Teplotní čidla pro vytápění: účel, typy, instalační pokyny

Při provozu topných zařízení je nutné kontrolovat stupeň ohřevu teplonosného média a také vzduchu v místnosti. Snímání a přenos informací usnadňují teplotní čidla pro vytápění, jejichž údaje lze číst vizuálně nebo je okamžitě odesílat do regulátoru.

Navrhujeme, abyste se seznámili s tím, jak teplotní čidla fungují, jaké existují typy řídicích zařízení a jaké parametry je třeba zvážit při výběru přístroje. Kromě toho jsme připravili podrobný návod, který vám pomůže samostatně nainstalovat termočidlo na radiátor vytápění.

Princip činnosti teplotního čidla

Systém vytápění lze řídit různými metodami, mezi které patří:

• automatická zařízení pro včasný přísun energie;
• bloky pro sledování bezpečnosti;
• směšovací uzly.

Pro správnou funkci všech těchto skupin jsou nezbytná teplotní čidla, která vysílají signály o provozu zařízení. Sledování údajů těchto přístrojů umožňuje včas odhalit závady v systému a přijmout opatření k jejich nápravě.

Existuje mnoho druhů přístrojů používaných k měření teploty. Mohou být ponořeny do teplonosného média, použity uvnitř místnosti nebo umístěny venku.

Termočidlo může být použito jako samostatný přístroj, například pro kontrolu teploty místnosti, nebo může být nedílnou součástí složitého zařízení, například topného kotle.

Základem takových zařízení používaných v automatizovaném řízení je princip převodu teplotních údajů na elektrický signál. Díky tomu lze výsledky měření rychle přenášet po síti ve formě digitálního kódu, což zaručuje vysokou rychlost, citlivost a přesnost měření.

Zároveň mohou mít různé přístroje pro měření stupně ohřevu konstrukční zvláštnosti, které ovlivňují řadu parametrů: provoz v určitém prostředí, způsob přenosu, metodu vizualizace a další.

Typy zařízení pro měření teploty

Termopřístroje lze klasifikovat podle řady důležitých kritérií, mezi které patří způsob přenosu informací, místo a podmínky montáže a také algoritmus snímání údajů.

Podle způsobu přenosu informací

Podle použité metody přenosu informací se čidla dělí do dvou velkých kategorií:

• drátová zařízení;
• bezdrátové senzory.

Původně byla všechna taková zařízení vybavena dráty, přes které termosenzory komunikovaly s řídicí jednotkou a předávaly jí informace. I když nyní tato zařízení vytlačily bezdrátové protějšky, stále se často používají v jednoduchých zapojeních.

Kromě toho se drátové senzory vyznačují vyšší přesností údajů a spolehlivostí v provozu.

Pro zajištění koordinované práce drátového senzoru používaného v sestavném zařízení je vhodné jej kombinovat se zařízením vyrobeným stejným výrobcem.

V současné době se rozšířila bezdrátová zařízení, která nejčastěji přenášejí informace pomocí vysílače a přijímače rádiových vln. Takové přístroje lze namontovat prakticky kdekoli, včetně samostatné místnosti nebo venkovního prostoru.

Důležitými charakteristikami takových termosenzorů jsou:

• přítomnost akumulátoru;
• chybovost provedených měření;
• dosah přenosu signálu.

Bezdrátová/drátová zařízení se mohou navzájem zcela nahradit, avšak v jejich fungování existují určité zvláštnosti.

Podle místa a způsobu umístění

Podle místa uchycení se takové přístroje dělí na následující druhy:

• nástěnné, připevňované k topnému okruhu;
• ponorné, kontaktující s teplonosným médiem;
• pokojové, nacházející se uvnitř obytné nebo pracovní místnosti;
• venkovní, které jsou umístěny venku.

V některých agregátech může být současně použito několik druhů senzorů pro kontrolu teploty.

Podle mechanismu snímání údajů

Podle způsobu zobrazování informací mohou být přístroje:

• bimetalové;
• lihové.

V první variantě se předpokládá použití dvou desek vyrobených z různých kovů a také ručkového indikátoru. Při zvýšení teploty se jeden z prvků deformuje a vytváří tlak na ručku. Údaje takových přístrojů se vyznačují dobrou přesností, avšak jejich velkou nevýhodou je setrvačnost.

Bimetalové a lihové termostaty se často instalují na topném zařízení, například kotlích. Umožňují sledovat ohřev, jehož překročení může vést k fatálním následkům.

Tohoto nedostatku jsou téměř zcela zbaveny senzory, jejichž práce je založena na použití lihu. V tomto případě se do hermeticky uzavřené baňky nalije lihový roztok, který se při zahřívání rozpíná. Konstrukce je poměrně jednoduchá, spolehlivá, ale není příliš vhodná pro pozorování.

Různé typy termočidel

Pro snímání teploty se používají zařízení s různým principem činnosti. Mezi nejžádanější patří níže uvedené přístroje.

Termočlánky: přesné snímání – složitost v interpretaci

Takové zařízení se skládá ze dvou navzájem spojených drátů vyrobených z různých kovů. Rozdíl teplot mezi horkým a studeným koncem slouží jako zdroj elektrického proudu o velikosti 40–60 µV (hodnota závisí na materiálu termočlánku).

Nejčastěji se pro výrobu termočlánků používají následující kombinace kovů a slitin: chrom-hliník, železo-konstantan, železo-nikl, nikl-chrom a další.

Termočlánek je považován za vysoce přesný teplotní senzor, ale získat z něj přesné údaje je poměrně obtížné. K tomu je třeba zjistit elektromotorickou sílu (EMS) pomocí rozdílu teplot zařízení.

Aby byl výsledek správný, je důležité kompenzovat teplotu studeného spoje, například pomocí přístrojového způsobu, při kterém je druhý termočlánek umístěn do prostředí s předem známou teplotou.

Programový způsob kompenzace předpokládá umístění dalšího teplotního senzoru do izokomory spolu se studenými spoji, což umožňuje řídit teplotu s požadovanou přesností.

Určité obtíže způsobuje proces snímání dat z termočlánku kvůli jejich nelinearitě. Pro správnost údajů byly v GOST R 8.585-2001 zavedeny polynomické koeficienty, které umožňují převádět EMS na teplotu a také provádět opačné operace.

Další problém spočívá v tom, že údaje se měří v mikrovoltech, pro jejichž převod nelze použít běžně dostupné digitální přístroje. Aby bylo možné termočlánek použít v konstrukcích, je třeba zajistit přesné, vícebitové převodníky s minimální úrovní šumu.

Termistory: snadno a jednoduše

Mnohem jednodušší je měřit teplotu pomocí termistorů, které jsou založeny na principu závislosti odporu materiálů na teplotě okolí. Taková zařízení, například vyrobená z platiny, mají důležité výhody, jako je vysoká přesnost a linearita.

Za hlavní problém těchto teplotních senzorů lze považovat extrémně nízký teplotní součinitel odporu, nicméně přesné měření je přesto snazší než zachycení malých hodnot napětí termočlánků.

Důležitou charakteristikou rezistoru je základní odpor při určité teplotě. Podle GOST 21342.7-76 se tato hodnota měří při 0 °C. Přitom se doporučuje použití řady hodnot odporu (Ω) a také T_ks – teplotní součinitel.

Hodnota T_ks se vypočítá podle vzorce:

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

Kde:

• R_e – odpor při aktuální teplotě;
• R_0c – odpor při 0 °C;
• T_e – aktuální teplota;
• T_0c – 0 °C.

V GOSTu jsou také uvedeny teplotní koeficienty stanovené pro různá měřicí zařízení vyrobená z mědi, niklu, platiny, a také jsou uvedeny koeficienty polynomu používané pro výpočet teploty na základě aktuálních hodnot odporu.

Termorezistorové senzory jsou široce rozšířeny v elektronickém a strojírenském průmyslu díky přesnosti měření, citlivosti a nenáročnosti na provoz.

Odpor lze měřit zapojením zařízení do obvodu zdroje proudu a měřením diferenčního napětí. Hodnoty lze kontrolovat pomocí integrovaných obvodů, jejichž analogový výstup je roven napájecímu napětí.

Teplotní senzory s podobnými zařízeními lze bez obav připojit k analogově-digitálnímu převodníku a digitalizovat při osmibitovém nebo desetibitovém A/D převodníku.

Digitální senzor pro současná měření

Široké uplatnění našly také digitální teplotní senzory, například model DS18B20, který pracuje pomocí integrovaného obvodu se třemi výstupy. Díky tomuto zařízení je možné snímat teplotní údaje současně z několika paralelně pracujících senzorů, přičemž chyba činí pouze 0,5°C.

Oblíbeným modelem je kombinovaný senzor teploty/vlhkosti SHT1, který umožňuje provádět měření tepla s přesností ±2 °C a vlhkosti s přesností ±5 %. Sám výrobce však tvrdí, že existují přesnější a úspornější přístroje.

Mezi další přednosti tohoto zařízení lze uvést také široký rozsah pracovních teplot (-55 až +125 °C). Hlavní nevýhodou je však pomalý provoz: pro maximálně přesné výpočty zařízení potřebuje nejméně 750 ms.

Bezkontaktní pyrometry (termovizní kamery)

Fungování těchto bezkontaktních senzorů je založeno na snímání tepelného záření vycházejícího z těles. K charakterizaci tohoto jevu se používá množství energie uvolněné za jednotku času z jednotky povrchu, které připadá na jednotku rozsahu vlnových délek.

Toto kritérium, které odráží intenzitu monochromatického záření, se nazývá spektrální zářivost.

Existují následující druhy pyrometrů:

• radiační;
• jasové (optické);
• barevné.

Radiační pyrometry umožňují měření v rozsahu 20–25 000 °C, avšak pro stanovení teploty je důležité zohlednit součinitel neúplnosti záření, jehož účinná hodnota závisí na fyzikálním stavu tělesa, jeho chemickém složení a dalších faktorech.

Hlavním aktivním prvkem radiačního senzoru je teleskop, uvnitř kterého je baterie tvořená sériovým zapojením termočlánků. Pracovní konce těchto zařízení jsou umístěny na platinou pokrytém lístku (+).

Jasové (optické) pyrometry jsou určeny pro měření teplot 500–4000 °C. Poskytují vysokou přesnost měření, ale mohou zkreslovat údaje kvůli možnému pohlcování záření těles mezilehlým prostředím, kterým se pozorování provádí.

Barevné pyrometry, jejichž činnost je založena na stanovení intenzity záření na dvou vlnových délkách – přednostně v červené nebo modré části spektra, se používají pro měření v rozmezí 800 až 0 °C.

Jejich hlavní výhodou je, že neúplnost záření neovlivňuje chyby měření. Kromě toho ukazatele nezávisí na vzdálenosti k objektu.

Křemenné (piezoelektrické) převodníky teploty

Pro měření teplot v rozmezí -80 až +250 °C lze použít křemenné převodníky (piezoelementy), jejichž princip činnosti je založen na frekvenční závislosti křemene na ohřevu. Přitom na funkci převodníku má vliv umístění řezu podle krystalografických os.

Piezoelektrická (křemenná) zařízení se nejčastěji používají při provádění výzkumných prací, protože takové přístroje se vyznačují rozšířeným rozsahem měření, spolehlivostí a vysokou přesností.

Piezoelektrické senzory se vyznačují jemnou citlivostí, vysokým rozlišením a jsou schopny spolehlivě pracovat po dlouhou dobu. Taková zařízení jsou široce používána při výrobě digitálních teploměrů a jsou považována za jeden z nejperspektivnějších přístrojů pro technologie budoucnosti.

Šumové (akustické) teplotní senzory

Fungování takových zařízení je zajištěno snímáním akustického rozdílu potenciálů v závislosti na teplotě rezistoru.

Akustické metody umožňují měřit teplotu v uzavřených prostorách a prostředích, kde není možné přímé měření. Takové přístroje našly uplatnění v medicíně, při podvodním výzkumu a také v průmyslu.

Způsob měření těmito senzory je poměrně jednoduchý: je třeba porovnat šumy produkované dvěma podobnými prvky, z nichž jeden je při předem známé teplotě a druhý při měřené teplotě.

Akustické teplotní senzory jsou vhodné pro měření v rozsahu -270 až +1100°C. Přitom složitost procesu spočívá v příliš nízké úrovni šumu: zvuky vydávané zesilovačem jej někdy přehluší.

Teplotní senzory NQR

Podstata práce teploměrů jaderné kvadrupólové rezonance spočívá v působení gradientu pole, které tvoří krystalové mřížky a momentu jádra – veličiny, způsobené odchylkou náboje od sférické symetrie.

V důsledku tohoto jevu vzniká precese jader: její frekvence závisí na gradientu pole mřížky. Na velikost této veličiny má vliv i teplota: její zvýšení způsobuje pokles frekvence JKR.

Hlavním prvkem takových senzorů je ampule s látkou, která je umístěna v indukční cívce připojené k obvodu generátoru.

Výhodou přístrojů je neomezená doba měření, spolehlivost a stabilní provoz. K nevýhodám patří nelinearita měření, což vyvolává nutnost použití převodní funkce.

Polovodičová zařízení

Kategorie zařízení fungujících na základě změn charakteristik p-n přechodu způsobených působením teplot. Napětí na tranzistoru je vždy úměrné působení teploty, což umožňuje snadno vypočítat tento faktor.

Výhodami takových zařízení je vysoká přesnost údajů, nízká cena, linearita charakteristik v celém rozsahu měření. Montáž těchto zařízení je vhodné provádět přímo na polovodičovém substrátu, díky čemuž se skvěle hodí pro mikroelektroniku.

Objemové převodníky pro měření teploty

Základem takových zařízení je známý princip rozpínání a smršťování látek pozorovaný při ohřevu nebo ochlazování. Tyto senzory jsou poměrně praktické. Lze je použít k určení teplot v rozmezí -60 – +400°C.

Pro možnost vizuální kontroly teploty je většina teplotních senzorů umístěných v místnostech vybavena displeji, na které se zobrazují aktuální hodnoty

Je důležité si uvědomit, že měření kapalin těmito přístroji je omezeno teplotou varu a tuhnutí, a plynů – jejich přechodem do kapalného stavu. Chyba měření způsobená vlivem okolního prostředí je u těchto přístrojů poměrně malá: pohybuje se v rozmezí 1-5%.

Výběr teplotních čidel

Při výběru takových přístrojů je třeba zohlednit faktory jako:

• teplotní rozsah, ve kterém se měření provádějí;
• nutnost a možnost ponoření senzoru do objektu nebo prostředí;
• podmínky měření: pro snímání údajů v agresivním prostředí je lepší upřednostnit bezkontaktní variantu nebo model umístěný v antikorozním pouzdře;
• životnost přístroje do kalibrace nebo výměny – některé typy přístrojů (např. termistory) poměrně rychle selhávají;
• technické údaje: rozlišení, napětí, rychlost signálu, chyba;
• velikost výstupního signálu.

V některých případech je také důležitý materiál pouzdra přístroje a při použití v místnostech – rozměry a design.

Doporučení pro montáž svépomocí

Podobné přístroje jsou široce používány pro různé účely: jsou jimi vybaveny radiátory, topné kotle a další domácí spotřebiče.

Před zahájením montáže je nutné pečlivě přečíst návod: uvádí nejen specifika instalace (např. rozměry pro připojení k trubce), ale také provozní pravidla a teplotní limity, pro které je měřicí přístroj vhodný.

Je také nutné zohlednit rozměr objímky, který se může pohybovat v rozmezí 120–160 mm.

Podívejme se na dva nejčastější případy montáže teplotního čidla.

Připojení přístroje na radiátor

Není vhodné osazovat termostatem všechny topné přístroje. Podle předpisů se čidla instalují na baterii, pokud její celkový výkon přesahuje 50 % výroby tepla obdobnými systémy. Pokud jsou v místnosti dva ohřívače, termostat se instaluje pouze na ten s vyšším výkonem.

Teplotní čidlo je povinnou součástí regulátorů teploty, které umožňují snižovat nebo zvyšovat ohřev radiátorů, podlahového topení a dalších topných zařízení.

Ventil přístroje se instaluje na přívodní potrubí v místě připojení radiátoru k topné síti. Pokud není možné jej zaříznout do stávajícího okruhu, je třeba demontovat přívodní vedení, což může způsobit určité komplikace.

K provedení této manipulace je nutné použít nástroj na řezání trubek, zatímco montáž termohlavice lze snadno provést bez speciálního vybavení. Jakmile je čidlo namontováno, stačí zarovnat značky na tělese a přístroji, poté se hlavice fixuje jemným stiskem ruky.

Montáž termočidla vzduchu

Takový přístroj se instaluje v nejchladnější obytné místnosti bez průvanu (v hale, kuchyni nebo kotelně je jeho montáž nežádoucí, protože by mohla způsobit poruchy v provozu systému).

Při výběru místa je třeba dbát na to, aby na zařízení nedopadaly sluneční paprsky, v blízkosti by neměla být topná tělesa (ohřívače, radiátory, trubky).

Pro běžný topný systém stačí jeden termostat, zatímco u kolektorového schématu je vhodné použít několik čidel, jejichž počet odpovídá počtu místností. To umožňuje individuálně regulovat teplotu v oddělených prostorech.

Připojení přístroje se provádí podle pokynů v technickém listu, přičemž se používají svorky nebo kabel, které jsou součástí dodávky.

V případě potřeby sledování teploty teplotní čidlo v “podlahovém topení” může být umístěno v hloubce betonové mazaniny. V tomto případě lze pro ochranu použít vlnitou trubku s jedním uzavřeným koncem a šikmým ohybem.

Tato poslední vlastnost umožňuje v případě potřeby vyjmout poškozený přístroj a nahradit jej novým.

Montáž zařízení se provádí následujícím způsobem:

1. Ve stěně se vytvoří prohlubeň pro upevnění závěsného zařízení.
2. Z termočidla se sejme přední díl, poté se zařízení umístí na připravené místo.
3. Dále se ke kontaktům připojí topný kabel, zatímco k čidlům se připojí svorky.

Závěrečná etapa – připojení napájecího kabelu a instalace předního panelu na své místo.

Schéma zapojení termostatu pro topný kotel je podrobně popsáno v tomto článku.

Pokud má zařízení, jehož funkčnost vyžaduje vnitřní připojení čidel, složitou konstrukci, je lepší obrátit se na odborníky.

Závěry a užitečné video k tématu

V níže uvedeném videu je podrobně popsáno, jak provádět instalaci termických zařízení na topný kotel:

Liší se montáž čidel na přívodní a vratné potrubí?

Teplotní čidla jsou široce používána jak v různých průmyslových odvětvích, tak pro domácí účely. Velký sortiment těchto přístrojů, založených na různých pracovních principech, umožňuje vybrat optimální variantu pro řešení konkrétního úkolu.

V domech a bytech se tato zařízení nejčastěji používají k udržování příjemné teploty v místnostech a také k regulaci topných systémů – radiátorů, podlahového vytápění.

Máte co dodat, nebo máte otázky ohledně výběru a instalace teplotního čidla? Můžete zanechat komentáře k publikaci, zúčastnit se diskusí a podělit se o vlastní zkušenosti s používáním takových zařízení. Kontaktní formulář se nachází ve spodním bloku.