Temperaturni senzorji za ogrevanje: namen, vrste, navodila za namestitev

Pri delovanju grelnih naprav je treba nadzorovati stopnjo segrevanja toplotnega nosilca ter zraka v prostoru. Podatke zajemajo in prenašajo temperaturni senzorji za ogrevanje, ki jih je mogoče odčitavati vizualno ali takoj posredovati krmilniku.

Predlagamo, da se seznanite, kako delujejo temperaturni senzorji, katere vrste nadzornih naprav obstajajo in katere parametre je treba upoštevati pri izbiri naprave. Poleg tega smo pripravili navodila po korakih, ki vam bodo pomagala samostojno namestiti termosenzor na grelni radiator.

Načelo delovanja toplotnega senzorja

Sistem ogrevanja je mogoče nadzorovati z različnimi metodami, med katerimi so:

• avtomatske naprave za pravočasno dovajanje energije;
• bloki, ki spremljajo varnost;
• mešalne enote.

Za pravilno delovanje vseh teh skupin so potrebni temperaturni senzorji, ki posredujejo signale o delovanju naprav. Opazovanje odčitkov teh naprav omogoča pravočasno odkrivanje napak v sistemu in sprejetje ukrepov za njihovo odpravo.

Obstaja veliko različnih vrst naprav, ki se uporabljajo za merjenje temperature. Lahko so potopljene v toplotne nosilce, uporabljene v zaprtih prostorih ali nameščene zunaj.

Termosenzor se lahko uporablja kot samostojna naprava, na primer za nadzor temperature v prostoru, ali pa je neločljiv del zapletene naprave, na primer ogrevalnega kotla.

Osnova tovrstnih naprav, ki se uporabljajo v avtomatiziranem upravljanju, je načelo pretvorbe temperaturnih vrednosti v električni signal. Zahvaljujoč temu je mogoče rezultate meritev hitro prenašati po omrežju v obliki digitalne kode, kar zagotavlja visoko hitrost, občutljivost in natančnost meritve.

Hkrati imajo lahko različne naprave za merjenje stopnje segrevanja konstrukcijske značilnosti, ki vplivajo na vrsto parametrov: delovanje v določenem okolju, način prenosa, metodo vizualizacije in drugo.

Vrste naprav za merjenje temperature

Termonaprave je mogoče razvrstiti po vrsti pomembnih meril, med katerimi so način prenosa informacij, mesto in pogoji namestitve ter algoritem odčitavanja.

Glede na način prenosa informacij

Glede na uporabljeno metodo prenosa podatkov so senzorji razdeljeni v dve veliki kategoriji:

• žične naprave;
• brezžični senzorji.

Sprva so bile vse tovrstne naprave opremljene z žicami, prek katerih so temperaturni senzorji komunicirali z krmilno enoto ter ji posredovali informacije. Čeprav so zdaj te naprave izpodrinili brezžični analogi, se še vedno pogosto uporabljajo pri preprostih shemah.

Poleg tega se žični senzorji odlikujejo po večji natančnosti odčitkov in zanesljivosti pri delovanju.

Za zagotovitev usklajenega delovanja žičnega senzorja, ki se uporablja v sestavljeni napravi, je priporočljivo, da ga združite z opremo istega proizvajalca

Trenutno so se razširile brezžične naprave, ki najpogosteje prenašajo informacije s pomočjo oddajnika in sprejemnika radijskih valov. Tovrstne naprave je mogoče namestiti skoraj povsod, vključno z ločenim prostorom ali na prostem.

Pomembne značilnosti tovrstnih temperaturnih senzorjev so:

• prisotnost akumulatorja;
• napaka opravljenih meritev;
• doseg prenosa signala.

Brezžične/žične naprave lahko popolnoma nadomestijo druga drugo, vendar ima njihovo delovanje nekaj posebnosti.

Glede na mesto in način namestitve

Glede na mesto pritrditve se tovrstne naprave delijo na naslednje vrste:

• nastavne, ki se pritrdijo na ogrevalni krog;
• potopne, ki so v stiku s toplotnim nosilcem;
• sobne, ki se nahajajo v bivalnem ali poslovnem prostoru;
• zunanje, ki so nameščene na prostem.

V nekaterih agregatih se lahko hkrati uporablja več vrst senzorjev za nadzor temperature.

Glede na mehanizem odčitavanja

Glede na način prikaza informacij so naprave lahko:

• bimetalne;
• alkoholne.

Prva različica predvideva uporabo dveh plošč iz različnih kovin ter kazalnega indikatorja. Pri povišanju temperature se eden od elementov deformira, kar ustvarja pritisk na kazalec. Odčitki tovrstnih naprav so dobro natančni, vendar je njihova velika pomanjkljivost inertnost.

Bimetalni in alkoholni termostati so pogosto nameščeni na ogrevalni opremi, na primer na kotlih. Omogočajo spremljanje segrevanja, katerega prekoračitev lahko povzroči usodne posledice

Tega pomanjkljivosti so skoraj popolnoma brez senzorji, katerih delovanje temelji na uporabi alkohola. V tem primeru se v hermetično zaprto bučko nalije raztopina, ki vsebuje alkohol in se pri segrevanju širi. Zgradba je dovolj preprosta, zanesljiva, vendar ni zelo priročna za opazovanje.

Različne vrste termosenzorjev

Za odčitavanje temperature se uporabljajo naprave z različnimi načeli delovanja. Med najbolj iskane spadajo spodaj navedene naprave.

Termočleni: natančno odčitavanje – težavnost pri interpretaciji

Takšna naprava je sestavljena iz dveh med seboj spojenih žic, izdelanih iz različnih kovin. Temperaturna razlika med vročim in hladnim koncem je vir električnega toka z velikostjo 40–60 μV (vrednost je odvisna od materiala termočlena).

Najpogosteje se za izdelavo termočlenov uporabljajo naslednje kombinacije kovin in zlitin: krom-aluminij, železo-konstantan, železo-nikelj, nikelj-krom in druge.

Termočlen velja za visoko natančno temperaturno tipalo, vendar je z njega dokaj težko odčitati natančne vrednosti. Za to je treba poznati elektromotorno silo (EMS) z uporabo temperaturne razlike naprave.

Da bi bil rezultat pravilen, je pomembno kompenzirati temperaturo hladnega spoja, na primer s strojno metodo, pri kateri se drugi termočlen namesti v okolje z vnaprej znano temperaturo.

Programska metoda kompenzacije predvideva namestitev drugega termičnega tipala v izokomoro skupaj s hladnimi spoji, kar omogoča nadzor temperature z zahtevano natančnostjo.

Določene težave povzroča postopek odčitavanja podatkov s termočlena zaradi njihove nelinearnosti. Za pravilnost odčitkov so v GOST R 8.585-2001 uvedeni polinomski koeficienti, ki omogočajo pretvorbo EMS v temperaturo ter izvajanje obratnih operacij.

Še ena težava je v tem, da se odčitki merijo v mikrovoltih, za pretvorbo katerih ni mogoče uporabiti široko dostopnih digitalnih naprav. Za uporabo termočlena v konstrukcijah je treba predvideti natančne večrazredne pretvornike z minimalno stopnjo hrupa.

Termoupori: enostavno in preprosto

Bistveno lažje je meriti temperaturo s pomočjo termouporov, ki temeljijo na načelu odvisnosti upornosti materialov od temperature okolice. Take naprave, na primer izdelane iz platine, imajo pomembne prednosti, kot so visoka natančnost in linearnost.

Za glavno težavo tovrstnih termičnih tipal lahko štejemo izjemno nizek temperaturni koeficient upornosti, vendar je njegovo natančno merjenje vseeno lažje kot zajemanje majhnih vrednosti napetosti termočlenov.

Pomembna značilnost upora je osnovna upornost pri določeni temperaturi. V skladu z GOST 21342.7-76 se ta vrednost meri pri 0 °C. Pri tem se priporoča uporaba niza vrednosti upornosti (Ω) ter T_ks – temperaturni koeficient.

Vrednost T_ks se izračuna po formuli:

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

Kjer je:

• R_e – upornost pri delovni temperaturi;
• R_0c – upornost pri 0 °C;
• T_e – delovna temperatura;
• T_0c – 0 °C.

V GOST-u so navedeni tudi temperaturni koeficienti, ki so predvideni za različne merilne naprave, izdelane iz bakra, niklja in platine, ter polinomski koeficienti, ki se uporabljajo za izračun temperature na podlagi trenutnih vrednosti upora.

Termistorski senzorji so zelo razširjeni v elektronski in strojni industriji zaradi natančnosti odčitkov, občutljivosti in nezahtevnosti pri delovanju.

Upornost lahko izmerite tako, da napravo vključite v vezje tokovnega vira in izmerite diferencialno napetost. Vrednosti lahko nadzirate z integriranimi vezji, katerih analogni izhod je enak napajalni napetosti.

Termične senzorje s podobnimi napravami lahko brez skrbi priključite na analogno-digitalni pretvornik in opravite digitalizacijo z osem- ali desetbitnim ADC.

Digitalni senzor za sočasne meritve

Široko uporabo so našli tudi digitalni termični senzorji, na primer model DS18B20, ki deluje s pomočjo integriranega vezja s tremi izhodi. S to napravo je mogoče hkrati odčitavati temperaturne vrednosti z več vzporedno delujočih senzorjev, pri čemer je napaka le 0,5°C.

Priljubljen model je kombiniran senzor temperature/vlažnosti SHT1, ki omogoča meritve temperature z natančnostjo ±2°C in vlažnosti z napako ±5%. Vendar proizvajalec sam trdi, da obstajajo natančnejše in bolj ekonomične naprave.

Med drugimi prednostmi te naprave lahko omenimo tudi širok spekter delovnih temperatur (-55°C do +125°C). Glavna pomanjkljivost pa je počasno delovanje: za najbolj natančne izračune naprava potrebuje vsaj 750 ms.

Brezkontaktni pirometri (termovizijske kamere)

Delovanje teh brezkontaktnih senzorjev temelji na zaznavanju toplotnega sevanja, ki ga oddajajo telesa. Za karakterizacijo tega pojava se uporablja količina energije, ki se sprosti na enoto časa z enote površine in odpade na enoto valovne dolžine.

Takšen kriterij, ki odraža intenzivnost monokromatskega sevanja, se imenuje spektralna svetilnost.

Obstajajo naslednje vrste pirometrov:

• sevalni;
• svetlostni (optični);
• barvni.

Sevalni pirometri omogočajo meritve v območju 20–25000°C, vendar je za določitev temperature pomembno upoštevati koeficient nepopolnosti sevanja, katerega efektivna vrednost je odvisna od fizikalnega stanja telesa, njegove kemijske sestave in drugih dejavnikov.

Glavni delovni element sevalnega senzorja je teleskop, v katerem je baterija, sestavljena iz zaporedne verige termočlenov. Delovni konci teh naprav so nameščeni na s platino prevlečenem lističu (+).

Pirometri za svetlost (optični pirometri) so namenjeni merjenju temperatur od 500 do 4000 °C. Zagotavljajo visoko natančnost meritev, vendar lahko popačijo odčitke zaradi morebitne absorpcije sevanja teles v vmesnem mediju, skozi katerega potekajo opazovanja.

Barvni pirometri, katerih delovanje temelji na določanju intenzivnosti sevanja pri dveh valovnih dolžinah – prednostno v rdečem ali modrem delu spektra, se uporabljajo za meritve v območju od 800 do 0 °C.

Njihova glavna prednost je, da nepopolnost sevanja ne vpliva na merilne napake. Poleg tega kazalci niso odvisni od razdalje do objekta.

Kvarčni (piezoelektrični) pretvorniki temperature

Za odčitavanje temperatur v območju od -80 do +250 °C lahko uporabimo kvarčne pretvornike (piezoelemente), katerih načelo delovanja temelji na frekvenčni odvisnosti kvarčnega kristala od segrevanja. Pri tem na funkcijo pretvornika vpliva lega reza glede na kristalne osi.

Piezoelektrične (kvarčne) naprave se najpogosteje uporabljajo pri raziskovalnem delu, saj so tovrstne priprave značilne po širokem merilnem območju, zanesljivosti in visoki natančnosti.

Piezoelektrični senzorji se odlikujejo po občutljivosti, visoki ločljivosti in so sposobni zanesljivo delovati dolgo časa. Tovrstne priprave se pogosto uporabljajo pri izdelavi digitalnih termometrov in veljajo za ene najbolj obetavnih naprav za tehnologije prihodnosti.

Šumni (akustični) senzorji temperature

Delovanje tovrstnih naprav je omogočeno z merjenjem akustične razlike potencialov v odvisnosti od temperature upora.

Akustične metode omogočajo merjenje temperature v zaprtih prostorih in medijih, kjer neposredna meritev ni mogoča. Tovrstne naprave so našle uporabo v medicini, pri podvodnih raziskavah ter v industriji.

Način merjenja s temi senzorji je dokaj preprost: primerjati je treba šum, ki ga proizvajata dva podobna elementa, pri čemer je eden pri vnaprej znani, drugi pa pri določeni temperaturi.

Akustični termosenzorji so primerni za merjenje v območju od -270 do +1100 °C. Pri tem je težavnost postopka v premajhni ravni šuma: zvoki, ki jih oddaja ojačevalnik, ga včasih preglasijo.

Senzorji temperature JKR

Bistvo delovanja termometrov jedrske kvadrupolne resonance je v delovanju gradienta polja, ki ga tvorijo kristalne mreže in jedrski moment – kazalnika, ki ga povzroči odstopanje naboja od sferične simetrije.

V rezultatu podobnega pojava nastane precesija jeder: njena frekvenca je odvisna od gradienta polja mreže. Na vrednost tega kazalnika vpliva tudi temperatura: njeno povišanje povzroči padec frekvence JKR.

Osnovni element tovrstnih senzorjev je ampula s snovjo, ki je nameščena v induktivnostno navitje, povezano z generatorjevim krogom.

Prednost naprav je neomejeno trajanje meritev, zanesljivost in stabilno delovanje. K slabostim pa spada nelinearnost meritev, kar povzroča potrebo po uporabi funkcije pretvorbe.

Polprevodniške naprave

Kategorija naprav, ki delujejo na podlagi sprememb karakteristik p-n spoja, ki jih povzroči vpliv temperature. Napetost na tranzistorju je vedno sorazmerna vplivu temperature, kar omogoča enostaven izračun tega dejavnika.

Prednosti tovrstnih naprav so visoka natančnost podatkov, nizka cena, linearnost karakteristik na celotnem merilnem območju. Montaža takšnih naprav je priročna neposredno na polprevodniško podlago, zaradi česar so odlično primerne za mikroelektroniko.

Volumenski pretvorniki za merjenje temperature

Osnova tovrstnih naprav je znani princip širjenja in krčenja snovi, opažen pri segrevanju ali ohlajanju. Takšni senzorji so dovolj praktični. Uporabljajo se lahko za določanje temperatur v mejah od -60 – +400°C.

Za možnost vizualnega nadzora temperature je večina termosenzorjev, ki se nahajajo v prostorih, opremljenih z zasloni, na katere se izpisujejo trenutne vrednosti.

Pomembno je vedeti, da so meritve tekočin s takšnimi napravami omejene s temperaturo vrelišča in zmrzovališča, plinov pa s prehodom v tekoče stanje. Pogrešek meritev, ki ga povzroči vpliv okolice, je za te naprave dovolj majhen: giblje se v mejah 1-5%.

Izbira temperaturnih senzorjev

Pri izbiri takšnih naprav je treba upoštevati naslednje dejavnike:

• temperaturno območje, v katerem se izvajajo meritve;
• potreba in možnost potopitve senzorja v objekt ali medij;
• pogoji izvajanja merjenja: za odčitavanje vrednosti v agresivnem okolju je bolje izbrati brezkontaktno različico ali model, nameščen v protikorozijsko ohišje;
• življenjska doba naprave do kalibracije ali zamenjave – nekatere vrste naprav (npr. termistorji) precej hitro odpovedo;
• tehnični podatki: ločljivost, napetost, hitrost signala, pogrešek;
• velikost izhodnega signala.

V nekaterih primerih je pomemben tudi material ohišja naprave, pri uporabi v prostorih pa tudi mere in dizajn.

Priporočila za montažo z lastnimi rokami

Takšne naprave se pogosto uporabljajo za različne namene: z njimi so opremljeni radiatorji, ogrevalni kotli in drugi gospodinjski aparati.

Pred začetkom montaže je treba natančno prebrati navodila: v njih so navedene ne le podrobnosti namestitve (npr. mere za priključitev na cev), temveč tudi pravila uporabe ter temperaturne meje, za katere je merilna naprava primerna.

Upoštevati je treba tudi velikost tulca, ki se lahko giblje med 120 in 160 mm.

Oglejmo si dva najpogostejša primera montaže termočutnika.

Priključitev naprave na radiator

Ni vredno opremljati vseh ogrevalnih naprav s termostatom. V skladu s predpisi se čutniki namestijo na radiator, če njegova skupna moč presega 50 % proizvodnje toplote podobnih sistemov. Če so v prostoru dva grelnika, se termostat namesti le na tistega z večjo močjo.

Termočutnik je obvezen sestavni del regulatorjev temperature, ki omogočajo zniževanje ali povečevanje ogrevanja radiatorjev, talnega gretja in drugih ogrevalnih naprav.

Ventil naprave se namesti na dovodni cevovod na mestu priključitve radiatorja na ogrevalni sistem. Če ga ni mogoče vgraditi v obstoječo vezje, je treba razstaviti dovodno napeljavo, kar lahko povzroči nekaj težav.

Za to manipulacijo je treba uporabiti orodje za rezanje cevi, medtem ko je montažo termoglave mogoče enostavno izvesti brez posebne opreme. Ko je čutnik nameščen, je dovolj, da poravnate narejene oznake na ohišju in napravi, nato pa glavo pritrdite z rahlim pritiskom roke.

Montaža termosenzorja za zrak

Takšna naprava se namesti v najhladnejšem bivalnem prostoru brez prepiha (v predsobi, kuhinji ali kurilnici njegova namestitev ni priporočljiva, saj lahko povzroči motnje v delovanju sistema).

Pri izbiri mesta je treba paziti, da na napravo ne padajo sončni žarki, v bližini pa ne sme biti ogrevalnih naprav (grelnikov, radiatorjev, cevi).

Za običajni ogrevalni sistem zadostuje en termostat, medtem ko je pri kolektorski shemi priporočljivo uporabiti več čutnikov, katerih število se ujema s številom prostorov. To bo omogočilo individualno nastavitev temperature v ločenih prostorih.

Priključitev naprave se izvede v skladu z navodili v tehničnem listu, pri tem pa se uporabijo sponke ali kabel, ki so priloženi.

Po potrebi za spremljanje temperature termočutnik v “talnem gretju” lahko leži globoko v betonskem estrihu. V tem primeru lahko za zaščito uporabite valovito cev, ki ima en zaprt konec in poševni upogib.

Zadnja značilnost omogoča, da po potrebi odstranite pokvarjeno napravo in jo zamenjate z novo.

Montažo naprave izvedite na naslednji način:

1. V steni naredite vdolbino za pritrditev stenske naprave.
2. S termičnega senzorja snamite sprednji del, nato pa napravo namestite na pripravljeno mesto.
3. Nato na kontakte priključite grelni kabel, medtem ko na senzorje priključite sponke.

V zaključni fazi priključite napajalni kabel in namestite sprednjo ploščo na svoje mesto.

Shema priključitve termostata za ogrevalni kotel je podrobno opisana v tem članku.

Če ima naprava, za katero je za delovanje potrebna notranja povezava senzorjev, zapleteno konstrukcijo, je bolje, da se obrnete na strokovnjake.

Zaključki in koristen video na to temo

V spodnjem videu je podrobno razloženo, kako izvesti namestitev termo naprav na ogrevalni kotel:

Ali se namestitev senzorjev na dovodnih in povratnih ceveh razlikuje:

Temperaturni senzorji se pogosto uporabljajo tako v različnih industrijskih panogah kot v gospodinjstvu. Široka paleta takšnih naprav, ki temeljijo na različnih delovnih načelih, omogoča izbiro optimalne možnosti za reševanje določene naloge.

V hišah in stanovanjih se takšne naprave najpogosteje uporabljajo za vzdrževanje udobne temperature v prostorih ter za regulacijo ogrevalnih sistemov – radiatorjev, talnega gretja.

Imate kaj dodati ali pa imate vprašanja o izbiri in namestitvi temperaturnega senzorja? Lahko pustite komentarje k objavi, sodelujete v razpravah in delite lastne izkušnje z uporabo takšnih naprav. Obrazec za stik se nahaja v spodnjem bloku.