Czujniki temperatury do ogrzewania: przeznaczenie, rodzaje, instrukcje montażu

Podczas pracy urządzeń grzewczych konieczne jest kontrolowanie stopnia nagrzania czynnika grzewczego, a także powietrza w pomieszczeniu. Czujniki temperatury do ogrzewania pomagają odczytywać i przekazywać informacje, których dane mogą być odczytywane wizualnie lub natychmiast przesyłane do sterownika.

Proponujemy zapoznać się z tym, jak działają czujniki temperatury, jakie są rodzaje urządzeń kontrolnych oraz jakie parametry należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia. Ponadto przygotowaliśmy instrukcję krok po kroku, która pomoże samodzielnie zamontować termoczujnik na grzejniku.

Zasada działania czujnika ciepła

System ogrzewania można kontrolować na różne sposoby, wśród których:

• automatyczne urządzenia do terminowego dostarczania energii;
• bloki monitorujące bezpieczeństwo;
• węzły mieszające.

Do prawidłowego działania wszystkich tych grup niezbędne są czujniki temperatury, które wysyłają sygnały o funkcjonowaniu urządzeń. Obserwacja wskazań tych urządzeń pozwala na wczesne wykrycie usterek w systemie i podjęcie działań naprawczych.

Istnieje wiele odmian urządzeń używanych do pomiaru temperatury. Mogą być zanurzane w czynniku grzewczym, używane wewnątrz pomieszczeń lub umieszczane na zewnątrz.

Termoczujnik może być używany jako osobne urządzenie, na przykład do kontroli temperatury w pomieszczeniu, lub być integralną częścią złożonego urządzenia, na przykład kotła grzewczego.

Podstawą takich urządzeń stosowanych w zautomatyzowanym sterowaniu jest zasada przetwarzania wskaźników temperatury na sygnał elektryczny. Dzięki temu wyniki pomiarów mogą być szybko przesyłane siecią w postaci kodu cyfrowego, co gwarantuje wysoką prędkość, czułość i dokładność pomiaru.

Jednocześnie różne urządzenia do pomiaru stopnia nagrzania mogą mieć cechy konstrukcyjne wpływające na szereg parametrów: pracę w określonym środowisku, sposób przekazywania, metodę wizualizacji i inne.

Rodzaje urządzeń do pomiaru temperatury

Termourządzenia mogą być klasyfikowane według szeregu ważnych kryteriów, wśród których są sposób przekazywania informacji, miejsce i warunki montażu, a także algorytm odczytu.

Ze względu na sposób przekazywania informacji

Zgodnie z zastosowaną metodą transmisji danych czujniki dzielą się na dwie duże kategorie:

• urządzenia przewodowe;
• bezprzewodowe czujniki.

Początkowo wszystkie tego typu urządzenia były wyposażone w przewody, za pomocą których czujniki temperatury łączyły się z jednostką sterującą, przekazując jej informacje. Chociaż obecnie takie urządzenia zostały wyparte przez bezprzewodowe odpowiedniki, nadal są często stosowane w prostych schematach.

Ponadto czujniki przewodowe charakteryzują się większą dokładnością odczytów i niezawodnością działania.

Aby zapewnić skoordynowaną pracę czujnika przewodowego stosowanego w urządzeniu złożonym, zaleca się łączenie go z urządzeniami tego samego producenta.

Obecnie rozpowszechnione są urządzenia bezprzewodowe, które najczęściej przesyłają informacje za pomocą nadajnika i odbiornika fal radiowych. Takie urządzenia można montować praktycznie wszędzie, w tym w oddzielnym pomieszczeniu lub na otwartym powietrzu.

Ważnymi cechami takich czujników temperatury są:

• obecność akumulatora;
• błąd przeprowadzonych pomiarów;
• zasięg transmisji sygnału.

Urządzenia bezprzewodowe/przewodowe mogą całkowicie się zastępować, jednak w ich działaniu istnieją pewne różnice.

Ze względu na miejsce i sposób umieszczenia

Ze względu na miejsce mocowania takie urządzenia dzielą się na następujące rodzaje:

• nakładane, mocowane do obiegu grzewczego;
• zanurzeniowe, mające kontakt z czynnikiem grzewczym;
• pokojowe, znajdujące się wewnątrz pomieszczeń mieszkalnych lub biurowych;
• zewnętrzne, umieszczone na zewnątrz.

W niektórych urządzeniach można jednocześnie stosować kilka rodzajów czujników do kontroli temperatury.

Ze względu na mechanizm odczytu

Ze względu na sposób wyświetlania informacji urządzenia mogą być:

• bimetaliczne;
• alkoholowe.

W pierwszym wariancie zakłada się użycie dwóch płytek wykonanych z różnych metali oraz wskaźnika wskazówkowego. Wraz ze wzrostem temperatury jeden z elementów ulega odkształceniu, wywierając nacisk na wskazówkę. Odczyty takich urządzeń charakteryzują się dobrą dokładnością, jednak ich dużą wadą jest bezwładność.

Termostaty bimetaliczne i alkoholowe są często montowane na urządzeniach grzewczych, np. kotłach. Pozwalają monitorować nagrzewanie, którego przekroczenie może prowadzić do fatalnych skutków.

Tej wady są prawie całkowicie pozbawione czujniki, których działanie opiera się na wykorzystaniu alkoholu. W tym przypadku do hermetycznie zamkniętej bańki wlewa się roztwór zawierający alkohol, który rozszerza się pod wpływem ogrzewania. Konstrukcja jest dość elementarna, niezawodna, ale niezbyt wygodna do obserwacji.

Różne typy termoczujników

Do pomiaru temperatury stosuje się urządzenia o różnych zasadach działania. Do najbardziej poszukiwanych należą wymienione poniżej urządzenia.

Termopary: dokładny odczyt – trudność w interpretacji

Podobne urządzenie składa się z dwóch zlutowanych ze sobą drutów wykonanych z różnych metali. Różnica temperatur powstająca między gorącym a zimnym końcem jest źródłem prądu elektrycznego o wartości 40-60 µV (wskaźnik zależy od materiału termopary).

Najczęściej do produkcji termopar stosuje się następujące kombinacje metali i stopów: chrom-aluminium, żelazo-konstantan, żelazo-nikiel, nikiel-chrom i inne

Termopara jest uważana za wysokoprecyzyjny czujnik temperatury, jednak zdjęcie z niej dokładnych odczytów jest dość trudne. W tym celu należy poznać siłę elektromotoryczną (SEM), wykorzystując różnicę temperatur urządzenia.

Aby wynik był poprawny, ważne jest skompensowanie temperatury zimnego złącza, stosując na przykład sposób sprzętowy, w którym druga termopara umieszczana jest w środowisku o znanej wcześniej temperaturze.

Programowy sposób kompensacji polega na umieszczeniu innego czujnika temperatury w izokomorze wraz z zimnymi złączami, co pozwala kontrolować temperaturę z zadaną dokładnością.

Pewne trudności sprawia proces odczytu danych z termopary ze względu na ich nieliniowość. Dla poprawności wskazań w GOST R 8.585-2001 wprowadzono współczynniki wielomianu, umożliwiające przeliczanie SEM na temperaturę, a także wykonywanie operacji odwrotnych.

Kolejny problem polega na tym, że odczyty są wykonywane w mikrowoltach, do przekształcania których nie można użyć szeroko dostępnych przyrządów cyfrowych. Aby użyć termopary w konstrukcjach, należy przewidzieć dokładne, wielobitowe przetworniki o minimalnym poziomie szumów.

Termistory: łatwo i prosto

Znacznie łatwiej jest mierzyć temperaturę za pomocą termistorów, których podstawą jest zasada zależności rezystancji materiałów od temperatury otoczenia. Podobne urządzenia, na przykład wykonane z platyny, mają takie ważne zalety, jak wysoka dokładność i liniowość.

Głównym problemem takich czujników temperatury można uznać bardzo niski temperaturowy współczynnik rezystancji, jednak dokładne zmierzenie go jest jednak łatwiejsze niż wychwycenie małych wartości napięcia termopar.

Ważną charakterystyką rezystora jest rezystancja bazowa w określonej temperaturze. Zgodnie z GOST 21342.7-76, wskaźnik ten mierzy się przy 0°C. Przy tym zaleca się stosowanie szeregu wartości rezystancji (Ω), a także T_ks – współczynnik temperaturowy.

Wskaźnik T_ks oblicza się według wzoru:

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

Gdzie:

• R_e – rezystancja przy temperaturze roboczej;
• R_0c – rezystancja przy 0°C;
• T_e – temperatura robocza;
• T_0c – 0°C.

W normie GOST podano również współczynniki temperaturowe przewidziane dla różnych urządzeń pomiarowych wykonanych z miedzi, niklu, platyny, a także wskazano współczynniki wielomianu stosowane do obliczania temperatury na podstawie bieżących wskazań rezystancji.

Czujniki termorezystancyjne są szeroko stosowane w przemyśle elektronicznym i maszynowym ze względu na dokładność wskazań, czułość oraz bezobsługowość.

Rezystancję można zmierzyć, podłączając przyrząd do obwodu źródła prądu i mierząc napięcie różnicowe. Wskaźniki można kontrolować za pomocą układów scalonych, których wyjście analogowe jest równe napięciu zasilania.

Czujniki temperatury z takimi urządzeniami można śmiało podłączać do przetwornika analogowo-cyfrowego, digitalizując go przy ośmio- lub dziesięciobitowym ADC.

Cyfrowy czujnik do jednoczesnych pomiarów

Szerokie zastosowanie znalazły również cyfrowe czujniki temperatury, np. model DS18B20, którego działanie odbywa się za pomocą układu scalonego z trzema wyjściami. Dzięki temu urządzeniu możliwe jest odczytywanie wskazań temperatury jednocześnie z kilku równolegle pracujących czujników, przy czym błąd wynosi tylko 0,5°C.

Popularnym modelem jest kombinowany czujnik temperatury/wilgotności SHT1, który pozwala na pomiary ciepła z dokładnością +2°, a wilgotności z błędem +5. Jednak sam producent twierdzi, że istnieją dokładniejsze i bardziej ekonomiczne urządzenia.

Wśród innych zalet tego urządzenia można również wymienić szeroki zakres temperatur roboczych (-55+125°C). Główną wadą jest jednak wolna praca: do maksymalnie dokładnych obliczeń urządzenie wymaga co najmniej 750 ms.

Bezkontaktowe pirometry (termowizory)

Działanie tych bezkontaktowych czujników opiera się na rejestracji promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała. Do charakteryzacji tego zjawiska wykorzystuje się ilość energii wyemitowanej w jednostce czasu z jednostki powierzchni, która przypada na jednostkę zakresu długości fali.

Taki kryterium, odzwierciedlające intensywność promieniowania monochromatycznego, nazwano radiancją widmową.

Istnieją następujące rodzaje pirometrów:

• radiacyjne;
• jasnościowe (optyczne);
• barwowe.

Pirometry radiacyjne pozwalają na przeprowadzanie pomiarów w zakresie 20-25000°C, jednak do określenia temperatury ważne jest uwzględnienie współczynnika niezupełności promieniowania, którego wartość efektywna zależy od stanu fizycznego ciała, jego składu chemicznego oraz innych czynników.

Głównym elementem aktywnym czujnika radiacyjnego jest teleskop, wewnątrz którego znajduje się bateria składająca się z szeregowego łańcucha termopar. Robocze końce tych urządzeń znajdują się na pokrytym platyną płatku (+).

Pirometry jasnościowe (optyczne) są przeznaczone do pomiaru temperatur 500-4000°C. Zapewniają wysoką dokładność pomiarów, jednak mogą zniekształcać wskazania z powodu możliwej absorpcji promieniowania od ciał przez ośrodek pośredni, przez który prowadzone są obserwacje.

Pirometry barwne, których działanie opiera się na określaniu intensywności promieniowania na dwóch długościach fali – preferencyjnie w czerwonym lub niebieskim odcinku widma, są używane do pomiarów w zakresie od 800 do 0°C.

Ich główną zaletą jest to, że niepełność promieniowania nie wpływa na błędy pomiarów. Ponadto wskaźniki nie zależą od odległości do obiektu.

Przetworniki temperatury kwarcowe (piezoelektryczne)

Do odczytu temperatur w zakresie od -80 do +250°C można użyć przetworników kwarcowych (piezoelementów), których zasada działania opiera się na zależności częstotliwości kwarcu od nagrzewania. Przy tym na funkcję przetwornika wpływa położenie cięcia względem osi krystalicznych.

Urządzenia piezoelektryczne (kwarcowe) są najczęściej stosowane przy prowadzeniu prac badawczych, ponieważ takie przyrządy charakteryzują się rozszerzonym zakresem pomiarów, niezawodnością, wysoką dokładnością.

Czujniki piezoelektryczne charakteryzują się dużą czułością, wysoką rozdzielczością, są w stanie niezawodnie pracować przez długi czas. Takie urządzenia są szeroko stosowane przy produkcji termometrów cyfrowych i uważane są za jedne z najbardziej perspektywicznych przyrządów dla technologii przyszłości.

Czujniki temperatury szumowe (akustyczne)

Funkcjonowanie takich urządzeń zapewnia się poprzez pomiar akustycznej różnicy potencjałów w zależności od temperatury rezystora.

Metody akustyczne pozwalają na odczyt temperatur w zamkniętych przestrzeniach i środowiskach, gdzie bezpośredni pomiar jest niemożliwy. Takie przyrządy znalazły zastosowanie w medycynie, w badaniach podwodnych, a także w przemyśle.

Sposób pomiaru takimi czujnikami jest dość prosty: należy porównać szumy wytwarzane przez dwa podobne elementy, jeden z których znajduje się w znanej z góry temperaturze, a drugi – w temperaturze mierzonej.

Akustyczne termoczujniki nadają się do pomiaru zakresu od -270 – +1100 °C. Przy tym złożoność procesu polega na zbyt małym poziomie szumu: dźwięki wydawane przez wzmacniacz czasem go zagłuszają.

Czujniki temperatury NQR

Istota działania termometrów jądrowego rezonansu kwadrupolowego polega na działaniu gradientu pola, które tworzą sieci krystaliczne oraz momentu jądra – wskaźnika wywołanego odchyleniem ładunku od symetrii sfery.

W wyniku takiego zjawiska powstaje precesja jąder: jej częstotliwość zależy od gradientu pola sieci. Na wartość tego wskaźnika wpływa również temperatura: jej wzrost powoduje spadek częstotliwości NQR.

Głównym elementem takich czujników jest ampułka z substancją, umieszczona w uzwojeniu indukcyjności połączonym z obwodem generatora.

Zaletą przyrządów jest nieograniczony czas pomiarów, niezawodność i stabilna praca. Do wad natomiast należy nieliniowość pomiarów, co powoduje konieczność korzystania z funkcji przetwarzania.

Urządzenia półprzewodnikowe

Kategoria urządzeń działających na podstawie zmian charakterystyk złącza p-n wywołanych wpływem temperatury. Napięcie na tranzystorze jest zawsze proporcjonalne do wpływu temperatury, co pozwala łatwo obliczyć ten czynnik.

Zaletami takich urządzeń są wysoka dokładność danych, niski koszt, liniowość charakterystyk w całym zakresie pomiarów. Montaż takich urządzeń można wygodnie wykonać bezpośrednio na podłożu półprzewodnikowym, dzięki czemu doskonale nadają się one do mikroelektroniki.

Przetworniki objętościowe do pomiaru temperatury

Podstawą takich urządzeń jest znana zasada rozszerzania i kurczenia się substancji obserwowana podczas ogrzewania lub chłodzenia. Takie czujniki są dość praktyczne. Mogą być używane do określania temperatur w zakresie -60 – +400°C.

Aby umożliwić wizualną kontrolę temperatury, większość czujników temperatury znajdujących się w pomieszczeniach jest wyposażona w wyświetlacze, na których wyświetlane są bieżące wartości.

Należy pamiętać, że pomiary cieczy za pomocą takich przyrządów są ograniczone temperaturą wrzenia i zamarzania, a gazów – przejściem w stan ciekły. Spowodowany wpływem otoczenia błąd pomiaru dla tych przyrządów jest dość mały: waha się w granicach 1-5%.

Wybór czujników temperatury

Przy wyborze takich przyrządów należy uwzględnić czynniki takie jak:

• zakres temperatury, w którym przeprowadzane są pomiary;
• konieczność i możliwość zanurzenia czujnika w obiekcie lub środowisku;
• warunki przeprowadzania pomiaru: do pomiarów w agresywnym środowisku lepiej wybrać wersję bezstykową lub model umieszczony w antykorozyjnej obudowie;
• okres eksploatacji przyrządu przed kalibracją lub wymianą – niektóre typy przyrządów (np. termistory) dość szybko ulegają awarii;
• dane techniczne: rozdzielczość, napięcie, szybkość przesyłania sygnału, błąd;
• wielkość sygnału wyjściowego.

W niektórych przypadkach ważny jest również materiał obudowy przyrządu, a przy użytkowaniu w pomieszczeniach – rozmiary i design.

Zalecenia dotyczące montażu własnoręcznego

Takie urządzenia są szeroko stosowane w różnych celach: wyposaża się w nie grzejniki, kotły grzewcze i inne urządzenia gospodarstwa domowego.

Przed rozpoczęciem montażu należy dokładnie przeczytać instrukcję: zawiera ona nie tylko specyfikę instalacji (np. wymiary potrzebne do podłączenia do króćca), ale także zasady eksploatacji oraz zakresy temperatur, dla których odpowiedni jest przyrząd pomiarowy.

Należy również uwzględnić rozmiar tulei, który może wynosić od 120 do 160 mm.

Rozpatrzmy dwa najczęściej spotykane przypadki montażu czujnika temperatury.

Podłączenie urządzenia do grzejnika

Nie należy instalować termostatu we wszystkich urządzeniach grzewczych. Zgodnie z przepisami, czujniki instaluje się na grzejniku, jeśli jego całkowita moc przekracza 50% produkcji ciepła przez podobne systemy. Jeśli w pomieszczeniu znajdują się dwa grzejniki, termostat instaluje się tylko na tym, który ma większą moc.

Czujnik temperatury jest niezbędnym elementem składowym regulatorów temperatury, umożliwiających zmniejszanie lub zwiększanie ogrzewania grzejników, ogrzewania podłogowego oraz innych urządzeń grzewczych.

Zawór urządzenia instaluje się na rurociągu zasilającym w miejscu podłączenia grzejnika do sieci grzewczej. W przypadku braku możliwości wcięcia go w istniejący obwód, należy zdemontować przewód zasilający, co może stwarzać pewne trudności.

Do wykonania tej czynności należy użyć narzędzia do cięcia rur, natomiast montaż głowicy termostatycznej można łatwo przeprowadzić bez specjalnego wyposażenia. Gdy czujnik zostanie zamontowany, wystarczy zrównać zaznaczone punkty na obudowie i urządzeniu, a następnie głowica zostaje zamocowana przez delikatne wciśnięcie ręką.

Montaż termoczujnika powietrza

Takie urządzenie instaluje się w najzimniejszym pomieszczeniu mieszkalnym bez przeciągów (w holu, kuchni lub kotłowni jego montaż jest niepożądany, ponieważ może powodować zakłócenia w działaniu systemu).

Wybierając miejsce, należy upewnić się, że na urządzenie nie padają promienie słoneczne, a w pobliżu nie ma urządzeń grzewczych (nagrzewnic, grzejników, rur).

W przypadku zwykłego systemu ogrzewania wystarczy jeden termostat, natomiast w układzie kolektorowym zaleca się stosowanie kilku czujników, których liczba odpowiada liczbie pomieszczeń. Pozwoli to na indywidualne regulowanie temperatury w oddzielnych przestrzeniach.

Podłączenie urządzenia odbywa się zgodnie z instrukcjami zawartymi w karcie technicznej, przy czym używa się zacisków lub kabla, które znajdują się w zestawie.

W razie potrzeby monitorowania temperatury czujnik temperatury w „ogrzewaniu podłogowym” może znajdować się w głębi wylewki betonowej. W takim przypadku do ochrony można zastosować rurę karbowaną z jednym zamkniętym końcem i pochyłym zagięciem.

Ta ostatnia cecha umożliwia, w razie potrzeby, wyjęcie uszkodzonego urządzenia i zastąpienie go nowym.

Montaż urządzenia odbywa się w następujący sposób:

1. W ścianie wykonuje się wgłębienie do mocowania urządzenia wiszącego.
2. Z termoczujnika zdejmuje się przednią część, po czym urządzenie montuje się na przygotowanym miejscu.
3. Następnie do styków podłącza się kabel grzejny, a do czujników – zaciski.

Etap końcowy – podłączenie kabla zasilającego i zamontowanie przedniego panelu na swoje miejsce.

Schemat podłączenia termostatu do kotła grzewczego został szczegółowo opisany w tym artykule.

Jeśli urządzenie, do którego działania wymagane jest wewnętrzne podłączenie czujników, ma skomplikowaną konstrukcję, lepiej zwrócić się do specjalistów.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

W poniższym filmie szczegółowo opisano, jak przeprowadzić montaż termourządzeń na kotle grzewczym:

Czy montaż czujników na rurach zasilania i powrotu się różni:

Czujniki temperatury są szeroko stosowane zarówno w różnych dziedzinach przemysłu, jak i do celów domowych. Duży asortyment takich urządzeń, opartych na różnych zasadach działania, pozwala dobrać optymalny wariant do rozwiązania danego zadania.

W domach i mieszkaniach takie urządzenia najczęściej służą do utrzymania komfortowej temperatury w pomieszczeniach, a także do regulacji systemów grzewczych – grzejników, ogrzewania podłogowego.

Czy ma Pan/Pani coś do dodania, lub pojawiły się pytania dotyczące wyboru i instalacji czujnika temperatury? Może Pan/Pani zostawiać komentarze pod publikacją, brać udział w dyskusjach i dzielić się własnym doświadczeniem w użytkowaniu takich urządzeń. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.