Размещено на http://www.allbest.ru/

«Энергия своими руками»

Кострома 2020 г



Введение

Во многих технологических процессах одной из наиважнейших физических величин является температура. В промышленности для ее измерения применяют датчики температуры. Данные датчики преобразуют информацию о температуре в электрический сигнал, который затем обрабатывается и интерпретируется электроникой и автоматикой. В результате значение температуры либо просто отображается на дисплее, либо служит основанием для автоматического изменения режима работы того или иного оборудования.

Так или иначе, без датчиков температуры сегодня не обойтись, особенно в промышленности. И важно правильно выбрать датчик для своей цели, четко понимая отличительные особенности различных типов температурных датчиков.

В представленной проектной работе будет исследован один из видов температурных датчиков - термопара.

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что термопара - это прибор простой в обслуживании, имеющий высокую точность измерений, сравнительно дешёвый, применяемый на производстве, в лабораторных и научных исследованиях, медицине, а также в бытовых условиях.

Таким образом, целью проекта стало исследование устройства термопары, принципа её работы, а также создание нескольких термопар в домашних условиях из разных материалов.

Были выдвинуты следующие задачи для достижения поставленной цели: термопар зеебек электрод аккумулятор

1. Изучить информацию по теме исследования.

2. Изготовить термопары в домашних условиях.

3. Провести эксперимент в виде мини-проекта.

4. Провести социальный опрос, среди учащихся школы.

5. Анализ полученных результатов.

6. Выбрать наилучший вариант термопары для использования в домашних условиях.

Гипотеза: в домашних условиях можно создать термопару, использовать её для измерения температур, генерации электроэнергии.



1. Теоретическая часть

Термоэлектрический эффект впервые был открыт и описан немецким учёным Томасом Зеебеком в 1822 г, назван его именем.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах.

Термо-ЭДС - электродвижущая сила напряжения, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры.

Следствием возникновения термо-ЭДС в замкнутом контуре становится электрический ток.

При наличии в проводнике градиента температур по всей длине наблюдается явление, при котором электроны на нагретом конце имеют на порядок большие скорости и энергии, чем в не нагретом. Вследствие этого появляются электроны, которые направляются к холодному концу. Именно на нем скапливается минусовой заряд. На нагретом же конце происходит накапливание положительного заряда.

Накопление заряда наблюдается до того момента, пока потенциальное отличие не достигнет показателя, при котором электроны не начнут течь обратно, вследствие чего потенциал придет в равновесие.

С помощью эффекта Зеебека, кроме температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: электрического тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д.

Сферы применения эффекта Зеебека

· Энергообеспечение космической техники.

· Питание газо- и нефте- оборудования.

· Бытовые генераторы.

· Системы морской навигации.

· Отопительные системы.

· Эксплуатация отводимого автомобильного тепла.

· Преобразователи солнечной энергии.

· Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Термоэлектримческие материамлы (ТЭМ) -- сплавы металлов или химические соединения, обладающие выраженными термоэлектрическими свойствами и применяемые в той или иной степени в современной промышленности.

Основные варианты использования ТЭМ в том числе для конструирования:

· Термоэлектрических генераторов;

· Термоэлектрических холодильников;

· Измерителей температур (в диапазоне от абсолютного нуля до тысяч градусов по Кельвину).

Если для формирования цепи использовались всего два различных проводника, то эта комбинация носит название термоэлемента или термопары.

Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры.

Они представляют собой термочувствительные элементы в устройствах для измерения температуры.

Термопара состоит из двух проволок, изготовленных из разных металлов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, пайки или сварки. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется холодный спай. Для точности измерений, температура холодного спая должна быть неизменной.

Существуют две схемы включения термопары в измерительную цепь: 1) измерительный прибор подключается с помощью соединительных проводов в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 1, а) или 2) измерительный прибор подключается к концам двух термоэлектродов (рис. 1, б).

Рис. 1.

Схемы включения термопары в измерительную цепь с подключением измерительного прибора в разрыв одного из термоэлектродов (а) и к концам двух термоэлектродов (б): 1 - измерительный прибор; 2 - соединительные провода; М1, М2 - термоэлектроды; Т_А, Т_В - температуры соответственно «горячего» и «холодного» контактов термопары

Типы термопар

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов.



При подключении термопары к электрической цепи должна соблюдаться полярность проводов.

Положительные провода должны быть соединены вместе и подсоединены к положительному выводу цепи, а минусовые к минусовому.

По цвету изоляции на проводах можно определить их полярность.

Преимущества термопар:

· высокая точность измерений.

· достаточно широкий температурный диапазон.

· высокая надёжность.

· простота в обслуживании.

· дешевизна.

Недостатки термопар:

· необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

· материал электродов не является химически инертным, и при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

· возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

· на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

· когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Термопары предназначены для измерения температуры на производстве, в лабораторных и научных исследованиях, медицине, а также в бытовых условиях.

Конкретные примеры:

· Функция газ-контроля в газовой плите.

· В биологии и медицине часто применяют термопары при измерении температур животных и растительных тканей, вводя в них термопару в виде иглы, а также при измерении температуры поверхности кожи.

2. Практическая часть

Мной были исследованы несколько типов термопар, с двумя типами включения термопары в измерительную цепь:

1) с подключением измерительного прибора в разрыв одного из термоэлектродов.



2) с подключением измерительного прибора к концам двух термоэлектродов.

Материалы, использовавшиеся при изготовлении термопар:

· Медь

· Сталь

· Константан

В таблице представлены цены использованных материалов



Таблица 1

Материал	Цена руб./тонна
Медь	360000
Сталь	15500
Константан	940000

Термопары были изготовлены по следующему алгоритму:

1. Взять два провода с разнородными материалами.



2. Сделать скрутку.

3. Использовать сварку при помощи графитного электрода и аккумулятора.



4. Получаем термопары, готовые к использованию.



Проведение измерений

Эксперимент по измерению температуры воды.

Для удобства температура воды доводилась до 100 градусов.

В ходе измерения использовались: спиртовка (для получения тепловой энергии), милливольтметр (для определения напряжения), мензурка с водой (измеряемая среда), термопары мультиметра (для сравнения полученных результатов), заготовленные термопары.

Измерения производились следующим образом:

1. Подключаем выводы термопары к клеммам милливольтметра.

2. Помещаем кончик спая термопары в мензурку с водой.

3. Снимаем показания приборов.

4. Заносим полученные данные в таблицу.

Полученные результаты представлены в таблице

Таблица 2

Тип	Показания термопары, мВ	Показания мультиметра, мВ	Температура,
медь - константан	3,5	3	100
медь - константан - медь	3,5	3	100
сталь - константан	4	3	100
константан - сталь - константан	4	3	100
медь - сталь	0	3	100
медь - сталь - медь	0	3	100

Проведем следующий эксперимент по измерению температуры пламени спиртовки.

В ходе измерения использовались: спиртовка (для получения тепловой энергии, измеряемая среда.), милливольтметр и миллиамперметр (для определения напряжения и силы тока), заготовленные термопары.



В ходе эксперимента получены следующие результаты:

Таблица 3

Тип	Показания
	миллиамперметра, мА	милливольтметра, мВ
медь - константан	3,4	50
медь - константан - медь	3,4	50
сталь - константан	3,2	52
константан - сталь - константан	2,6	48
медь - сталь	0,4	0,4
медь - сталь - медь	0,2	0,8

При проведении экспериментов использовались термопары типа Т (медь - константан) и типа J (сталь - константан). Остальные устройства не относятся ни к одним из выше оговорённых типов термопар. Все приборы были изготовлены из подручных материалов.

Проверим точность показаний с помощью таблицы градуировки термопар.



Из полученных данных можно сделать вывод, что наиболее эффективной оказалась термопара сталь - константан. Её показания более близкие к табличным, чем у других термопар.

Изучив стоимость материалов, было выяснено, что наиболее экономически выгодной является термопара сталь-константан.

Исследования показали, что термопары могут использоваться для измерения высоких температур, таких как температура горения пламени спиртовки, но срок эксплуатации термопар в таких условиях будет незначительным, в связи с тем, что термопары достаточно сильно накалялись. В ходе чего может произойти как деформация, так и плавление.

Анкетирование

Для проведения опроса были разработаны анкеты, на которые респонденты отвечали письменно. В роли респондентов выступили учащиеся 10-11 (57 человек) классов МБОУ «Караваевской школы». С полным отчетом анкетирования можно ознакомиться, изучив данную таблицу:

Сводная таблица результатов опроса «Термопары»

Таблица 4

Вопросы	Варианты ответов	Процентное соотношение	Количество ответивших респондентов
1.Знаете ли вы, что такое термопара?	а) Знаю	5%	3
	б) Не знаю	95%	54
2.Где применяются термопары?	А) Не знаю	89,4%	51
	Б) Для измерения температуры	3,5%	2
	В) В быту	3,5%	2
	Г) В механизмах	1,8%	1
	Д) В медицине	1,8%	1
3.Как изготавливается термопара в домашних условиях?	А) Не знаю	96,4%	55
	Б) Из свечки, проводов, металла	1,8%	1
	В) Два разных провода с разными элементами и спаиваются	1,8%	1
4.Из каких материалов изготавливаются?	А) Не знаю	89,3%	51
	Б) Из разных металлов	1,8%	1
	В) Медь, алюминий и т.п.	1,8%	1
	Г) Свинец	1,8%	1
	Д) Железные проволоки	1,8%	1
	Е) Пластик	3,5%	2



Выводы анкетирования:

Из результатов опроса можно сделать вывод о том, что большинство учащихся не знают об устройствах термопар и сферах их применения. На вопрос: «Знаете ли вы, что такое термопара? » многие ответили, что не знают. На вопрос: «Где применяются термопары?» респонденты ответили «не знаю», также были предложены следующие варианты ответов: «для измерения температуры», «в быту», «в механизмах», «в медицине». На вопрос: «Как изготавливается термопара в домашних условиях?» учащиеся предложили следующие варианты ответов: «не знаю», «из свечки, проводов, металла», «два разных провода с разными элементами и спаиваются». На вопрос: «Из каких материалов изготавливаются?» респонденты ответили: «не знаю», «из разных металлов», «медь, алюминий и т.п.», «свинец», «железные проволоки», «пластик».



Заключение

В ходе проведённой работы:

• исследован термоэлектрический эффект Зеебека.

• были изготовлены термопары из разных материалов в домашних условиях.

• доказано, что термодатчики действительно являются высокоточными приборами и достаточно недорогими.

Таким образом, считаю, что цель достигнута. Гипотеза, выдвинутая в начале исследования, подтвердилась.



Список используемых источников

1. А.С. Бернштейн Термоэлектричество / А.С. Бернштейн - М.: Книга по Требованию, 2013. -56 с.

2. Как устроена и зачем нужна термопара для газовой плиты? [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://yandex.ru/turbo?d=1&text=https%3A%2F%2Fwww.asutpp.ru%2Ftermopary-dlya-gazovoj-plity.html (11.10.2019)

3. Применение термопары [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://allrefs.net/c49/3uzsh/p47/ (11.10.2019)

4. Термопары: подробно простым языком [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.kipiavp.ru/pribori/termopara.html (13.11.2019)

5. Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.metotech.ru/art_termopary_4.htm (13.11.2019)

6. Термоэлектрические материалы [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://extxe.com/14298/termojelektricheskie-materialy/ (08.12.2019)

7. Термоэлектрический эффект Зеебека. Область применения эффекта [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/id/5c615e3c9e391400ae5f8253/termoelektricheskii-effekt-zeebeka-oblast-primeneniia-effekta-5d3734e56f5f6f00adc2a8dc (08.12.2019)

8. Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-termopara (13.11.2019)

9. Что такое термопара? [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://aquagroup.ru/articles/termopara.html (11.10.2019)

10. Эффект Зеебека [Электронный ресурс]

Размещено на Allbest.ru

...