Температурни датчици за отопление: предназначение, видове, инструкции за инсталиране

При работа на нагревателните уреди е необходимо да се контролира степента на нагряване на топлоносителя, както и на въздуха в помещението. За снемане и предаване на информация помагат температурните датчици за отопление, информацията от които може да се чете визуално или веднага да се изпраща към контролера.

Предлагаме да разберете как работят температурните датчици, какви съществуват видове контролиращи устройства и какви параметри трябва да се вземат предвид при избора на уред. Освен това сме подготвили поетапна инструкция, която ще ви помогне да инсталирате самостоятелно термодатчик на радиатор за отопление.

Принцип на действие на топлинния датчик

Системата за отопление може да се контролира чрез разнообразни методи, сред които:

• автоматични устройства за своевременно подаване на енергия;
• блокове, следящи за безопасността;
• смесителни възли.

За коректната работа на всички тези групи са необходими температурни датчици, които подават сигнали за функционирането на уредите. Наблюденията на показанията на тези уреди позволяват своевременно да се открият неизправности в системата и да се предприемат мерки за отстраняването им.

Съществува множество разновидности на уреди, използвани за снемане на температура. Те могат да се потапят в топлоносители, да се използват вътре в помещението или да се разполагат отвън.

Термодатчикът може да се използва като отделен уред, например за контрол на температурата на стаята, или да бъде неразделна част от сложно устройство, например отоплителен котел.

В основата на подобни устройства, използвани в автоматизираното управление, е заложен принципът на преобразуване на температурните показатели в електрически сигнал. Благодарение на това резултатите от измерването могат оперативно да се предават по мрежата под формата на цифров код, което гарантира висока скорост, чувствителност и точност на измерването.

В същото време различни уреди за измерване на степента на нагряване могат да имат конструктивни особености, влияещи на редица параметри: работа в определена среда, начин на предаване, метод на визуализация и други.

Видове устройства за снемане на температура

Термоуредите могат да се класифицират по редица важни критерии, сред които начин на предаване на информация, място и условия на монтаж, както и алгоритъм за снемане на показания.

По начин на предаване на информация

Според използвания метод на предаване на информация датчиците се разделят на две големи категории:

• проводни уреди;
• безжични датчици.

Първоначално всички подобни устройства бяха оборудвани с проводници, чрез които термодатчиците се свързваха с управляващия блок и му предаваха информация. Въпреки че днес такива устройства са изместени от безжичните аналози, те все още често се използват при прости схеми.

Освен това, проводните датчици се отличават с по-голяма точност на показанията и надеждност в работата.

За осигуряване на съгласувана работа на проводния датчик, използван в съставно устройство, е желателно да се съчетава с оборудване, което е произведено от същия производител.

В днешно време широко разпространение получиха безжичните устройства, които най-често предават информация чрез предавател и приемник на радиовълни. Подобни уреди могат да се монтират почти навсякъде, включително в отделно помещение или на открито.

Важни характеристики на подобни термодатчици са:

• наличие на акумулатор;
• грешка на направените измервания;
• далечина на предаване на сигнала.

Безжичните/проводните уреди могат напълно да заменят един друг, но във функционирането им има някои особености.

По място и начин на разполагане

По място на закрепване подобните уреди се делят на следните разновидности:

• накладни, които се закрепват към отоплителния контур;
• потапящи, които контактуват с топлоносителя;
• стайни, които се намират вътре в жилищно или служебно помещение;
• външни, които се разполагат навън.

В някои агрегати могат да се прилагат едновременно няколко вида датчици за контрол на температурата.

По механизъм за снемане на показания

По начин на демонстрация на данните уредите могат да бъдат:

• биметални;
• спиртови.

При първия вариант се предполага използването на две пластини, направени от различни метали, както и на стрелков индикатор. При повишаване на температурата един от елементите се деформира, като създава натиск върху стрелката. Показанията на подобни уреди се отличават с добра точност, но техният голям минус е инертността.

Биметалните и спиртовите термостати често се монтират върху отоплителна апаратура, например котли. Те позволяват да се следи нагряването, превишаването на което може да доведе до фатални последици.

От този недостатък почти напълно са лишени датчиците, чиято работа се основава на използването на спирт. В този случай в херметично запечатана колба се налива спиртосъдържащ разтвор, който се разширява при нагряване. Конструкцията е доста елементарна, надеждна, но не много удобна за наблюдения.

Различни типове термодатчици

За снемане на показания на температурата се използват устройства, които имат различен принцип на действие. Към най-търсените се отнасят изброените по-долу уреди.

Термодвойки: точно снемане – сложност в интерпретацията

Подобно устройство се състои от две споени една с друга жици, направени от различни метали. Разликата в температурите, която възниква между горещия и студения край, служи като източник на електрически ток с големина 40-60 μV (стойността зависи от материала на термодвойката).

Най-често за изработка на термодвойки се използват следните комбинации от метали и сплави: хром-алуминий, желязо-константан, желязо-никел, никел-хром и други.

Термодвойката се счита за високоточен температурен сензор, но е доста трудно да се извлекат точни показания от нея. За целта трябва да се установи електродвижещата сила (ЕДС), като се използва температурната разлика на устройството.

За да бъде резултатът коректен, е важно да се компенсира температурата на студения край, като се прилага например хардуерен метод, при който втора термодвойка се поставя в среда с предварително известна температура.

Програмният метод за компенсация предполага поставяне на друг термосензор в изокамера заедно със студените краища, което позволява да се контролира температурата с определена точност.

Определени трудности причинява процесът на извличане на данни от термодвойката поради тяхната нелинейност. За коректност на показанията в ГОСТ Р 8.585-2001 са въведени коефициенти на полинома, които позволяват да се преобразува ЕДС в температура, както и да се извършват обратни операции.

Друг проблем е, че показанията се снемат в микроволта, за преобразуването на които не е възможно да се използват широко достъпни цифрови устройства. За да се използва термодвойка в конструкции, е необходимо да се предвидят точни, многобитови преобразуватели с минимално ниво на шум.

Терморезистори: лесно и просто

Значително по-лесно е да се измерва температура с помощта на терморезистори, чиято основа е принципът на зависимост на съпротивлението на материалите от температурата на околната среда. Подобни устройства, например направени от платина, имат такива важни предимства като висока точност и линейност.

Основен проблем на подобни термосензори може да се счита изключително ниският температурен коефициент на съпротивление, но точното му измерване все пак е по-лесно, отколкото да се уловят малки стойности на напрежение на термодвойките.

Важна характеристика на резистора е базовото съпротивление при определена температура. Съгласно ГОСТ 21342.7-76, този показател се измерва при 0°С. При това се препоръчва използване на редица стойности на съпротивление (Ω), както и Т_кс – температурен коефициент.

Показателят Т_кс се изчислява по формулата:

Т_кс = (R_e – R_0c) / (T_e – T_0c) *1/R_0c,

Където:

• R_e – съпротивление при действащата температура;
• R_0c – съпротивление при 0°С;
• T_e – действащата температура;
• T_0c – 0°С.

В ГОСТ-а също са дадени температурните коефициенти, предвидени за различни измервателни устройства, изработени от мед, никел, платина, както и се посочват коефициентите на полинома, използвани за изчисляване на температурата на базата на текущите показатели на съпротивлението.

Терморезисторните датчици са широко разпространени в електронната и машиностроителната промишленост, благодарение на точността на показанията, чувствителността и непретенциозността при експлоатация.

Съпротивлението може да се измери, като се включи уредът във веригата на източника на ток и се измери диференциалното напрежение. Показателите могат да се контролират с помощта на интегрални микросхеми, чиито аналогов изход е равен на захранващото напрежение.

Термодатчиците с подобни устройства могат спокойно да се свързват към аналогово-цифров преобразувател, като се оцифроват с осем- или десетбитов АЦП.

Цифров датчик за едновременни измервания

Широко приложение получиха и цифровите термодатчици, например, моделът DS18B20, чиято работа се осъществява с помощта на микросхема с три изхода. Благодарение на това устройство е възможно да се снемат температурни показания едновременно от няколко паралелно работещи датчика, като грешката е само 0,5°С.

Популярен модел е комбинираният датчик за температура/влажност SHT1, който позволява да се правят измервания на топлина с точност +2°, а на влажност с грешка +5. Самият производител обаче твърди, че има по-точни и икономични устройства.

Сред другите предимства на това устройство може да се отбележи също широкият спектър на работни температури (-55+125°С). Основният недостатък обаче е бавната работа: за максимално точни изчисления на уреда са необходими не по-малко от 750 мс.

Безконтактни пирометри (термокамери)

Действието на тези безконтактни датчици се основава на улавяне на топлинното излъчване, излъчвано от телата. За характеристика на това явление се използва количеството енергия, отделено за единица време от единица повърхност, което се отнася към единица от диапазона на дължината на вълната.

Подобен критерий, отразяващ интензитета на монохроматичното излъчване, се нарича спектрална светимост.

Съществуват следните разновидности пирометри:

• радиационни;
• яркостни (оптични);
• цветови.

Радиационните пирометри позволяват да се извършват измервания в границите 20-25000°С, но за определяне на температурата е важно да се вземе предвид коефициентът на непълнота на излъчването, чиято ефективна стойност зависи от физическото състояние на тялото, неговия химически състав и други фактори.

Основният активен елемент на радиационния датчик е телескопът, вътре в който се намира батерия, състояща се от последователна верига от термодвойки. Работните краища на тези устройства се разполагат върху покрито с платина листче (+).

Яркостни (оптични) пирометри са предназначени за измерване на температури от 500 до 4000°C. Те осигуряват висока точност на измерванията, обаче могат да изкривяват показанията поради възможното поглъщане на излъчвания от телата от междинната среда, през която се водят наблюденията.

Цветни пирометри, чието действие се базира на определяне на интензитета на излъчване на две дължини на вълната – предпочитано в червения или синия участък на спектъра, се използват за измервания в диапазона от 800 до 0°C.

Тяхното основно предимство е това, че непълнотата на излъчването не влияе на грешките на измерванията. Освен това, показателите не зависят от разстоянието до обекта.

Кварцови (пиезоелектрически) преобразуватели на температура

За снемане на показания на температури в диапазона от -80 до +250°C могат да се използват кварцови преобразуватели (пиезоелементи), чийто принцип на действие се базира на честотната зависимост на кварца от нагряването. При това върху функцията на преобразувателя оказва влияние разположението на среза спрямо кристалните оси.

Пиезоелектрическите (кварцови) устройства най-често се прилагат при провеждане на изследователски работи, тъй като подобни приспособления се характеризират с разширен диапазон на измервания, надеждност и висока точност.

Пиезоелектрическите датчици се отличават с фина чувствителност, висока разделителна способност, те са способни да работят надеждно в продължение на дълъг период. Такива приспособления се използват широко при изработката на цифрови термометри и се смятат за едни от най-обещаващите уреди за технологиите на бъдещето.

Шумови (акустични) датчици за температура

Функционирането на подобни устройства се осигурява чрез снемане на акустичната разлика на потенциалите в зависимост от температурата на резистора.

Акустичните методи позволяват да се снемат температурни показания в затворени пространства и среди, където е невъзможно директно измерване. Подобни уреди са намерили приложение в медицината, при подводни изследвания, както и в промишлеността.

Методът за измерване с такива датчици е доста прост: необходимо е да се сравнят шумовете, произвеждани от два аналогични елемента, единият от които се намира при предварително известна, а вторият – при определяната температура.

Акустичните термодатчици са подходящи за измерване на интервала от -270 до +1100°С. При това сложността на процеса се състои в твърде ниското ниво на шум: звуците, издавани от усилвателя, понякога го заглушават.

Датчици за температура ЯКР

Същността на работата на термометрите на ядрения квадруполен резонанс се състои в действието на градиента на полето, което образуват решетките на кристала и моментът на ядрото – показател, причинен от отклонението на заряда от сферичната симетрия.

В резултат на подобно явление възниква процесия на ядрата: нейната честота зависи от градиента на полето на решетката. На величината на този показател оказва влияние и температурата: нейното повишаване води до спадане на честотата на ЯКР.

Основният елемент на подобни датчици е ампула с вещество, която се поставя в намотка на индуктивност, свързана с контура на генератора.

Предимство на уредите е неограничената продължителност на измерванията, надеждността и стабилната работа. Към недостатъците се отнася нелинейността на измерванията, което налага използването на преобразувателна функция.

Устройства на полупроводници

Категория устройства, функциониращи на базата на промени в характеристиките на p-n прехода, причинени от температурно въздействие. Напрежението върху транзистора винаги е пропорционално на температурното въздействие, което позволява лесното изчисляване на този фактор.

Плюсовете на подобни устройства са високата точност на данните, ниската цена, линейността на характеристиките в целия диапазон на измерване. Монтажът на подобни устройства може удобно да се извърши директно върху полупроводникова подложка, поради което те са отлични за микроелектрониката.

Обемни преобразуватели за измерване на температура

В основата на подобни устройства е заложен известният принцип на разширяване и свиване на веществата, наблюдаван при нагряване или охлаждане. Такива датчици са доста практични. Те могат да се използват за определяне на температури в границите -60 – +400°С.

За възможност за визуален контрол на температурата повечето термодатчици, намиращи се в помещения, са оборудвани с дисплеи, на които се извеждат текущите стойности

Важно е да се помни, че измерванията на течности с подобни уреди са ограничени от температурата на кипене и замръзване, а на газове – от преминаването им в течно състояние. Предизвиканата от влиянието на околната среда грешка на измерване за тези уреди е доста малка: тя варира в границите 1-5%.

Избор на температурни датчици

При избора на подобни уреди трябва да се вземат предвид следните фактори като:

• температурния диапазон, в който се извършват измерванията;
• необходимостта и възможността за потапяне на датчика в обекта или средата;
• условията за извършване на измерването: за снемане на показатели в агресивна среда е по-добре да се предпочете безконтактен вариант или модел, поставен в антикорозионен корпус;
• срокът на експлоатация на уреда до калибровка или подмяна – някои типове уреди (например термистори) излизат от строя доста бързо;
• техническите данни: разделителна способност, напрежение, скорост на подаване на сигнал, грешка;
• стойността на изходния сигнал.

В някои случаи е важен и материалът на корпуса на уреда, а при използване в помещения – размерите и дизайнът.

Препоръки за монтаж със собствени ръце

Подобни уреди се използват широко за различни цели: с тях се оборудват радиатори, нагревателни котли и други битови уреди.

Преди началото на монтажа трябва внимателно да прочетете инструкцията: в нея се посочват не само особеностите на инсталацията (например размерите за свързване към тръбата), но и правилата за експлоатация, както и границите на температурите, за които е подходящ измервателният уред.

Необходимо е също да се вземе предвид размерът на гилзата, който може да варира в границите 120-160 мм.

Нека разгледаме двата най-често срещани случая на монтаж на термодатчика.

Свързване на уреда към радиатор

Не трябва да се оборудват всички отоплителни уреди с термостат. Съгласно регламента, датчиците се монтират на батерията, ако нейната обща мощност надвишава 50% от производството на топлина от аналогични системи. Ако в помещението има два нагревателя, то термостатът се монтира само на този, който има по-голям показател на мощност.

Термодатчикът е задължителна съставна част на регулаторите на температура, които позволяват да се намалява или увеличава нагряването на радиаторите, топлия под и други отоплителни уреди.

Клапанът на уреда се монтира на подаващия тръбопровод на мястото на свързване на радиатора към отоплителната мрежа. При невъзможност за врязването му в съществуващата верига трябва да се демонтира захранващият тръбопровод, което може да доведе до известни затруднения.

За извършване на тази манипулация е необходимо да се използва инструмент за рязане на тръби, докато монтажът на термоглавата лесно се извършва без специално оборудване. Веднага след като датчикът бъде монтиран, достатъчно е да се съвместят направените маркировки върху корпуса и уреда, след което главата се фиксира с плавно натискане на ръката.

Монтаж на термодатчика за въздух

Подобен уред се монтира в най-студеното жилищно помещение без течение (в хола, кухнята или котелното помещение монтирането му е нежелателно, тъй като може да доведе до нарушения в работата на системата).

При избора на място трябва да се внимава да не падат слънчеви лъчи върху устройството, наблизо не трябва да има отоплителни уреди (нагреватели, радиатори, тръби).

За обикновена отоплителна система е достатъчен един термостат, докато при колекторна схема е желателно да се използват няколко датчика, чийто брой съвпада с броя на стаите. Това ще позволи индивидуално да се регулира температурата в обособените пространства.

Свързването на уреда се осъществява съгласно инструкциите, които се намират в техническия паспорт, като при това се използват клеми или кабел, които са включени в комплекта.

При необходимост от проследяване на температурата термодатчик в “топъл под” може да се разполага в дълбочината на бетонната замазка. В този случай за защита може да се приложи гофрирана тръба, която има един затворен край и полегата извивка.

Последната особеност позволява при необходимост да се извади повредения уред и да се замени с нов.

Монтажът на устройството се осъществява по следния начин:

1. В стената се прави вдлъбнатина за закрепване на окачения уред.
2. От термодатчика се сваля предната част, след което уредът се монтира на подготвеното място.
3. След това към контактите се свързва нагревателният кабел, а към датчиците – клемите.

Заключителният етап – свързване на захранващия кабел и поставяне на предния панел на мястото му.

Схемата за свързване на термостата за отоплителен котел е подробно описана в тази статия.

Ако устройството, за чиято функционалност е необходимо вътрешно свързване на датчици, има сложна конструкция, по-добре е да се обърнете към специалисти.

Изводи и полезно видео по темата

В приложеното по-долу видео се разказва подробно как да се извърши монтажът на термоуредите на отоплителния котел:

Различава ли се монтажът на датчиците на тръбите за подаване и връщане:

Температурните датчици се използват широко както в различни сфери на промишлеността, така и за битови цели. Големият асортимент от подобни уреди, в основата на които са заложени различни принципи на работа, позволява да се избере оптималният вариант за решаване на дадена задача.

В домовете и апартаментите такива устройства най-често се използват за поддържане на комфортна температура в помещенията, както и за регулиране на отоплителните системи – батерии, подово отопление.

Имате ли какво да добавите или възникнаха въпроси относно избора и монтажа на температурния датчик? Можете да оставяте коментари към публикацията, да участвате в дискусиите и да споделяте собствения си опит с използването на такива устройства. Формата за връзка се намира в долния блок.