Виды температурных датчиков воздуха в помещении: принцип работы, диапазон температур

Что это такое

Терморегулятор, он же термостат – это специальный контроллер, который является основной деталью управления обогревательного устройства. Главной его функцией является поддержка температуры теплоносителя на заданном уровне. Настройка уровня необходимой температуры производится в большинстве случаев вручную, а далее устройство автоматически регулирует работы конвектора или котла.

Терморегулятор может быть блоком управления для отопления либо охлаждения системы, а также являться составной частью климатической техники (например, его часто встраивают в кондиционеры или электрические котлы).

Фото — Механический терморегулятор

Зачем нужен термостат:

1. Для экономии. Это устройство помогает Вам экономить газ или электричество, за счет того, что все время контролирует температуру воздуха. Если она поднялась до нужного уровня – прибор отключает питание обогревателя, а когда температура опускается – снова запускает его;
2. Для обеспечения безопасности. Если котел перегрелся или по какой-то причине не отключается после автоматического сигнала терморегулятора, то термостат оповещает про это при помощи звукового сигнала;
3. Для повышения комфорта. Вам теперь не нужно все время отключать и включать котел, следить за температурой в помещении – все эти функции устройство выполняет автоматически.

Принцип работы

Терморегулятор с датчиком температуры воздуха работает по следующей схеме: при помощи термостата котла собирается информация о температуре непосредственно в теплоносителе. Комнатные датчики замеряют в свою очередь температуру в помещении. Далее эта информация поступает в блок управления термостатом или на автоматический регулятор для хранения и использования.

Фото — терморегулятор в розетку

Регулятор сверяет полученные данные от датчиков и, в зависимости от настроек, либо увеличивает температуру котла, либо уменьшает или отключает его.

Все чаще сейчас используются электронные датчики. Новые цифровые термостаты не имеют движущихся частей для измерения перепадов температуры, вместо этого они используют полупроводниковые детали, например термометр сопротивления (резистивный датчик температуры). Эти приборы работают от тока и часто могут устанавливаться как на один-рейку, так и в розетку. Для питания им необходимо 24 вольта. Они могут работать от батарейки или напрямую от электрической сети. В каждой модели электронного терморегулятора есть монитор, на который выводятся заданные значения при его настройке и результаты последнего замера температуры.

Фото — терморегулятор для бытовых приборов с розеткой

Большинство из таких устройств оснащены также часами, календарем и возможностями настроить котел для работы в режиме день-ночь, выходные-рабочие дни и т.д. Естественно, цена на электронные терморегуляторы с датчиком температуры немного выше, чем на механические, но зато их легче установить своими руками и у них значительно шире диапазон температур. Они могут использоваться не только для жилого помещения, но и подсобного, скажем, погреба или гаража, где температура может опускаться до 0 градусов.

Фото — электронный терморегулятор

Купить устройства можно в магазинах электротоваров и фирменных филиалах компаний, которые изготавливают климатическую технику. При этом старайтесь выбирать ту же марку датчика, что и Ваш отопительный прибор, тогда к нему можно будет подключить контроль всей системы отопления.

Терморегуляторы с датчиком температуры воздуха
Терморегуляторы с датчиком температуры воздуха подразделяются на несколько типов. Устройство и принцип работы приборов.

Основные функции

Иногда терморегулятор является составной частью климатической техники, например, электрокотла, кондиционера. Он, прежде всего, необходим для повышения уровня комфорта. Благодаря регулятору температуры нет нужды в постоянном отключении и включении котла, измерении перепадов температуры в помещении – все описанные функции выполняются устройством автоматически. Кроме того, оно необходимо для:

• Обеспечения безопасности. Если котел по какой-то причине не отключился после автоматического сигнала регулятора или произошел перегрев, то термостат оповестит владельца об этом с помощью звукового сигнала.
• Экономии. Терморегулятор поможет сэкономить на системе обогрева или охлаждения за счет контроля температуры воздуха, благодаря которому уменьшится потребление газа или электроэнергии.

Виды и конструкция

Виды и конструкция

Универсальный терморегулятор

Существует немало универсальных термостатов с датчиками, определяющими температуру воздуха. Прибор от Devi подходит для управления теплым полом или системами полного отопления. Через специальный интеллектуальный таймер можно программировать режимы на определенные отрезки времени:

• название модели: Devi Devireg 550 ELKO;
• цена: 5313 р.;
• характеристики: пределы регулирования – +5..+40°C, управление – электронное, степень пыле- и влагозащиты – IP30, габариты – 85х85х47 мм, вес – 110 г;
• плюсы: функциональность, возможность удаленного управления;
• минусы: высокая стоимость.

Универсальный термостат Ратар-01 обойдется дешевле предыдущего прибора. Он имеет крепление на DIN-рейку и применяется в качестве встроенного блока управления разными отопительными системами и приборами:

• название модели: Ратар-01 Рэлсиб;
• цена: 2257 р.;
• характеристики: пределы регулирования – -40..+120°C, размеры- 72х88х54 мм, вес – около 400 г,
• плюсы: простота и удобство в работе;
• минусы: высокая стоимость.

Неплохим универсальным вариантом для систем отопления и охлаждения является терморегулятор от Spyheat. Прибор монтируется способом открытой установки:

• название модели: Spyheat SDF-418H;
• цена: 1890 р.;
• характеристики: пределы регулирования – +5..+40°C, тип – электронный, мощность – 3500 Вт, степень защиты – IP20;
• плюсы: простое управление, низкая стоимость;
• минусы: низкий уровень защиты.

Термопара

Датчик включает в себя две проволоки из разных металлов, спаянных между собой. Для отношения концов друг с другом в зоне постоянной температуры, в конструкцию добавляют удлиняющие провода из двух металлов. Когда на концы проводов действуют разные температуры (например, при помещении датчика в горячую воду), то в цепи появляется электрический ток. Сила возникшего тока (от 40 до 60 мкВ) зависит от используемого материала термопары, который влияет на термоэлектрическую силу прибора.

В практике можно встретить железоникелевые, хромоалюминиевые, медно-константановые и так далее. В дешевых моделях используются неблагородные металлы (аналогичных термоэлектродам) для удлиняющих проводов, а в дорогих – благородные металлы, которые способы развивать аналогичную термо-ЭДС, что и электроды (необходимо для уменьшения стоимости высококлассным приборов).

Термопара относится к датчикам с высокой точностью. Проблемой устройства является сложность получения замеренного значения. Термопара действует по принципу относительности отличия температур между разъемами. Горячий спай помещается в замеряемое вещество, а холодный остается находиться в окружающей среде.

При необходимости использования термопары работа проводится следующим образом. Температуру холодного спая необходимо компенсировать, для чего вторую термопару помещают в среду с известным показателем.

Если используется программный способ компенсации, второй датчик помещается в изометрическую камеру, где находятся холодные спаи, что позволяет контролировать температуру с высокой точностью. Самое сложное в работе с одноконтактной термопарой – снять показатели.

В ГОСТе прописаны коэффициенты, необходимые для перевода ЭДС в показатель температуры и наоборот. Подсчет также может вестись при помощи контроллера.

Но получаемый от термопары показатель ЭДС измеряется в единицах и сотнях микровольт. Поэтому использование аналоговых преобразователей не будет успешным. Для сборки специальной конструкции, цель которой – получение точных результатов, потребуются малошумящие аналоговые преобразователи.

На практике для устранения имеющихся погрешностей используют автоматическое введение поправки на температуру свободных концов. Под этим подразумевают введение моста с плечами в виде медного и манганинового терморезисторов.

Терморезисторы

Терморезисторы делятся по типу зависимости сопротивления от температуры. Они могут быть отрицательными (NTC) или положительными (PTC).

Измерения легче проводить при помощи терморезисторов. Принцип работы построен на сопротивлении материалов внешней температуре. Высокая точность присуща для приборов, изготовленных из платины. На работу терморезисторов влияют две характеристики.

Первая – базовое сопротивление, второе – температура, при которой оно определяется. ГОСТ устанавливает, что определение должно проходить при 0 градусов по Цельсию. В нормативном документе указывается, что рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений, определяемых в Омах, а также температуры, что позволит сопоставить результаты при 0°С и другом показателе. Для этого используется следующая формула:

Ткс = (Re – R0c) / (Te – T0c) *1/R0c

Температурный коэффициент будет изменяться в зависимости от используемого материала для термометров, что отражено в ГОСТе. В нормативном документе также указываются коэффициенты полинома, необходимые для расчета в зависимости от текущего сопротивления.

Термометры сопротивления обладают одним минусом – низкий температурный коэффициент сопротивления. Несмотря на этот нюанс, использование терморезисторов проще по сравнению с принципом работы термопары.

Способы измерения будут зависеть от комплектации модели. Базовые терморезисторы необходимо включать в цепь с источником тока и контролируемого дифференциального напряжения. Чтобы корректно определить доли единицы процента получаемых от температурного коэффициента проводников, лучше использовать аналого-цифровые преобразователи.

Если в датчик уже встроен аналоговый выход, соответствующий питаемому напряжению, то для оцифровывания можно напрямую подключать терморезистор к преобразователю

Комбинированные

Комбинированные датчики включают в себя несколько полупроводников, объединенных в единое устройство. Датчики могут иметь встроенный цифровой интерфейс, а не только интегральные схемы с выходом. Часто используется комбинированный датчик благодаря возможности подключения параллельных устройств. Погрешность при расчете температуры равна 2 °С, а при определении влажности – 5%. Проблема в таком датчике одна – оптимизация интерфейса.

Цифровые

В цифровых датчиках устанавливается трехвыводная микросхема. Показатели считываются с нескольких параллельно работающих датчиков, что позволяет получить показания с точностью 0,5 °С. Работа электронного термометра возможна от -55 до +125 °С. Единственным минусом устройства является скорость получения результатов – 750 секунд для получения максимально точного показателя. Определение точности прибора осуществляется при помощи соответствующих регулировок, которые необходимы для уменьшения количества затрачиваемого времени на получение результата. Опрос датчика не имеет смысла, так как корпус является инерционным.

Бесконтактные

Работа датчика основана на нагревании тонкой пленки, что осуществляется благодаря воздействию инфракрасных лучей. Встретить подобную технологию можно в пирометрических устройствах. В отличии от контактного, получить данные можно на расстоянии.

Кварцевые преобразователи температуры

Если диапазон изменяемых температур превышает стандартные значения и достигает отметки от -80 до +250°С, то используются кварцевые преобразователи. Такие устройства работают на принципе взаимодействия кварца и температуры, отражаемого частотной зависимостью. Преобразователь имеет несколько функций, которые меняются в зависимости от расположения среза по осям кристалла.

Кварцевые датчики отличаются высокой точностью, стабильностью и разрешением. Являются более перспективными способами измерения температуры. Часто можно встретить в цифровых термометрах.

Шумовые

Шумовой датчик служит для получения показателей по принципу разности потенциалов на резисторе, которые меняются в зависимости от температуры. На практике подобный способ измерения имеет условие – одна из температур должна быть известна, а вторая — измеряемая. Два полученных шума от различных температур сравнивают и находят искомое значение.

Работа датчика возможна от -270 до +1100 °С. Из преимуществ отмечается возможность измерения температур в термодинамике. Но минусом является сложность реализации такого способа измерения напряжения шумом из-за наличия различий с шумом усилителя.

Ядерного квадрупольного резонанса

Принцип работы биметаллического термометра основывается на действии градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, вызванного отклонением заряда от симметрии сферы. При помощи такого процесса создается процессия ядер. Частота напрямую зависит от градиента поля решетки. В зависимости от вещества, величина показателя может подниматься до нескольких тысяч МГц. Чем выше температура, тем меньше частота ЯКР.

ЯКР образует ампулу с веществом, которая помещается в обмотку индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. Если частота генератора и частота ЯКР совпадают, то исходящая от генератора энергия поглощается. При измерении вещества с температурой -263°С погрешность составляет 0,02 градуса, а при температуре 27°С, погрешность равна 0,002 градуса. Из преимуществ датчика выделяют неизменную стабильность. Минусом является значительная нелинейность преобразующей функции.

Объемные преобразователи

Принцип работы иного рода биметаллического термометра построен на свойстве веществ расширяться и сжиматься в зависимости от действующей температуры. Диапазон действия преобразователя определяется в зависимости от стабильности материала. Датчик может использоваться при температурах от -60 до +400°С. Погрешность составит от 1 до 5%.

При определении температуры датчиками на жидкости погрешность падает до 1-3% в зависимости от температурной среды. Температура закипания и замерзания жидкости также будет влиять на интервал работы датчика.

Если датчик измеряет преобразователи на газе, то граница измерения зависит от точки перехода газа в жидкое состояние и стойкостью баллона в воздействующей температуре.

Канальный

Все цифровые термометры относятся к канальным, так как для передачи сигналов они используют каналы. В зависимости от количества таких “магистралей” определяется канальность устройства. Так термометр Testo 925 относится к 1-канальным, в основе работы лежит термопара, как и у термометра Testo 735-2 – 3-канального. А Testo 810 – 2-канальный прибор с инфракрасным термометром.

Преимущества и недостатки использования терморегуляторов с выносным датчиком температуры воздуха

Прибор со встроенным датчиком может показывать некорректные данные. Особенно располагаясь около отопительного оборудования. Отдав предпочтение электронному термостату с выносным датчиком, можно значительно уменьшить ошибку измерения.

Терморегулятор демонстрирует высокую точность измерения

К преимуществам устройств данного типа стоит отнести:

• высокую точность измерения;
• возможность установки в любых комнатах, а также за пределами дома;
• контроль температурного режима под любой поверхностью.

Если терморегулятор подключается к инфракрасному обогревателю, выносной датчик следует расположить в месте, на которое не направлен тепловой поток.»

Основным недостатком является ограниченная длина провода. Исключение составляют беспроводные модели, у которых расстояние между приёмником и передатчиком может достигать 300 м.

Беспроводные модели способны принимать сигнал на большом расстоянии

Область применения терморегуляторов с датчиком

Терморегуляторы с датчиком температуры являются универсальными приборами. Их можно использовать при монтаже системы отопления в любом помещении с возможностью установки на различных поверхностях. Предлагаем ознакомиться с областью использования термостатов.

Терморегуляторы имеют широкую область использования

Датчик температуры воздуха для котла отопления

Система отопления нуждается в постоянном контроле. Используя специальный датчик температуры воздуха для котла отопления, можно отслеживать увеличение объёмов воды и текущую информацию. При отклонении от нормативных требований можно будет принять меры по восстановлению работоспособности системы.

Такие устройства позволяют отслеживать степень нагрева теплоносителя на определённых участках. С их помощью можно автоматизировать работу системы отопления. Для этого на этапе проектирования подбирается правильная модель теплового датчика с учётом конструктивных особенностей и характеристик отопительного оборудования.

Могут устанавливаться в различных местах, подключаясь непосредственно к элементам отопительной системы, или располагаться на некотором расстоянии. Последний тип монтируется совместно с комнатными термостатами. Достаточно популярны беспроводные датчики, позволяющие собирать информацию с использованием вспомогательной электроники. Обладая большой погрешностью, они допускают установку в любом месте, до которого может доходить сигнал. Проводные для передачи сигнала используют провода. Это значительно повышает точность измерения.

Для каждого котла выбирается своя модель

Терморегулятор в розетку для бытовых обогревателей

Мобильный термостат, допускающий установку на любую розетку. Благодаря конструктивным особенностям является переходником между розеткой и обогревателем. Терморегулятор в розетку для бытовых обогревателей актуален для оборудования любого вида. Он подходит для масляных, спиральных и кварцевых приборов.

Внимание! При выборе терморегулятора следует ориентироваться на мощность прибора.

Установка терморегулятора должна быть выполнена по определённым правилам:

• блок должен располагаться на расстоянии минимум 0,4 м от поверхности пола. Лучше − 1,5 м, если в помещении есть такая розетка;
• расстояние между обогревателем и термостатом выбирается таким образом, чтобы исключить перегрев блока;
• следует исключить прямое попадание солнечных лучей;
• стоит предусмотреть защиту от внешнего воздействия. Особенно если в семье есть маленькие дети.

Внимание! Если планируется для обогрева дома использовать электрическую систему, ещё на этапе проектирования следует определиться с месторасположением розеток для терморегуляторов.

Терморегулятор предотвратит чрезмерный нагрев обогревателя

Терморегуляторы для «тёплого пола»

Существует стандартная схема для монтажа терморегуляторов для «тёплого пола». Для установки выбирается легкодоступное место. Подключение прибора производится по схеме, рекомендованной производителем и указанной на обратной стороне.

Датчик монтируют вблизи термостата, но вдали от мебели и каких-либо других предметов. При монтаже плёночного пола с инфракрасным излучением для датчика предусматривается место на обратной стороне плёнки. После установки измерительный прибор подключают с помощью проводов к терморегулятору. При устройстве кабельного пола, предполагающего заливку цементно-песчаной стяжки, датчик помещают в гофрированную трубу, чтобы при необходимости его можно было извлечь.

Датчик может быть подобран для конкретного интерьера

Терморегуляторы для инфракрасных обогревателей

Для контроля инфракрасных обогревателей используются приборы специального типа. Они могут быть механическими и программируемыми. Механические терморегуляторы для инфракрасных обогревателей чаще всего монтируются на стену. Они компактны, способны контролировать температуру в широком диапазоне. Для задания нужного режима поворачивается специальная ручка. Включение/отключение производится с помощью кнопки.

Поворотом ручки задаётся требуемый режим

Программируемые или цифровые модели обеспечивают комфортные условия проживания. Имеют более широкий диапазон регулировки. Позволяют выбрать для отопительной системы сложную программу с последовательной сменой температуры в помещении. Чаще всего программируемыми терморегуляторами оснащается система «умный дом».

Для сауны и бани

С его помощью можно контролировать температуру воздуха. Учитывая сложные условия эксплуатации, следует выбирать модель, способную сохранить работоспособность в условиях повышенной влажности. Выбор модели зависит от особенностей используемого отопительного оборудования. Для бани и сауны также актуальны терморегуляторы с датчиком температуры воды, позволяющие снизить затраты на эксплуатацию водонагревателей. Такой устройство может быть:

• стержневым (биметаллическим). Их работа основана на способности металлов к расширению;
• капиллярным, использующим способность к расширению газа, находящегося внутри специальной колбы. По мере увеличения температуры давление в колбе возрастает, передавая необходимое усилие на пневмореле, подсоединённое к электрическим контактам. Последние отключаются от сети;
• электронным. Самый дорогостоящий и надёжный вид.

Терморегулятор с датчиком для воды

Параметры выбора

Чтобы осуществить корректный выбор подходящего термометра, необходимо определить несколько условий, которые должны соответствовать для комфортной работы прибором.

Диапазон рабочей температуры

Необходимо знать, в каких температурах будет задействован термометр. Также нужно определить, какая погрешность будет приемлемой при получении результатов. Если диапазон температур небольшой, то подойдут термисторы. В самых суровых условиях работоспособны преимущественно шумовые приборы.

Условия проведения замеров

Возможно ли поместить термометр в среду или материал, который нужно заменить. Если нет, то получить данные можно при помощи радиационных термометров, которые замеряют температуру сквозь препятствия.

Время работы до калибровки или замены

Установить условия работы датчика. Окружающая обстановка может быть стандартной, с высокой влажность, окислительной, пожароопасной и так далее.

Величина сигнала выхода

Сигнал выхода должен соответствовать возможностям электроизмерительных приборов для дальнейшей обработки получаемых данных. Зависит это от полученных показателей температуры, преобразуемых в энергию.

Другие технические данные

Также при определении подходящего типа датчика температуры необходимо обращать внимание на второстепенные факторы. Эти нюансы позволяют выбрать самый подходящий аппарат для получения необходимых данных.

Погрешность

Для получения самых точных результатов потребуется большое количество времени. Лучший показатель выдает биметаллический термометр, построенный по принципу ЯКР и цифровые. Первые – быстрее, а вторые – точнее.

Разрешение

Этот показатель позволяет получить от датчика более точные приращениям дискретности измерения температуры. Ярким представителем является DS18B20, который может работать в разрешении 9,10,11 и 12 бит. Самый малый режим даст 0.5°C, а максимальный — 0.0625°C.

Напряжение

На величину выходного напряжения будет влиять сопротивление резистора. В зависимости от этого напряжение может быть линейным (изменяться в зависимости от температуры) и нелинейным. Для каждого датчика существуют свои эталонные величины на выводах термометра, который зависит от температуры измеряемого объекта.

Время сработки

Показатель отвечает за скорость получения результатов замера. Как правило, быстрые замеры можно получить, имея крупную погрешность. Для устранения этого недостатка потребуется пренебречь временем сработки и увеличить его до необходимого показателя точности.

Промышленные термодатчики и сенсоры

Кроме стандартных бытовых термодатчиков бывают промышленные, которые используются исключительно на специальных объектах. Их распространение направлено на определенную группу лиц из-за избыточных возможностей, которые требуются только на производстве. Некоторые из них способны работать в различных нетрадиционных средах и суровых условиях. Выбор подходящих типов осуществляется тем же образом, что и для подбора бытовых датчиков.