Что такое термопара для газового котла – принцип работы, устройство

Термопара для котла: устройство и принцип работы

Термопара активно применяется в газовых котлах и котельных установках. Ее основным назначением является измерение температуры в камере сгорания и автоматическое перекрытие подачи газа в случае исчезновения пламени. Такие случаи возникают от внезапных порывов ветра или других схожих факторов.

Поскольку для зоны открытого огня в нагревательных устройствах характерны высокие температуры, обычные измерительные приборы и устройства защиты не способны справиться со своей задачей и выдержать предельные термические нагрузки.

Для чего нужна

Термопара применяется для преобразования термической энергии в электрический ток для электромагнитных катушек в газовых котлах и служит основным элементом защиты газ-контроля.

Она изготавливается из нескольких видов металла, устойчивых к максимальным температурам внутри камеры сгорания. Термопара работает вместе с автоматическим отсекающим газовым клапаном, который перекрывает подачу газа в топливный тракт.

Основные компоненты и принцип её работы

Термоэлектрический преобразователь представляет собой элементарную конструкцию, состоящую из двух проводников, которые соприкасаются друг с другом в одной или нескольких точках.

Сами проводники состоят из разнородных металлов. Именно отличие в составах металла является основополагающим фактором работы термопары.

В основе принципа действия заложено физическое явление, имеющего название эффект Зеебека. Когда два элемента из различных металлов прочно соединяют между собой в одной точке, а место стыка помещают в открытый огонь, то на оставшихся холодных концах спаянного проводника появляется разница потенциалов. Если к этим концам подсоединить измерительный прибор в виде вольтметра, то произойдет замыкание цепи, а датчик покажет появившееся напряжение.

Напряжение от разницы потенциалов нагретых металлов будет незначительным, однако его будет вполне достаточно для проявления индукции в чувствительных катушках электромагнитных отсекающих клапанов. Как только на холодных концах проводников появляется напряжение, клапан автоматически срабатывает и открывает проход топлива к запальнику.

Из каких металлов состоят проводники термопары

Все термопары создаются из определенных сплавов благородных и неблагородных металлов, которые имеют постоянную повторяемую зависимость между разницей температурой и напряжением.

Каждая группа сплавов используются для конкретных диапазонов температур и применяется в установленных нагревательных приборах.

На рынках котельного оборудования чаще всего применяются три основных типа термопар:

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

Проверка и замена

Как правило, термопара не подлежит восстановлению в случае преждевременного выхода из строя.

Если газовая установка перестает зажигаться, то это свидетельствует о неисправности клапана или самого терморегулятора.

Чтобы проверить его работоспособность, достаточно один конец соединить с измерительным датчиком (мультиметром), а второй конец нагреть вручную с помощью зажигалки или газовой горелки. Исправная термопара должна показывать напряжение в районе 50 мВ.

Если на самих проводниках имеются окисленные или загрязненные участки, а мультиметр показывает напряжение отличное от нормы – термопара вышла из строя. В таких случаях рекомендуется просто поменять термоэлемент и установить вместо него новый. Средняя цена на устройство по территории России составляет от 500 до 1800 рублей в зависимости от марки и типа.

Для чего нужна термопара в газовом котле

Термопара (она же термоэлектрический термометр) – это контрольно-измерительный модуль, вырабатывающий при нагреве слабое напряжение, которого достаточно для удержания электромагнитного клапана подачи газа в открытом положении. По-сути, термопара нужна исключительно в целях безопасности: как только по каким-либо причинам (например, вследствие обратной тяги) в топочной камере котла прекратится горение, термопара не сможет удерживать клапан подачи газа в открытом состоянии, подача топлива прекратится, утечка газа в помещение будет предотвращена.

На фото стандартное местоположение термопары в газовом котле. Ее можно отличить по медной трубке.

Помимо газовых котлов, термоэлектрический датчик используется в бытовых газовых плитах, печах, водонагревателях. Поэтому при выборе необходимо отбирать термопару именно для газовых котлов, а точнее для конкретной модели котлоагрегата или автоматики (обычно это итальянская автоматика EuroSit 630 и ее аналоги).

Преимущества и недостатки

В силу того, что изготавливать термопару достаточно просто и недорого, она стала незаменимым элементом автоматики и контроля в газоиспользующем оборудовании. Помимо этого, есть и другие преимущества данных изделий:

• Выступая в роли датчика контроля пламени, термоэлектрический элемент может работать и как датчик температуры.
• Отсутствие движущихся частей, сложных комплектующих и дорогих материалов делает изделие недорогим и долговечным.
• Широкий диапазон измеряемых температур.
• Достаточная точность измерений, позволяющих использовать данное устройство в отопительной технике.
• Простота, с которой производится монтаж или замена термопары в газовом котле.

Простота и надежность конструкции термоэлектрического датчика имеют и отрицательную сторону. Когда этот элемент выходит из строя, что иногда случается по причине некачественного выполнения спая, то ремонт термопары невозможен. Изделие может просто прогореть и ремонтировать там нечего, остается только произвести замену, причем как можно быстрее, поскольку газовый котел без термопары работать не будет. Но тут не должно возникнуть особых проблем, устройство легко снимается и отсоединяется, да и цена его вовсе не велика.

Замена, если нельзя отремонтировать своими руками

Устройство вызывает сбои по разным причинам. Заменить сломанный прибор на новый можно самостоятельно. Для этого необходимо выполнить поэтапную инструкцию:

1. Сначала ключом откручивается специальная гайка, которой термопара прикреплена к патрубку.
2. Откручивается компенсационный винт, фиксирующий прибор к месту (он находится непосредственно под монтажным кронштейном).
3. Аккуратно снимается старое устройство.
4. В освободившееся отверстие вставляется новый прибор.
5. Все фиксируется компенсационным винтом, а затем гайкой.
6. Выполняется проверка на герметичность. При необходимости используется уплотнитель — полимер либо керамика.

При проведении процедуры следует помнить, что недотянутое, как и перетянутое резьбовое соединение будет опасным для исправности системы.

Устройство

Термопара для духовки и газовой плиты устроена по принципу Зеебека. Ученый нашел способ получать малую долю электрического тока при нагревании различных металлов. Термопара состоит из следующих элементов:

1. Рабочий наконечник с 2 типами металлов внутри. Именно эта часть находится в непосредственном контакте с открытым пламенем.
2. Контактную трубку длинной до 1.5 метров. Это электропроводящий контакт от наконечника к затворному механизму.
3. Электромагнитный клапан. Механизм открывающий и перекрывающий подачу газа к конфоркам и духовке. Клапан металлический. Приподнимается от воздействия магнитного притяжения.

Различаются 2 основных типа этого устройства:

1. Незаземленные. Пары этого типа имеют наконечник с разделенным покрытием. Такой подход позволил снизить восприимчивость к внешним электромагнитным колебаниям. Недостатком является способ соединения. Часто обе половины соединяются при помощи пайки или обжима. Оба варианта теряют герметичность при частом и долгом нагреве, по причине увеличения объема.
2. Заземленные. Более распространенный тип устройства. Наконечник не разделен изоляционным покрытием. Это повлияло на чувствительность наконечника к электромагнитным колебаниям от посторонних источников. Рядом с печью нельзя устанавливать микроволновые печи. Электромагнитное поле может спровоцировать открытие клапана. Несмотря на это, заземленные термопары являются самыми надежными.

Оболочка с металлическими стержнями фиксируется к трубке при помощи: сварки, пайки, обжима. Крепление зависит от назначения термопары и при каких температурных колебаниях она будет работать в дальнейшем. Самым надежным соединением является сварка. Такое соединение не нарушается от воздействия расширяющихся поверхностей корпуса. От температуры зависит и химический состав стержней внутри корпуса. Стержни бывают:

1. Хромель — алюминий. Работает при температуре — −200 ÷ +1000 °C. Обозначается буквой «К».
2. Копель — хромель. −200 ÷ +800 °С. Относится к самым чувствительным элементам. Обозначается как «L».
3. Хромель — констант. −40 ÷ +900 °C. Обладает повышенной чувствительностью. Обозначается «Е».
4. Медь — констант. – −250 ÷ +300 °C. Обозначается «Т».
5. Железо — констант. −100 ÷ +1200 °C. Относятся к самым дешевым устройствам. Обозначается «J».
6. Вольфрам — рений. Работает при температуре свыше +1800 градусов. Используется в нагревательных котлах. Имеет обозначение «А».
7. Нихросил — нисил. −200 ÷ +1300 °C. Обозначается как «N». Используется на высокоточных нагревательных приборах.
8. Двойной платинородий. +100 ÷ +1800 °C. Обозначается «В».
9. Платина — платинородий. Бывает 2 типов. Работает при температуре до + 1700 °C. Обозначение «S» или «R».

Зная состав внутренних стержней, легко подобрать подходящий элемент взамен неисправному.

В комплект термопары также входят трубка и клапан. Трубка имеет внутри токопроводящий элемент. Часто провод, заключенный в несгораемую оболочку. Электромагнитный клапан необходим для открытия и закрытия газа.

Способ установки прибора на газовый котел

Независимо от характеристик приборов, их способ установки не отличается в разных модификациях и моделях. Устанавливать его на газовый котел нужно вручную. Как правило, такая установка является частью ремонта газового котла.

Давайте посмотрим, как происходит установка с момента демонтажа старого прибора:

• прибор присоединяют через резьбовой патрубок к газовой магистрали. Контроллер крепят к патрубку при помощи медной или свинцовой гайки. Чтобы снять старую термопару, нужно открутить эту гайку;
• открутите компенсационный винт, который находится под монтажным кронштейном и держит по месту прибор;
• удаляем старое устройство для котла и ставим новое;
• закручиваем по очереди винт и гайку. Проверьте, чтобы соединение было герметичным. Помните, что резьбовое соединение нельзя ни перетягивать, ни недотягивать, иначе это может быть крайне опасно.

Советы по установке и эксплуатации преобразователя для газового котла

В ходе установки и применения термопары для газового котла помните следующее:

во время установки приспособления, внимательно смотрите за направлением трубки подачи и отвода топлива, они должны быть расположены вниз;
концевой выключатель – это ключевая часть, отвечающая за отключение подачи газа на горелку. Он находится в зоне контроля безопасности под пленумом, от которого подается температура на выключатель и который нагревается в зависимости от температуры самого котла;

после выключения горелки выключается вентилятор, который подает воздух в камеру, где сгорает топливо. Если это не так, то нужно исправить выключатель. Некоторые термостаты имеют опцию постоянной работы вентилятора, которую можно выключить;
чтобы настроить или откалибровать приспособления своими руками, нужно снять крышку с панели управления и найти там зубчатый циферблат

Его следует прокрутить до нужного показателя и запустить систему;
обращайте внимание на газовый запах, это может быть следствием того, что крепеж был прижат неплотно, или ослабело одно из соединений. Делать это нужно максимально быстро, поскольку газовая утечка – крайне опасное явление.

Конечно же, термопары для газовых котлов – достаточно специфические приборы, которые не всегда легко выбрать без помощи специалиста. Также можно найти специальную таблицу соотношения характеристик прибора с характеристиками газовых котлов. Если показатели совпадают с точностью до градуса, значит, такая термопара вам подойдет.

Особенности применения наиболее распространённых термопар

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

 Тип J (железо-константановая термопара)

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

 Тип Е (хромель-константановая термопара)

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

 Тип Т (медь-константановая термопара)

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

 Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

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

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

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

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

Термопары из благородных металлов

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

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

Плюсы и минусы

Ключевым достоинством термоэлектрического преобразователя отмечают то, что он имеет простое устройство, при необходимости его не сложно изготовить самостоятельно

Прибор удобен в эксплуатации, также важно, что он энергонезависим. Отечественные и зарубежные поставщики предлагают разнообразный ассортимент этой продукции, стоимость которой варьируется в широком диапазоне в зависимости от типа и бренда. В качестве минуса в копилку – необходимость замены на новый вариант в случае поломки термоэлемента, так как он не подлежит восстановлению

Чувствительные к минимальным перепадам температур приборы сильно зависят от среды окружения. Так, под воздействием углекислого газа существенно снижается срок эксплуатации оборудования, повышается риск поломки, что сопровождается расходами на замену термоэлемента

В качестве минуса в копилку – необходимость замены на новый вариант в случае поломки термоэлемента, так как он не подлежит восстановлению. Чувствительные к минимальным перепадам температур приборы сильно зависят от среды окружения. Так, под воздействием углекислого газа существенно снижается срок эксплуатации оборудования, повышается риск поломки, что сопровождается расходами на замену термоэлемента.

Принцип работы устройства

Принцип действия термопары основывается на явлении, которое было обнаружено немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году. Им было замечено, что если нагреть два соединенных проводника из разнородных материалов, то возникает напряжение, которое получило название, как термоЭДС. При этом величина ее зависит от степени нагрева места соединения этих проводников. Впоследствии эффект получил имя его открывателя.

К примеру, при нагреве железа возникает положительное напряжение равное 15 мкВ на каждый 1 °C, в то время как в никеле создается отрицательное значение тока -20,8 мкВ. Поскольку в большинстве случаев используется сплав алюмеля с хромелем, то при нагреве до температуры 300 °С «дуэт» этих металлов образует напряжение 12 мВ.

Этого вполне достаточно для срабатывания электромагнитного реле, которое удерживает кран безопасности открытым. Но стоит только температуре упасть (что происходит практически мгновенно), реле отключается, в результате чего клапан закрывается.

Такое объяснение принципа действия термопары простыми словами будет вполне понятно многим.

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.

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.

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.

Отличия от датчика температуры

В автоматических газовых котлах, помимо термопары, может устанавливаться ещё и датчик температуры — он позволяет снизить интенсивность пламени при достижении заданной пользователем температуры.

Визуально они похожи, поэтому их можно перепутать. Основные отличия:

• у датчика температуры основа — это массивный цилиндрический сифон в форме запаянной медной колбы;
• у термодатчика — более тонкая капиллярная трубка;
• термодатчик устанавливается возле водяного радиатора (так как замеряет температуру теплоносителя, а не пламени в камере горения);
• термодатчик соединяется с клапаном автоматики.

Термопара Датчик температуры Принцип работы температурного датчика также отличается. Внутри колбы — специальная жидкость, которая при нагревании расширяется, передает давление в автоматику, а та, в свою очередь, регулирует положение клапана.

Выводы

Если вы приняли решение производить отопление вашего жилища с помощью газового котла, помните, что термопара — ключевой элемент безопасной работы агрегата. Устройство термопары достаточно простое и понятное. Цена более чем приемлема, а разъемы подключения стандартные. Поэтому если вам нужно заменить температурный датчик в случае поломки, проблем не возникнет. Единственное, что следует учесть — это тип и технические характеристики устройства.

Несмотря на то, что конструкция термоэлектрического элемента очень простая, она является одной из самых важных деталей современного газового оборудования. Выступая в роли датчика температуры, обеспечивая газ-контроль и наличие пламени, термопара — идеальный элемент защиты вашей безопасности в отапливаемом с помощью газового котла доме. В любой нештатной ситуации термодатчик и отсекающий клапан сработают таким образом, что подача газа прекратится.

Из данной статьи вы узнаете, какие проблемы могут возникать в автоматике газовых котлов, почему не получается разжечь запальник, из-за чего котёл может без причины отключаться, а главное, разберёмся, какие действия необходимо предпринять для диагностики и устранения данной неисправности.

Владельцам энергонезависимых газовых котлов наверняка знакома ситуация, когда по какой-то причине не удаётся разжечь котёл, или же на розжиг тратится много времени. В данном случае проблема кроется в автоматике котла.

На сегодняшний день в отечественном и импортном газовом оборудовании наиболее часто применяется газовый клапан EUROSIT 630. Именно он выполняет функции поддержания заданной температуры теплоносителя и в случае аварийной ситуации осуществляет полное перекрытие подачи газа к горелкам. Дальнейший запуск котлов с такой автоматикой возможен только вручную. Однако не всегда причиной аварийного отключения котла является реальная авария.

Попробуем разобраться в этом на примере котла «Житомир-3». Из автоматики в нём предусмотрена защита от пропадания пламени на запальнике и нарушения тяги.

Примечание: Все газоопасные работы должны выполняться исключительно представителями специализированных организаций, имеющих соответствующие разрешения. Поэтому данная статья предоставляется исключительно в ознакомительных целях. Также данная статья поможет проконтролировать работу мастера и, возможно, избавит вас от необходимости приобретения ненужных запчастей.

Определимся, что мы будем называть розжигом запальника. Ручка управления клапана EUROSIT 630 позволяет переводить котел в три основных режима:

• отключён;
• зажигание;
• регулировка температуры (1–7).

Для розжига пилотной горелки (запальника) необходимо перевести ручку управления в положение «зажигание» (искра), нажать на неё и при помощи кнопки пьезорозжига разжечь пилотную горелку. Далее ручка удерживается в течение нескольких секунд (не более 30) и отпускается. Запальник должен продолжать гореть. Это мы и будем называть розжигом запальника. Если запальник погас — необходимо повторить процедуру ещё несколько раз. Если это не помогло — необходимо искать неисправность.

В момент розжига запальника пламя нагревает термопару, которая в свою очередь вырабатывает ЭДС (примерно 25 мВ для исправных термопар SIT), которая поступает через цепь датчика (датчиков) автоматики к электромагнитному клапану.

Нажимая на ручку газового клапана, мы вручную открываем электромагнитный клапан, подавая газ на запальник, который, в случае правильной работы оборудования, удерживается вырабатываемой термопарой ЭДС и остаётся в открытом положении после отпускания ручки. Сама термопара выполняет функцию защиты от пропадания пламени на запальнике. Датчики, находящиеся в цепи, являются нормально-замкнутыми и при срабатывании размыкают свои контакты, обеспечивая полное отключение котла.