Термопара для газового котла

Газ в коттедже, частном доме или городской квартире — экономичный удобный способ обогрева и получения горячей воды. Но газовое топливо бывает и весьма опасным: если пламя горелки погаснет, а владелец (или автоматика) не перекроет поступление горючего, возникнет утечка. И при неблагоприятном развитии событий она способна угрожать людям в помещении. Быстрое перекрытие газа обеспечивает специальное приспособление — термопара для газового котла. Сегодня мы рассмотрим, для чего нужна термопара в котлах, как она устроена, принцип действия и способы диагностики.

Назначение

Термопара служит для отключения газа и предотвращения возможных утечек. Устройство основано на конвертации тепловой энергии в ток и служит ключевым компонентом систем аварийного контроля.

Прибор делают из теплостойких металлов, ведь он должен выдерживать высокую температуру. Термопара управляет исполнительным устройством — автоматически срабатывающим клапаном-отсекателем, перекрывающим поступление горючего в газовый котел. Процесс полностью автоматизирован.

Кроме того, обогреватели оснащаются защитными контурами, закрывающими клапан при поломке термопары.

Устройство и схема работы преобразователя

Устройство термопары газового котла несложно. Элементарная конструкция узла включает два соприкасающихся проводника. Главное здесь — различие металлов проводников: материал всегда должен быть разнородным. На этой разнице основан физический принцип работы.

Последний использует явление «эффекта Зеебека»:

• два разных металла соединяются горячей пайкой;
• место стыка нагревают открытым огнем;
• в результате на холодных концах возникает разница электропотенциалов.

Эту разницу можно измерить вольтметром. Когда цепь замкнется, датчик прибора покажет определенное напряжение.

Значение невелико, но его достаточно для возникновения индуктивности на катушках клапана. Если на «холодных» концах появляется ток, клапан отработает и включит подачу топлива. А когда напряжение упадет ниже некоторой отметки, газ перекроется. Тем самым предотвратится утечка и ее возможные катастрофические последствия.

Важно: чувствительность катушек современных клапанов позволяет оставлять газ открытым до падения напряжения на уровень 20 мВ. А исправная работающая термопара способна выдавать ток до 40–50 мВ.

Отличия термоэлектрической пары от датчика температуры

Обычно в составе газового котла есть не только датчик на металлических сплавах, но и обычный температурный сенсор. Он соединяется с автоматическим клапаном и отключает горелку при достижении теплоносителем заданного настройками уровня температуры. Внешне оба узла весьма похожи и на взгляд непрофессионала одинаковы, их легко спутать. Но отличия есть:

• тепловой датчик представляет собой запаянную на конце медную колбу;
• подключается к автоматике котла тонкой капиллярной трубкой — тоньше, чем проводник термопары;
• колбу ставят в специальную погружную гильзу или монтируют под обшивкой котла, поблизости от водяной рубашки. С запальником она не контактирует;
• температурный измеритель имеет другую крепежную гайку или не отсоединяется от контрольной цепи совсем.

Кроме того, отличается и принцип работы термопары для газового котла. Электрический преобразователь эксплуатирует разность потенциалов, а в нагревающейся колбе теплового датчика расширяется особая жидкость. Ее нарастающее давление передается по капиллярной трубке и поступает на отключающий горелку автоматический клапан. Запальник при этом остается гореть.

Еще одна важная особенность газ-контроля — его автономность и электронезависимость. Узел не нуждается во внешнем питании, работая полностью на разности потенциалов проводника. Это обеспечивает надежную защиту без подключения к электрической сети.

Составные части

Теперь мы знаем, что такое термопара в типичном газовом котле. Пора поговорить об ее устройстве. Датчик состоит из нескольких конструктивных элементов:

• термоэлектрод для котла из соединенных горячей пайкой разнородных металлов/сплавов. Он размещается рядом с главной горелкой на специальной монтажной пластине. Так выглядит блок на примере напольного нагревателя;
• удлинитель, он же минусовой контакт. Это заключенный в медную трубку проводник. Трубка защищает электрический контур от возможных в сети 220 В наводок от других электроприборов. Пара чувствительна даже к небольшим броскам в силу небольшого минимального напряжения;
• плюсовая клемма. Она вставляется в гнездо газового клапана на диэлектрической шайбе и фиксируется на гайке.

Металлы

Для термопар применяют сплавы цветных и черных металлов с постоянными характеристиками отношения напряжения к рабочим температурам. Каждому диапазону соответствует определенный сплав в защитном узле котла.

Сегодня делают три основных типа элементов:

• E. На его производство идут пластины константа и хромеля. Подобная термопара на обогревательный котел служит в диапазоне 0-600 градусов Цельсия и весьма надежна. Узлы типа Е получают маркировку буквами ТХКн;
• J. Хромель заменен железом, в остальном этот тип аналогичен E. Характеристики и функционал также во многом идентичны, при этом за счет недорогого железа стоимость прибора меньше. Эти пары маркируются аббревиатурой ТЖК и работают в диапазоне от -100 до +1200 градусов, что выше предыдущего;
• K. Это самые массовые из присутствующих на рынке термопар, обозначаются они буквами ТКА (ТХА). Тип K делается из хромеля и алюминия, рабочий диапазон еще шире — от -200 до 1350 градусов. Пары ТКА крайне чувствительны даже к небольшим колебаниям температур, но за это приходится расплачиваться повышенной зависимостью от среды. При работе в условиях высокого уровня углекислоты K-термопара быстро выходит из строя.

Помимо перечисленных, существуют и другие типы преобразователей. Для каждого диапазона нужна термопара в газовом котле из соответствующих металлов.

В газовых плитах, котлах и нагревательных колонках нередко применяют хромель-алюминиевые термопары марки ТХА, хромель-копелевые ТЖК и константан-железные J. Датчики с благородными сплавами в основном предназначены для высокотемпературных условий промышленных производственных циклов.

Выясним, как работает термопара в реальном устройстве

Термодатчик в котле

Все датчики подключаются к приборам обогрева по схожей схеме. Электрод из сплавов размещается возле главной горелки или фитиля, а проводник соединяется с подающим газ в систему АОГВ (Аппарата Отопительного Газового Водогрейного) электромагнит.

Для справки: в атмосферных теплогенераторах и работающих от домашних сетей турбированных устройствах вместо термопар иногда ставят фотоэлектрический сенсор. Он позволяет контролировать газовый поток и температуру без непосредственного контакта с пламенем. В рамках данной статьи эти узлы мы раскрывать не будем.

Рассмотрим принцип работы термопары газового котла на примере АОГВ.

1. Человек нажимает клавишу подачи газа, открывая электромагнитный клапан котла.
2. Одновременно он включает пьезоэлектрический разжигатель. Возникает искра на запальнике.
3. В зависимости от модели клавиша подачи удерживается от 5 до 30 секунд. За это время пламя фитиля прогревает электрод измерителя.
4. После нагрева появляется постоянный ток. Далее пользователь отпускает кнопку, но за счет работы катушек индуктивности клапан удерживается от закрытия возникшим напряжением. Подача не прекращается.

Предположим, что огонь по какой-то причине потух. Термоэлемент больше не нагревается, электродвижущая сила ослабевает и пропадает совсем. Следом за этим выключается электромагнит, отпуская пружину. Автоматический клапан захлопывается и перекрывает поступление газового горючего.

Проверка и замена

Несмотря на неприхотливость и надежность, датчики иногда выходят из строя. Основной признак неисправности этого узла котла — затухание фитиля после отпускания кнопки, даже если был выдержан предусмотренный инструкцией интервал удержания. В части случаев неполадка проявляется иным образом: остается пламя на запальнике, но после появления огня на главной горелке подача топлива прекращается.

Возможные причины сбоев:

• образование сажи. Покрываясь сажей, электрод начинает хуже нагреваться и постепенно выдает напряжение меньше требуемого минимума;
• прогоревший корпус модуля;
• плохая пайка или иное нарушение контакта между частями электрода;
• ослабевшая гайка крепления. Стержень при этом перекашивается, пламя воздействует неравномерно, и прогрев нарушается;
• обрыв электрической цепи датчика тяги или полная его поломка.

Важно отметить, что проблемы датчика тяги тоже вызывают сбои термопары, поскольку данный сенсор включен в разрыв электрической цепи. Для исключения влияния «тяги» следует выполнить проверку временным замыканием провода.

Рассмотрим подробнее диагностику термопар.

Методика проверки

Понадобятся:

• набор рожковых ключей;
• чувствительный мультиметр с возможностью измерять напряжения до 100 мВ, или другой прибор с аналогичными возможностями.

Как проверить термопару мультиметром на газовом котле:

• перекрыть подачу газа с крана подводящей топливо трубы;
• снять кожух котла или его переднюю панель (зависит от конкретной модели агрегата);
• открутить ключами крепящие термоэлектрод и соединительную трубу гайки;
• демонтировать датчик пламени;
• осмотреть электрод, кистью или куском ветоши счистить с него сажу. Если на металле виден прогар материала, узел необходимо заменить;
• зажимы мультиметра устанавливаются на медную трубку и центральный контакт пары. На приборе выставляется минимальный предел измерения — до 1 В или 0.1 В, если позволяет шкала;
• далее следует нагреть электрод. Это можно сделать с помощью горелки или зажигалки, или на газовой плите;
• при нагреве исправная пара обязана выдавать напряжение от 0.02 В и выше. Если же на шкале отображается 0, ток «прыгает» или стабилен, но не выходит за предел 20 мВ, необходима замена.

Важно: современные датчики отремонтировать нельзя, в случае поломки они меняются целиком. Более старые модели в ряде случаев можно перепаять, хотя делать этого не рекомендуют.

Проверка без демонтажа

Возможно быстро проверить термопару на газовом котле без снятия собственно узла. Чтобы продиагностировать исправность блока, следует открутить крепежную гайку, разъединить трубку и автоматику защитной системы и подсоединить тестер по описанной выше схеме. После того:

• зажгите запальник и держите кнопку;
• параллельно контролируйте показания тестером.

Такая проверка термопары удобна, хотя имеет недостаток — в таком случае нельзя визуально оценить состояние электрода и снять накопившуюся сажу.

Плюсы и недостатки термопар

Термопреобразователь — дешевый и простой элемент, чем обусловлено его широкое применение для газовых котлов. Имеются и другие плюсы:

• уже упомянутая выше независимость от внешнего питания;
• возможность параллельного использования в качестве температурного датчика, наравне с контролем пламени;
• нет сложной электроники и движущихся частей, а значит — долговечность и надежность;
• работа в широком спектре температур;
• высокая чувствительность, позволяющая применять датчики в защитных системах обогревателей;
• простой монтаж и замена неисправной термопары в газовом котле.

Но имеются и минусы. Немаловажен факт, что температура и рост разности потенциалов связаны нелинейно, зависимость не пропорциональная. А напряжение увеличивается лишь до некоторого предела — как правило, большинство «гражданских» моделей выдает не более 50 мВ. Для работы отсекающего устройства этого достаточно, но желание задействовать термопару как измеритель температуры потребует усиления сигнала и калибровки принимающей части.

Еще один существенный минус — ремонт термопары чаще всего невозможен, только замена. Ниже приведена схема расключения для самостоятельной замены на примере блока управления 630 SIT.

Заключение

Термопары нашли применение не только в газовых котлах, но и во множестве других регулирующих устройств бытового и промышленного назначения. С их помощью можно даже вырабатывать электроэнергию для маломощных потребителей — существуют образцы работающих от пламени костра походных электростанций, способных зарядить телефон или планшет.

Выбор рассмотренных преобразователей стандартом для обеспечения безопасной работы АОГВ обусловлен простотой устройства и надежностью узла: при исчезновении пламени газ будет сразу же перекрыт. А вкупе с дополнительным контролем выхода термодатчика из строя современные котлы дают почти стопроцентную гарантию защиты от фатальных сбоев. При этом эти модули недороги, просты в установке, их можно поменять своими руками.

Видео по теме