Температурные датчики для систем отопления: функции, типы, руководство по монтажу

Для эффективной работы отопительных систем важно контролировать температуру теплоносителя и воздуха в помещениях. В этом процессе незаменимыми являются температурные датчики, которые могут предоставлять данные для визуального анализа или делать это автоматически, передавая информацию в контролирующее устройство.

В данном материале мы рассмотрим принцип работы температурных датчиков, их категории, а также важные аспекты, которые нужно учитывать при их выборе. Также представим пошаговые рекомендации по установке термодатчика на радиатор отопления.

Как работает температурный датчик

Для контроля отопительной системы могут использоваться различные способы, среди которых:

• автоматизированные устройства для управления энергоподачей;
• системы, отвечающие за безопасность;
• смесительные устройства.

Чтобы эти системы функционировали должным образом, необходимы температурные датчики, которые передают информацию о текущих показаниях. Мониторинг их данных позволяет своевременно обнаруживать сбои в системе и принимать меры для их устранения.

Существует большое разнообразие устройств для измерения температуры, которые могут быть установлены в теплоносители, внутри помещений или на улице.

Температурные датчики могут выполнять функции независимого устройства, например, для контроля температуры в комнате, или же быть неотъемлемой частью более сложных установок, вроде отопительных котлов.

Суть работы таких приборов заключается в преобразовании термических значений в электрический сигнал. Это позволяет быстро передавать результаты через сеть в виде цифрового кода, что обеспечивает высокую скорость, чувствительность и точность замеров.

Тем не менее, разные типы устройств для измерения температуры могут иметь свои специфические особенности, которые влияют на их функциональность: среду работы, метод передачи данных, способ визуализации и так далее.

Типы устройств для измерения температуры

Температурные датчики можно классифицировать по различным критериям, включая способ передачи информации, условия установки и алгоритм снятия показаний.

По методу передачи информации

Датчики можно разделить на две основные категории в зависимости от способа передачи данных:

• проводные датчики;
• беспроводные датчики.

Ранее все температурные устройства имели проводное соединение для передачи данных в управляющий блок. Несмотря на широкое распространение беспроводных аналогов, проводные датчики продолжают использоваться в простых системах. Они, как правило, обеспечивают более высокую точность измерений и надежность.

Для корректной работы проводных термодатчиков рекомендуется использовать оборудование, произведенное тем же производителем.

В последние годы популярность обретают беспроводные устройства, которые передают данные с помощью радиосигналов. Их можно установить практически в любом месте – как внутри помещениях, так и на улице.

Ключевыми характеристиками таких беспроводных датчиков являются:

• наличие встроенного аккумулятора;
• погрешность измерений;
• дальность передачи сигнала.

Несмотря на то, что проводные и беспроводные устройства могут заменять друг друга, у них существуют свои особенности работы.

По месту установки

На основании места установки можно выделить следующие виды датчиков:

• накладные устройства, устанавливаемые на теплоноситель;
• погружные приборы, контактирующие с теплоносителем;
• комнатные термодатчики, находящиеся в помещениях;
• уличные, размещенные снаружи зданий.

Некоторые устройства могут сочетать разные виды датчиков для контроля температуры.

По механизму измерения

В зависимости от способа отображения информации датчики могут быть:

• биметаллическими;
• спиртовыми.

Биметаллические термостаты работают на основе двух металлических пластин и стрелочного индикатора. При изменении температуры один из металлов деформируется, оказывая давление на стрелку. Эти приборы обладают неплохой точностью, но могут иметь существенные задержки в реакции.

Биметаллические и спиртовые датчики чаще всего используются в отопительных системах, например, в котлах, для предотвращения перегрева.

Спиртовые датчики более быстры в реагировании на изменения температуры, так как в их конструкции используется спирт, который расширяется при нагреве. Несмотря на простоту и надежность такой конструкции, наблюдать за показаниями не всегда удобно.

Разнообразие типов термодатчиков

Для измерения температуры применяются различные устройства с разными принципами работы, среди которых наибольшее распространение получили следующие:

Термопары: точные значения – сложность интерпретации

Термопары состоят из двух проводников, соединенных между собой, сделанных из разных металлов. Разница температур между горячим и холодным концом создает электрический ток величиной от 40 до 60 мкВ в зависимости от используемых материалов.

Наиболее часто применяются такие комбинации: хром-алюминий, железо-костантан, железо-никель, никель-хром и другие.

Термопары считаются высокоточными датчиками температуры, но процесс их использования может быть сложным. Для получения правильных показаний необходимо учитывать электродвижущую силу (ЭДС), зависящую от разности температур.

Чтобы результаты были точными, нужно проводить компенсацию температуры холодного спая, используя дополнительные термопары или специальные методы.

Еще одной сложностью является то, что показания выводятся в микровольтах, и для их преобразования необходимы точные преобразователи.

Терморезисторы: просто и удобно

Измерять температуру проще с помощью терморезисторов, основанных на зависимости сопротивления материалов от температуры окружающей среды. Такие устройства, например, из платины, имеют высокую точность и линейность показаний.

Хотя при низких температурах коэффициент сопротивления у терморезисторов невысок, измерения все же легче проводить, чем в случае с термопарами.

Основной характеристикой терморезисторов является их сопротивление при определенной температуре, которое измеряется согласно стандартам. Рекомендуется использовать несколько значений сопротивления и температурный коэффициент.

Эти датчики активно применяются в электронной и машиностроительной сферах благодаря своей точности и простоте эксплуатации.

Измерять сопротивление можно, включив терморезистор в электрическую цепь и зафиксировав дифференциальное напряжение, что, в свою очередь, позволяет отслеживать данные с помощью аналоговых микросхем.

Цифровые датчики для множественных измерений

Широко используются также цифровые термодатчики, такие как модель DS18B20, которые работают на основе специализированного микросхемного блока с несколькими выходами. Это позволяет снимать данные сразу с нескольких датчиков, при этом ошибка составляет всего 0,5°C.

Популярностью пользуется также комбинированный датчик температуры и влажности SHT1, который обеспечивает замеры с точностью ±2°C для температуры и ±5% для влажности. Однако производитель предлагает более точные и экономичные устройства.

К преимуществам данного оборудования можно отнести широкий диапазон рабочих температур (-55 до +125°C), а наиболее заметным недостатком является его невысокая скорость обработки данных, что требует около 750 мс для получения максимально точных результатов.

Бесконтактные ирометры (тепловизоры)

Принцип работы бесконтактных датчиков основан на улавливании теплового излучения, исходящего от объектов. Для описания данного явления используется параметр, называемый энергетической светимостью, который представляет собой количество выделяемой энергии за единицу времени с поверхности в определенном диапазоне длины волн.

Этот параметр, который характеризует силу монохроматического излучения, называется спектральной светимостью.

Существует несколько типов пирометров:

• радиационные;
• яркостные (оптические);
• цветовые.

Радиационные пирометры могут измерять температуры в диапазоне от 20 до 25000°C, однако при этом необходимо учитывать коэффициент неполноты излучения, который зависит от физических свойств и химического состава объекта.

Ключевым компонентом радиационного датчика является телескоп, внутри которого размещается батарея, состоящая из последовательного соединения термопар. Концы этих термопар установлены на специальном лепестке, покрытом платиной (+).

Яркостные (оптические) пирометры предназначены для измерения температур в пределах 500-4000°C. Они способны обеспечить высокую точность, но могут давать искаженные результаты из-за интерференции излучений, вызванной средой, в которой проводится измерение.

Цветовые пирометры основываются на измерении интенсивности излучения на двух различных длинах волн — предпочтительно в красной и синей областях спектра, и предназначены для диапазонов температур от 800 до 0°C.

Их основное преимущество состоит в том, что неполнота излучения не оказывает влияния на точность измерений, а также результаты не зависят от расстояния до объекта.

Кварцевые (пьезоэлектрические) температурные преобразователи

Для измерения температур в диапазоне от -80 до +250°C можно использовать кварцевые преобразователи (пьезоэлементы), работа которых основана на частотной зависимости кварца от температурных изменений. При этом на функциональность преобразователей влияют координаты среза по кристаллическим осям.

Пьезоэлектрические (кварцевые) устройства чаще всего находят применение в научных исследованиях благодаря широкому диапазону измерений, надежности и высокой точности.

Эти датчики имеют высокую чувствительность и разрешение, и могут без проблем функционировать в течение продолжительного времени. Они широко применяются в производстве цифровых термометров и считаются одним из самых перспективных типов приборов для будущих технологий.

Акустические (шумовые) температурные датчики

Работают такие устройства на основе измерения акустической разности потенциалов, зависящей от температуры резистора.

Акустические методы измерения позволяют получать данные о температуре в закрытых помещениях и условиях, где невозможно провести прямые измерения. Эти приборы нашли применение в медицине, подводных разработках и в промышленности.

Принцип измерения заключается в сравнении шумов, создаваемых двумя одинаковыми элементами — один из которых находится при известной, а другой — при измеряемой температуре.

Акустические термодатчики подходят для интервала температур от -270 до +1100°C. Основная трудность заключается в низком уровне шума: звучание, созданное усилителем, иногда мешает слышимость первичного звука.

Температурные датчики ЯКР

Работа термометров ядерного квадрупольного резонанса основывается на градиенте поля, который создается решетка кристалла и ядерный момент — характеристика, вызванная смещением заряда от симметричной формы.

При этом возникает ядерный процесс, частота которого зависит от градиента поля решетки. Температура также влияет на величину этой характеристики: ее повышение приводит к уменьшению частоты ЯКР.

Основной компонент таких датчиков — ампула с веществом, помещенная в обмотку индуктивности, связанной с контуром генератора.

Преимущества таких приборов заключаются в бесконечно долгом сроке измерений, надежности и стабильной работе. Недостатком является нелинейность измерений, что требует применения функции преобразования.

Полупроводниковые устройства

Эти устройства работают на основе изменения характеристик p-n перехода, которые происходят при воздействии на них температуры. Напряжение на транзисторе всегда пропорционально температуре, что облегчает ее вычисление.

Преимущества таких устройств включают высокую точность измерений, доступную цену и линейность характеристик в противном диапазоне. Их монтаж удобно проводить на полупроводниковой подложке, что делает их идеальными для микроэлектроники.

Объемные преобразователи температуры

Данные устройства основаны на принципе теплового расширения и сжатия материалов, что наблюдается при нагреве или охлаждении. Они достаточно практичны и могут использоваться для измерения температур в диапазоне от -60 до +400°C.

Чтобы обеспечить визуальное отображение температуры, многие термодатчики, размещенные в помещениях, оборудованы дисплеями, на которые выводятся текущие значения.

Важно учитывать, что измерения жидкостей такими приборами ограничены температурами кипения и замерзания, а для газов — точкой конденсации. Погрешность измерений, вызванная внешними факторами, для этих приборов обычно незначительна и составляет 1-5%.

Критерии выбора температурных датчиков

При выборе таких приборов важно учитывать:

• температурный диапазон, в котором будут проводиться измерения;
• необходимость погружения датчика в объект или среду;
• условия, в которых будет проходить измерение: для работы в агрессивной среде лучше выбирать бесконтактные модели или датчики с защитным корпусом;
• срок службы устройства до калибровки или замены — некоторые типы (например, термисторы) могут выходить из строя довольно быстро;
• технические характеристики: разрешение, напряжение, скорость передачи сигнала, погрешность;
• величину выходного сигнала.

В некоторых случаях также важен материал корпуса устройства, а если прибор используется в помещениях, то его размеры и эстетика.

Советы по самостоятельному монтажу

Подобные приборы находят широкое применение в различных сферах: они устанавливаются на радиаторы, котлы и другие устройства для обогрева.

Перед началом установки необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией, где указаны не только особенности монтажа (например, размеры для подключения к трубопроводу), но и правила эксплуатации, а также пределы температур, для которых предназначен датчик.

Следует также учитывать размеры защитной гильзы, которые могут варьироваться в пределах 120-160 мм.

Рассмотрим два наиболее распространённых сценария установки термодатчика.

Установка прибора на радиатор

Не нужно устанавливать термостат на все отопительные устройства. По регламенту датчики монтируются на батарее, если ее общая мощность превышает 50% от тепловой мощности аналогичных систем. Если в помещении находятся два нагревателя, то термостат устанавливается только на одном с более высокой мощностью.

Термодатчик является необходимым элементом для регуляторов температуры, которые позволяют увеличивать или уменьшать уровень нагрева радиаторов, теплых полов и других отопительных систем.

Клапан датчика устанавливается на подающий трубопровод в связке с радиатором. Если невозможно его установить в уже существующую сеть, потребуется демонтировать подводящие трубы, что может быть затруднительным.

Для выполнения этого процесса потребуется инструмент для резки труб. Монтаж термостатической головки обычно не требует специального оборудования. После установки датчика достаточно совместить метки на корпусе и приборе, затем зафиксировать головку легким нажатием.

Установка воздушного термодатчика

Это устройство нужно устанавливать в самой холодной комнате без сквозняков (не рекомендуется ставить его в холле, на кухне или в котельной, так как это может нарушить работу системы).

Выбирая место, нужно обеспечить защиту от солнечного света и отсутствие близких отопительных приборов (радиаторов, обогревателей и труб).

Для обычной системы отопления достаточно одного термостата, тогда как в коллекторной схеме целесообразно установить несколько датчиков, количество которых должно соответствовать числу комнат, что позволит индивидуально контролировать температуру в каждом помещении.

Подключение прибора выполняется в соответствии с инструкциями, содержащимися в техническом паспорте, при использовании клемм или кабелей, входящих в комплект.

Если необходимо контролировать температуру в «теплом полу», термодатчик можно установить в глубину бетонной стяжки. Для этого рекомендуется использовать гофрированную трубу с одним закрытым концом и изгибом.

Эта конструкция позволит в случае поломки извлечь неисправный прибор и установить новый.

Установка устройства производится следующим образом:

1. В стене вырезается углубление для крепления термодатчика.
2. С термодатчика снимается передняя часть, после чего прибор устанавливается на подготовленном месте.
3. Затем к контактам подключается нагревательный кабель, а к датчикам — клеммы.

Финальным шагом является подключение питания и установка передней панели на свое место.

Детальная схема подключения термостата для системы отопления представлена в данной статье.

Если устройство, требующее внутреннего подключения датчиков, имеет сложную конструкцию, рекомендуется обратиться к профессиональным мастерам для выполнения данной работы.

Выводы и полезный видеоматериал

В следующем видео приведены рекомендации по установке термоприборов на отопительный котел:

Существует ли разница в монтаже датчиков на трубы подачи и обратки:

Датчики температуры находят применение в самых разных отраслях, а также в быту. Широкий выбор подобных устройств, основанных на различных принципах работы, позволяет выбрать наиболее подходящий вариант для решения конкретных задач.

В жилых домах и квартирах они обычно используются для обеспечения комфортной температуры в помещениях и регулирования работы систем отопления — радиаторов и теплых полов.

Есть ли у вас дополнения или вопросы по выбору и установке температурного датчика? Оставляйте свои комментарии к статье, присоединяйтесь к обсуждениям и делитесь своим опытом использования таких приборов. Форма для обратной связи расположена внизу страницы.