Печь везувий установка цепочки для датчика термопара в дом

Обновлено: 17.05.2024

Устройство и принцип работы термопары в в газовой плите и газовом котле

Особенности осуществления термоконтроля в газовом котле

Практически единственным устройством, подходящим для измерения температур с крайне большим значением является термопара. Она может использоваться для множества разнообразных устройств, в том числе и для газовых котлов.

Устройство и принцип действия термопары в газовом котле

Поскольку термопара рассчитана на работу в условиях высокой температуры, для её изготовления применяются термостойкие материалы. Если говорить более точно, этот элемент производится с использованием нескольких металлов, что позволяет обеспечить ему необходимые свойства. Поскольку работа газового котла без применения термопары просто невозможна, то любая её поломка влечёт за собой необходимость полной остановки рабочего процесса и наискорейшей замены элемента. Подобная ситуация возникает от того, что при работе термоэлемент сцеплён с электромагнитным отсекающим клапаном. Дисфункциональность термоэлемента приводит к перекрытию топливного канала и прекращению подачи топлива. В результате происходит затухание горелочного устройства.

Рис.1: Схема термопары в газовом котле

Если говорить простым языком, то принцип работы термопары заключается в следующем: при спаивании между собой двух различных металлов и последующем нагревании точки спая, на противоположных концах получившегося элемента формируется разница потенциалов. Другими словами, образуется напряжение. Подключённый к этим концам измерительный прибор, позволяет замкнуть цепь и формирует условия для появления электрического тока. Уровень напряжения при этом довольно незначительный, однако его хватает для открытия электромагнитного клапана, пропускающего топливо к запальнику.

Обратите внимание: часть современных электромагнитных клапанов отличается высокой чувствительностью и для их открытия необходимо напряжение не менее 20 мВ. Впрочем, при нормальной работе термопары уровень напряжения достигает около 40-50 мВ.

В работе термопары реализуется так называемый эффект Зеебека. С точки зрения учёных данный эффект обуславливается тем, что частицы, транспортирующие заряд в момент нагрева изменяют свой энергетический уровень. Как результат: поток электронов движется по направлению к холодной части проводника, либо наоборот, формирую электродвижущую силу плюсового или минусового значения. Конкретное направление движения частиц определяется характеристиками проводящих материалов, из которых «собран» элемент. Самым важной точкой в конструкции этого элемента является место спайки металлов. Именно качественно выполненное соединение обеспечивает долговечность и бесперебойную работу элемента.

Существует несколько возможных сочетаний металлов для создания термопары. В газовых котлах применяют элементы состава хромель-алюминий. Каждый из холодных концов при этом с помощь проводника покрытого защитной оболочкой соединяется с соответствующим гнездом автоматики, где и крепится зажимной гайкой.

Чтобы в необходимый момент подать топливо на запальник, изначально придётся заняться открытием электромагнитного клапана вручную. Для этого достаточно нажать на шток, тогда газ попадёт на запальник, который его и подожжёт, после чего начинает происходить нагрев термоэлемента. Спустя полминуты удерживать клапан открытым самостоятельно уже нет необходимости, поскольку выработка напряжения термоэлементом уже началась.

Достоинства и недостатки применения термопары

Достоинства:

Несложная и недорогая конструкция;
Термопара является одновременно и температурным датчиком, датчиком контроля пламени;
Продолжительный срок эксплуатации ввиду отсутствия движущихся деталей;
Большой спектр фиксируемых температур;
Производимые измерения отличаются достаточной точностью;
Элемент легко монтируется и переустанавливается.

Недостатки:

Зависимость между разницей потенциалов и температурой не является линейной;

Существует предельный уровень напряжения в 50 мВ, что создаёт некоторую неточность при выявлении температурных значений;
Возможность ремонта элемента практически отсутствует, в большинстве случаев приходится прибегать к полной замене.

Обратите внимание: вполне возможно, что термопара не функционирует должным образом по той причине, что в точке подключения возникли проблемы с контактом. В такой ситуации будет разумно снять удерживающие контакты гайки, а потом извлечь элемент и привести контакты в порядок. Далее термопару нужно будет просто вмонтировать на прежнее место.

Контроль горения пламени для газовой плиты

Для современных газовых плит характерна достаточно сложная конструкция, однако, именно эта внутренняя сложность обеспечивает комфортное пользование функциями плиты. Многие из моделей оснащены электроподжигом, поэтому, как и другие бытовые устройства, они могут полноценно функционировать только при наличии подключения к источнику питания.

Работает электроподжиг следующим образом: специальный конденсатор накапливает заряд, а как только достигается необходимое значение, высвобождает его с помощью ключевого элемента. Высоковольтный импульс осуществляет пробой разрядника, локализованного около конфорки, и формирует электродугу, которая в свою очередь и зажигает газ.

Применение электроподжига актуально только для конфорок. Аналогичные конструкции в духовках требуют использования дополнительной проводки и общего видоизменения системы. Но кроме этого и для конфорок, и для духовок с электроподжигом в обязательном порядке необходим термоэлемент, отслеживающий наличие/отсутствие пламени.

Термопара в газовой плите

С помощью термопары, встроенной в газовую плиту, можно избежать неприятностей, связанных с внезапным отключением газа. При снятии с конфорки отражателя и рассекателя, должны обнаружиться:

Свеча, вроде автомобильной (требуется для розжига пламени);
Термопара (отвечает за контроль процесса горения).

Как только термоэлемент газовой плиты отмечает угасание пламени, производится перекрытие канала подачи газа. Это очень удобно, однако, необходимо учитывать, что существуют разные конструкции и модели газовых плит, но не каждая из них подразумевает наличие одновременно и электроподжига, и контролирующего элемента (термопары). Поэтому, следует обязательно уточнять данный момент. Удобнее всего это делать ещё до покупки, обратившись за помощью к консультанту, либо после, самостоятельно изучив инструкцию по применению и всю прилагаемую к прибору документацию.

Как и в случае с газовыми котлами, для газовых плит применяются преимущественно термоэлементы типа хромель-алюминь, который при нагреве в точке спая до 300оС даёт уровень напряжения в 12-13 мВ. В случаях, когда нет необходимости в абсолютно точном контроле температурного режима возможно использование компаратора (от «compare» - сличать, сравнивать), который будет соотносить заданный уровень напряжения с тем, который выдаёт термоэлемент. Когда будет зафиксировано соответствие – схема сработает. В чём это будет выражаться, зависит от того какими именно алгоритмами руководствуется каждое отдельно взятое устройство.

В стандартном варианте контакты термоэлемента защищаются специальным экраном, это позволяет избежать помех и неполадок в работе (неправильных замеров или несвоевременных срабатываний). Также возможно использование варианта с «витыми» проводками.

Обычно элемент розжига имеет дополнительное оснащение в 4-6 пар контактов, любая из которых может сформировать искру. Это возможно благодаря тому, что соединение у этих контактов не общее, а параллельное. Это помимо прочего даёт возможность для дооборудования духовки. Например, для некоторых моделей даже предоставляются специальные указания относительно того, как и где понадобится провести проводку, чтобы вмонтировать электроподжиг внутри духовки. Аналогичным образом можно установить и дополнительный термоэлемент. Особенно этот вариант подходит тем, кто имеет достаточный опыт в работе с электротехникой.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось - это поможет развитию канала

Термопара в газовой плите: принцип работы + инструктаж по замене устройства

Готовить на газовой плите или работающей на газу варочной поверхности так же просто, как на обычных электрических конфорках. Даже использование газового духового шкафа какие-либо проблемы вызывает крайне редко. Но у многих сразу встает вопрос о безопасности такого оборудования, ведь «голубое топливо» взрывоопасно.

Увидеть свое жилье разрушенным в результате взрыва газообразного горючего вряд ли кому хочется. Чтобы предотвратить подобную трагедию, применяется такое устройство, как термопара в газовой плите. Она представляет собой основной элемент системы контроля исправности самого популярного газового прибора.

Согласитесь, что в случае с природным газом теме снижения рисков пожаров и взрывов уделять приходится особое внимание. В представленном нами статье приведены и детально описаны правила эксплуатации бытового оборудования, перерабатывающего газ. полезную информацию мы дополнили ценными рекомендациями.

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 0 С, 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 0 С) два разных металла. В быту дома добиться таких условий крайне сложно. Гораздо проще под замену купить новый контрольный блок для газовой плиты.

Устройство и принцип работы

В основе работы термопары лежит термоэлектрический эффект Зеебека. Согласно нему, на концах соединенных последовательно проводников из разных металлов при условии, что их контакты находятся под разной температурой, возникает термо-ЭДС (ТЭДС).

То есть необходимо наличие двух разных по составу проводников, которые способны выдерживать сильный нагрев, и высокотемпературное тепло (в рассматриваемом случае от сгораемого природного газа) в точке их соединения.

В большинстве пар возникающая между холодным и горячим контактами электродвижущая сила совсем мала и малоприменима. Но есть металлы и сплавы, совмещение которых дает до 4–5 мВ/100 0 С. А этого уже вполне достаточно для управления электромагнитом, контролирующим тот или иной затвор.

Термо-ЭДС в большинстве разновидностей термопар для газовых плит достигает 15–30 мВ, а для удержания электромагнитного клапана в открытом состоянии обычно хватает 5–10 мВ

Принцип работы термопар, вмонтированных в газовые плиты, предельно прост:

Есть пламя – между контактами возникает ТЭДС, клапан на подаче газа в конфорку открыт.
Нет огня – ТЭДС исчезает, клапан под давлением пружины закрывается и перекрывает газ.

Состоит термопара из двух термостабильных проводников длиной до полутора метров, которые на одном конце соединены пайкой или сваркой.

Именно этот кончик находится непосредственно в огне и нагревается от горящего газа. Второй конец прибора представляет собой пару контактов либо разъем для подключения к электромагнитному клапану.

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 0 С, железо-константантная при 0–700 0 С, а платино-платинородиевая выдерживает нагрев до +1700 0 С.

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.

Руководство по ремонту газконтроля

Если газ на плите гаснет, то проблема может крыться не только в термопаре. Однако чаще всего дело именно в ней.

Основной признак проблем с газконтролем – после розжига конфорки и отпускания ручки или кнопки открытия «голубого топлива» пламя сразу тухнет. Это происходит из-за перекрытия клапана, так как термо-ЭДС для поддержания его открытым отсутствует либо недостаточна.

Причины шума конфорок газовых плит подробно изложены в статье, с полезной информацией которой стоит ознакомиться.

Прежде чем приобретать новую термопару, надо определиться с причиной плохой работы имеющегося прибора – возможно проблема в отошедших контактах на клапане, тогда надо лишь их подтянуть

Самостоятельно выполнять проверку, производить ремонт и замену термопары в газовой плите своими руками следует только при полном перекрытии газа. Сначала необходимо закрыть вентиль на баллоне с газовой смесью или трубе с метаном, а только потом приступать к каким-либо работам. Также не стоит забывать об отключении электроснабжения, если в конструкции есть энергозависимые приборы.

Наконечник термопары располагается непосредственно возле конфорки и газового огня. А в духовке его найти можно возле рассекателя пламени в верхней части духового шкафа. Этот кончик должен быть без нагара, минеральных отложений и каких-либо повреждений.

Если рабочий наконечник термопарного датчика покрыт окалиной, то ее в обязательном порядке следует счистить наждачной бумагой. Чем больше нагара, тем меньше тепла доходит до термопары, а тем меньше она соответственно создает ЭДС. Полученных милливольт может банально не хватать для открытия электромагнитного клапана.

Как проверить перед заменой?

Термопара обычно имеет один наконечник для установки возле огня. Но есть и варианты с двумя или тремя кончиками контроля температуры. Их обычно используют в духовках, однако все зависит от конкретной модели плиты.

У термопар с несколькими рабочими наконечниками имеется особенность – если лишь один из них не нагрет или вышел из строя, то электромагнитный клапан окажется закрыт. Поэтому, чтобы точно найти причину проблем, подобные термопарные устройства проверять придется особенно внимательно. Неисправным может быть лишь один из датчиков.

Исправная термопара для плиты на газу при нагреве над свечкой уже через 20–30 секунд выдает ЭДС порядка 15–20 мВ – если меньше, то датчик надо менять

Еще один момент – проводники термопары на участке до клапана должны быть натянуты или болтаться в корпусе плиты. При этом их подсоединение к электромагниту должно быть жестким, висящий «на честном слове» разъем здесь недопустим.

Выпускаются рассматриваемые устройства с длиной от 40 до 130 см. Выбирать по этому показателю термопарный прибор газконтроля следует очень внимательно. С одной стороны проволоку проводников нельзя излишне натягивать, а с другой она не должна лежать на нагреваемых поверхностях или свободно болтаться.

Как поменять устройство?

Перед тем как поменять поврежденную термопару в газовой плите, следует осмотреть прибор на:

наличие на рабочем наконечнике нагара (если есть, надо счистить наждачной бумагой);
отсутствие прогара данного наконечника (в этом случае только полная замена);
жесткость соединения контактов термопарного датчика и клапана (при необходимости следует подтянуть);
исправность самой термопары с выдачей при нагреве ЭДС на уровне минимум 15 мВ.

Менять рассматриваемый прибор следует только тогда, когда он точно неисправен. Во многих случаях, чтобы газовая плита вновь заработала, можно обойтись очисткой наконечника от нагара и проверкой контактов.

Чтоб произвести замену термопары, с газовой плиты придется снять переднюю панель, а также поднять на ней верхнюю крышку с конфорками

Рабочий наконечник термопары жестко зафиксирован возле конфорки или горелки с помощью гайки. Если она из-за накипи не поддается откручиванию, то излишне давить на ключ не стоит. Так можно лишь сломать крепление. Лучше воспользоваться сначала растворителем.

Второй конец термопары к электромагнитному клапану крепится с помощью резьбового разъема либо двух обжимных контактов. Снять их не представляется чем-то сложным. Новый термопарный датчик ставится в аналогичной последовательности – одним концом он крепится возле конфорки, а вторым к электромагниту.

Выводы и полезное видео по теме

Как своими руками производится замена термопары:

Принцип работы газконтроля в варочной панели и духовке:

Устройство термопары для плит, работающих на газу:

Газовая плита без исправно работающей термопары является источником опасности. Если газконтроль перестал функционировать, произвести замену датчика вполне допустимо своими руками. Ничего сложного в демонтаже старого и установке нового контрольного прибора нет. Надо лишь приобрести устройство, соответствующее имеющейся модели плитки, и поработать немного газовым ключом с отверткой.

Если у вас есть комментарии по теме или свои замечания по вышеприведенной информации, напишите их в блоке ниже. Интересны нам, а также другим читателям будут и ваши рассказы о нюансах замены термопары, которую вы производили самостоятельно. Пишите, не стесняйтесь.

Измерение высоких температур в печах. Мелочей быть не может

Высокие температуры (от 400–500 °С) в промышленности чаще всего измеряют термоэлектрическими преобразователями – термопарами. Но случается, что при установке и эксплуатации таких датчиков не соблюдаются рекомендации производителей. Термопары быстро выходят из строя, перестают соответствовать заявленным метрологическим характеристикам. В данной статье приведены результаты моделирования и эксперимента, проведенных на термопреобразователях, выпускаемых компанией ОВЕН. Сравнивались различные варианты установки датчика на печь при нескольких значениях измеряемых температур, в результате чего выработаны рекомендации для долгой бесперебойной эксплуатации термопар.

Общая информация о термопарах

Термопара, помещенная внутрь защитной арматуры, снабженная головкой для подключения удлинительного кабеля или кабельным выводом, имеет право называться термоэлектрическим преобразователем (рис. 1), но в обиходе для краткости такие датчики все равно называют термопарами.

Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь

Огромный выбор модификаций датчиков температуры зачастую вынуждает обращаться за дополнительными консультациями к техническим специалистам компании-производителя: нужно учесть все «подводные камни» применения датчика, специфику его монтажа, подобрать дополнительное оборудование и т. п. Ошибка в подборе первичных преобразователей может дорого обойтись. Бывают случаи, когда из-за неверного подбора датчика идет в брак вся термообрабатываемая продукция. Например, долго не прослужат термопары типа ХА (хромель-алюмель) при установке на печь, в атмосфере которой содержится 2–3 % кислорода: селективное окисление хрома в хромеле приведет к уменьшению его ТЭДС и коррозии термоэлектрода («зеленая гниль»). При использовании термопар ХА, ХК (хромель-копель), НН (нихросил-нисил) в восстановительной атмосфере (где присутствуют, в частности, монооксид углерода СО или водород Н2) необходимо надежно защитить термоэлектроды от негативного воздействия среды. Например, можно выбрать термопреобразователи на основе КТМС (кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке).

Датчики с кабельным выводом на основе КТМС – одни из самых простых по конструкции. Но в подборе и эксплуатации таких датчиков также имеются тонкости, которые необходимо учитывать. Об этом – в сегодняшней статье.

В качестве примера рассмотрим термопару на основе КТМС с кабельным выводом ОВЕН ДТПХхх4. Чаще всего такие модели термопреобразователей (рис. 2, 3) устанавливаются на печи различных производств – от обжига кирпича до металлургии. С их помощью измеряют температуры садки, атмосферы печи, уходящих газов в дымовом тракте.

Рис. 2. Общий вид датчика температуры с кабельным выводом на основе КТМС ОВЕН ДТПХхх4

Рис. 3. Конструктивное исполнение ОВЕН ДТПХхх4

Монтажная (погружная) часть L представляет собой гибкий КТМС, внутри которого в заглушенном конце расположен «горячий» спай. КТМС может быть различного диаметра D: от 1,5 до 4,5 мм. Выбор диаметра зависит от размера монтажного отверстия, необходимости изгиба, уровня измеряемых температур. Кабельный вывод l такого датчика обычно изготавливается из термопарного кабеля в силиконовой оболочке, который служит для подключения термопары ко вторичному прибору и обычно находится снаружи объекта измерения при относительно невысокой температуре (до 200 °C).

Номинально-статические характеристики (НСХ) таких датчиков по ГОСТ 8.585 – ТХА (К), ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N). Наиболее высокую температуру можно измерять термопарами с НСХ типов К и N – 900…1250 °C. Последняя температура измерения справедлива только для типа N. Также в конструктиве такого датчика присутствует тонкостенная металлическая трубка диаметром 6 мм и длиной 50 мм – так называемая переходная втулка (рис. 3). Внутри нее находится соединение выводов термоэлектродов КТМС с термоэлектродами термопарного силиконового кабеля.

При монтаже на объект измерения (например, печь) допускается погружать термопару на всю длину монтажной части L, но при условии, что при эксплуатации датчика температура на переходной втулке не должна превышать 200 °C. Если это условие будет нарушено, то силиконовая изоляция начнет деформироваться и оплавляться, оголяя термоэлектроды и разрушая соединение «КТМС – кабельный вывод». При подборе и монтаже датчика обязательно нужно учитывать это условие. Иногда просчет в определении температуры на переходной втулке влечет за собой выход из строя десятков дорогостоящих датчиков, остановы печей и миллионные убытки. Трудность в том, что на температуру переходной втулки влияет несколько условий: максимальная температура в печи, толщина стенки печи, материал футеровки печи, температура окружающего печь воздуха, тип монтажа датчика (горизонтальный или вертикальный) и самое важное – расстояние от внешней поверхности печи до переходной втулки.

Моделирование нагрева

Инженерами компании ОВЕН были смоделированы максимально жесткие условия по температуре эксплуатации такой модели датчика: температура в рабочем пространстве печи 1250 °C, в печь погружена термопара типа N с диаметром монтажной части 3 мм, материал оболочки КТМС – Nicrobell. Монтаж вертикальный, в отверстие в своде печи.

В табл. 1 представлены два варианта моделирования условий эксплуатации датчика:
- модель № 1 – переходная втулка расположена вплотную к внешней поверхности печи (кожуху);
- модель № 2 – переходная втулка расположена на расстоянии S = 30 мм от внешней поверхности печи (кожуха).

Таблица 1. Два варианта моделирования условий эксплуатации датчика

На рис. 4а представлен температурный градиент по длине датчика при полном погружении в печь. Таким образом, при данных условиях эксплуатации втулка нагреется практически до 300 °C, что недопустимо.

На рис. 4б видно, как меняется температура монтажной части датчика по мере удаления от раскаленного рабочего пространства печи в случае большей толщины футеровки и удаления втулки всего лишь на 30 мм от стенки; на самой втулке температура практически 100 °C, что вполне допустимо. При таких условиях эксплуатации термопреобразователь прослужит годы.

Рис. 4. Варианты моделирования условий эксплуатации датчика: а – модель № 1. Распределение температур по длине датчика, датчик полностью погружен в печь; б – модель № 2. Распределение температур по длине датчика, втулка отодвинута от стенки печи на расстояние S отступа = 30 мм (увеличить изображение)

Эксперимент на реальной печи

Рис. 5. Стенд для эксперимента: общий вид

Условия эксперимента: изначально термопара ДТПК444 полностью до переходной втулки была погружена в предварительно разогретую печь, монтаж – горизонтальный. Температура переходной втулки измерялась с помощью малогабаритной термопары ДТПL011, спай которой был прижат к втулке и закреплен кремнеземной нитью (рис. 6а). Оба датчика были подключены к двухканальному измерителю ОВЕН ТРМ202.

Рис. 6. Этапы эксперимента: а – термопара ДТПК444 полностью («до упора») погружена в печь; б – втулка термопары ДТПК444 отодвинута от стенки печи на 10 мм

Затем в ходе эксперимента глубина погружения в печь данного датчика была уменьшена на 10 мм, то есть переходная втулка была отодвинута от стенки печи на это расстояние (рис. 6б). Каждые 10 минут температура в печи и температура втулки фиксировались. Результаты эксперимента приведены на графике (рис. 7).

Рис. 7. График изменения температур в печи и на переходной втулке

Всего было произведено 18 измерений: первые 8 – при температуре в печи 700 ± 10 °C, втулка придвинута вплотную к стенке печи. Температура втулки практически стабилизировалась на уровне 120 °C.

Следующие три измерения (№№ 9, 10 и 11) температура в печи составляла 900 °C, температура втулки при этом повысилась до 180 °C.

Затем, с измерения № 12 по № 18, печь была разогрета до 1000 °C, но до измерения № 15 втулка была также придвинута вплотную. На графике ясно видно, что температура переходной втулки при таких температурах и монтаже достигла 195 °C, практически критической температуры, выше которой наступит разрушение силиконовой изоляции.

Но если немного уменьшить глубину погружения датчика, отодвинув переходную втулку всего лишь на 10 мм от стенки, при той же температуре рабочего пространства печи в 1000 °C температура на втулке опустится до приемлемых 150 °C. Это можно заметить на графике (измерения №№ 16, 17 и 18).

Выводы и рекомендации

Моделирование и эксперимент, показывающие характер нагрева термоэлектрических преобразователей ДТПХхх4 на основе КТМС, проводились с целью установить зависимость температуры конструктивного элемента, переходной втулки, температура которой при эксплуатации датчика не должна превышать 200 °C, от температуры в печи и расстояния между втулкой и наружной поверхностью печи. Нагрев втулки выше 200 °C недопустим по причине разрушения изоляции (чаще всего силиконовой) термопарного провода, обжатого внутри втулки и служащего для подключения термопар данной конструкции ко вторичным приборам.

По результатам и моделирования, и эксперимента можно сделать несколько важных выводов для практической термометрии:
- при измерении температуры более 1000 °C стационарно установленными на объекте датчиками не рекомендуется придвигать вплотную к стенкам агрегата их коммутационные элементы (переходные втулки, коммутационные головки) во избежание перегрева и выхода их из строя;
- при выборе термопреобразователя необходимо предусматривать «запас» по длине монтажной части датчика;
«запас» длины монтажной части может быть совсем небольшим, в общем случае – 10…20 мм. Этого расстояния S отступа будет достаточно, чтобы избежать перегрева коммутационного элемента.

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

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

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.

Рис. 5. Типы спаев

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.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

высокая точность измерений;
достаточно широкий температурный диапазон;
высокая надёжность;
простота в обслуживании;
дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

влияние свободных спаев на показатели приборов;
ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Видео по теме

Читайте также: