Термопара: принцип работы, устройство, типы и виды, проверка работы

Особенности применения наиболее распространённых термопар

Технические характеристики зависят напрямую от материалов, из которых они произведены.

Тип J (железо-константановая термопара)

Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
Максимальная температура применения – 500°С, т.к. выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
Показания повышаются после термического старения.
Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

Преимуществом является высокая чувствительность.
Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара)

Может использоваться ниже 0°С.
Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
Не рекомендуется использование при температурах выше 400°С.
Не чувствительна к повышенной влажности.
Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

Широко используются в различных областях от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода).
В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5°С.
Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
После термического старения показания снижаются.
Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру.
Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Термопара типа К.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С (зависит от диаметра проволоки).
Кратковременная работа возможна при 1250°С.
Высокая стабильность при температурах от 200 до 500°С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

Температура применения ниже нуля – тип Е, Т
Комнатные температуры применения – тип К, Е, Т
Температура применения до 300°С – тип К
Температура применения от 300 до 600°С – тип N
Температура применения выше 600°С – тип К или N

Термопары из благородных металлов

Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
Кратковременное применение возможно при 1600°С.
Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
Может применяться в окислительной атмосфере.
При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов

Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

Термопары из благородных металлов

Тип В (платнородий-платинородиевая)

Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500°С (зависит от диаметра проволоки).
Кратковременное применение возможно до 1750°С.
Может загрязняться при температурах выше 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R.
При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов

Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
Может использоваться в окислительной среде.
Не рекомендуется применение при температуре ниже 600°С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.. Сводная таблица типов термопар.

Сводная таблица типов термопар.

Неисправность устройств котлов

Что касается газовых котлов, то среди всех деталей оборудования именно термопара чаще всего выходит из строя. Неисправность можно обнаружить так же, как в случае с плитой. Признак выглядит так: нажимается кнопка подачи газа, поджигается запальник и держится 30 секунд (как полагается по инструкции) и отпускается. При этом горелка сразу же гаснет, что должно насторожить.

Это может говорить о том, что термопара неисправна и требует замены, поскольку неремонтопригодна. Или же между устройством и электромагнитным клапаном плохой контакт.

В этом случае можно самостоятельно выполнить несложную диагностику, а и полностью устранить проблему, без привлечения специалиста. При этом необязательно в точности знать, какой у термопары принцип действия. Вот что потребуется сделать:

Откручивается прижимная гайка, что удерживает термопару на электромагнитном клапане, после чего устройство извлекается.
Внимательно осмотреть разъем – есть ли окислы или загрязнения? В случае чего, пройтись мелкой шкуркой.
Проверить работоспособность при помощи мультиметра. Для этого один конец устройства соединяется с прибором, а другой нужно нагреть. Можно воспользоваться ручной газовой горелкой или чем-нибудь еще (свечка). У исправной термопары напряжение должно быть до 50 мВ.
Если диагностика прошла успешно, остается установить термопару на свое место и еще раз запустить котел.

Любой, кто осведомлен, что такое термопара, может прийти к правильному выводу – все дело в самом электромагнитном клапане. Однако и он может быть исправен. Тогда нужно прочистить место соединения проводников, после чего найти удачное положение прижимной гайки, при котором обеспечивается хороший контакт.

Зачем газовой плите термопара?

Газ в горелке плиты разжигается спичками, ручной пьезозажигалкой либо встроенным электроподжигом. Потом пламя должно гореть само без участия человека, пока топливо не будет перекрыто вентилем.

Однако нередко огонь на газовой варочной панели или в духовке гаснет в результате порыва ветра либо выплеска воды из закипевшей кастрюли. И тогда, если рядом в кухне никого нет, метан (либо пропан) начинает поступать в помещение. В итоге при достижении определенной концентрации газа происходит хлопок с пожаром и разрушениями.

Термопара контролирует в горелке наличие открытого огня, а при его отсутствии в течение полуминуты–минуты перекрывает подачу газ, чтобы предотвратить трагедию

Рабочая функция термопары – контроль наличия пламени. Пока газ горит, температура на кончике контрольного устройства доходит до 800–1000 0С, а нередко и выше. В результате возникает ЭДС, которая держит газовый электромагнитный клапан на патрубке к горелке в открытом состоянии. Конфорка работает.

Однако при исчезновении открытого огня термопара перестает выдавать ЭДС на электромагнит. Происходит перекрытие крана и подачи топлива. В итоге газ не попадает в кухню, не скапливаясь в ней, что и исключает возникновение пожара от подобной нештатной ситуации.

Термопара – это простейший температурный датчик без каких-либо электронных устройств внутри. В нем нечему ломаться. Он может лишь прогореть от длительного использования.

С полным набором датчиков, предназначенных для контроля и безопасности работы газовой колонки, ознакомит следующая статья, полностью посвященная этому интересному вопросу.

Прогорание термопары обычно происходит лишь в газовых котлах и бойлерах, работающих постоянно. В газовых плитах рассматриваемые термодатчики газконтроля служат до замены по 20–30 лет

Среди достоинств термопар:

простота устройства и отсутствие ломающихся механических или перегорающих электрических элементов;
дешевизна прибора – порядка 800–1500 рублей в зависимости от модели газовой плиты;
длительный срок эксплуатации;
высокая эффективность контроля температуры пламени;
быстрое перекрытие газа;
простота замены, которую можно выполнить своими руками.

Сколько-либо значимый недостаток у термопары один – сложность ремонта прибора. Если термопарный датчик неисправен, то его проще заменить на новый.

Чтобы отремонтировать подобное устройство, необходимо сварить или спаять при высокой температуре (около 1 300 0С) два разных металла. В быту дома добиться таких условий крайне сложно. Гораздо проще под замену купить новый контрольный блок для газовой плиты.

Инструкция по диагностике, ремонту и замене

Как проверить термопару на работоспособность

Определить, что термопара неисправна зачастую можно даже визуально, не разбирая котел. Во время розжига, после отпуска кнопки электромагнитного клапана, она не останется в зажатом положении, поскольку электромагнитный клапан не получает минимально необходимого напряжения. Клапан закроется, подача газа прекратиться.

Чтобы гарантированно убедиться в исправности или неисправности, стоит проверить термопару мультиметром (тестером), установленным на мВ или вольтметром:

Откручиваем гайку, фиксирующую термопару в гнезде электромагнитного газового клапана.
Снимаем рабочую часть термопары с кота.
Теперь нужно нагреть рабочую часть термопары, чтобы она образовала напряжение. Сделать это лучше всего над конфоркой кухонной плиты или свечой, пламя должно плотно обволакивать термопару.
После нагрева термопары (30-60 секунд), прикладываем один щуп тестера к корпусу термопары, а второй – к выходному контакту. Измерения лучше проводить в течение 40-60 секунд, не прекращая греть рабочий спай.

Исправная термопара газового котла должна выдавать напряжение от 20 мВ (0,02 В). Некоторые модели могут выдавать до 50-60 мВ. Если термопара выдает менее 20 мВ, это гарантированно свидетельствует о ее неисправности. Однако не спешите прибегать к ремонту или замене модуля.

Как и в каких случаях ее можно восстановить

Термопара устроена таким образом, что любые повреждения или загрязнения могут снизить выдаваемое ею напряжение ниже критической отметки. Очень частой причиной неисправной работы является нагар или слой сажи на ее рабочей (нагреваемой) части. Чтобы восстановить термопару, достаточно почистить ее мягкой щеткой или ваткой и спиртом, не допуская при этом царапин и прочих повреждений. После очистки стоит заново произвести проверку напряжения следуя инструкции выше.

Также частой причиной являются окислившиеся контакты, их можно аккуратно обработать наждачкой-нулевкой. Если на термопаре присутствует глубокая черная вмятина или дыра вследствие прогорания, ее гарантировано необходимо заменить.

Порядок замены термопары на новую

Установка новой термопары не отличается от процесса ее демонтажа: сначала фиксируем рабочую часть с горячим спаем на горелочном модуле, просто закручивая гайку. Таким же образом подключаем диэлектрическую шайбу к гнезду газового клапана.

Градуировка термопары

Согласно ГОСТ 8.585 и МЭК 60574 градуировки термопар имеют буквенные коду K,J,N, T, S, R, B в зависимости от химического состава термоэлектродов. В следующей таблице приведены обозначения градуировок термопар, диапазон в котором нормирована НСХ каждого типа градуировки термопар и цветовая маркировка удлинительных проводов термопар.

Тип датчика	Эскиз провода	НСХ нормирована в диапазоне температур	Цветовая маркировка по МЭК 60584:3-2007	Номинальный состав
ХА (К)		От -200	«+» Зеленый	Хромель
До 1370	«-» Белый	Алюмель
НН (N)		«+» Розовый
«-» Белый
ЖК (J)		«+» Черный
«-» Белый
МК (Т)		«+» Коричневый
«-» Белый
ПП(S)
ПП (R)
ПР (B)
ХК (L)		«+» Зеленый
«-» Желтый

Как проверить и заменить термопару

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
ТЖК – железо-константановые (тип J);
ТМКн – медь-константановые (тип T);
ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
ТХКн – хромель-константановые (тип E);
ТХК – хромель-копелевые (тип L);
ТМК – медь-копелевые (тип M);
ТСС – сильх-силиновые (тип I);
ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Буквами обозначено:

И – один спай, изолированный от корпуса;
Н – один соединённый с корпусом спай;
ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
ИН – два спая, один из которых заземлён;
НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК)	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный диапазон °C (кратковременно)	Класс точности 1 (°C)	Класс точности 2 (°C)	IEC (МЭК) Цветовая маркировка
K	Хромель Cr—Ni	Алюмель Ni—Al	40…41	0 до +1100	−180 до +1300	±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	Зелёный-белый
J	Железо Fe	Константан Cu—Ni	55.2	0 до +700	−180 до +800	±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 750 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,T от 333 °C до 750 °C	Чёрный-белый
N	Никросил Ni—Cr—Si	Нисил Ni—Si—Mg		0 до +1100	−270 до +1300	±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	Сиреневый-белый
R	Платинородий Pt—Rh (13 % Rh)	Платина Pt		0 до +1600	−50 до +1700	±1,0 от 0 °C до 1100 °C± от 1100 °C до 1600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	Оранжевый-белый
S	Платинородий Pt—Rh (10 % Rh)	Платина Pt		0 до 1600	−50 до +1750	±1,0 от 0 °C до 1100 °C± от 1100 °C до 1600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	Оранжевый-белый
B	Платинородий Pt—Rh (30 % Rh)	Платинородий Pt—Rh (6 % Rh)		+200 до +1700	0 до +1820		±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C	Отсутствует
T	Медь Cu	Константан Cu—Ni		−185 до +300	−250 до +400	±0,5 от −40 °C до 125 °C±0,004×T от 125 °C до 350 °C	±1,0 от −40 °C до 133 °C±0,0075×T от 133 °C до 350 °C	Коричневый-белый
E	Хромель Cr—Ni	Константан Cu—Ni	68	0 до +800	−40 до +900	±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 800 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,0075×T от 333 °C до 900 °C	Фиолетовый-белый

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.

Основные компоненты и принцип её работы

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.

Из каких металлов состоят проводники термопары

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:

Тип Е. Изготавливается из пластин хромеля и константа. Отличается высокой надежностью. Имеет заводскую маркировку ТХКн. Диапазон рабочей температуры составляет от 0 до +600°С.
Тип J. Аналог предыдущей термопары, но вместо хромеля здесь применяется железо. Устройство практически не уступает по функциям типу Е, однако цена значительно меньше. Маркировка – ТЖК. Диапазон температур варьируется в пределах от -100 до +1200°С.
Тип К. Наиболее распространенный и повсеместно применяемый тип термопары. Маркировка – ТХА. В составе содержатся пластины из хромеля и алюминия. Рабочие температуры находятся в пределах от – 200 до +1350°С. Такие приборы довольно чувствительны к малейшим изменениям температур, но при этом сильно зависят от окружающей среды. К примеру углекислый газ способен существенно снизить срок эксплуатации устройства и вызвать преждевременный ремонт.

Проверка и замена

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.