Что такое термопара: об устройстве простыми словами

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).

Народные поделки

Многие народные умельцы, используя термоэлектрический преобразователь, изготавливают в домашних условиях зарядные устройства или миниатюрные электростанции для зарядки телефонов и прочих устройств малой мощности. Причем это происходит от огня или любого другого горячего источника.

Некоторые люди пробуют своими руками изготовить термопару на основе уже неисправного устройства. Только такие самоделки нельзя использовать долгое время. Но в качестве временной замены они подходят.

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.

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.

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).

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.

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 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°.

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.

Недостатки

К сожалению, у таких простых приборов наряду с очевидными достоинствами присутствуют и некоторые недостатки. Прежде всего, стоит упомянуть погрешность, которая обычно составляет 0,5-2 градусов. Поэтому чтобы добиться более точных показаний (до ±0,01 °С), необходима индивидуальная градуировка термопары.

Простота конструкции и высокая надежность, являясь неоценимым преимуществом, вместе с этим это еще и минус. Как такое может быть? Все очень просто – в случае возникновения неисправности термопары починить ее нет возможности, только заменить.

Благо, такой недостаток термопар для плит не столь существенен, так как стоимость не такая высокая.

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.

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Плюсы и минусы термопары

Широкий диапазон рабочих температур, они являются самыми высокотемпературными из контактных датчиков.

Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.

Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.

Необходимость контроля температуры холодных спаев.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Будет интересно➡ Что такое мощность электрического тока и как ее рассчитать

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

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:

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.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

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

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

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

Термопары из благородных металлов

• Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
• Кратковременное применение возможно при 1600°С.
• Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
• Может применяться в окислительной атмосфере.
• При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

Тип R (платнородий-платиновая)

Свойства те же, что и у термопар типа S.

Будет интересно➡ Что такое клетка Фарадея

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.

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).

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:

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.

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:

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.

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.

принцип работы, как проверить мультиметром, устройство и как работает, что это такое

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.

Неисправность устройств котлов

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

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

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

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

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

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.

Преимущества

Более четкое представление о термопаре и принципе действия простыми словами смогут дать имеющиеся преимущества. Широкая область применения таких устройств как раз обусловлена именно благодаря ряду достоинств:

• Выполняет несколько функций: контролирует пламя и замеряет температуру.
• В устройстве этих элементов нет ничего сложного, поскольку отсутствуют какие-либо дополнительные детали.
• Способность выдерживать широкий диапазон измеряемой температуры.
• Высокая точность измерений, за счет чего этими устройствами оснащаются газовые котлы и колонки.
• Легкий монтаж и обслуживание, с чем может справиться абсолютно любой владелец частной недвижимости.
• Долгий срок службы.
• Надежность.
• За счет простоты конструкции термопары несложно изготовить.

Все эти и многие другие достоинства, которыми обладают термопары для котлов современного типа, знакомы большинству производителей газового оборудования.

И теперь с их помощью можно розжиг плиты или котла более безопасен, чем раньше. Нам, как рядовым потребителям, тоже понятно, откуда у таких устройств большая популярность.