О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

Автоматизация производства, технологических процессов, работа бытовых и прочих приборов часто связаны с мониторингом температурных изменений, там применяют высокоточные датчики с малой инерционностью — термопары (ТП). Отличия от других измерителей температуры, например, от терморезисторов: принцип основывается на возникновения тока при нагревании спаянных электродов, температурный диапазон намного шире. Есть и минусы: потребность в усилителях, преобразователях, иногда нужны определенные условия для уменьшения погрешностей. С мультиметром ТП применяется для исследования нагрева электроники и прочих объектов. Рассмотрим что такое термопара, достоинства и недостатки, особенности, типы. Опишем, где термоэлектрические преобразователи более уместные, как их собрать самому.

Понятие термопары

Термопары (преобразователи термоэлектрические, ТП) — это сенсоры для измерения t°, базирующиеся на принципе трансформации тепла в электропроцессы.

Сама по себе термоэлектрический преобразователь не обрабатывает показания, а передает их на отдельный узел для этого, на микросхему приложения (обслуживаемого или специального измерительного оборудования).

Датчик-термопреобразователь обладает достаточной точностью, малой инерционностью. Диапазон рабочих температур шире, чем у сенсоров-термисторов, а также лучшая стойкость к механическим и прочим нагрузкам (это главные плюсы).

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Где используются термопары

ТП чаще, чем другие датчики применяют для оборудования, связанного с высокими плюсовыми температурами: топливные котлы и плиты, иное оснащение с горелками, бойлеры, паяльники, пирометры, печи, металлургия.

Термин «термоэлектрический преобразователь» отображает природу сенсора — дифференциальный измеритель, который делает замеры, преобразовывая тепло в электричество.

Термопары — это простые и эффективные сенсоры для высокоточных термоэлектрических термометров, работающих в повышенных температурных рамках.

Яркий пример применения: в составах автоматики топливных котлов и отопления. Сработка оснащения инициируется электросигналом от сенсорного узла с ТП.

Термопары наряду с NTC и PTC термисторами — самые популярные измерители температуры для оборудования, последние имеют свои достоинства (считаются более точными в своих диапазонах), но не охватывают настолько широкие температурные рамки, как ТП.

Конструктивные особенности

Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.

Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:

• Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.
• Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
• Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
• В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Вам это будет интересно Киловатт — производная единица измерения мощности

Конструкция датчика во многом зависит от условий его применения. При создании термопары во внимание принимается диапазон измеряемых температур, состояние внешней среды, тепловая инерционность и т. д.

Что такое термопара, ее устройство

ТП регламентируются ГОСТами 6616, Р 8.585 и МЭК 62460, 60584. Пункт 2.2 последнего дает определение сенсора: пара разносплавных проводников с соединением (спайкой) на одном конце для инициирования термоэлектрического эффекта для замеров t° этим сегментом. ТП измеряет точкой соединения (головкой) своих электродов, так называемой «горячей спайкой».

Надо понимать, что устройство термопары может представлять собой неприглядные отрезки спаянных на одном их окончании тоненьких проводков, но, несмотря на это, сенсор чрезвычайно эффективный. Часто содержит драгметаллы.

Устройство:

• два проводника, с одного конца спаянные, реже — скрученные. Это горячий спай, чувствительный сегмент, проводящий замеры;
• другие концы — место, где нет нагрева, соединения с удлиняющими проводками, холодный спай. Они подсоединяются на приемник показателей.

Создается замкнутая цепь, если в ее разрыв подсоединить гальванометр, микровольтметр, мультиметр, то они покажут возникшую там термоЭДС в несколько мили-, микровольт. Значение зависит от степени нагрева на соединении проволоки и от показателя температуры, на сегменте, где такового нет.

То есть величина ЭДС зависит от разности t° между спаями — холодным и горячим и от термоэлектросвойств сплавов самих проводников.

Если горячую точку соединения подогреть, то между их несоединенными (холодными) концами появится разность потенциалов.

Далее, преобразователь отдельный или на блоке контроля обслуживаемого приборе исчисляет температуру, так как сила ЭДС и она взаимозависимые, затем переводит полученные данные в цифры и/или в команды для управления.

Устройство и принцип работы

Известно, что в замкнутой цепи, которая состоит из двух проводников из разных металлов (напр., хромель и копель), возникает термоэлектродвижущая сила (ЭДС), при условии, что их горячий и холодный спаи имеют различную температуру (эффект Зеебека). Значение ЭДС зависит от материалов проводников, температур их холодного и горячего спаев.

Обычно, напряжение бытовой термопары находится в пределах 20-60 милливольт (мВ), чего достаточно для открытия газового клапана, но, разумеется, недостаточно для работы сложной автоматики и прочих модулей, для которых уже необходимо подключение к электросети.

Так выглядит стандартная термопара на фото.

Модуль не ограничивается парой спаев, однако устройство термопары достаточно простое и понятное:

1. Гильза, внутри которой находятся термоэлектроды с «горячим» спаем проводников, именно она крепится на горелочный модуль котла, рядом с пилотной горелкой (запальником).
2. Удлинитель, защищенный медной трубкой от внешнего воздействия электромагнитных полей, служит для соединения рабочей части (горячего спая) с электромагнитным газовым клапаном.
3. Диэлектрическая шайба с «холодным» спаем, именно она вставляется в гнездо газового электромагнитного клапана.

Чаще всего в термопарах бытовых газовых котлов используются спаи из хромеля и алюмеля (ТХА), хромеля и копеля (ТХК), железа и константана (ТЖК). Все используемые сплавы, их маркировка и характеристики указаны в таблице ниже.

Как работает термоэлектрический термометр в составе газового котла

Принцип работы термопары в составе газового котла везде один:

1. Сначала человек механическим путем открывает клапан подачи газа, удерживая кнопку электромагнитного клапана в течение 15-30 секунд.
2. Затем единожды нажимается кнопка пъезорозжига, возникает искра и зажигается запальная горелка.
3. Кнопка магнитного клапана удерживается еще на протяжении 30-60 секунд, пока рабочий спай термопары, находящийся рядом с запальником, не нагреется и не выдаст необходимое напряжение.
4. По прошествии 30-60 секунд кнопка электромагнитного клапана отпускается, но горение не прекращается, поскольку нагретая термопара вырабатывает достаточно напряжения для удержания газового клапана в открытом положении. Котел работает в штатном режиме, без вмешательства человека.
5. Как только горение прекращается, пламя больше не нагревает термопару, вследствие чего напряжения недостаточно для удержания электромагнитного газового клапана открытым, он закрывается, прекращая подачу газа.

Что такое КХС

Для особой точности замеров температура на холодном сегменте должна быть неизменной, но этого достичь в обычных условиях сложно, поэтому применяют спецсхемы компенсации. Напряжение, фиксируемое на указанном участке ТП зависит от разницы t° на нем же и на горячем сегменте. Поэтому надо знать уровень нагрева первого для исчисления такового на втором. Такие расчеты именуются компенсацией холодного спая — КХС и он часто применяется для аварийных отключений или для управления другими узлами формирования импульсов.

КХС всегда стремятся измерять (исчислять) ближе к точке предполагаемых замеров термопарой, так как удлиненные провода сенситивные к электропомехам (ухудшается сигнал). Данное обстоятельство значимо для производителей при конструировании термодатчиков.

Принцип работы

Термопара, принцип работы которой основан на эффекте, открытом Т. Зеебеком в 1822 г., является исключительно дифференциальным сенсором.

Этот принцип таков: в цепи замкнутого типа из двух проводников разного типа в случае наличия температурного градиента между спаями появляется электрический ток. Термопары создаютэлектрический сигнал, являющийся пропорциональным разнице температур двух разных точек. Таким образом, спай, используемый для измерения необходимой температуры, именуется «горячим», а другой спай – «холодным».

Как правило, измеряемая температура выше, чем температура, в которой расположен прибор для измерения. Трудности применения пар относятся к использованию напряжения «холодного» спая. В основном, требуется измерение температуры в конкретной точке, а не разницу температур двух точек, что выполняет термопара.

Принцип действия

Если кратко, то ТП состоит из проводков из 2 разных сплавов со своими электрохарактеристиками при термических влияниях: создается определенная разность потенциалов и слабый ток, что фиксирует приемник таких показаний.

Но если углубиться в изучение термопары, то надо сказать о значительных особых нюансах как она работает.

Принцип работы термопары использует термоэлектрическое реагирование, впервые описанной ученым Т. Зеебеком. Соединенные проводники имеют контактную разность потенциалов. Конструктивно сенсор состоит из 2 жил из разных сплавов.

Концы образуют головку — контакт, так называемый горячий спай (красный на схеме ниже), созданный скручиванием, а чаще сваркой (швом, встык). Свободные окончания идут на обрабатывающие данные, управляющие узлы обслуживаемого оснащения, они замкнутые компенсационными проводками на контакты таких приборов, а в точках соединения с ТП находится холодный спай (синий на рис. ниже).

Электроды из разных металлов, условно А и B, на чертеже выше тоже изображены разными оттенками. Они защищены герметичной капсулой (может быть с инертным газом, жидкостью), керамическими цилиндриками (на изобр. ниже).

Объяснение из Википедии:

Действие основывается на эффекте с термоэлектрическими свойствами (назван на честь ученого Т. Зеебека). Если цепь замыкается, например, милливольтметром, на точках спаек появляется термо-ЭДС (электродвижущая сила). Если применить электроды с одних и тех же сплавов, то они бы нагревались одинаково (равнозначно), ЭДС взаимно бы компенсировалась, ток бы не возник.

Термопара, как она работает, что это такое простым языком: разные же проводники нагреваются по-разному, их спаи обладают неидентичными температурами, поэтому между ними возникает разность потенциалов, инициирующая термо ЭДС, которая и поддерживает слабый ток на такой цепи. Величина пропорциональная разности t° спаев. Надо акцентировать, что принимать во внимание надо именно ее, а не другие показатели.

Еще одно простое объяснение, как работает термопара: если соединить 2 разных металлических проводника, создав замкнутую электроцепь, и нагреть точку данного соединения, то появится электродвижущая сила (термоЭДС) и малый электроток. ТП передает эти данные на микросхему обслуживаемого или измерительного прибора, который и обрабатывает их, вычисляя t°.

Похожие темы:

Термопара(термоэлектрическийпреобразователь температуры) —термоэлемент, применяемый в

измерительныхи преобразовательных устройствах, атакже в системах автоматизации.

Международныйстандарт на термопары МЭК60584(п.2.2) дает следующее определениетермопары:

Термопара— пара проводников из различныхматериалов, соединенных на одном концеи формирующих

частьустройства, использующего термоэлектрическийэффект для измерения температуры.

Дляизмерения разности температур зон, нив одной из которых не находится вторичныйпреобразователь

(измерительтермо-ЭДС), удобно использоватьдифференциальную термопару: двеодинаковых термопары,

соединенныхнавстречу друг другу. Каждая из нихизмеряет перепад температур между своимрабочим

спаеми условным спаем, образованным концамитермопар, подключёнными к клеммамвторичного

преобразователя,но вторичный преобразователь измеряетразность. их сигналов, таким образом,две

термопарывместе измеряют перепад температурмежду своими рабочими спаями.

Принципдействия основан на эффектеЗеебека или, иначе, термоэлектрическомэффекте.

Когда концы проводника находятсяпри разных температурах, между нимивозникает разность потенциалов,пропорциональная разности температур.Коэффициент пропорциональности называюткоэффициентом термоэдс. У разных металловкоэффициент термоэдс разный и,соответственно, разность потенциалов,возникающая между концами разныхпроводников, будет различная. Помещаяспай из металлов с отличными коэффициентамитермоэдс в среду с температурой Т1,мы получим напряжение между противоположнымиконтактами, находящимися при другойтемпературе Т2,котороебудет пропорционально разности температурT1и Т2.

Особенности, нюансы по точности

Напряжение на холодных кончиках пропорционально зависимое от t° в районе горячей спайки. В определенном температурном диапазоне наблюдается линейное термоэлектрическое свойство, показывающее собой зависимость напряжения от уровня разности t° между точками теплым и холодным элементом ТП. Линейность условная — о ней можно говорить, лишь когда t° на последнем постоянная. Данный нюанс надо учитывать, если делается градуировка: при изменении нагрева на холодных окончаниях есть вероятность значительной погрешности

Когда требуется высокая точность замеров, холодные концы помещают в специальные капсулы, где стабильность одного выбранного уровня температуры поддерживается специальными электронными приборами, обрабатывающими показатели термометра сопротивления. При таком подходе добиваются точности до ±0.01. Но это затребовано лишь для немногих технологических процессов. В большинстве случаев, например, при работе термопары в холодильниках, водонагревателях и прочих бытовых приборах требования менее жесткие, допускают отклонения на порядок ниже.

Рекомендации по эксплуатации

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия. Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников. При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники. Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта. Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.

Таблица – Градуировка и проверка термопар.

Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика. При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода. Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.

Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов. Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур. Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Отличия термопар от терморезисторов (NTC PTC)

Отличия термоэлектрических преобразователей от термисторов (датчиков сопротивления):

• принцип работы. На термопаре возникает малый ток, меняющийся при разном нагреве ее головки, а терморезистор (полупроводниковый) реагирует на такие процессы изменением своего сопротивления;
• конструктивные. Конструкция термопары: два спаянных проводника (ток идет от них) из разных сплавов в защитном кожухе и с компенсационными проводами, термистор — цельный кусок полупроводника с жилами (ток идет на него), сопротивление которого чувствительное к температуре.

Термопара имеет такие преимущества:

• диапазон раб. t° намного выше: типичный достигает +600…+800° C, у термисторов стандартный максимальный плюсовой предел около +200…+600° C. Есть термопары из особых сплавов, которые работают при +2500° C, что для них нельзя назвать чем-то выдающимся, это, в общем, обычные параметры. Но и у термических датчиков есть специальные семейства высокотемпературных моделей. Но это более особенные приборы, и все же их диапазон меньший;
• термисторы более точные, но с некоторыми оговорками. При высоких температурах, погрешности, а также деградация, раскалибровка у них может быть выше, чем у ТП. То есть при особо значительных температурах термопары могут быть точнее. Данный минус для них также нивелируется, если есть преобразователь, исчисляющий погрешности;
• часто требуется нормирующий усилитель, который нужен для термопары, чтобы повысить чувствительность, чтобы ее сигнал был сильнее для лучшей работы приемника, обрабатывающего информацию, чтобы он «увидел» ее;
• термистор дешевый из-за того что не требует указанных дополнительных узлов. Для ТП такие устройства зачастую требуются, поэтому в итоге стоимость их использования выше;
• стойкость к механическим влияниям, вибрациям у термопар лучше, они имеют надежные защитные кожухи;
• скорость реакции у ТП выше, чем у термисторов;
• при работе с повышенными температурами термисторы больше подвержены износу и раскалибровке. Но этот минус относительный — такой сенсор часто просто выбрасывают и покупают новый, так как изделие дешевое;
• термисторы со временем деградируют быстрее. Обычно производители дают гарантию всего 1000 часов для таких детекторов. Термопары более живучие.

Итак, измерение температуры терморезистором и термопарой отличается основательно, хоть и в обоих случаях базируется на электропараметрах: вторая создает и меняет ЭДС, первый — свое сопротивление.

Есть правило: если t° выше +300° C, то следует применять термопару. На более простых и дешевых приборах чаще встречается терморезисторы. На дорогом и сложном оборудовании — термопары, они же более распространенные при работе с высокими температурами. У термисторов в таких условиях погрешности могут быть такие же, как у ТП, но в типичных диапазонах (−50…+300° C) они имеют превосходство по точности.

Если говорить о специальных узконаправленных сферах — лаборатории, специсследования, промышленность — то там чаще используют ТП.

Подытожим:

• преимущества термопары: диапазон рабочих температур намного шире, реакция быстрее, срок эксплуатации намного превышает таковой у термисторов, ТП меньше подвержены раскалибровке, деградации, механическим повреждениям. При диапазоне t° от +300° C именно термопары часто незаменимые;
• минусы: особенности применения ТП повышают затраты (частично нивелируется живучестью), а также принято считать, что точность термопар немного хуже, чем у терморезисторов.

Отдельно выделим безусловный плюс: только термопары используются как измерители температуры исследуемых объектов (радиодеталей и пр.) вместе с мультиметром. Также надо сказать, что неподходящие диапазоны t° всегда повышают погрешности и вероятность отказа, но ТП стойче к таким условиям.

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.

Термопары типа T.

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.

Термопара типа N.

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.

Разновидности преобразователей термоэлектрического типа

Виды термопар чрезвычайно обширные. Есть два основных фактора разделения: по разновидности сплавов и по варианту спайки. А также отдельным типом являются многоточечные ТП.

Тип электропар в зависимости от сплавов проводников

Термопара создает ЭДС, принцип всегда аналогичный, но сплавы нагреваются по-разному, поэтому рабочие диапазоны, скорость срабатывания, погрешности могут колебаться.

Разные сочетания металлов обладают своими параметрами, определяющими выходной импульс напряжения, но главное — температурный диапазон, в котором допускается использовать ту или иную разновидность сенсора

При росте амплитуды выходного напряжения улучшается разрешение измерений. Растет повторяемость, соответственно, и точность.

Есть разные соотношения разрешения и диапазона t° у конкретных типов ТП, что делает их подходящими для определенных условий.

Есть 9 типов термопар по составу сплавов проводников:

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

Для нас важна термопара типа К (другое обозначение — ТХА): она наиболее распространенная, подходит для применения в бытовых, других приборах и для задач, не имеющих каких-либо особых требований.

Традиционно ТХА рекомендована всегда, если только нет обоснований для использования иных видов. Ниже приведем описание термопары типа К из узкопрофилированного сайта по электронике:

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

– для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации, – для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 1. Номинальное сопротивление R0

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении; – неопределенность измерения регистрирующего прибора; – класс допуска термопары или термометра сопротивления; – изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ); – для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Варианты спаев

Спаи создаются с разными определёнными конфигурациями под конкретные назначения термопар. Есть 1 и 2-элементные варианты, с заземлением на корпус защитной капсулы или без такового.

Заземление на корпус (не всегда оно есть) уменьшает инерционность термопары, а это улучшает быстродействие сенсора и точность в реальном времени. Также для достижения лучшей эффективности некоторые модели имеют горячий спай снаружи защитной колбы (кожуха, корпуса).

Горячие (рабочие) спаи в термопарах

Имеется также так называемый рабочий (он же горячий) спай, подвергаемый влиянию технологического процесса. Его температура будет изменяться. Так как напряжение, которое генерирует термопара, прямо пропорционально ее температурным показателям, то во время нагрева горячего спая будет сгенерировано больше напряжения и, наоборот – во время охлаждения меньше.

Многоточечные термоэлектрические преобразователи

Иногда требуется замерить t° на разных точках одновременно. Решает данную проблему многоточечный тип термопары. Такие сенсоры фиксируют данные вдоль оси преобразователя. Для стандартных, бытовых задач подобные изделия редкость — они применяются в химической, нефтехимической отраслях, где надо исследовать, как распределена температура в емкостях, реакторах и пр. Количество точек может достигать 60. Такая термопара не требует сложного обслуживания, используется одна капсула и один ввод в установку.

Другие варианты по конструкции

Разные конструктивные решения отображены ниже:

Ниже несколько вариантов термопреобразователей с кабельными выводами:

Трудности измерении температур термопарой

Малый сигнал на выходе

Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.

Компенсация эталонного спая

Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной. Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая. Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например — термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.

Нелинейность характеристики

Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:

• Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
• Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
• Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.

В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:

• Чистый метал;
• Сплав.

Роль удлиняющих (компенсационных) проводов

Удлиняющий, он же компенсационный провод или кабель для термопары нужен, чтобы она могла соединяться с отдаленными микросхемами оборудования, с вторичным или обслуживаемым прибором, приемником, обрабатывающим данные, а также для исследования удаленных областей.

Любые провода для удлинения не используют (исключение укажем ниже). Это еще одно отличие от термисторов. Надо применять тот же материал, что и в термопаре. Например, для сенсора типа К с жилами из хромель-алюмеля берут такие же проводки с маркировкой ХА.

Компенсационный кабель можно не применять, только когда у ТП есть преобразователь, который вычисляет и удаляет погрешность. Наиболее распространенная форма такового — «таблетка» внутри клеммного сегмента детектора с сигналом 4–20 мА унифицированного типа.

Преимущества и недостатки

Ключевыми преимуществами термопар можно назвать следующие:

• простота конструкции;
• низкая себестоимость изготовления;
• широкий диапазон измеряемых температур (от абсолютного нуля и свыше 2000 градусов по Цельсию);
• надежность (разрешено использовать в условиях агрессивной среды, в химических растворах);
• высокая точность измерения, при правильной градации можно делать замеры с шагом вплоть до 0,01 градуса;
• малый размер капсулы датчика (в цифровой электронике используются модели, размером с микротранзистор).

Из недостатков стоит упомянуть:

• необходимость в определении точного значения коэффициента компенсации (так как замеры производятся не только при нулевой температуре), для каждого отдельного вида термопары это проводится индивидуально;
• наличие диапазона, при котором изменение ЭДС происходит нелинейно (для каждого типа проводника он свой), что не позволяет использовать датчик за его пределами;
• погрешность измеряемых значений термопары ухудшается со временем за счет снижения градуировочных значений (регулярные перепады температур буквально «изнашивают» датчик);
• необходимость использовать только совместимые измерительные приборы (или задействовать компенсационные провода).

Итого, датчик температуры (термопара) – один из самых простых, точных и дешевых термодатчиков, принцип работы которого заключен в измерении значения электродвижущей силы (указывается в Вольтах, но не следует путать с напряжением).

Как подключаются термоэлектрические преобразователи

На каждой новой отметке соединения разносплавных жил образуется холодный спай, а это, как мы уж описали, влияет на корректность замеров. Подключение желательно делать проводами по составу аналогичными с электродами.

Как правило, производители изначально комплектуют сенсоры такими компенсационными кабелями, их также можно докупить в спецмагазинах. Но, как мы отметили выше, это не актуально, если есть нормирующий преобразователь, схема корректировки, базирующаяся на термисторе. Провода ТП просто втыкаются в гнезда таких узлов согласно полярности.

Измерительные системы желательно размещать ближе при подключении ТП, чтобы длину кабеля сократить до самого возможного минимума. На любом проводе есть риск возникновения помех, а чем он длиннее, тем значительнее отклонения. Если радиопомехи можно устранить экранированием, наводки нивелировать сложнее.

Схема подключения термопары может включать терморезистор компенсации между контактами приемника и точкой холодного сегмента. Внешняя t° на эти элементы влияет аналогично, поэтому такая деталь будет исправлять погрешности:

Подключив ТП к измерителю, надо выполнить градуировку, в сети есть специальные таблицы.

Обозначение термопар на схемах:

Обозначения из ГОСТов:

Пример:

Как проверить работоспособность

Используют вольтметр или мультиметр, который выставляют на мВ. На соединении убирают гайку, прижимающую термопару к гнезду электромагнитного клапана, снимают рабочее устройство преобразователя. Рабочий участок пары нагревают, чтобы в нем возникло напряжение. При нагреве пламя обволакивает проводники, для этого подойдет свеча или огонь газовой горелки.

Держат в пламени 30 – 50 сек, затем первый щуп тестера прикладывают к коробке термопары, второй — к контакту на выходе. Измеряют по времени 40 – 60 сек, не переставая подогревать рабочую спайку. Работоспособный элемент выдает напряжение выше 20 мВ или 0,02 В, отдельные образцы показывают 50 – 55 мВ. Если показания в этих пределах, термопара годится к применению.

Изготовление термопары для мультиметра самостоятельно

Термопара, созданная своими руками, это сенсор в своей основе конструктивно аналогичный заводскому: два спаянные разные по составу электроды.

Перечень материалов, инструментов:

• константин. Есть в старых советских низкоомных керамических резисторах ПЭВ-10 или подобных им;
• проволока, медь;
• зажигалки: турбо («печка») и обычная.

Приемником данных может быть любой цифровой или аналоговый тестер. С помощью такой ТП для мультиметра можно замерять температуру исследуемых объектов.

Где взять проволоку

Чем меньше сечение проволоки, тем ниже погрешности ТП, поскольку понижается само влияние массива жил на теплообмен.

В нашем примере взяты 2 проводка из таких сплавов:

• константиновый. Берем из старого керамического резистора ПЭВ-10. Сплав также содержит зарубежный аналог 1R00JSMT и подобные типы радиодеталей. Некоторые такие радиодетали с нихромом — он не подойдет;
• медный проводок: из обмотки б/у трансформаторов от бытовых приборов, из кабелей, например, витой пары.

Скрутка, сварка

Делаем скрутку из 2 проводков. Затем свариваем этот конец: так как жилы тонкие, то подойдет зажигалка турбо, в народе «печка». Должна получиться круглая головка-капелька. Оставшиеся витки затем надо раскрутить, чтобы не было замыкания.

Принцип работы мы уже описали: при нагревании в месте горячего спая, то есть головки-капельки возникает разница потенциалов, инициирующая малый ток, который будет течь по проводкам к приемнику (мультиметру). Значения такого электричества будут характеризовать определенную температуру.

Другие способы сварки

Спаять проводки можно и кустарной сваркой, например, применив лабораторные автотрансформаторы, автомобильный аккумулятор. К одному полюсу («+») такого источника подсоединяем оба конца термопары, скрученные или соединенные механически проволокой. К другому подключаем вывод («−»), присоединенный к куску графита. Возникнет электродуга, произойдет сварка.

Напряжение для сварки подбирают экспериментально: начинают с малых значений 3–5 В и постепенно увеличивают до нужного результата. Оптимальное значение зависит от металла проволоки, ее сечения, длины — оно обычно не превышает 40–50 В. Соблюдают безопасность: не касаются к оголенным участкам, не подают слишком большое напряжение. Для удобства опасные сегменты изолируют изолентой, кембриком, керамическими трубками.

Хорошее соединение получают, разогревая проводки дуговым разрядом, зажигая его между ними и крепким (ропа) раствором поваренной соли.

Другие сплавы для электродов

Выше мы показали пример с электродами константин-медь. Термопара для измерения температуры своими руками может быть создана и с проволоки с иных материалов (сплавы см. выше в табл.). Такие материалы продаются на узкоспециализированных торговых площадках, но все-таки достать их сложнее, наиболее доступный из них хромель и алюмель.

Проверка самодельной термопары для мультиметра

Электроды собранного датчика подсоединяем к мультиметру аналогично как щупы. Затем измеряете среду: нагреваете головку зажигалкой, наблюдаете табло тестера. В нашем случае мультиметр показал напряжение 50 мВ и ток в 5 мкА, это максимальное значение для данной самоделки.

Калибровка

Откалибровать самодельную термопару и создать базу данных какое значение какой температуре соответствует, можно, опуская ТП в жидкость с заранее известной температурой (надо будет значительно ее нагреть). Останется сопоставить t° с показаниями мультиметра и записать цифровые соответствия.

Точность и скорость измерений

Размер погрешности работы термоэлементов зависит от строения, свойств сплавов, условий эксплуатации и среды задействования.

Причины неточностей:

• неоднородность изоляции (химическая, присутствие включений, наплывов, есть внутренние напряжения);
• деформации электродных элементов при изготовлении и при работе.

По скорости реакции на вольтаж различают виды термопар:

• большой инерционности — 210 секунд;
• средней инерции — до 60 секунд;
• малой —до 40 секунд.

Другие самоделки

Нами описан способ создания «голого» датчика, обрабатывающее устройство было уже готово — мультиметр. Своими руками для такой термопары можно создать и иные приемники на микроконтроллерах Arduino, ATmega, а также, и усилители на подобных микросхемах — они потребуются, так как ЭДС очень низкая.

Для самоделок популярный усилитель микроконтроллер для термопары LM358P/LM358D для диапазона 0…+70° C.

В сети есть много чертежей, как сделать термопару для различных задач с микроконтроллерами Arduino, ATmega и с цифровым дисплеем.

Особенность прибора, предназначенного для газовых котлов

Все термопары для газового котла произведены в большинстве из неблагородных металлов. Чтобы была надежная защита от агрессивной внешней среды, их поместили в трубу, где присутствует подвижный фланец – это обеспечивает надежный крепеж конструкции. Она имеет такие составные элементы:

• литой, герметичный корпус вместе с крышкой;
• колодки, выполненные из фарфора, которые крепятся к головке с помощью винтов и плавающих зажимов.

Материал изготовления зависит от конкретных диапазонов температур, для измерения которых будет применяться прибор.

Проверка, ремонт и замена термопары

Рассмотрим неисправности на примере термопары датчика газового котла, в таких приборах она также называется сенсором пламени. По ходу раскроем некоторые нюансы по эксплуатации термоэлектрических детекторов, как они устроены, из чего состоит такой прибор.

Признаки поломки:

• затухание фитиля, в момент, когда одновременно отпускают кнопку зажигания;
• огонек остается, но после розжига главной горелки подача топлива снова перекрывается, котел гаснет вообще.

Причины:

• электроды, горячий спай покрылись сажей, прогреваются не достаточно. Поэтому напряжение на цепи падает ниже критического минимума, нужного для сработки прибора;
• прогар защитной капсулы ТП;
• нарушены контакты на точке спаев, обрыв проволоки;
• отошли крепежные гайки;
• перекос рабочего стержня и, как следствие, плохой прогрев запальником;
• сломался датчик тяги или его электроцепь оборвана.

Починка, восстановление

Термопары чувствительные к любым повреждениям и загрязнениям: эти факторы могут уменьшить выдаваемое датчиком напряжение ниже критической границы. Характерная частая причина плохой работы — нагар, сажа на рабочем (нагреваемом) сегменте. Для восстановления достаточно произвести чистку мягкой щеткой, ваткой со спиртом. Важно не допустить царапин, механических повреждений. После очистки надо провести проверку мультиметром.

Часто причиной неисправностей являются окислившиеся контакты, их можно зачистить мелкозернистой (нулевкой) наждачкой, но без чрезмерных усилий

Таким образом, если есть нагар, сажа, окисления, отошедшие или оборванные контакты, крепежи и подобное, то ТП возможно отремонтировать. Но если обнаружены глубокие черные вмятины, прогары (дыры), то такой элемент обычно не восстанавливается. Теоретически можно соорудить новый защитный кожух, попробовать наново спаять концы, если они разошлись, но нет гарантии, что такая починка будет качественная. А от неэффективной работы есть риск значительного ухудшения ресурса обслуживаемого прибора, вероятность аварийных ситуаций увеличивается. Почти всегда сенсоры с такими критическими перечисленными поломками заменяют на новые без раздумий.

Запасные элементы продаются в спецмагазинах, точках сервисного обслуживания. Подобрать не составит труда — достаточно выбрать аналогичный или подходящий по параметрам детектор для конкретной модели оборудования. Замена элементарная — отщелкнуть старую ТП и подключить (воткнуть) в посадочные места новую.

Сложность может быть лишь в том, что прибор придется разбирать, снимать крышки, узлы с горелками и так далее.

Устранения неисправностей

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

Разные типы термопар.

Часто задаваемые вопросы

Что означает Температурный Класс?

Температура воспламенения это минимальная температура, при которой горючая смесь газов может воспламениться при контакте с пламенем, горячей поверхностью или при возникновении искры. Газы и пары делятся на классы, в которых температура поверхности всегда должна быть меньше, чем у смеси. (T1 > 450 °C, T2 > 300 °C, T3 > 200 °C, T4 > 135 °C, T5 > 100 °C, T6 > 85 °C).

Что такое межкристаллическая коррозия?

МК (Межкристаллическая коррозия) является формой коррозии, которая может возникнуть в большинстве сплавов при соответствующих условиях. Она также известна как «зерна распада» или «обеднение хромом». Коррозия происходит по границам зерен.

Что такое термо-ЭДС (или эффект Зеебека)?

Эффект имени Томаса Иоганна Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Какой термометр выбрать: с термопарой или с терморезистором

Устройство и принцип действия термопары в термоэлектрическом измерителе и терморезистора в термометре сопротивления:

Нельзя однозначно для всех ситуаций рекомендовать, какие детекторы лучшие: термометр с термопарой или с термистором (ТС, он же термометр сопротивления), так как надо учитывать среду и сопоставлять со свойствами этих типов термодатчиков — каждый имеет свои плюсы и минусы. Подробно мы их рассмотрели. Теперь опишем пример выбора.

Первым делом сравнивают характеристики, сопоставляют:

• с требуемой точностью. Для не особо требовательных целей отклонение на 1–2 градуса не будет критичным. Но для приборов требовательных к точности данный параметр важен. В большинстве случаев корректнее термисторы, но также данный параметр у разных моделей сенсоров может быть равным, что мы видим в таблице;
• с рабочим температурным диапазоном. Тут ТП, безусловно, лучше, охватывает рамки t° намного шире;
• скорость реакции лучше у термопар, но это общее правило. Данный параметр может также сравниваться (см. табл.);
• термоэлектрический преобразователь лучше выдерживают вибрации, механические нагрузки, агрессивные среды.

Определить лучший вариант прибора надо с учетом всех нюансов и поставленных целей. Опишем это в примере:

• обслуживаемая зона — сегмент трубопровода с изменяющимися постоянно условиями, с вибрациями. Температура −200…+300° C;
• цель — максимальная точность, и это самое важное условие;
• можно подобрать термодатчики обоих типов. На первый взгляд ТП более подходящая, так как устойчивее к нагрузкам, вибрации;
• в итоге выбран термисторный прибор, так как цель — точность, а у этого типа сенсоров она выше. Кроме того, применили именно тонкопленочный термистор, этот вариант сенсора более стойкий к вибрациям нагрузкам.

Второй пример:

• среда — реактор, +550…+900° C, уровень вибрации низкий;
• цель — точность ±5° C;
• ТС выдают стабильно точные измерения, особенно при невысоких вибрациях, но не надо забывать о диапазоне t°. Термисторы не стоит применять при выше + 850° C. Поскольку наша среда имеет от +900, выбран термометр с термопарой.

Спаи на термопарах и требования к ним

Как правило, конструкция термопары подразумевает наличие лишь одного спая. Иногда предусматривается и еще один – если термопару необходимо подсоединить к электроцепи (непосредственно в точках присоединения).

На схеме цепь включает в себя три проводка – A, B, C. Скрученные провода имеют обозначения D и E. Спай же представлен в виде дополнительного, образующегося при соединении термопары к электроцепи. В приведенном случае спай носит название холодного (свободного), а спай, обозначенный литерой Е – горячего (рабочего).

Поскольку имеет место прямо пропорциональная зависимость между температурными показателями и напряжением, которое генерирует термопара, оба спая генерируют одну и ту же величину напряжения – если температурные показатели на них будут одинаковыми.

Если же спай на термопаре подвергнуть нагреву, то значение напряжения начинает возрастать в прямой соразмерной зависимости. Соответственно, поток отрицательно заряженных частиц от разогретого спая перетекает сквозь второй спай, проходит сквозь измерительное устройство и переходит назад на горячий спай. Соответственно, прибором начинает фиксироваться и демонстрироваться разница напряжений на этих спаях. Эту разницу может преобразовать как оператор через специальные таблицы в соответствующие температурные значения, так и сам прибор – смотря какой модели термопарный измеритель был задействован.

Требования к материалам для изготовления термопар и спаев для них являются строгими, поскольку эксплуатация данных приборов предполагается в жестких средах:

1. Показатели термоэлектродвижущей силы для сплавов в термопарах обязаны быть большими с целью обеспечения необходимой точности проводимых замеров. Производители подбирают материалы таким образом, чтобы величины термоэлектродвижущих сил находились в линейной зависимости от температурных величин.
2. Температурные показатели плавления веществ должны быть значительно выше замеряемых температурных значений. Разница составляет при этом как минимум 50 градусов Цельсия.
3. Сплавы должны быть устойчивыми к коррозии. Если данное требование невозможно выполнить по тем или иным причинам, то прибегают к защите при помощи чехлов.
4. Материалы не должны изменять свои физические параметры.
5. Они должны иметь хорошие показатели пластичности и прочности.
6. Наконец, материалы должны иметь низкую цену для возможности изготовления термопар в промышленных масштабах.

Ремонт своими руками

Уметь починить любую вещь в доме – признак настоящего хозяина. Но в отношении газового оборудования нужно быть осторожным.

Ремонтом газового оборудования должен заниматься специалист, имеющий сертификат.

Но не все, что есть в таком приборе – газовое. Заменить конфорки, горелки, почистить детали – для этого не нужен мастер с допуском к работе. Прежде всего, нужно выявить неисправность.

Сбой в работе термопары для газовой плиты выглядит так. Газ горит только при нажатой кнопке. Стоит ее отпустить – пламя тухнет. Чтобы выяснить причину, нужно тщательно осмотреть как сам прибор, так и плиту в целом.

Работу по устранению неисправности термопары начинают с отключения подачи газа и осмотра техники.

• Разбираем газовую плиту.
• Снимаем с конфорки рассекатель.
• Убираем отражатель.
• Проверяем состояние термопары.

Частыми причинами поломки термопары являются ее загрязнение или повреждение датчика.

Возле газовой горелки находится два прибора. Один из них напоминает свечу зажигания в автомобиле. Это для розжига плиты. Второй – термопара. Причинами выхода ее из строя могут быть:

• загрязнение;
• повреждения;
• смена вида газа;
• поломка датчика или клапана.

Если загрязнен элемент термопары в газовой плите – его нужно как следует почистить. Термопара – два куска металла и чистка ее это пройти мелкой наждачной бумагой по поверхности.

Возможны повреждения проводки прибора. Потертости из-за неправильного монтажа, грызуны или домашние животные, возможны и другие причины повреждений.

После устранения неисправности газконтроля, необходимо тщательно проверить прибор.

После проверки и, при необходимости замены проводки, следует правильно подключить термопару. В противном случае «холодный» и «горячий» контакты контура окажутся не в противофазе. Все плюсовые провода подсоединяют к плюсовому выводу. Минусовые – к минусовому.

Правильно установленная термопара – залог безопасности при эксплуатации газового оборудования.

В зависимости от типа датчика цвет проводки меняется. В некоторых случаях изоляция может быть двойной и разного цвета. Но первичный слой будет всегда неизменным. В таблице представлены цвета основного изоляционного слоя.

Нетрудно запомнить, что цвет провода с минусом всегда красный.

Как укладывать наноизол

Монтирование материала выполняется строго по стандартизированным правилам. С целью обеспечения защиты утеплителя пароизоляционный материал размещают во внутренней части помещения между обшивкой и теплоизоляционным слоем.

Как снять термопару с газовой колонки

Для того чтобы была возможность оперативно отремонтировать газовую колонку своими руками и всегда быть с теплой водой, с учетом опыта длительной эксплуатации газовых колонок разных моделей, у меня под рукой всегда имеется набор запасных частей. Резиновые прокладки, трубки, тепловое реле и термопара в комплекте. Поэтому за полчаса термопара была заменена новой, и колонка опять стала исправно нагревать воду.

Термопара закреплена слева на общей планке с запальником и свечей с помощью гайки. Прежде чем отвинчивать гайку нужно немного отвинтить левый саморез, удерживающий планку, чтобы он не мешал поворачиваться гаечному ключу.

Далее гаечным рожковым ключом гайка откручивается вращением против часовой стрелки до полного схода с резьбы на корпусе термопары. После этого термопара легко выйдет вниз из планки.

На следующем шаге нужно с помощью рожкового ключа выкрутить винт-контакт из газо-водорегулирующего узла. Винт находится с противоположной стороны ручки регулировки подачи газа.

Останется только снять две клеммы с реле тепловой защиты, и термопара в комплекте с проводами будет снята с газовой колонки.

Установка новой термопары производится в обратном порядке, при этом желательно, чтобы токоведущие провода не касались как внутренних металлических частей газовой колонки, так и кожуха после его установки.

Плюсы и минусы

Как и у любого устройства, у термопар имеются как достоинства, так и недостатки. Среди преимуществ приборов можно отметить их низкую стоимость, что обусловлено достаточно простой конструкцией, и продолжительный срок службы. Долговечность устройств объясняется отсутствием сложных узлов и подверженных трению движущих элементов. Важным плюсом является широкий спектр измеряемых температур, а также лёгкий монтаж и демонтаж прибора. Нельзя оставить без внимания и многофункциональность термопар, позволяющую использовать устройство как в качестве датчика контроля за пламенем, так и в роли термометра.

К недостаткам относят предел напряжения, который ограничен 50 мВ. Это является одной из причин погрешностей показаний, возникающих при измерении температур. Отсутствие линейной зависимости между значениями температур и разницей потенциалов также является минусом устройства. К тому же деталь не подлежит ремонту, и при выходе из строя заменяется на новую. Впрочем, иногда прекращение работы термопары связано с плохим контактом. Для возобновления работы котла нужно снять термопару, зачистить проводники и установить прибор на место.

Варианты монтажа ТСП-Н и КТСП-Н на трубопроводы:

Тип установки А: Для трубопроводов диаметром до 25 мм, следует применять датчики температуры специальной конструкции КТСП-Н исполнение 6 (тип DS-кабель) (ТСП-Н исполнение 6) с короткой погружаемой частью и устанавливаемые в соответствующие фитинги – расширители, которые включаются в комплекты поставки теплосчётчиков и счётчиков-расходомеров.

Тип установки В: В трубопроводах с диаметром условного прохода не более DN 50 по ГОСТ Р ЕН 1434-2 допускается также и установка датчиков температуры в изгибе (в колене). Датчики температуры на измерительных участках трубопроводов допускается устанавливать как до, так и после преобразователей расхода.

Тип установки С: Если перпендикулярная (радиальная установка) датчиков температуры невозможна, то допускается устанавливать их наклонно, под тупым углом (от 120 до 150 °) к направлению потока. Причем углы наклона продольных осей датчиков температуры, входящих в комплект, к направлению потока на подающем и обратном трубопроводах должны отличаться на величину не более чем три градуса.

Тип установки D: Для термометров сопротивления наиболее предпочтительной является перпендикулярная (радиальная) установка.

В теплосчётчиках, в соответствии с требованиями Правил учета тепловой энергии и теплоносителя на подающем трубопроводе термометры сопротивления устанавливаются перед преобразователями расхода, и расстояние между ними и датчиками расхода должно быть не менее 3 DN, а расстояние от термометров сопротивления до ближайшего местного сопротивления вверх по потоку (в том числе механических и магнитных фильтров) должно составлять не менее 5 DN. А если местным сопротивлением является группа колен в разных плоскостях, коллектор для слияния потоков, резкие расширения или сужения, либо регулирующая расход среды арматура любого типа, то расстояние от такого местного сопротивления до термометра сопротивления вверх по потоку должно быть более 10 D.

Для уменьшения длин прямолинейных участков перед датчиком температуры после местных сопротивлений, вызывающих существенную закрутку потока, следует применять формирователи потока.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1)911102

Союз Советски к

Реснубпик . (61) Дополнительное к авт. саид-ву (2 )Заявлено 040779 (2>) 2789973/22-02 (5! )М. Кл. с пРисоединением заявки № 2999393 f 22-02

СССР ио делам изаоретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 070382. Бюллетень № 9 (53) УЙК 536.532 (088. Дата опубликования описания 070382

Ю.В. Малков, А.С. Кожевников, A . Романовская, Г.А. Кадышев и А.Г. Зай ев

Череповецкий ордена Ленина металлургический завод им. 50-летия СССР

I (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель (4) СПОСОБ УСТАНОВКИ ТЕРМОПАР

Изобретение относится к измерению температур, преимущественно, в нагревательных печах с двухсторонним отоплением.

Известен способ установки термопар для измерения температуры среды в нагревательных печах, содержащих нижнюю и верхнюю зоны, систему отопительных устройств. Термопары расположены в верхних зонах в своде и в нижних зонах в боковой стене печи.

При указанном расположении термопар в нижних зонах печи фиксируется температура .среды вблизи боковой кладки печи, а получить достоверный замер температуры в объеме зоны, особенно на печах с шириной пода более 6 м, невозможно из-за больших размеров зоны (15 .

Недостатком известного способа установки термопар в нагревательной печи с шагающими балками является то, что термопары для измерения температуры среды в нижних зонах, расположенные в кладке боковых стен со стороны горелок, не обеспечивают точности замера температуры среды и, следовательно, качественного реS гулирования температурного режима в зонах из-за малой их чувствительности к изменению температуры газов в объеме зоны при изменении расхода топлива. Это объясняется непосредственным влиянием на термопару факела ближайшей горелки и охлаждающего воздействия воздуха, поступающего в рабочее пространство печи по периферии горелки. Кроме того,. при такой установке термопар в нижних зонах и шахматном расположении металла/на опорных- балках имеет место влияние уровня температур верхних зон на бо ковые термопары, установленные в смежных нижних зонах.

Вследствие укаэанных недостатков при автоматическом регулировании тем-. пературы в печи происходит недогрев

3 исаи перегрев металла, что требует перехода на ручное управление печью.

Цель изобретения » повышение точности измерения температуры среды и обеспечение контроля необходимого перепада температур по длине сляба.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу установки термопар в нагревательной печи в верхних и нижних зонах предварительного и 1О .окончательного нагревов печи, термопары заключают в футерованные термоблоки и устанавливают их в нижних зонах предварительного и окончательного нагревов на подине по оси,печи, 15 при этом спай термопары располагают (на уровне 0,3-0,8 высоты нижней зоны.

Кроме того, термопары в зоне окончательного нагрева располагают поперек печи на расстоянии, равном

3,5-7,54 от ширины .пода относитель о оси печи, а рабочие спаи их изолируют друг от друга.

Спаи термопар размещаются на уровне 0,3-0,8 высоты нижней зоны . Это обусловлено тем, что при высоте меньше 0,3 высоты нижней зоны на показание термопар оказывает воздействие температура кладки подины. При высо30 те более 0,8 высоты нижней зоны на показание термопар оказывает воздеиствие нагреваемый металл. Для получения равномерного нагрева слябов по длине термопары для измерения темпе3S ратуры среды в нижних нагревательных зонах печи расположены на подине по оси печи. Тем самым исключается воздействие на показания термопары факела горелок и поступающего по пери40 ферии горелок воздуха„и термопара замеряет усредненную температуру в.зонах печи.

Для обеспечения заданного перепада температур по длине сляба в зоне

i$ окончательного нагрева независимого измерения температуры одновременно в двух точках по ширине печи и возможности раздельного регулирования различных температурных режимов по

S0 ширине .печи термопары расположены на подине на расстоянии друг от друга равном 7-15 от ширины пода печи,а рабочие спаи их отделены друг от дру.га огнеупорной перегородкой и обращены в противоположные стороны в на-.;.;

55 правлении установки соответствующих боковых отопительных устройств. Боковая перегородка исключает воздействие

4 на термопару горелок. противоположной стороны. Если термопары в этой камере установить на расстоянии,. большем, чем 15 ширины пода, термопара попадает в район влияния факела горелки.

При расположении термопар на расстоянии, меньшем 7/ ширины пода печи,замеряется температура среды не соответствующей зоны по ширине печи, а некоторая средняя температура двух зон, что исключает возможность нагрева сляба с заданным перепадом температур по длине.

На фиг. 1 изображена нагревательная печь с установкой термопар, продольный разрез; на фиг. 2 — то же, поперечный разрез; на фиг. 3 — заключенная в термоблок термопара для контроля и регулирования температуры среды в нижних нагревательных. зонах печи; на фиг. 4 — заключенные в термоблок термопары, разделенные перегородкой, для контроля и регулирования температуры в зоне окончательного нагрева.

Способ осуществляется следующим образом.

llo ширине печи 1 (фиг. 1 и 2) расположено несколько подвижных 2 и неподвижных 3 (фиг. 2) продольных опорных балок. Нагреваемые слябы 4 и 5 расположены на неподвижных балках, перпендикулярно к ним. Транспортировка слябов в печи осуществляется с помощью подвижных (шагающих) балок 2.

При работе печи с автоматическим управлением теплового режима металл, передвигаясь от окна 6 посадка до зон Vll u V!!I окончательного нагрева, равномерно нагревается в нагревательных зонах !-Ч! до заданной температуры. Равномерный нагрев металла обеспечивается сжиганием топлива в топливосжигающих устройствах

7, установленных в нижних зонах . lV, Ч и Vl в боковых стенах, и достоверными показателями термопар

8, регулирующих на изменение тепло- . вого состОяния зон. Достоверность показаний теплового состояния зон достигается за счет установки термопар на подине по оси печи, восприятия ими усредненного теплового потока газов, двигающихся по центру печи, и устранения влияния на показания термопар отдельных топливосжигающих устройств 7, 5 91

При поступлении металла в эоны

Vll-Vill окончательного нагрева допустимый перепад температур по длине нагреваемого сляба достигается путем подачи различного количества топлива в левую 9 и правую 10 части зоны и,независимых замеров температуры левой и правой частей зоны термо-. пары 11, установленными на подине печи и разделенными между собой огнеупорной перегородкой 12, исключающей взаимовлияние левой 9 и правой

10 частей зоны. Это позволяет автоматически поддерживать заданный уровень перепада температур по длине сляба.

При нагреве слябов 5 с шахматным расположением их на опорных балках исключается воздействие уровня температур верхних зон l, lll, V u Vll на показания термопар 8 и 11 нижних зон, так как последние, „располагаясь на подине, постоянно перекрыты от верхних зон слябами. Следовательно, размещение термопар в нижних зонах на подине печи повышает точность замера, позволяет получить необходимое качество нагрева слябов, автоматически управлять тепловым. режимом и в нйжних зонах, а также улучшить экономические показатели печи.

1. Способ установки термопар в нагревательной печи в верхних и нижних зонах предварительного и оконча» тельного нагрева печи, о т л и -, ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры по зовам, термопары заключают

Изобретение относится к области электрического нагрева, а именно электротехническим установкам радиационного нагрева конвейерного типа, и может быть использовано в промышленности для тепловой обработки объектов различной физической природы

Термопара является основным контрольно-измерительным модулем в энергонезависимых газовых котлах. При ее неисправности подача газа на горелку невозможна, разжечь котел не получится, а попытки обхода ее действия попросту небезопасны. К счастью, конструкция термопары и алгоритм ее замены довольно просты, при наличии минимальных навыков можно самостоятельно устранить неисправность, в некоторых случаях даже обойдясь без замены модуля.

Читайте в статье

Какие бывают термпопары ?

По количеству чувствительных элементов термосопротивления бывают :

— с одним элементом (стандартное исполнение); — с двумя чувствительными элементами.

По исполнению коммутационной головки термопары бывают :

— с пластмассовой головкой (исполнение по умолчанию) ; — с металлической головкой (при заказе в конце марки датчика добавляется код МГ) ; — с увеличенной пластмассовой головкой (при заказе в марке к модели добавляется код Л ) ; — с увеличенной металлической головкой (при заказе в марке к модели добавляется код Л и в конце марки датчика добавляется код МГ) . Увеличенная головка применяется для встраивания в датчик нормирующего преобразователя тока НПТ, что превращает обычную термопару в преобразователь температуры с токовым выходом 0..20 или 4..20 мА.

Разновидности термодатчиков для газа

Термопары газовых плит различаются по сплаву проводников и типу подсоединения к клапану. И главное здесь – каждый производитель оборудования на газу использует свои варианты электромагнитов с разными разъемами подключения.

В большинстве случаев переставить термопарный датчик газконтроля с одно плитки на другую невозможно.

Термопара должна соответствовать модели газовой плиты, устанавливать «левое» контрольное устройство запрещается из соображений безопасности

Сплавы и металлы для создания термопар используются следующие:

• константан+хромель;
• медь+константан;
• медь+копель;
• нисил+нихросил;
• алюмель+хромель;
• константан+железо;
• хромель+копель;
• платинородий+платина;
• вольфрам+рений.

От используемых сплавов зависит точность устройства и диапазон его рабочих температур. Например, хромель-алюмелевая термопара рассчитана на работу при 0–1100 0С, железо-константантная при 0–700 0С, а платино-платинородиевая выдерживает нагрев до +1700 0С.

В бытовых газовых плитах обычно применяются термопарные датчики из алюмеля и хромеля либо константана и железа. Они недороги и вполне подходят для температурных условий варочной панели на газу.

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.