Термопары подробно простым языком

Термопара для котла устройство и принцип работы

Термопара активно применяется в газовых котлах и котельных установках. Ее основным назначением является измерение температуры в камере сгорания и автоматическое перекрытие подачи газа в случае исчезновения пламени. Такие случаи возникают от внезапных порывов ветра или других схожих факторов.

Поскольку для зоны открытого огня в нагревательных устройствах характерны высокие температуры, обычные измерительные приборы и устройства защиты не способны справиться со своей задачей и выдержать предельные термические нагрузки.

Для чего нужна

Термопара применяется для преобразования термической энергии в электрический ток для электромагнитных катушек в газовых котлах и служит основным элементом защиты газ-контроля.

Она изготавливается из нескольких видов металла, устойчивых к максимальным температурам внутри камеры сгорания. Термопара работает вместе с автоматическим отсекающим газовым клапаном, который перекрывает подачу газа в топливный тракт.

Важно знать: защитная схема работы газовых котлов устроена таким образом, что при выходе из строя термоэлектрического элемента или внезапном исчезновении пламени происходит автоматическое срабатывание отсекающих клапанов и остановка подачи газа. . Термоэлектрический преобразователь представляет собой элементарную конструкцию, состоящую из двух проводников, которые соприкасаются друг с другом в одной или нескольких точках

Термоэлектрический преобразователь представляет собой элементарную конструкцию, состоящую из двух проводников, которые соприкасаются друг с другом в одной или нескольких точках.

Сами проводники состоят из разнородных металлов. Именно отличие в составах металла является основополагающим фактором работы термопары.

В основе принципа действия заложено физическое явление, имеющего название эффект Зеебека. Когда два элемента из различных металлов прочно соединяют между собой в одной точке, а место стыка помещают в открытый огонь, то на оставшихся холодных концах спаянного проводника появляется разница потенциалов. Если к этим концам подсоединить измерительный прибор в виде вольтметра, то произойдет замыкание цепи, а датчик покажет появившееся напряжение.

Напряжение от разницы потенциалов нагретых металлов будет незначительным, однако его будет вполне достаточно для проявления индукции в чувствительных катушках электромагнитных отсекающих клапанов. Как только на холодных концах проводников появляется напряжение, клапан автоматически срабатывает и открывает проход топлива к запальнику.

Примите к сведению: работа современных клапанов устроена таким образом, что высокая чувствительность катушек позволяет оставлять открытым топливный канал до тех пор, пока напряжение не опуститься ниже отметки в 20 мВ. Термопара в обычном режиме производит напряжение в диапазоне от 40 до 50 мВ.

Все термопары создаются из определенных сплавов благородных и неблагородных металлов, которые имеют постоянную повторяемую зависимость между разницей температурой и напряжением.

Каждая группа сплавов используются для конкретных диапазонов температур и применяется в установленных нагревательных приборах.

На рынках котельного оборудования чаще всего применяются три основных типа термопар:

Как правило, термопара не подлежит восстановлению в случае преждевременного выхода из строя.

Если газовая установка перестает зажигаться, то это свидетельствует о неисправности клапана или самого терморегулятора.

Чтобы проверить его работоспособность, достаточно один конец соединить с измерительным датчиком (мультиметром), а второй конец нагреть вручную с помощью зажигалки или газовой горелки. Исправная термопара должна показывать напряжение в районе 50 мВ.

Если на самих проводниках имеются окисленные или загрязненные участки, а мультиметр показывает напряжение отличное от нормы – термопара вышла из строя. В таких случаях рекомендуется просто поменять термоэлемент и установить вместо него новый. Средняя цена на устройство по территории России составляет от 500 до 1800 рублей в зависимости от марки и типа.

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Возможные неисправности и методы их устранения

Если при нажатии кнопки подачи газа горелка включается и тут же гаснет, это говорит о неисправности термопары. Также это может быть результатом плохого контакта преобразователя с электромагнитным клапаном.

Ремонт неисправности термопары газового котла заключается в следующем:

• извлекают конец термопары, открутив гаечным ключом прижимную гайку, при помощи которой преобразователь прикрепляется к клапану;
• если при осмотре обнаруживается наличие загрязнений или окислов, зачищают место контакта мелкой шкуркой;
• далее при помощи мультиметра проверяют работоспособность устройства.

Если при проверке датчик показывает напряжение 50 мВ, можно попробовать запустить котел. Если проблема осталась, и горелка гаснет, это может свидетельствовать о неисправности электромагнитного клапана.

В случае если клапан в рабочем состоянии, следует обеспечить корректное соединение преобразователя с клапаном: найти соответствующее положение прижимной гайки для оптимального контакта.

Следует знать, что если преобразователь газового котла вышел из строя, прибор не подлежит восстановлению. Здесь необходимо выполнить замену термопары, установив вместо нее новый образец. Продукция этой категории предлагается множеством отечественных и зарубежных производителей, среди которых «Арбат», Жуковский завод АОГВ, концерн Honeywellи другие промышленные компании. Ценовой диапазон на это устройство варьируется в пределах 600-2000 р.

Основные сферы применения термопар – автоматика газового оборудования, установки литейной промышленности и множество других направлений производства. На базе этого прибора разработан целый ряд терморегуляторов и термометров бытового и промышленного назначения. В руках народных умельцев термоэлектрический преобразователь может стать основой для мини электростанции, его используют для создания зарядных устройств, при помощи которых можно заряжать маломощные устройства от открытого огня, в том числе, и от костра.

Температурные датчики. Классификация

Существует несколько основных типов термопар. Их различают по материалу изготовления. Основными материалами, используемыми для температурных датчиков, являются металлы — благородные и неблагородные. Именно их сочетание и стало основой классификации. Вот наиболее распространенные типы термоэлектрических элементов:

• Тип К: Хромель и алюмель. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +1100°С;
• Тип J: Железо и константан. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +700°С;
• Тип N: Никросил и нисил. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +1100°С;
• Тип R: Платинородий(13 % Rh) и платина. Диапазон температур (длительно): от 0оС до +1600°С;
• Тип S: Платинородий (10 % Rh ) и платина. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +1600°С;
• Тип B: Платинородий (30 % Rh) и платинородий (6 % Rh). Диапазон температур (длительно): от +200°С до +1700°С;
• Тип T: Медь и константан. Диапазон температур (длительно): от -185°С до +300°С;
• Тип Е: Хромель и константан. Диапазон температур (длительно): от -50°С до +800°С;

Типы термоэлектрических элементов

Безусловно, каждый тип термоэлемента используется в различных целях. Дорогие термопары используются в науке и промышленности, а более простые и дешевые идеальны для бытового использования — в газовых котлах или плитах.

Устройство и принцип действия термопары

Известно, что не каждый материал может постоянно находиться в открытом пламени. Как видно из описания типов термоэлектрических элементов, они изготавливаются из нескольких металлов, способных длительное время выдерживать высокие температуры. Когда термопара выходит из строя, газовый котел потребует немедленного ремонта, так как произойдет затухание горелочного устройства. Почему так происходит? Термопара работает вместе с отсекающим электромагнитным клапаном. При нарушениях в работе температурного датчика клапан закрывается, и подача газа немедленно прекращается.

Основной принцип работы термопары — термоэлектрический результат (или эффект Зеебека). Суть этого физического явления заключается в следующем:

1. Два металла с разными физическими свойствами образуют замкнутую цепь;
2. Место, где проводники соединены между собой путем качественной спайки, помещается в открытое пламя;
3. На холодных концах спая возникнет напряжение — разница потенциалов.
4. Если к ним подключить измерительное приспособление, цепь замкнется и появится электрический ток, напряжения которого будет достаточно для возникновения в катушке электромагнитного клапана индукции, которая пустит газ к запальнику.

Конструкция и принцип действия термопары

В тех случаях, когда вы не можете зажечь газовый котел, запальник тухнет, как только вы отпускаете кнопку подачи газа — можете быть уверены, что термопара вышла из строя.

Для газовых котлов чаще всего используют универсальные термоэлектрические элементы типа К (хромель-алюмель), типа Е (хромель и константан) и типа J (железо и константан). Проводники в защитной оболочке, приварены к холодным концам металлов, а спай закрепляют зажимной гайкой в соответствующее место автоматики котла.

Остальные разновидности термопар в газовых котлах и установках не используются в силу того, что из-за использования дорогостоящих сплавов возрастает цена. А для газовых котлов достаточно хороши свойства простейших сплавов.

Чтобы проверить, как работает термопара, нужно подключить один ее конец к измерительному прибору — мультиметру, а другой нагреть при помощи обычного огня. Если устройство исправно, напряжение будет около 50мВ.

Принцип действия термопары достаточно прост, однако в процессе производства каждый вид термопары проходит калибровку, или, другими словами, корректировку относительно 0оС. Чем точнее измерительный прибор, которым проводят калибровку, тем точнее будет термопара. Кроме этого, добросовестный производитель не позволит себе сделать некачественную пайку металлов термопары. Поэтому старайтесь выбирать изделие проверенного бренда, покупая термодатчик для своего газового котла.

Также стоит учесть, что точка измерения не должна находиться далеко от измерительного прибора, в противном случае вам понадобится расширение проводов промежуточного соединения, а это достаточно дорого.

Проверка, чистка, замена

Если плита начала плохо загораться, вполне вероятно, что термопара засорилась или вышла со строя. Но стоит отметить, что причина неисправности может и не затрагивать этот элемент. Для проверки следует выполнить такие действия – поверните ручку духовки и подожгите газ. Если после того, как вы отпустите ручку, духовка тухнет, это первый признак, что система газконтроля не открывает клапан подачи газа в плите.

Скорее всего, что поверхность измерительного элемента засорилась, и он не воспринимает температурные изменения в окружающей среде. Чтобы починить газовое оборудование в плитах фирм Гефест, Ariston, Indesit, Gorenje      и т.д. следует для начала почистить термопару в плите, для этого:

• Предварительно закройте газовые краники и отключите плиту от сети внешнего электроснабжения;
  Рис. 4: перекрыть подачу газа на духовку
• Откройте духовку и удалите из нее все лишнее – вы должны свободно проникнуть внутрь, если что-то вам мешает, уберите это, при необходимости можете снять дверцу с плиты;
  Рис. 5: удалите из духовки все лишнее
• Найдите саму термопару – как правило, она расположена в верхней части духовки, ее обязательно устанавливают вблизи рассекателя пламени;
  Рис. 6: термопара в духовке
• При обнаружении нагара, копоти и прочего мусора на ее поверхности их следует очистить при помощи мелкой наждачки, очищать ударным методом категорически запрещено, так как вы можете повредить термопару безвозвратно;
• Соберите удаленный мусор и опробуйте работоспособность.

Если такой ремонт газконтроля не принес желаемого результата, следует проверить термопару при помощи мультиметра или милливольтметра. Для этого вам понадобится добраться до места подключения термопары к электрической сети плиты. Как правило, она располагается под передней панелью или верхней крышкой, где находиться переключатель температуры или газовый клапан. Здесь также могли отойти контакты, тогда их достаточно просто поправить, если нет, переходите к измерениям.

Установите предел измерения мультиметра в районе десятков милливольт. Подключите щупы к выводам термопары и подогрейте измерительный элемент (не обязательно открытым огнем, но это довольно доступный способ).

Рис. 7: проверка термопары мультиметром

Если милливольтметр покажет изменение напряжения на выводах, устройство исправно и причина в чем-то другом. В противном случае вы могли неправильно установить предел для вашей модели термопары или  автоматика газконтроля неисправна.

Замена термопары газовой плиты

В большинстве случаев, выход со строя характеризуется перегоранием проводников. Их самостоятельная пайка или сваривание в домашних условиях возможны, но нецелесообразны, так как после сращивания невозможно обеспечить прежнюю точность измерений. Поэтому оптимальным вариантом является замена термопары. Для этого:

• Приобретите в интернете новую модель для замены, лучше это делать по коду термопары, который можно обнаружить на самом устройстве либо в паспорте газовой плиты;
• Также отключите плиту от электрической сети и системы газоснабжения;
• Снимите переднюю панель и верхнюю крышку плиты и отключите электрические выводы в месте их подключения к электромагнитному клапану;
  Рис. 8: Снимите переднюю панель или верхнюю крышку
• Открутите в духовке гайку крепления и выньте термопару, если крепежный элемент сразу не поддается, не прилагайте чрезмерный усилий, чтобы не сломать место крепления, используйте WD-40 или любой другой растворитель;
  Рис. 9: Открутите термопару
• Установите новую термопару в отверстие и закрепите ее по аналогии с предыдущей, подключите к цепи внутренней электропроводки плиты;
  Рис. 10: Установите новую термопару
• Соберите в обратной последовательности и опробуйте работоспособность газовой плиты.

Преимущества и недостатки

В силу того, что изготавливать термопару достаточно просто и недорого, она стала незаменимым элементом автоматики и контроля в газоиспользующем оборудовании. Помимо этого, есть и другие преимущества данных изделий:

• Выступая в роли датчика контроля пламени, термоэлектрический элемент может работать и как датчик температуры.
• Отсутствие движущихся частей, сложных комплектующих и дорогих материалов делает изделие недорогим и долговечным.
• Широкий диапазон измеряемых температур.
• Достаточная точность измерений, позволяющих использовать данное устройство в отопительной технике.
• Простота, с которой производится монтаж или замена термопары в газовом котле.

Из недостатков термоэлектрических датчиков можно отметить то, что возрастание разницы потенциалов происходит не пропорционально росту температуры, то есть, зависимость нелинейная. Кроме того, рост напряжения имеет предел и он невелик, в термопаре газовых котлов его значение достигает 50 мВ. Такие свойства изделия не создают проблем при взаимодействии с отсекающим устройством, но при измерении температуры такой слабый и нелинейный сигнал требует усиления и калибровки.

Простота и надежность конструкции термоэлектрического датчика имеют и отрицательную сторону. Когда этот элемент выходит из строя, что иногда случается по причине некачественного выполнения спая, то ремонт термопары невозможен. Изделие может просто прогореть и ремонтировать там нечего, остается только произвести замену, причем как можно быстрее, поскольку газовый котел без термопары работать не будет. Но тут не должно возникнуть особых проблем, устройство легко снимается и отсоединяется, да и цена его вовсе не велика.

Разновидности

Современный рынок отопительных систем предлагает четыре вида термопар, устанавливаемых в газовых котлах.

• Модели типа Е отличает высокая производительность и широкий диапазон измеряемых температур, который варьируется от -50 до +740 градусов. Пластины-проводники изготовлены из константа и хромеля. Заводская маркировка изделий представлена буквенным обозначением ТХКн.
• Модели типа J отличается более низкой, в сравнении с первым типом, стоимостью и представлена маркировкой ТЖК. Контактные пластины изготовлены из железа и константа, а диапазон рабочих температур составляет от -40 до +600 градусов.

• Модели типа К являются наиболее распространёнными и способны работать при температуре от -200 до +1350 градусов. Пластины изготовлены из алюминия и хромеля, что требует некоторых ограничений в их применении. Дело в том, что в условиях повышенного содержания углекислого газа, хромель склонен к образованию зелёной гнили, быстро разъедающей сплав и выводящей прибор из строя. Изделие имеет маркировку ТХА и отличается повышенной чувствительностью к малейшим колебаниям температуры.
• Модели типа N являются модификацией модели Е и способны работать при температуре до +1200 градусов. Для изготовления пластин используется нихросил и нисил. Модели данного вида считаются самыми точными устройствами, используемыми в котельном оборудовании.

Кроме перечисленных типов термопар, существуют модели, для изготовления которых используются дорогие виды металлов. Это значительно увеличивает себестоимость и делает их установку в газовые котлы нерентабельной. Например, пластины особо точных устройств типа М изготавливаются из никеля и молибдена. Такое устройство устанавливается в дорогие вакуумные котлы и в газовом оборудовании не применяется.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей схемы термопары делается спайка 2-ух железных контактов, которые, как понятно, сделаны из различных материалов. Место соединения носит заглавие «спай».

Необходимо подчеркнуть, что делать данное соединение при помощи спайки необязательно. Довольно легко скрутить совместно два контакта. Но таковой метод производства не будет владеть достаточным уровнем надежности, также может давать погрешности при снятии температурных характеристик.

Если нужно измерение больших температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что почти всегда припой, используемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была использована сварка, выдерживают более широкий спектр температуры. Да и этот метод соединения имеет свои недочеты. Внутренняя структура металла при воздействии высочайшей температуры в процессе сваривания может поменяться, что воздействует на качество получаемых данных.

Не считая того, следует держать под контролем состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, может быть изменение черт металлов в схеме вследствие воздействия брутальной среды. Может произойти окисление или обоюдная диффузия материалов. В схожей ситуации следует поменять рабочую схему термопары.

Устройство и конструкция

Рис. 3: пример конструкции термопары

Конструктивно термопару можно подразделить на такие элементы:

• – состоит из двух проводников, реже полупроводников, соединенных в одну цепь;
• – продолжают вывод рабочих проводников от места спайки до точки подключения к электрической цепи, на всей протяженности провода изолируются друг от друга;
• – выполняется в виде металлической трубки по всей длине и проводов его подключения.

Спай включает в себя две проволоки из разнородных материалов. В состав которых могут входить цветные и благородные металлы, как правило, в сплавах. В зависимости от состава проводников термопары подразделяются на несколько типов, особенности которых приведены в таблице.

Таблица 1. Типы термопары

Как видите из таблицы, различный тип обуславливает разный рабочий диапазон температур, чувствительность к ее изменению, стабильность при длительной нагрузке и другие характеристики. Что обязательно следует учитывать при выборе конкретной модели для плиты в случае замены или установки с нуля.

В зависимости от рабочей температуры подбирается и соответствующий материал для изоляции витой скрутки проводников термопары. К примеру, до 120ºС могут применяться любые виды, до 1300ºС фарфоровые. Существуют модели и свыше 1300 ºС, в которых для изоляции используются окислы магния, бериллия и алюминия, но из-за того, что в бытовых приборах такие температуры отсутствуют, приобретать и рассматривать подобные термопары нецелесообразно.

Как работает датчик пламени в газовом котле

Датчик ионизации пламени – прибор, который призван обеспечить безопасную работу газового котельного оборудования. Устройство следит за наличием огня, и при обнаружении отсутствия пламени автоматически отключает котел. Принцип работы датчика пламени газового котла предусматривает следующее:

• функционал основан на образовании ионов и электронов при зажигании пламени. Образование ионного тока вызывает процесс притягивания ионов к электроду ионизации. Устройство подключается к датчику контроля горения;
• если при проверке датчиком контроля горения обнаруживается образование достаточного уровня ионов, это означает, что котел работает в штатном режиме. В случае снижения уровня ионов датчик блокирует работу котельного оборудования.

К ключевым причинам срабатывания датчика ионизации относят загрязнение клапана и некорректное соотношение уровня «газ-воздух». Также это происходит при оседании большого количества пыли на устройстве розжига.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр