Sensori di temperatura per il riscaldamento: scopo, tipi, istruzioni per l'installazione

Quando si utilizzano apparecchi di riscaldamento, è necessario controllare il grado di riscaldamento del fluido termovettore e dell'aria nell'ambiente. I sensori di temperatura per il riscaldamento aiutano a rilevare e trasmettere le informazioni, i cui dati possono essere letti visivamente o inviati direttamente al controller.

Vi proponiamo di capire come funzionano i sensori di temperatura, quali tipi di dispositivi di controllo esistono e quali parametri considerare nella scelta di un apparecchio. Inoltre, abbiamo preparato una guida passo passo che vi aiuterà a installare autonomamente un termosensore su un radiatore di riscaldamento.

Principio di funzionamento del sensore termico

È possibile controllare il sistema di riscaldamento con vari metodi, tra cui:

• dispositivi automatici per l'erogazione tempestiva di energia;
• blocchi di sicurezza;
• nodi di miscelazione.

Per il corretto funzionamento di tutti questi gruppi sono necessari sensori di temperatura che inviano segnali sul funzionamento degli apparecchi. L'osservazione delle letture di questi dispositivi consente di individuare tempestivamente i guasti nel sistema e di adottare misure correttive.

Esistono molte varietà di dispositivi utilizzati per la rilevazione della temperatura. Possono essere immersi nel fluido termovettore, utilizzati all'interno di un ambiente o posizionati all'esterno

Il termosensore può essere utilizzato come dispositivo separato, ad esempio per il controllo della temperatura di una stanza, oppure essere parte integrante di un dispositivo complesso, come una caldaia di riscaldamento.

Alla base di tali dispositivi, utilizzati nel controllo automatizzato, vi è il principio di conversione dei valori di temperatura in segnale elettrico. Grazie a ciò, i risultati della misurazione possono essere trasmessi rapidamente in rete sotto forma di codice digitale, garantendo elevata velocità, sensibilità e precisione della misurazione.

Allo stesso tempo, diversi dispositivi per la misurazione del grado di riscaldamento possono presentare caratteristiche costruttive che influenzano una serie di parametri: funzionamento in un determinato ambiente, modalità di trasmissione, metodo di visualizzazione e altri.

Tipi di dispositivi per la rilevazione della temperatura

I termodispositivi possono essere classificati in base a una serie di criteri importanti, tra cui la modalità di trasmissione delle informazioni, il luogo e le condizioni di installazione, nonché l'algoritmo di rilevamento.

Secondo la modalità di trasmissione delle informazioni

Secondo il metodo utilizzato per la trasmissione dei dati, i sensori si dividono in due grandi categorie:

• strumenti cablati;
• sensori wireless.

Inizialmente tutti questi dispositivi erano dotati di cavi, attraverso i quali i sensori di temperatura si collegavano all'unità di controllo, trasmettendole le informazioni. Sebbene oggi questi dispositivi siano stati sostituiti da equivalenti wireless, vengono ancora spesso utilizzati in schemi semplici.

Inoltre, i sensori cablati si distinguono per una maggiore precisione delle letture e affidabilità operativa.

Per garantire un funzionamento coordinato di un sensore cablato utilizzato in un dispositivo composito, è preferibile abbinarlo ad apparecchiature prodotte dallo stesso fabbricante.

Attualmente si sono diffusi dispositivi wireless che molto spesso trasmettono dati tramite un trasmettitore e un ricevitore di onde radio. Tali strumenti possono essere installati praticamente ovunque, compresi locali separati o all'aperto.

Le caratteristiche importanti di tali sensori di temperatura sono:

• presenza di una batteria;
• errore delle misurazioni effettuate;
• portata di trasmissione del segnale.

I dispositivi wireless/cablati possono sostituirsi completamente l'un l'altro, tuttavia nel loro funzionamento vi sono alcune particolarità.

Secondo la posizione e la modalità di installazione

In base al punto di fissaggio, tali strumenti si suddividono nelle seguenti varietà:

• a superficie, fissati al circuito di riscaldamento;
• a immersione, a contatto con il fluido termovettore;
• da ambiente, situati all'interno di un'abitazione o di un locale di servizio;
• esterni, che si trovano all'esterno.

In alcuni apparecchi possono essere utilizzati contemporaneamente più tipi di sensori per il controllo della temperatura.

Secondo il meccanismo di rilevamento

In base alla modalità di visualizzazione dei dati, gli strumenti possono essere:

• bimetallici;
• ad alcool.

Nella prima variante si prevede l'uso di due lamine realizzate con metalli diversi, oltre a un indicatore a lancetta. Quando la temperatura aumenta, uno degli elementi si deforma, esercitando una pressione sulla lancetta. Le letture di tali strumenti sono caratterizzate da una buona precisione, ma il loro grande svantaggio è l'inerzia.

I termostati bimetallici e ad alcool sono spesso installati su apparecchiature di riscaldamento, ad esempio caldaie. Consentono di monitorare il riscaldamento, il cui superamento può portare a conseguenze fatali.

Questo difetto è quasi del tutto assente nei sensori il cui funzionamento si basa sull'uso di alcool. In questo caso, in un bulbo ermeticamente sigillato viene versata una soluzione alcolica che si espande con il riscaldamento. La costruzione è abbastanza elementare, affidabile, ma non molto comoda per l'osservazione.

Diversi tipi di termosensori

Per rilevare le letture della temperatura vengono utilizzati dispositivi con diversi principi di funzionamento. Tra i più richiesti rientrano gli strumenti elencati di seguito.

Termocoppie: misurazione precisa – difficoltà nell'interpretazione

Un simile dispositivo è costituito da due fili saldati insieme, realizzati in metalli diversi. La differenza di temperatura che si crea tra l'estremità calda e quella fredda genera una corrente elettrica di 40-60 µV (il valore dipende dal materiale della termocoppia).

Le combinazioni di metalli e leghe più comunemente utilizzate per la fabbricazione delle termocoppie sono: cromo-alluminio, ferro-costantana, ferro-nichel, nichel-cromo e altre.

La termocoppia è considerata un sensore di temperatura altamente preciso, ma ottenere letture accurate da essa è piuttosto complesso. Per farlo, è necessario determinare la forza elettromotrice (FEM) utilizzando la differenza di temperatura del dispositivo.

Affinché il risultato sia corretto, è importante compensare la temperatura del giunto freddo, ad esempio utilizzando un metodo hardware in cui una seconda termocoppia viene posta in un ambiente a temperatura nota.

Il metodo software di compensazione prevede il posizionamento di un altro sensore di temperatura in una camera isotermica insieme ai giunti freddi, consentendo di controllare la temperatura con la precisione desiderata.

Il processo di acquisizione dei dati da una termocoppia presenta alcune difficoltà a causa della loro non linearità. Per garantire la correttezza delle letture, nella norma GOST R 8.585-2001 sono stati introdotti coefficienti polinomiali che permettono di convertire la FEM in temperatura e di effettuare le operazioni inverse.

Un altro problema è che le letture vengono effettuate in microvolt, per la cui conversione non è possibile utilizzare strumenti digitali ampiamente disponibili. Per utilizzare una termocoppia nelle costruzioni, è necessario prevedere convertitori precisi, a più bit, con un livello di rumore minimo.

Termoresistenze: semplici e facili

È molto più semplice misurare la temperatura utilizzando termoresistenze, che si basano sul principio della dipendenza della resistenza dei materiali dalla temperatura ambiente. Tali dispositivi, ad esempio quelli realizzati in platino, presentano importanti vantaggi come elevata precisione e linearità.

Il problema principale di tali sensori di temperatura è il coefficiente di temperatura della resistenza estremamente basso, ma è comunque più facile misurarlo con precisione che rilevare i piccoli valori di tensione delle termocoppie.

Una caratteristica importante del resistore è la resistenza di base a una temperatura specifica. Secondo GOST 21342.7-76, questo valore viene misurato a 0°C. Si raccomanda inoltre l'uso di una serie di valori di resistenza (Ω) e del T_ks – coefficiente di temperatura.

Il valore T_ks si calcola con la formula:

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

Dove:

• R_e – resistenza alla temperatura in uso;
• R_0c – resistenza a 0°C;
• T_e – temperatura in uso;
• T_0c – 0°C.

Nel GOST sono inoltre riportati i coefficienti di temperatura previsti per vari dispositivi di misura realizzati in rame, nichel, platino, e sono indicati anche i coefficienti polinomiali utilizzati per calcolare la temperatura sulla base dei valori correnti di resistenza.

I sensori termoresistivi sono ampiamente diffusi nell'industria elettronica e meccanica, grazie alla precisione delle letture, alla sensibilità e alla facilità di utilizzo.

È possibile misurare la resistenza collegando il dispositivo a un circuito di alimentazione e misurando la tensione differenziale. I valori possono essere monitorati tramite circuiti integrati, la cui uscita analogica è uguale alla tensione di alimentazione.

I sensori di temperatura con tali dispositivi possono essere collegati senza problemi a un convertitore analogico-digitale, digitalizzando il segnale con un ADC a 8 o 10 bit.

Sensore digitale per misure simultanee

Anche i sensori termici digitali hanno trovato ampia applicazione, ad esempio il modello DS18B20, il cui funzionamento è realizzato tramite un microchip con tre uscite. Grazie a questo dispositivo è possibile rilevare le temperature contemporaneamente da più sensori operanti in parallelo, con un errore di soli 0,5°C.

Un modello popolare è il sensore combinato di temperatura/umidità SHT1, che consente di effettuare misure termiche con una precisione di ±2°C e di umidità con un errore di ±5%. Tuttavia, il produttore stesso afferma che esistono strumenti più precisi ed economici.

Tra gli altri vantaggi di questo dispositivo si può notare anche l'ampia gamma di temperature operative (da -55 a +125°C). Lo svantaggio principale è invece la lentezza: per calcoli estremamente precisi, lo strumento richiede almeno 750 ms.

Pirometri senza contatto (termocamere)

Il funzionamento di questi sensori senza contatto si basa sulla rilevazione della radiazione termica emessa dai corpi. Per descrivere questo fenomeno si utilizza la quantità di energia emessa per unità di tempo da una superficie unitaria, che corrisponde a una singola lunghezza d'onda.

Questo criterio, che riflette l'intensità della radiazione monocromatica, è chiamato luminosità spettrale.

Esistono i seguenti tipi di pirometri:

• radianti;
• a luminosità (ottici);
• a colore;

Pirometri radianti consentono di effettuare misure nell'intervallo 20-25000°C, tuttavia per determinare la temperatura è importante tenere conto del coefficiente di emissività, il cui valore effettivo dipende dallo stato fisico del corpo, dalla sua composizione chimica e da altri fattori.

L'elemento attivo principale del sensore di radiazione è un telescopio, all'interno del quale si trova una batteria costituita da una catena in serie di termocoppie. Le estremità di lavoro di questi dispositivi sono posizionate su una lamina rivestita di platino (+).

Piremetri a luminosità (ottici) sono progettati per misurare temperature da 500 a 4000 °C. Garantiscono un'elevata precisione di misura, ma possono distorcere le letture a causa del possibile assorbimento delle radiazioni dei corpi da parte del mezzo intermedio attraverso il quale vengono effettuate le osservazioni.

Piremetri a colore, il cui funzionamento si basa sulla determinazione dell'intensità della radiazione a due lunghezze d'onda – preferibilmente nel segmento rosso o blu dello spettro, vengono utilizzati per misurazioni nell'intervallo da 800 a 0 °C.

Il loro vantaggio principale è che l'incompletezza della radiazione non influisce sugli errori di misura. Inoltre, le letture non dipendono dalla distanza dall'oggetto.

Convertitori di temperatura al quarzo (piezoelettrici)

Per rilevare temperature nell'intervallo da -80 a +250 °C è possibile utilizzare convertitori al quarzo (elementi piezoelettrici), il cui principio di funzionamento si basa sulla dipendenza della frequenza del quarzo dal riscaldamento. Inoltre, la funzione del convertitore è influenzata dalla posizione del taglio rispetto agli assi cristallini.

I dispositivi piezoelettrici (al quarzo) vengono spesso utilizzati per lavori di ricerca, poiché tali strumenti sono caratterizzati da un'ampia gamma di misurazioni, affidabilità e alta precisione.

I sensori piezoelettrici si distinguono per l'elevata sensibilità, l'alta risoluzione e sono in grado di funzionare in modo affidabile per un lungo periodo. Tali dispositivi sono ampiamente utilizzati nella produzione di termometri digitali e sono considerati tra gli strumenti più promettenti per le tecnologie future.

Sensori di temperatura a rumore (acustici)

Il funzionamento di tali dispositivi è garantito rilevando la differenza di potenziale acustico in funzione della temperatura del resistore.

I metodi acustici consentono di rilevare le letture della temperatura in spazi e ambienti chiusi dove la misurazione diretta non è possibile. Tali strumenti hanno trovato applicazione in medicina, nelle ricerche subacquee e nell'industria.

Il metodo di misurazione con tali sensori è abbastanza semplice: è necessario confrontare i rumori prodotti da due elementi simili, uno dei quali si trova a una temperatura nota, e l'altro a quella da determinare.

I sensori termici acustici sono adatti alla misurazione dell'intervallo -270 – +1100°C. La difficoltà del processo risiede nel livello di rumore troppo basso: i suoni emessi dall'amplificatore a volte lo sovrastano.

Sensori di temperatura a risonanza quadrupolare nucleare (NQR)

L'essenza del funzionamento dei termometri a risonanza nucleare quadrupolare consiste nell'azione del gradiente di campo creato dai reticoli del cristallo e dal momento nucleare – un indicatore causato dalla deviazione della carica dalla simmetria sferica.

In seguito a tale fenomeno si verifica la precessione dei nuclei: la sua frequenza dipende dal gradiente del campo reticolare. La temperatura influenza anche il valore di questo indicatore: il suo aumento provoca una diminuzione della frequenza RQN.

L'elemento principale di tali sensori è un'ampolla con sostanza, collocata in un avvolgimento di induttanza collegato al circuito del generatore.

Il vantaggio di questi dispositivi è la durata illimitata delle misurazioni, l'affidabilità e il funzionamento stabile. Lo svantaggio è invece la non linearità delle misurazioni, che richiede l'uso di una funzione di conversione.

Dispositivi a semiconduttori

Categoria di dispositivi che funziona sulla base delle variazioni delle caratteristiche della giunzione p-n causate dall'effetto della temperatura. La tensione sul transistor è sempre proporzionale all'effetto della temperatura, il che consente di calcolare facilmente questo fattore.

I vantaggi di tali dispositivi sono l'elevata precisione dei dati, il basso costo, la linearità delle caratteristiche su tutto il campo di misura. Il montaggio di tali dispositivi può essere comodamente effettuato direttamente su substrato semiconduttore, grazie al quale sono molto adatti per la microelettronica.

Trasduttori volumetrici per la temperatura

Alla base di tali dispositivi vi è il noto principio di espansione e contrazione delle sostanze osservato durante il riscaldamento o il raffreddamento. Tali sensori sono abbastanza pratici. Possono essere utilizzati per determinare temperature nell'intervallo -60 – +400°C.

Per consentire il controllo visivo della temperatura, la maggior parte dei sensori termici installati negli ambienti interni sono dotati di display su cui vengono visualizzati i valori correnti.

È importante ricordare che le misurazioni dei liquidi con questi strumenti sono limitate dalla temperatura di ebollizione e congelamento, mentre quelle dei gas dal loro passaggio allo stato liquido. L'errore di misura causato dall'influenza dell'ambiente per questi strumenti è piuttosto piccolo: varia nell'intervallo 1-5%.

Scelta dei sensori di temperatura

Nel scegliere tali strumenti, è necessario considerare fattori come:

• l'intervallo di temperatura in cui vengono effettuate le misurazioni;
• la necessità e la possibilità di immergere il sensore nell'oggetto o nel mezzo;
• le condizioni di misura: per rilevare i valori in ambiente aggressivo è meglio preferire una versione senza contatto o un modello inserito in un involucro anticorrosione;
• la durata operativa dello strumento fino alla calibrazione o sostituzione – alcuni tipi di strumenti (ad esempio, i termistori) si guastano abbastanza rapidamente;
• dati tecnici: risoluzione, tensione, velocità di trasmissione del segnale, errore;
• l'entità del segnale di uscita.

In alcuni casi è importante anche il materiale dell'involucro dello strumento, e per l'uso in ambienti interni – le dimensioni e il design.

Raccomandazioni per l'installazione fai-da-te

Tali dispositivi sono ampiamente utilizzati per diversi scopi: vengono montati su radiatori, caldaie e altri apparecchi domestici.

Prima di iniziare l'installazione, è necessario leggere attentamente le istruzioni: esse indicano non solo le caratteristiche di montaggio (ad esempio, le dimensioni per il collegamento al tubo), ma anche le regole di funzionamento e i limiti di temperatura per i quali il dispositivo di misurazione è adatto.

È inoltre necessario considerare la dimensione del manicotto, che può variare tra 120 e 160 mm.

Vediamo i due casi più comuni di installazione del sensore di temperatura.

Collegamento del dispositivo al radiatore

Non conviene dotare di termostato tutti i dispositivi di riscaldamento. Secondo il regolamento, i sensori vengono installati sul radiatore se la sua potenza totale supera il 50% della produzione di calore di sistemi analoghi. Se nell'ambiente ci sono due riscaldatori, il termostato viene installato solo su quello con il valore di potenza maggiore.

Il sensore di temperatura è un componente essenziale dei regolatori di temperatura, che consentono di ridurre o aumentare il riscaldamento di radiatori, pavimenti radianti e altri dispositivi di riscaldamento.

La valvola del dispositivo viene installata sul tubo di mandata nel punto di collegamento del radiatore alla rete di riscaldamento. Se non è possibile inserirla nel circuito esistente, è necessario smontare il collegamento di mandata, il che può comportare alcune difficoltà.

Per eseguire questa operazione è necessario utilizzare un utensile per il taglio dei tubi, mentre il montaggio della testa termostatica può essere effettuato facilmente senza attrezzature speciali. Una volta installato il sensore, è sufficiente allineare i segni sul corpo e sul dispositivo, quindi la testa viene fissata con una leggera pressione della mano.

Montaggio del termosensore d'aria

Tale dispositivo viene installato nell'ambiente abitativo più freddo e senza correnti d'aria (non è consigliabile installarlo nell'ingresso, in cucina o nella caldaia, poiché potrebbe causare malfunzionamenti del sistema).

Nella scelta dell'ubicazione, è necessario assicurarsi che il dispositivo non sia esposto alla luce solare diretta e che non vi siano apparecchi di riscaldamento nelle vicinanze (riscaldatori, radiatori, tubi).

Per un sistema di riscaldamento standard è sufficiente un solo termostato, mentre per uno schema a collettore è consigliabile utilizzare più sensori, in numero uguale al numero di stanze. Ciò consente di regolare individualmente la temperatura in ambienti separati.

Il collegamento del dispositivo viene effettuato secondo le istruzioni riportate nel manuale tecnico, utilizzando i morsetti o il cavo in dotazione.

Se necessario per monitorare la temperatura, il sensore termico nel “pavimento riscaldato” può essere posizionato all'interno del massetto in cemento. In questo caso, per proteggerlo, è possibile utilizzare un tubo corrugato con un'estremità chiusa e una curvatura inclinata

Questa ultima caratteristica consente, se necessario, di estrarre il dispositivo guasto e sostituirlo con uno nuovo.

Il montaggio del dispositivo viene eseguito come segue:

1. Nella parete si crea un incavo per il fissaggio dell'apparecchio a sospensione.
2. Dal termostato si rimuove la parte anteriore, dopodiché il dispositivo viene installato nell'area predisposta.
3. Successivamente, ai contatti si collega il cavo riscaldante, mentre ai sensori si collegano i morsetti.

La fase finale – è il collegamento del cavo di alimentazione e il montaggio del pannello frontale al suo posto.

Lo schema di collegamento del termostato per la caldaia di riscaldamento è descritto in dettaglio in questo articolo.

Se il dispositivo, per il cui funzionamento è necessario il collegamento interno dei sensori, ha una struttura complessa, è meglio rivolgersi a specialisti.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video qui sotto viene spiegato dettagliatamente come installare i dispositivi termici sulla caldaia di riscaldamento:

L'installazione dei sensori sui tubi di mandata e di ritorno è diversa?

I sensori di temperatura sono ampiamente utilizzati sia in vari settori industriali che per scopi domestici. Una vasta gamma di tali dispositivi, basati su diversi principi di funzionamento, consente di scegliere l'opzione ottimale per risolvere un determinato problema.

Nelle case e negli appartamenti, tali dispositivi vengono spesso utilizzati per mantenere una temperatura confortevole negli ambienti, nonché per la regolazione dei sistemi di riscaldamento – radiatori, pavimento riscaldato.

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