Что такое термопара: об устройстве простыми словами. Устройство термопары, ее виды и принцип работы

Что такое термопара

Термопары существуют благодаря явлению, называемому контактной разностью потенциалов. Если два различных твердых проводника или полупроводника плотно соприкасаются друг с другом, в месте контакта возникают разделительные электрические заряды. На внешних концах этих проводников будет создана разность потенциалов. Эта разность потенциалов будет равна разности работы, совершенной каждым металлом, деленной на заряд электрона.

Вопрос экспертуПочему при выборе термопары нужен вольтметр? Вы не сможете измерить разность потенциалов контактов вольтметром, но она появится на вольт-амперной характеристике, как в транзисторе и диоде с p-n переходом.

Очевидно, что если сделать такую пару кольцом, то результирующая ЭДС будет равна нулю, но если оставить ее открытой с одной стороны, то возникнет реальная ЭДС от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от материалов.

Идея заключается в том, что при контакте двух металлов, например, система выходит из равновесия, поскольку химические потенциалы двух металлов не равны, и это заставляет электроны рассеиваться, чтобы уменьшить свою энергию, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала металлов в контакте. Таким образом, в приконтактной области электрическое поле начинает увеличиваться, что мы и имеем.

Если теперь мы вновь рассмотрим эти два проводника из разных металлов, но заключенные в кольцо, то когда общая ЭДС в замкнутом контуре станет равной нулю, то появятся две точки контакта. Назовем эти точки узлами. Таким образом, мы имеем дело с двумя спаями двух разных проводников. Что произойдет, если мы попытаемся нагреть один из переходов, а другой оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединяемые металлы различны и существует разность потенциалов контактов на каждом спае, спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, когда они находятся при разных температурах.

Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между соединителями будет пропорциональна разности их температур, поэтому можно ввести коэффициент пропорциональности, который называется термоЭДС. Для разных термопар термоЭДС будет разной. Если измерить напряжение на участке такого кольца, то в определенном диапазоне температур оно будет почти строго пропорционально разнице температур между спаями. И даже если мы оставим только один спай (как на рисунке) и только нагреем его, и измерим напряжение между двумя концами, которые находятся при одинаковой комнатной температуре, мы все равно обнаружим очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

В чем разница между параллельным и последовательным соединением конденсаторов. Читать далее Пиратский металлоискатель своими руками подробная инструкция. Читать далее Что такое триммерный резистор: описание устройства и его применения. Читать далее

Именно так работают термопары. Эффект, на котором основаны все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь Томаса Зеебека, первооткрывателя эффекта Зеббека. Сегодня промышленные термопары можно найти с электродами из специально подобранных сплавов, в зависимости от требуемого диапазона измеряемых температур.

Назначение термопары

Устройство преобразует тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных термометров, он способен работать как при экстремально низких, так и при экстремально высоких температурах. Эта характеристика обусловила широкое применение термопары в самых разных областях: промышленных металлургических печах, газовых котлах, вакуумных камерах для химико-термической обработки, а также в духовке бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда одинаков, независимо от устройства, в котором она установлена.

Надежная и бесперебойная работа термопары определяет работу системы аварийного отключения оборудования при превышении предельных значений температуры. Поэтому он должен быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать опасности жизни людей.

Конструктивные особенности

Более тщательный подход к измерению температуры — это термоэлектрический термометр. Термопара считается основным сенсорным элементом этого устройства.

Само измерение осуществляется путем создания электродвижущей силы в термопаре. У термопары есть некоторые особенности:

Электроды соединены в термопару для измерения высоких температур в одной точке с помощью дуговой сварки. Для небольших измерений этот контакт выполняется пайкой. Специальные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых устройствах выполняются путем плотного скручивания без дополнительной обработки.
Компоненты соединяются только в рабочей зоне и изолируются друг от друга по всей остальной длине.
Метод изоляции осуществляется в соответствии с верхним значением температуры. В диапазоне температур от 100 до 120 °C используются все виды изоляции, включая воздушную. Для температур до 1 300 °C используются фарфоровые трубки или шарики. Если значение достигает 2000 °C, используется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
В зависимости от среды, в которой датчик используется для измерения температуры, применяется внешний защитный кожух. Он имеет форму трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает водонепроницаемость и защиту поверхности термопары от механических воздействий. Материал внешней оболочки должен выдерживать высокие температуры воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Физическая основа работы термопары

Принцип работы термопары основан на обычных физических процессах. Эффект, на котором основано это устройство, был впервые исследован немецким ученым Томасом Зеебеком.

Суть явления, на котором основан принцип термопары, заключается в следующем. В замкнутой электрической цепи, состоящей из двух проводников разного типа, при достижении определенной температуры окружающей среды возникает электрический ток.

Результирующий электрический поток и температура окружающей среды, действующая на проводники, находятся в линейной зависимости. То есть, чем выше температура, тем больше электрический ток, производимый термопарой. Термопара и термометр сопротивления работают по этому принципу.

Один контакт термопары находится в месте, где должна измеряться температура, и называется «горячим» контактом. Другой контакт, или, другими словами, «холодный» контакт, находится в противоположном направлении. Использование термопар для измерений допускается только в том случае, если температура в помещении ниже, чем температура в точке измерения.

Это краткая схема термопары, принцип работы. В следующей главе мы рассмотрим типы термопар.

Принцип работы

Работа каждой термопары основана на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком еще в 1821 году. Эффект заключается в том, что когда два разнородных металлических проводника соединены последовательно, образуя замкнутую электрическую цепь, и в одной точке приложен нагрев, в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Эта электродвижущая сила называется термо-ЭДС. Под действием термоэлектродвижущей силы в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Место нагрева обычно называют тепловым спаем. Место, где нет тепла, называется холодным спаем. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, можно измерить термоЭДС, которая будет составлять несколько миливольт или микровольт. Значение термоЭДС будет зависеть от величины нагрева на стыке проводников и значения температуры на стыке проводников, где нагрев не происходит. То есть величина термоЭДС зависит от разницы температур между холодным и горячим спаем. Тепловая ЭДС также зависит от природы самих проводников.

Таким образом, при нагревании спая разнородных проводников термопары между неподключенными (свободными) концами проводников возникает разность потенциалов, которую можно измерить с помощью электроизмерительного прибора. С помощью современных передатчиков полученную разность потенциалов можно преобразовать в определенное цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры на стыке проводников термопары. Для проведения точного измерения температура холодного спая должна быть постоянной. Поскольку это не всегда возможно, для компенсации температуры холодного спая используются специальные компенсационные схемы.

Конструкция устройства

Современные термопары выпускаются различной формы и длины. По конструкции их можно разделить на две группы:

Термопары без корпуса;
Термопары с защитной оболочкой.

К первым относятся изделия, в которых место соединения двух проводников открыто и не защищено от внешних воздействий. Такая конструкция обеспечивает быстрое время измерения температуры и низкую инерционность. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, способным выдерживать высокие температуры. Термоэлектрический элемент термопары расположен внутри зонда. Такая конструкция защищает термопару от агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара J-типа.

Холодный спай

Холодный спай часто является точкой, где свободные концы проводов термопары подключены к измерительному прибору. Поскольку измерительный прибор в цепи термопары фактически измеряет разность напряжений между двумя разъемами, напряжение на холодном спае должно поддерживаться как можно более постоянным. Поддерживая напряжение на холодном спае постоянным, мы гарантируем, что отклонение в показаниях счетчика свидетельствует об изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, напряжение холодного спая также изменится. В результате напряжение на холодном спае изменится. Следовательно, разница напряжения между двумя разъемами также изменится, что в конечном итоге приведет к неточному показанию температуры. Для поддержания постоянной температуры холодного спая во многих термопарах используется компенсационный резистор. Резистор расположен в том же месте, что и холодный спай, поэтому температура одновременно воздействует и на спай, и на резистор.

Термопара для газовой плиты.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий шов — это шов, на который воздействует процесс, температура которого измеряется. Поскольку напряжение, генерируемое термопарой, прямо пропорционально ее температуре, она генерирует более высокое напряжение при нагреве рабочего соединения и более низкое напряжение при его охлаждении.

Из чего состоит термопара.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Этот тип провода необходим для удлинения концов термопары к вспомогательному устройству или барьеру. Провода не используются, если термопара имеет встроенный передатчик с унифицированным выходным сигналом. Наиболее распространенным применением является нормализующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке преобразователя с унифицированным сигналом 4-20 мА, так называемая «таблетка».

Материал проволоки может быть таким же, как у термопары, но чаще всего заменяется более дешевым, с учетом условий, исключающих паразитные (наведенные) термопары. Использование удлинительных проводов также может помочь оптимизировать производство.

Ваше руководство! Чтобы правильно определить полярность компенсационных проводов и их подключение к термопаре, запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть, возьмите любой магнит, и минус компенсации будет магнитным, в отличие от плюса.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, имеют разные термоэлектрические коэффициенты. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

TPP13 — платина-родий-платина (тип R);
TPP10 — платина-родий-платина (тип S);
TPP10 — платина-ядро-платина (тип B);
TZC — железоконстантан (тип J);
TMKn — медь-константан (тип Т);
TNH — нихросил-низил (N-тип);
ТХА — хромель-алюмель (тип К);
TXKn — хромель-константан (E-тип);
TXK — хромель-медь (тип L);
ТМК — медный штырь (тип М);
TCC — силикон (тип I);
TVR — вольфрам (типы A-1 — A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами, указанными в ГОСТ 6616-94, а их НСХП (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, заданные классы допусков регламентируются стандартами МЭК 62460 и указаны в ГОСТ Р 8.585-2001. Следует также отметить, что NTC в вольфрамовых термопарах не были доступны в таблицах МЭК до 2008 года. В настоящее время в указанных стандартах не указаны характеристики хромель-копелевых термопар, но их параметры по-прежнему регламентируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественной продукции ТХК.

Классификация датчиков температуры может быть произведена и по другим признакам: по типу соединений, по количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения датчика температуры, спай термопары может иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные переходы. Они могут быть заземлены на корпус лампы или незаземлены. Для понимания схем таких конструкций см. рисунок 5.

Буквы обозначены:

I — один изолированный от корпуса стык;
H — один узел, подключенный к корпусу;
AI — два узла, изолированных друг от друга и от корпуса;
2I — двойной разъем, изолированный от корпуса;
IN — два разъема, один из которых заземлен;
LV — два неизолированных узла, подключенных к шасси.

Заземление шасси уменьшает инерцию термопары, что, в свою очередь, увеличивает скорость работы датчика и повышает точность измерений в реальном времени.

Для уменьшения инерции некоторые модели преобразователей термопар оставляют горячий спай вне защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто бывает необходимо одновременно измерить температуру в разных точках. Многоточечные термопары решают эту проблему, регистрируя данные о температуре вдоль оси датчика. В химической и нефтехимической промышленности существует необходимость в получении информации о распределении температуры в реакторах, башнях фракционирования и других емкостях, используемых в химической обработке.

Многоточечные преобразователи температуры более экономичны и требуют меньшего обслуживания. Количество точек данных может достигать 60. Используется только одна лампочка и одна точка входа в систему.

Классификация термопар

Принцип работы термопары основан на создании разности потенциалов в проводниках, поэтому металлы термоэлектрода должны отличаться по своим химическим и физическим свойствам. Для изготовления термопар используются различные сплавы цветных и благородных металлов.

Благородные металлы обеспечивают значительное повышение точности измерений, меньшую термоэлектрическую неоднородность и устойчивость к окислению. Они используются для измерений при температурах до 1900 °C; при более высоких температурах требуются специальные жаропрочные сплавы. Цветные металлы используются при температуре до 1400 °C.

Все проводящие материалы имеют различную плавкость, стойкость к окислению и диапазоны рабочих температур. Именно в заявленном производителем диапазоне температур возможна качественная работа устройства и точные данные измерений.

Для классификации групп термопар по российскому ГОСТу используются три кириллические буквы, тогда как международная классификация предполагает обозначение одной буквой латинского алфавита: например, нихросил-нисиловая термопара имеет обозначение TNN, или N; платино-родиевая — TPR, тип B.

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

одноэлементные и двухэлементные;
Изолированные и соединенные между собой;
Заземленные и незаземленные.

Инерция термопары уменьшается, когда она заземлена на корпус, и это увеличивает скорость и точность измерения. Кроме того, для уменьшения инерции некоторые устройства оставляют узел вне защитного корпуса.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, оксиды металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°C до 1300°C краткосрочно и 1100°C долгосрочно.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключена), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного экрана.

Недостатки: легкая деформация, обратимая нестабильность тепловой ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°C до 800°C долгосрочно и 1100°C краткосрочно.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: искривление термопары.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; может реагировать с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: чистое железо (мягкая сталь). Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Хромель+алюмель ТХА (тип K)

Существует множество типов термопар, одним из наиболее распространенных является хромель-алюмель.
Состав сплава хромель:

90% никель
10% хрома

Состав сплава алюмель:

95% никель
2% алюминия
2% никель
1% кремния

Линейные характеристики в диапазоне температур от -200oC до +1300oC, подходит для нейтральных и окислительных сред, низкая стоимость. Для работы в неблагоприятных условиях требуется защитный кожух. Диапазон рабочих температур зависит от диаметра электрода и может быть использован для облучения реактора.

Он обладает высокой чувствительностью (приблизительно 41 мВ/оС) и регистрирует даже небольшие изменения температуры, благодаря чему широко используется во многих приложениях.

Недостатки и характеристики. Никель является магнитным, что вызывает изменение выходного сигнала при температуре 350oC. В сернистой среде возможен преждевременный выход из строя, а 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 :

55% меди
45% никель

Используются в более узком температурном диапазоне, чем хромель-алюмель: от -200 до +1100oC, с более высокой чувствительностью 50-60 мкВ/оС.

Хорошо подходит для работы в вакуумной среде, измерения также можно проводить в окислительной, восстановительной и нейтральной среде. Температура длительного воздействия до +750oC, кратковременного до +1100oC.

Не используйте непрерывно при отрицательных температурах из-за коррозии на металлическом выходе, окислительная среда сокращает срок эксплуатации. При высоких положительных температурах сера оказывает отрицательное воздействие.

Хромель+копель ТХК (тип L).

Copel формируется примерно в следующих пропорциях:

медь 56%
никель 43%
марганец 1%.

В основном используется для пирометрических измерений различных сред при рабочих температурах 200-600oC, в промышленных и лабораторных приложениях. Максимальный диапазон температур составляет от -250oC до +1100oC при кратковременном воздействии.

Одна из самых чувствительных термопар — до 80 мкВ/оС.

Очень чувствителен к деформации, очень хрупкий.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 с добавками кремния и алюминия)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы BP20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика с химически чистыми оксидами металлов.

Особенности включают механическую прочность, термостойкость, низкую чувствительность к загрязнениям и простоту изготовления.

Измеряет температуру от 1800°C до 3000°C, нижний предел — 1300°C. Измерение в условиях инертного газа, сухого водорода или вакуума. Подходит только для измерений в окислительных средах для быстрых процессов.

Недостатки: плохая повторяемость термоэлектрической прочности, нестабильность при облучении, нестабильная чувствительность в широком диапазоне температур.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземная керамика, защищенная кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможны кратковременные измерения в окислительных средах при наличии изоляции. Диапазон измеряемых температур от 1400 до 1800°C, с максимальной рабочей температурой около 2400°C.

Недостатки: плохая повторяемость и чувствительность к термо-ЭДС, инверсия поляризации, хрупкость при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: Платина-Rh (Pt с 10% или 13% Rh)
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°C: керамика с высоким содержанием Al2O3, выше 1400°C: химически чистая керамика Al2O3.

Предельная рабочая температура составляет 1400°C в долгосрочной перспективе, 1600°C в краткосрочной перспективе. Низкие температуры обычно не измеряются.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная среда при наличии экранирования.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к примесям (особенно платинового электрода), рост зерна металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt с 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt с 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Используется в металлических и неметаллических восстановительных и парообразных средах при наличии экранирования.

Максимальная рабочая температура: долгосрочная 1600°C, краткосрочная 1800°C.

Изоляция: керамика высокой чистоты Al2O3.

Менее восприимчивы к химическим примесям и росту зерна, чем платино-родиевые термопары.

Тип R (платнородий-платиновая)

Свойства такие же, как у термопар S-типа.

Тип Т (медь-константановая термопара)

Может использоваться при температуре ниже 0°C.
Может использоваться в атмосфере с небольшим содержанием кислорода или без него.
Не рекомендуется использовать при температуре выше 400°C.
Не чувствителен к высокой влажности.
Оба вывода могут быть отожжены для удаления материала, вызывающего термоэлектрическую неоднородность.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

Высокая чувствительность является преимуществом.
Термоэлектрическая однородность электродных материалов.
Подходит для использования при низких температурах.

Плюсы и минусы устройства

Термопара является самым старым и до сих пор наиболее широко используемым в промышленности датчиком температуры. Работа термопары основана на эффекте, который был впервые обнаружен и описан Томасом Сибеком в 1821 году — возникновение тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температуры между спаями.

Поскольку термоЭДС генерируется по всей длине термоэлектрода, показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в области максимального градиента температуры. Поэтому термопары должны быть проверены при той же глубине погружения, что и деталь. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар, изготовленных из неблагородных металлов.

Преимущества и недостатки термопарБольшой диапазон рабочих температур, это самые высокотемпературные контактные датчики.Разъем термопары может быть непосредственно заземлен или введен в прямой контакт с измеряемым объектом.Простота изготовления, надежность и прочность конструкции.Необходимость контроля температуры холодного спая.Большая длина термопар и удлинительных проводов может создавать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.Температурная зависимость термоэлектрической ЭДС не является существенно линейной. Это создает трудности при проектировании преобразователей вторичного сигнала.

Современные конструкции датчиков на термопаре измеряют температуру блока холодного спая с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматически корректируют измеренную термоэлектрическую ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и последующее изменение характеристик шага из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Материал электрода не является химически инертным, и, если корпус термопары недостаточно герметичен, на него могут воздействовать агрессивные среды, атмосфера и т.д. Там, где предъявляются жесткие требования к времени тепловой инерции термопары и рабочий спай должен быть заземлен, датчик сигнала должен быть электрически изолирован, чтобы исключить риск заземления.

В зависимости от материала, из которого изготовлена термопара, различают термопары из драгоценных и недрагоценных металлов. Первые — это термопары из платиновой группы (TPP, TPR). К недрагоценным относятся TVR, TXA, TCK, TMK, TNN, TZhK и другие из коммерчески доступной группы.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они используются в системах автоматического управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа TVR, имеющие внушительный диаметр термоэлектродов, незаменимы там, где требуются данные о перегреве, особенно в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы и водонагреватели также оснащены термоэлектрическими излучателями.

Преимущества

высокая точность измерения;
достаточно широкий диапазон температур;
высокая надежность;
простота обслуживания;
низкая стоимость.

Недостатки

К недостаткам продукта относятся следующие:

Влияние свободного припоя на производительность оборудования;
Ограничение рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагрева, порождающей трудности при проектировании преобразователей вторичного сигнала;
Характеристики шага ухудшаются при длительном использовании в условиях перепадов температуры;
Необходимость индивидуальной калибровки для достижения высокой точности, с точностью до 0,01ºC.

Поскольку проблемы, связанные с этими недостатками, могут быть решены, использование термопар более чем оправдано.

Схема подключения термопары

Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводам.
Соединение с компенсационными проводами;
Подключение через обычные медные провода к термопаре с унифицированным выходом.

Как работает датчик пламени в газовом котле

Ионизационный датчик пламени — это устройство, предназначенное для обеспечения безопасной эксплуатации газового котельного оборудования. Устройство контролирует наличие пламени и, если обнаруживает его отсутствие, автоматически отключает котел. Принцип работы датчика пламени газового котла заключается в следующем:

Функция основана на образовании ионов и электронов при воспламенении пламени. Образование ионного тока вызывает процесс притяжения ионов к ионизирующему электроду. Устройство подключается к детектору пламени;
Если монитор горения обнаруживает образование достаточного уровня ионов, котел работает нормально. Если уровень ионов падает, датчик блокирует котел.

Основными причинами срабатывания ионизационного датчика являются загрязнение клапана и неправильное соотношение газа и воздуха. Это также происходит, когда большое количество пыли оседает на аппарате для розжига.

Основные типы термопар для газового котла

В производстве термопар используются сплавы драгоценных и недрагоценных металлов. Определенные группы сплавов используются в конкретных температурных диапазонах.

Эти устройства делятся на несколько типов в зависимости от пар металлов, используемых при их изготовлении.

Для газовых котлов наиболее часто используются следующие типы.

Термопара типа E. Заводская маркировка TXKn, это пластины из хромеля и константана. Устройство предназначено для работы в диапазоне температур от 0°C и до +600°C;
Тип J. Это композит из железа и константана, обозначаемый TZHK. Он используется в диапазоне рабочих температур от -100°C до +1200°C;
Тип Kc, обозначаемый TXA, изготавливается из хромелевых и алюмелевых пластин. Температурный диапазон термопары типа K составляет от -200°C до +1350°C;
тип L, обозначенный как TCK. Компонентами являются хромель и копель. Они рассчитаны на температуру от -200°C до +850°C.

В тяжелой промышленности используются следующие типы:

Тип S, обозначаемый TPP10, представляет собой платино-родиевый композит. Он используется в приложениях при температурах до +1700°C;
Тип S, обозначаемый TPP, состоит из платино-родиевой композитной пластины. Изделие рассчитано на диапазон температур от -100°C до +1800°C.

Производятся также другие варианты подобных датчиков из сплавов драгоценных металлов, которые имеют важное значение в тяжелой промышленности и литейном производстве.

Термопара в системе газового контроля

При эксплуатации газовых приборов необходима энергонезависимая автоматика, которая быстро перекрывает подачу газа в случае внезапной потери пламени. Современные отопительные котлы с газовыми горелками оснащены системой контроля газа, состоящей из электромагнитного клапана и термопары. Компоненты электромагнитного клапана включают в себя:

сердечник с катушкой;
крышка;
возвратная пружина;
фитинги;
Резина, которая перекрывает подачу газа.

При нажатии кнопки подачи газа шток вдвигается в центр катушки, и пружина заряжается. Клапан подачи необходимо удерживать в течение примерно 30 секунд, чтобы термопара нагрелась и на концах образовалось напряжение, удерживающее клапан внутри катушки. Термопара начинает остывать, если горелка гаснет. Что будет дальше:

это сопровождается падением напряжения на концах термопары;
возвратная сила пружины превышает электромагнитную силу, которая удерживает шток внутри катушки;
клапан возвращается в исходное положение и подача газа прекращается.

Такова функция термопары в газовом котле. Система контроля загазованности на основе термопары отличается высокой надежностью, не в последнюю очередь потому, что она может работать без подключения к электросети.

Разновидности преобразователей термоэлектрического типа

Типы термопар чрезвычайно обширны. Существует два основных фактора разделения: по типу сплава и по типу припоя. Кроме того, многоточечные термопары являются отдельным типом.

Тип электропар в зависимости от сплавов проводников

Термопара генерирует ЭДС, принцип работы всегда одинаков, но сплавы нагреваются по-разному, поэтому диапазоны работы, скорости срабатывания, погрешности могут различаться.

Различные комбинации металлов имеют свои параметры, которые определяют выход импульса напряжения, но наиболее важным является диапазон температур, в котором может использоваться та или иная разновидность датчика

С увеличением амплитуды выходного напряжения увеличивается разрешение измерения. Повторяемость и точность также повышаются.

Для различных типов термопар существуют различные соотношения разрешения и диапазона t°, что делает их подходящими для конкретных условий.

Существует девять типов термопар, основанных на составе сплавов проводников:

Разновидности обозначены буквами. (J, K, T, E, N, R, S, B, C).

Важной для нас термопарой является тип K (другое обозначение: TXA): она наиболее распространена и подходит для использования в бытовых и других приборах и для задач, к которым не предъявляются особые требования.

Традиционно всегда рекомендуется ТХА, если нет оснований для использования других типов. Ниже приведено описание термопары K-типа с узконаправленного сайта по электронике:

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветовая кодировка изоляции проводов помогает отличить электроды термопары друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты в разных странах различны, и не существует определенной цветовой маркировки проводников.

Точность измерения

Точность зависит от типа термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств разъема и процесса производства.

Термопарам присваивается класс допуска (стандартный или специальный), который определяет доверительный интервал измерения.

Быстродействие измерения

Время отклика связано со способностью первичного преобразователя очень быстро реагировать на скачки температуры и с последующим потоком входных сигналов на измерительный прибор.

Факторы, увеличивающие скорость измерения:

Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
При использовании преобразователя с термогильзой уменьшите вес прибора, выбрав термогильзу меньшего диаметра;
Минимизируйте воздушный зазор между основным датчиком и термогильзой;
Используйте подпружиненный основной датчик и заполните пустоты в гильзе теплопроводящим наполнителем;
Быстро движущиеся среды или среды с высокой плотностью (жидкость).

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термопарных преобразователей. У читателя наверняка возникнет закономерный вопрос: почему существует так много типов термопар?

Дело в том, что заявленная производителем точность возможна только в определенном диапазоне температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других температурных диапазонах зависимость между напряжением и температурой может быть нелинейной, что обязательно скажется на точности. Необходимо учитывать, что материалы имеют разную степень плавкости, поэтому существует предел их рабочей температуры.

Для сравнения термопар были разработаны таблицы, в которых представлены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приведен один из вариантов таблицы для сравнения распространенных термопар.

Таблица 1.

Тип термопары	K	J	N	R	S	B	T	E
Материал положительного электрода	Cr-Ni	Fe	Ni-Cr-Si	Pt-Rh (13 % Rh)	Pt-Rh (10 % Rh)	Pt-Rh (30 % Rh)	Cu	Cr-Ni
Материал отрицательного электрода	Ni-Al	Cu-Ni	Ni-Si-Mg	Pt	Pt	Pt-Rh (6% Rh	Cu-Ni	Cu-Ni
Температурный коэффициент	40…41	55.2	68
Диапазон рабочих температур, ºC	от 0 до +1100	от 0 до +700	от 0 до +1100	от 0 до +1600	от 0 до 1600	от +200 до +1700	от -185 до +300	от 0 до +800
Температурные пределы, ºC	-180; +1300	-180; +800	-270; +1300	— 50; +1600	-50; +1750	-250; +400	-40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±1,5 -40 °C до 375 °C	±1,5 -40 °C до 375 °C	±1,5 -40 °C до 375 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±0,5 -40 °C до 125 °C	±1,5 -40 °C до 375 °C
±0,004×T 375 °C — 1000 °C	±0,004×T 375 °C — 750 °C	±0,004×T 375 °C — 1000 °C	±[1 + 0,003×T(T — 1100)] 1100 °C — 1600 °C	±[1 + 0,003×T(T — 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±0,004×T от 125 °C до 350 °C	±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±2,5 -40 °C до 333 °C	±2,5 -40 °C до 333 °C	±2,5 -40 °C до 333 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±0,0025×T 600 °C — 1700 °C	±1,0 -40 °C до 133 °C	±2,5 -40 °C до 333 °C
±0,0075×T 333 °C — 1200 °C	±0,0075×T от 333 °C до 750 °C	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0075×T от 133 °C до 350 °C	±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая кодировка клемм IEC	Зеленый — белый	Черный — белый	Сиреневый белый	Белый — оранжевый	Белый — оранжевый	Нет	Коричневый — белый	Фиолетовый — белый

Особенности, нюансы по точности

Напряжение на холодных концах пропорционально t° на горячем спае. В определенном диапазоне температур наблюдается линейное термоэлектрическое свойство, показывающее зависимость напряжения от уровня разницы t° между горячей и холодной точками элемента TP. Линейность условна — о ней можно говорить только в том случае, если t° на последнем этапе постоянна. Это необходимо учитывать при калибровке: если температура на холодных клеммах меняется, существует вероятность значительной погрешности.

Когда требуется высокая точность измерений, холодные клеммы помещают в специальные капсулы, где стабильность одного выбранного уровня температуры поддерживается специальными электронными устройствами, обрабатывающими показания термометра сопротивления. При таком подходе достигается точность до ±0,01, но это требуется лишь для некоторых процессов. В большинстве случаев, например, при эксплуатации термопар в холодильниках, водонагревателях и других бытовых приборах, требования менее строгие и допускают отклонения на порядок меньше.

Изготовление термопары для мультиметра самостоятельно

Термопара, созданная своими руками, — это датчик, конструктивно схожий с заводским: два электрода, отличающиеся по составу, спаяны вместе.

Список материалов, инструментов:

Константин. Они существуют в старых советских низкоомных керамических резисторах ПЭВ-10 или аналогичных;
проволока, медь;
зажигалки: турбо («топка») и обычные.

Приемником данных может быть любой цифровой или аналоговый тестер. Используя такой ТА к мультиметру, можно измерить температуру тестируемого объекта.

Где взять проволоку

Чем меньше площадь поперечного сечения проволоки, тем ниже точность термометра, так как уменьшается влияние расположения проволоки на теплопередачу.

В нашем примере из этих сплавов взяты 2 проволоки:

Константин. Берем из старого керамического резистора ПЭВ-10. В сплаве также присутствует зарубежный аналог 1R00JSMT и подобные типы радиоэлементов. Некоторые такие радиоэлементы имеют нихром — он не подойдет;
медный провод: от намотки отработанных трансформаторов от бытовых приборов, от кабелей типа «витая пара».

Скрутка, сварка

Сделайте многожильный провод из 2 проводов. Мы припаиваем этот конец, поскольку жилы провода тонкие, и все, что вам нужно, — это турбозажигалка, широко известная как «плита». У вас должна получиться круглая головка с капелькой. Затем отключите другие катушки, чтобы не было короткого замыкания.

Принцип работы уже был описан: при нагреве на горячем спае, т.е. капельной головке, создается разность потенциалов, инициирующая небольшой ток, который потечет по проводам к приемнику (мультиметру). Значения таких электричеств будут характеризовать конкретную температуру.

Другие способы сварки

Спаять провода можно и домашними средствами, например, используя лабораторные автотрансформаторы, автомобильный аккумулятор. К одному полюсу (+) такого источника подключите оба конца термопары, скрученные или механически соединенные. К другому полюсу подключите провод (-), соединенный с кусочком графита. Возникнет электрическая дуга, и произойдет сварка.

Сварочное напряжение подбирается экспериментально: начинайте с небольших значений 3-5 В и постепенно увеличивайте до желаемого результата. Оптимальное значение зависит от металла провода, его сечения, длины — обычно не более 40-50 В. Соблюдайте правила безопасности: не прикасайтесь к открытым участкам, не подавайте слишком большое напряжение. Для удобства опасные сегменты изолируются лентой, перемычками, керамическими трубками.

Хорошее соединение достигается путем нагрева проводов дуговым разрядом, зажиганием между ними и крепким (масляным) солевым раствором.

Другие сплавы для электродов

Выше мы привели пример с медно-константиевыми электродами. Термопару для измерения температуры своими руками можно изготовить и из проволоки других материалов (сплавы см. в таблице выше). Такие материалы продаются на узкоспециализированных коммерческих сайтах, но получить их все равно сложнее, наиболее доступными являются хромель и алюмель.

Проверка самодельной термопары для мультиметра

Подключите электроды собранного пробника к мультиметру таким же образом, как и щупы. Затем вы проверяете термопару, нагревая ее зажигалкой и наблюдая за показаниями тестера. В нашем случае мультиметр показал напряжение 50 мВ и ток 5 мкА, что является максимальным значением для данного устройства.

Калибровка

Откалибровать самодельную термопару и создать базу известных значений температуры можно, погрузив термометр в жидкость (для этого его нужно сильно нагреть). Остается сопоставить t° с показаниями мультиметра и записать числовые соответствия.

Проверка, ремонт и замена термопары

Рассмотрим неисправности на примере датчика термопары газового котла, в таких устройствах его также называют датчиком пламени. Попутно раскроем некоторые нюансы в работе термопарных детекторов, как они устроены, из чего состоит такое устройство.

Признаки неудачи:

исчезновение фитиля при одновременном отпускании кнопки зажигания;
лампочка остается включенной, но когда зажигается основная горелка, подача топлива снова прекращается, котел полностью отключается.

Причины:

Электроды, представляющие собой раскаленный нарост, покрытый сажей, не нагреваются в достаточной степени. Поэтому напряжение в цепи падает ниже критического минимума, необходимого для работы прибора;
выгорание защитной капсулы теплозащитного экрана;
нарушение контактов на соединениях, обрыв проводов;
ослабление крепежных гаек;
Перекос рабочего стержня и, как следствие, плохой нагрев запальника;
поврежден датчик тяги или нарушена его электрическая цепь.

Починка, восстановление

Термопары чувствительны к любым повреждениям и загрязнениям: эти факторы могут снизить напряжение, вырабатываемое датчиком, ниже критического предела. Распространенной причиной низкой производительности является отложение сажи, нагара на рабочем (нагретом) сегменте. Просто очистите его мягкой щеткой, ватой и спиртом. Важно избегать царапин, механических повреждений. После очистки следует провести проверку мультиметром.

Часто причиной неисправностей являются окисленные контакты, которые можно зачистить мелкой наждачной бумагой, но без чрезмерного усилия.

Таким образом, при наличии нагара, грязи, окисления, ослабленных или поврежденных контактов, разъемов и тому подобного, ТП можно отремонтировать. Однако если имеются глубокие черные вмятины, прожоги (отверстия), то такой компонент обычно не подлежит ремонту. Теоретически, вы можете собрать новый экран и попытаться заново припаять клеммы, если они разошлись, но нет никакой гарантии, что такой ремонт будет качественным. А от неэффективной эксплуатации возникает риск того, что срок службы прибора будет серьезно подорван, повышается вероятность несчастных случаев. Датчики с такими критически перечисленными неисправностями почти всегда заменяются на новые без раздумий.

Запасные части можно приобрести в специализированных магазинах и сервисных центрах. Выбор прост — просто выберите аналогичный или подходящий детектор для вашей модели оборудования. Замена элементарна — вы отламываете старый ТП и вставляете (вставляете) его в гнезда нового.

Единственная сложность может заключаться в том, что вам придется разбирать оборудование, снимать крышки, узлы горелок и т.д.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

Температура применения ниже нуля — тип E, T
Температура применения внутри помещений — тип K, E, T
Температура применения до 300°C — тип K
Температура применения от 300 до 600°C — тип N
Температура применения свыше 600°C — тип K или N

Подведение итогов

Точность показаний температуры намного выше, чем у термометров сопротивления, но термопары также могут похвастаться большим диапазоном измерений. Материал термистора со временем деградирует, в то время как термопары живут гораздо дольше.
Датчики имеют различные методы определения температуры. Для каждого типа требуется свое устройство или контроллер для контроля показаний.
Диапазон измерений можно считать основным критерием выбора. Если температура превышает порог в 300 градусов, следует использовать термопару. В противном случае нет смысла переплачивать; можно довольствоваться недорогими термопарами, поскольку термопара стоит на порядок дороже.

Post Views: 106