясь от этого, проектируется сама электронная схема будущего термометра. Обычно в его устройстве имеет место термопара. Это такой электронный прибор, который состоит из 2 металлов, которые были сварены друг с другом. На их поверхности присутствует специальная контактная площадка, подключенная к измерительной схеме. В условиях нагрева или охлаждения контактов образуется термоэлектродвижущая сила. Ее появление и изменения держатся под контролем и регистрируются платой электроники устройства.

В новых усовершенствованных устройствах вместо обычного термочувствительного составного элемента применяется диод кремниевого типа.

Полупроводниковый радиоэлемент отличает зависимость вольтамперной характеристики от воздействия температурных значений. Проще говоря, при условии прямого запуска значение падения напряжения на переходе меняется исходя из уровня нагрева полупроводниковой детали.

Все данные, что были обработаны подобным термометром, в итоге выводятся на дисплей. Таким образом пользователь может узнавать всю нужную ему информацию о температуре. Современные цифровые модели градусников дают возможность фиксировать температурные изменения в диапазоне от -50 до 100 градусов Цельсия.

Необходимые инструменты и материалы

Если вы решили самостоятельно изготовить термометр, то вам стоит подготовить все необходимые для того материалы и инструменты. Изготавливать термометры можно разными способами и из разных материалов – как из дешевых и доступных, так и дорогих. Рассмотрим, что может понадобиться для создания такого полезного предмета:

линейка;
маркер с тонким стержнем;
обычный покупной термометр (будет нужен для калибровки самодельного изделия);
пластиковая бутылка (если термометр делается из нее);
тонкая стеклянная или пластиковая трубка;
скотч;
специальная плата (если планируется изготовление более сложного электронного термометра);
светлый картон или полукартон (из него тоже можно изготовить термометр);
толстые белые или красные нитки;
игла с крупным ушком;
карандаш.

Конкретный список необходимых составляющих будет напрямую зависеть от того, какой именно термометр вы хотите изготовить.

Все необходимые составляющие желательно заготовить заранее перед началом всех работ, чтобы в нужный момент не пришлось искать необходимое приспособление (особенно если оно маленькое) по всему дому, теряя время.

Особенности изготовления

Сделать термометр своими руками можно разными способами. Возможно сделать самое простое устройство, для которого не требуются специальные запчасти и детали, а есть такие самодельные варианты, сделать которые будет довольно трудно. Рассмотрим, как надо правильно сооружать термометры своими руками на примере нескольких популярных моделей.

Из вольтметра

Термометр подобного вида можно изготовить самостоятельно. Но сперва необходимо соорудить приставку к мультиметру для измерения температурных значений, используя 2 основные детали:

подстроечного резистора;
LM 35.

Попутно вольтметр надо переделать в термометр. LM 35 представляет собой интегральный датчик температуры, рассчитанный на широкий диапазон температурных значений.

Его отличает высокая точность и калиброванный выход по напряжению. Указанный датчик призван измерять температуру от -55 до +110 градусов Цельсия (при этом имеет место коэффициент 10 мВ/С). Здесь потребляемый ток составляет меньше 60 мкА. Подобная деталь также используется в автомобильных бортовых компьютерах «Мультитроникс». Здесь они также применяются с целью измерения температурных показателей.

Следует тщательно распаять схему на макете и там же хорошо зафиксировать источник питания (для этого вполне подойдет батарейка не менее 3 вольт). Далее можно произвести подключение к тестеру. Надо при помощи подстроечника настроить температуру, опираясь на показания другого термометра и на этом устройство будет готово!

Из пластиковой бутылки

Если хочется изготовить своими руками более простой вариант термометра, то можно обойтись и использованием пластиковой бутылки. Разберем пошагово, как в домашних условиях соорудить такую любопытную вещицу.

В пластиковую бутылку надо влить воду и медицинский спирт. Соотношение компонентов должно быть 1: 1.
В полученный состав понадобится капнуть пару капелек пищевого красителя. Удобнее всего вносить этот компонент, используя пипетку.
Красящий компонент будет нужен для того, чтобы можно было следить за температурными изменениями.
Далее в бутыль надо вставить пластиковую трубочку (подойдет и стеклянная). Ее необходимо вставлять с максимальной осторожностью, чтобы не вылилась вода.
Теперь понадобится аккуратно приподнять верхнюю половинку трубки над горлышком, чтоб она выдавалась примерно на 10 см. Другой конец трубочки должен соприкасаться с дном резервуара.
Правильно поставьте трубочку и зафиксируйте ее, используя специальную формовочную глину (подойдет пластилин).
Позаботьтесь о плотной закупорке, чтобы из емкости жидкость не вытекла ни при каких обстоятельствах.
Сбоку к трубке прикрепите полосочку, заготовленную из белой толстой бумаги. Ее понадобится зафиксировать с тыльной стороны, используя скотч.
Бумага пригодится для того, чтобы можно было держать под контролем уровень жидкой смеси в бутылке. В дальнейшем на указанную деталь можно будет наносить метки.
Раствор для измерения понадобится долить в трубку, также используя пипетку.
Добейтесь того, чтобы жидкий состав в трубке поднимался на примерную высоту в 5 см над горлом бутылки.
Теперь в трубочку понадобится внести каплю растительного масла.

Собрав такой термометр, его работу надо проверить. По очереди опускайте бутылку с трубочкой в резервуары с горячей и холодной водой.

Когда прибор окажется в холодной жидкости, уровень раствора в трубке должен спуститься вниз, а когда он окажется в горячей воде, уровень повысится.

С выносным датчиком

Это сложный вариант самодельного термометра. Устройства, работающие на специальной термопаре и микроконтроллере, в изготовлении могут оказаться не самыми понятными, поэтому приступать к их самостоятельному изготовлению лучше людям, которые будут точно знать, что делают и с чем работают.

Для сооружения такого прибора будут нужны:

термический датчик (подойдет Dallas SD1820);
2 диода Шоттки;
стабилитроны на 3,9 V, 6,2 V и 5,6V;
1 диод 1N4148;
1 конденсатор 10мкФ на 16V;
1 резистор 1,5 кОм 0,25 Вт;
корпус для разъема;
9-контактный разъем СОМ-порта типа «мама».

При определенном опыте и умениях можно смонтировать все элементы прямо на разъеме – это очень удобно.

В результате получится интересная модель термометра, которая будет работать в диапазоне температур от -55 до +125 градусов Цельсия. Погрешности здесь будут небольшими.

Готовому устройству потребуется правильная калибровка сенсоров. После этого нужно лишь подключить датчик к порту компьютера. Далее понадобится соответствующая программа измерения температуры. Для этого подойдет Temp. Keeper.

Из картона

Как ни странно, термометр можно изготовить из самых простых и доступных материалов, например, из картона. Подобный способ изготовления устройства максимально прост и доступен каждому. Разумеется, такие «устройства» чаще всего делаются для детей или детьми. Рассмотрим пошагово, как можно изготовить такой игрушечный или шуточный термометр своими руками.

На листе плотного картона понадобится нарисовать форму, повторяющую настоящий медицинский градусник (его можно использовать, чтобы срисовать контуры, если важна точность зарисовки).
Далее понадобится обязательно нанести шкалу со всеми соответствующими показателями.
В нижний участок нанесенных градусов надо вставить нитку красного цвета, а в верхний участок понадобится вставить белую нить. Надо скрепить эти детали и аккуратно отрезать все лишнее.

Самодельные картонные градусники благотворно влияют на умственное развитие ребенка. Желательно изготавливать подобную поделку в компании с малышом, привлекая его к процессу.

Как собрать термометр из вольтметра и термопары, смотрите далее.