Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки.

СОВЕТ: Следует использовать полевые измерительные преобразователи, а не преобразователи с подключением проводами напрямую к диспетчерской.

Термосопротивления

Термосопротивление это ещё один вид датчика, основанного на влиянии температуры на электропроводник. Когда ток проходит по проводнику, он нагревается, часть этого тепла уходит в окружающую среду, а другая тратиться на нагрев самого провода. При установлении равновесия температура провода зависит, как от текущего по нему тока, так и от окружающей среды. Изменение температуры проводника влияет на его сопротивление, именно эта зависимость позволяет измерять окружающую температуру путем замера сопротивления проводника на этом принципе и основана работа датчика, называемого термосопротивлением.

Платиновое термосопротивление (Pt 100) — одно из самых точных, так как имеет четкую линейную зависимость в диапазоне от – 220°С до +850°С. Там где нужна меньшая точность используют никелевые датчики, так как зависимость сопротивления от температуры менее линейна, свойства изменяются со временем. Они имеют более узкий диапазон измерений — от – 60°С до +180°С.

Особенности различных видов термопар.

Тип S (платнородий-платиновая термопара), Тип R (платнородий-платиновая термопара)

Диапазон рекомендуемых рабочих температур от 400 °С до 1350 °С. При температурах выше 900 градусов повышен риск загрязнения, допустимо использование в окислительной атмосфере.

Тип В (платнородий-платинородиевая термопара)

Более стойкая к загрязнению чем типы S или R, также возможно использование в окислительной среде, работает в диапазоне более высоких температур – от 600 °С до 1500 °С.

Тип J (железо-константановая термопара)

Данный тип лучше всего подходит для использования в разряженной атмосфере. Из-за склонности железа к окислению следует избегать температур ниже 0 °С. Показания изменяются вследствие старения. Максимальная рабочая температура 500 °С.

Тип Т (медь-константановая термопара)

Преимуществом данного типа датчиков является стойкость к повышенной влажности, нечувствительна к количеству кислорода в атмосфере, можно использовать при отрицательных температурах.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

Высокочувствительный датчик, с достаточно однородными электродами, предназначенный в первую очередь для низких температур.

Тип К (термопара хромель алюмель)

Обладает широким диапазоном – 100 °С до +1000 °С, однако необходимо учитывать, что в диапазоне от 200 до 500 °С возможны неточные показания из-за эффекта гистерезиса. Чувствительна к содержанию кислорода – оптимальная атмосфера нейтральная или насыщенная кислородом. Непригодна для использования в атмосфере с содержанием серы.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

Более стабильна в диапазоне от 200 до 500 °С чем тип К, чувствительна к примесям, рабочая температура до 1200 °С, наиболее точная термопара из неблагородных металлов.

Советы по эксплуатации термопар:

• беречь термопару от механических нагрузок и вибраций
• избегать резких температурных градиентов по длине термопары
• применять датчик только пределах рабочих температур, желательно с запасом
• проводить поверку и диагностику
• • использовать защиту при работе в агрессивной среде

Для заказа термопары необходимо указать:

• тип датчика;
• геометрию датчика (эскиз);
• длину выводов;
• наличие разъема;
• количество.

По Вашему эскизу мы подберем датчик из стандартных моделей или предложим Вам изготовление под заказ по Вашим размерам. Для получения каталога по термодатчикам, пожалуйста, связывайтесь с нашими менеджерами.

Стандарты на цвета проводников термопар

Проводники термопар состоят из двух отдельных термоэлектродов (положительного и отрицательного), имеющих цветную изоляцию. Ввиду эффекта Зеебека провода термопар имеют определенную полярность, поэтому положительные и отрицательные провода необходимо подключать к правильным клеммам. Имеются разнообразные стандарты на цвета изоляции проводников для идентификации каждого типа

термопар. См. таблицу 5a В разных стандартах используются уникальные цвета проводов, чтобы отличать положительные и отрицательные выводы. В Северной Америке обычно отрицательный вывод имеет красную изоляцию в соответствии со стандартом ASTM E230. Но самым широко используемым в мире стандартом на провода термопар является IEC 60584, согласно которому отрицательный провод обычно белый. Ясно, что стандарты, согласно которым термопара изготовлена, должны быть известны, чтобы правильно подключать провода по их цветам. Существуют другие стандарты, используемые в различных странах, включая BS1843 (Великобритания и Чешская республика), DIN43710 (Германия), JIS-C1610 (Япония) и NFC 42-324 (Франция). См. таблицу 5a.

СОВЕТ: Пользователь должен проверить, какой стандарт используется на его предприятии, и убедиться в том, что цветовая кодировка доведена до сведения персонала, занимающегося установкой, пусконаладкой и техническим обслуживанием.

Игольчатые термопары.

Как работает «горячий» сплав термодатчика в пламени

Принцип работы термопары основан на физическом явлении термоЭДС. Если сварить два проводника из разных металлов в одной точке и нагревать один из них, а другой охлаждать, то на концах появится разность потенциалов.

У термопары для газового котла наружная поверхность головки-спая выполняет роль горячего проводника, внутренняя – холодного. От него тепло отводится по медному проводнику. Разность температур снаружи и внутри может достигать нескольких сот градусов.

Напряжение на термопаре при горящей газовой горелке зависит от использованных в спае сплавов и металлов. Самые чувствительные на основе металлов платиновой группы длительно выдают до 50 мВ. Датчики на основе цветных металлов дают 17-25 мВ.

Термодатчик не погружают непосредственно во фронт пламени. Этого делать нельзя, так как при контакте термодатчика с раскаленным газовым пламенем все детали разогреются до высокой температуры, и эффект термоЭДС исчезнет.

Поэтому ставят термопару на удалении 3-4 см от запальника. Это обеспечит нагрев горячего спая и нормальное охлаждение медной трубки. Термопары также устанавливают в твердотопливных котлах отопления. Например, у модели Лемакс термодатчик устанавливается над колосниковой решеткой.

Кольцевые термопары.

Плюсы и минусы

Казалось бы, зачем ставить в газовый котел дополнительное устройство, если на теплообменнике уже стоит тепловой датчик. Как только температура медных стенок и воды поднимется на десяток градусов, автоматика поймет, что горение газового топлива происходит в штатном режиме. Но не все так просто.

Положительные стороны использования термодатчика на спае двух металлов

Первым и наиболее важным преимуществом термопары является простая конструкция и запредельная надежность устройства. Если горелка газового котла регулярно проходит обслуживание и настройку, то датчик горения может прослужить 20-25 лет.

Еще один плюс – небольшая инертность устройства. Термопара срабатывает за 20-25 сек с момента появления или исчезновения пламени. Были попытки упростить конструкцию газового котла и переложить функции термодатчика фронта горения на датчик температуры. Но оказалось, что время нагрева или остывания спирали датчика на порядок больше, чем у термопары. Соответственно в газовом котле успевает скопиться опасно большое количество газа и воздуха, топка могла попросту взорваться.

Минусы применения термопары

Отрицательных сторон немного. Долговечность датчика зависит от качества газа, полноты сгорания топлива и интенсивности отложения сажи на поверхности спая. Если газ загрязнен летучими карбонилами металлов, парами тяжелых нефтепродуктов, то головка спая покрывается белесым или угольным налетом.

Другие недостатки:

Термопара не подлежит капитальному ремонту или восстановлению. Потому при выходе ее из строя другого выхода нет, как поменять термопару в газовом котле. Причем желательно той же модели.

Деталь подвержена замыканию. Причины неизвестны, но считается, что это из-за скопления конденсата внутри медной трубки.

Угловые термопары.

Термопара в системе газового контроля

Существует два варианта работы датчика фронта горения. Первый используется в современных котлах, оснащенных электронной автоматикой контроля и управления процессом отопления. Как правило, контакт от термопары заведен в блок розжига. Напряжение от термоЭДС, поступающее на плату, открывает электронный ключ на базе тиристора или транзистора. А тот, в свою очередь, открывает электромагнитный клапан подачи газа.

В момент включения котла, в течение 20-25 секунд, пока спай не прогрелся, электронный ключ в открытом состоянии удерживается за счет конденсатора. Если от термопары не поступило напряжение на ключ, конденсатор разряжается, закрывается клапан, подача газа прекращается.

Второй вариант используется в старых напольных газовых котлах без электронных компонентов. Включение выполняется нажатием кнопки и механическим разблокированием магнитного клапана. Если розжиг газовой горелки состоялся, и на термопаре появилось термоЭДС, то сгенерированное напряжение блокирует клапан в открытом положении.

Угловые термодатчики с ввинчиваемым ниппелем.

Угловые термопары с ввинчиваемым ниппелем.

Хомутовые термопары.

Преимущества и недостатки термопары хромель-копель

Термопару хромель-копель отличает простота и надежность конструкции, сравнительно высокая степень точности измерения температур. Благодаря тому, что термоэлектродная проволока хромель и копель обладает отличными термоэлектрическими свойствами, малой инерционностью и высокой жаропрочностью, термопара может быть использована в самых разных сферах и средах. Кроме того, термопарная проволока имеет низкую стоимость, что немаловажно с экономической точки зрения для потребителей. Единственный недостаток термопары этого типа — чувствительность к деформациям, что, однако, не оказывает никакого влияния на точность и качество проведения измерений.

Хомутовые термодатчики.

Цилиндрические термопары.

Возможные неисправности и методы их устранения

Несмотря на то, что конструкция термодатчика проста, не содержит сложных, ломающихся элементов, термопара может также быть причиной регулярных выключений газовой горелки.

Проверку начинают с теста запуска котла. Если подача газа блокируется через несколько секунд после запуска автоматики, то первое, что нужно сделать, это закоротить контакты на прессостате. Датчик тяги находится в контрольной цепи автоматики, как и термодатчик, поэтому на момент проверки его нужно исключить.

Отсутствие надежного контакта

Часто работа горелки блокируется по элементарным причинам. Например, открутилась гайка-штуцер, или загрязнилась поверхность контактной площадки. Нужно выкрутить штуцер, дпротереть резьбу и контактную площадку спиртом, проверить состояние изолирующей прокладки и завернуть гайку-штуцер обратно.

Загрязнение или окисление поверхности спая

Температура спая всегда на 100-150 ℃ ниже, чем у фронта пламени. Поэтому при работе поверхность зарастает налетом, из-за которого точность термопары значительно снижается. Органическая грязь смывается уайт-спиритом и ацетоном, все остальное убирается щеткой с бронзовой щетиной.

Прогар

Определяется по наличию микроскопических каверн и участков выгоревшего металла. Иногда повреждение можно определить, если опустить медную трубку в воду и сильно подуть. Появятся пузырьки воздуха. В этом случае термопару в газовом котле нужно менять на новую.

Обращайте внимание, чтобы маркировка резьбы на штуцере замены совпадала со старой термопарой.

Неправильное положение

В процессе обслуживания горелки приходится снимать боковую облицовку, термоизоляцию, свечу и термопару. Нередко дело заканчивается тем, что гильза оказывается установлена ниже уровня запальника. Соответственно количество тепла, приводящего к спаю, уменьшается в разы, время срабатывания термопары увеличивается кратно.

Поэтому, прежде чем разобрать газовую горелку, будет полезным сделать пару фотографий камерой телефона. Такая подстраховка поможет поставить элементы розжига в правильном положении.

Термопара для газового котла была и остается главным элементом системы безопасности. Если выходит из строя, то лучше заменить аналогом, без экспериментирования с моделями от газовых плит, духовых шкафов или колонок.

Как проверить термопару котла, плиты, колонки: видео.

Поделитесь опытом, приходилось ли вам ремонтировать термопару или заменять датчиками с других моделей газовых котлов. Насколько успешным получилась подобная замена? Сохраните статью в закладках, поделитесь с друзьями из социальных сетей.

Цилиндрические термодатчики с байонетным разъемом.

Цилиндрические термопары с байонетным разъемом.

Цилиндрические термопары с ввинчиваемым ниппелем.

Нюансы подключения и проверка

Проверочную процедуру приходится выполнять при неустойчивом, затянутом старте котла, или если электронный блок розжига неожиданно перейдет в непрерывный цикл старт-стоп. В последнем случае часто необоснованно предъявляют претензии к контактам на термопаре. В реальности виноват компенсирующий конденсатор блока розжига.

Обязательно нужно проверять новую термопару. Для этого достаточно подключить к центральному контакту (+) и медной трубке (-) щупы мультиметра. Выставить предел измерения 1 В или 0,1 В, нагреть спай свечкой или газовой зажигалкой. На экране должно быть не менее 18 мВ.

Старую термопару на котле с АОГВ можно проверить, не демонтируя устройство:

• откручивают гайку-штуцер блока АОГВ;
• зажечь папальник;
• подключить щупы и снять показания.

Этот метод позволяет снять наиболее точные данные. Мультиметр должен показать не менее 25-28 мВ.

Обращайте внимание на положение гильзы с головкой спая. Она должна стоять вертикально, а пламя запальника обтекать только верхние 3 мм термодатчика. Любые другие варианты ведут к перегреву или недогреву устройства.

Термосопротивления.

Быстродействие измерения

Динамическое быстродействие первичного преобразователя может быть важно, если температура технологического процесса меняется быстро и в систему управления необходимо подавать быстро меняющиеся входные сигналы. Первичный преобразователь, установленный непосредственно в технологическую линию, будет иметь большее быстродействие, чем первичный преобразователь с защитной гильзой.

Важно отметить, что если никакой защитной гильзы не применяется, чувствительный элемент подвергается воздействию среды технологического процесса и его невозможно заменить, не прерывая потока, для чего часто требуется останавливать технологический процесс и опорожнять технологическую систему. Указания по проектированию на большинстве производств не позволяют использовать первичные преобразователи без защитных гильз. Такие установки гораздо менее безопасны с точки зрения возможной разгерметизации технологических установок, в них возможны более частые выходы из строя первичных преобразователей из-за воздействия неблагоприятных условий технологического процесса, и они часто требуют дорогостоящих остановок технологического процесса для замены отказавшего первичного преобразователя. Применение защитных гильз решает эту проблему.

Но если используется защитная гильза, очевидно, что время реакции увеличивается (быстродействие уменьшается) из-за возрастания тепловой массы узла. Ключом к оптимизации быстродействия является уменьшение массы при сохранении достаточной физической прочности, чтобы узел выдерживал давление технологического процесса и силы, создаваемые потоком среды. Защитные гильзы меньшего диаметра обеспечивают более высокое быстродействие, так как требуется нагревать и охлаждать меньшее количество материала. Также важно правильно установить первичный преобразователь, чтобы добиться высокого быстродействия. Первичный преобразователь должен быть достаточно длинным, чтобы его конец касался дна защитной гильзы для обеспечения хорошей теплопроводности. Диаметр первичного преобразователя также должен быть таким, чтобы он плотно входил в защитную гильзу и воздушный зазор между первичным преобразователем и защитной гильзой был минимален. Кроме того, быстродействие улучшается путем использования подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем. Характеристики измеряемой среды также влияют на быстродействие, особенно ее скорость потока и плотность. Быстро движущаяся среда передает тепло и меняющуюся температуру лучше, чем медленно движущаяся, а более плотные среды (жидкости) являются лучшими проводниками тепла, чем среды с малой плотностью (газы).

Сравнение быстродействия систем измерения температуры, использующих термопару без защитной гильзы или ТС без защитной гильзы в системе с текущей водой показало, что заземленный конец термопары имеет быстродействие примерно в 2 раза выше, чем подпружиненный датчик ТС. При измерениях в потоке воздуха ТС работает несколько быстрее, чем термопара.

Однако эти преимущества существенно нивелируются, если не исчезают полностью, когда первичный преобразователь устанавливается в защитную гильзу. Масса защитной гильзы настолько велика по сравнению с массой первичного преобразователя, что она очевидно оказывает доминирующее влияние на быстродействие системы.

При использовании первичного преобразователя диаметром 6 мм (1/4 дюйма) в системе измерения температуры воды, быстродействие термопары и ТС примерно одинаковое, а при использовании первичного преобразователя диаметром 3 мм, термопара несколько быстрее, чем ТС. При измерении температуры воздуха быстродействие термопар и ТС примерно одинаковое при использовании как 3-миллиметровых (1/8 дюйма), так и 6-миллиметровых первичных преобразователей.

Поскольку в очень малом количестве технологических процессов используются для измерения первичные преобразователи без защитных гильз, изначально присущее термопарам преимущество в быстродействии значительно нивелируется. Вдумчивый разработчик выбирает наилучший первичный преобразователь для данной системы, основываясь на множестве других факторов, и не руководствуется вводящими в заблуждение утверждениями, которые можно слышать так часто: «термопары всегда быстрее, чем ТС».