Sensores de temperatura para aquecimento: finalidade, tipos, instruções de instalação

Ao operar dispositivos de aquecimento, é necessário controlar o grau de aquecimento do fluido térmico, bem como do ar no ambiente. Os sensores de temperatura para aquecimento ajudam a capturar e transmitir informações, cujos dados podem ser lidos visualmente ou enviados diretamente ao controlador.

Propomos entender como funcionam os sensores de temperatura, quais os tipos de dispositivos de controle existentes e quais parâmetros considerar ao escolher o aparelho. Além disso, preparamos um guia passo a passo que ajudará você a instalar o termossensor no radiador de aquecimento.

Princípio de funcionamento do sensor térmico

É possível controlar o sistema de aquecimento por diversos métodos, entre os quais:

• dispositivos automáticos para fornecimento oportuno de energia;
• blocos que monitoram a segurança;
• unidades de mistura.

Para o funcionamento correto de todos esses grupos, são necessários sensores de temperatura que forneçam sinais sobre o funcionamento dos aparelhos. A observação das leituras desses instrumentos permite detectar falhas no sistema a tempo e tomar medidas corretivas.

Existem muitas variedades de dispositivos usados para medir a temperatura. Eles podem ser imersos em fluidos térmicos, usados dentro de ambientes ou posicionados externamente

O termossensor pode ser usado como um dispositivo independente, por exemplo, para controlar a temperatura de um cômodo, ou ser parte integrante de um dispositivo complexo, como uma caldeira de aquecimento.

A base de tais dispositivos, utilizados no controle automatizado, é o princípio de conversão dos indicadores de temperatura em sinal elétrico. Graças a isso, os resultados da medição podem ser transmitidos rapidamente pela rede na forma de código digital, o que garante alta velocidade, sensibilidade e precisão da medição.

Ao mesmo tempo, diferentes dispositivos para medir o estágio de aquecimento podem ter características construtivas que influenciam uma série de parâmetros: operação em um determinado ambiente, método de transmissão, método de visualização e outros.

Tipos de dispositivos para medição de temperatura

Os termodispositivos podem ser classificados de acordo com vários critérios importantes, entre os quais o método de transmissão de informações, o local e as condições de instalação, bem como o algoritmo de leitura.

Por método de transmissão de informações

De acordo com o método de transmissão de informações utilizado, os sensores dividem-se em duas grandes categorias:

• dispositivos com fio;
• sensores sem fio.

Inicialmente, todos esses dispositivos eram equipados com fios, através dos quais os termossensores se conectavam à unidade de controle, transmitindo informações para ela. Embora atualmente esses dispositivos tenham sido substituídos por equivalentes sem fio, eles ainda são frequentemente usados em esquemas simples.

Além disso, os sensores com fio se destacam por sua maior precisão de leitura e confiabilidade operacional.

Para garantir o funcionamento coordenado de um sensor com fio usado em um dispositivo composto, é recomendável combiná-lo com equipamentos fabricados pelo mesmo fabricante

Atualmente, dispositivos sem fio se difundiram, os quais na maioria das vezes transmitem informações por meio de um transmissor e receptor de ondas de rádio. Esses dispositivos podem ser instalados praticamente em qualquer lugar, incluindo cômodos isolados ou ao ar livre.

As características importantes desses termossensores são:

• presença de bateria;
• erro das medições realizadas;
• alcance de transmissão do sinal.

Dispositivos sem fio/com fio podem substituir completamente um ao outro, porém há algumas particularidades em seu funcionamento.

Por local e método de instalação

De acordo com o local de fixação, esses dispositivos são divididos nos seguintes tipos:

• de superfície, fixados ao circuito de aquecimento;
• de imersão, em contato com o fluido térmico;
• de ambiente, localizados dentro de uma sala residencial ou de serviço;
• externos, que são instalados do lado de fora.

Em algumas unidades, vários tipos de sensores podem ser usados simultaneamente para controle de temperatura.

Por mecanismo de leitura

De acordo com a forma de exibição das informações, os dispositivos podem ser:

• bimetálicos;
• à álcool.

Na primeira opção, utiliza-se duas lâminas feitas de diferentes metais, além de um indicador de ponteiro. Com o aumento da temperatura, um dos elementos se deforma, criando pressão sobre o ponteiro. As leituras desses dispositivos são bastante precisas, porém sua grande desvantagem é a inércia.

Termostatos bimetálicos e à álcool são frequentemente instalados em equipamentos de aquecimento, como caldeiras. Eles permitem monitorar o aquecimento, cujo excesso pode levar a consequências fatais.

Esse defeito é quase totalmente ausente em sensores cujo funcionamento é baseado no uso de álcool. Neste caso, um frasco hermeticamente selado é preenchido com uma solução alcoólica, que se expande quando aquecida. A construção é bastante elementar e confiável, mas não muito conveniente para observações.

Diferentes tipos de termossensores

Para realizar leituras de temperatura, são utilizados dispositivos com diferentes princípios de funcionamento. Entre os mais requisitados estão os aparelhos listados abaixo.

Termopares: medição precisa – complexidade na interpretação

Esse dispositivo consiste em dois fios soldados um ao outro, feitos de metais diferentes. A diferença de temperatura que surge entre a extremidade quente e a fria serve como fonte de corrente elétrica de 40-60 µV (o valor depende do material do termopar).

As combinações de metais e ligas mais frequentemente usadas para fabricar termopares são: cromo-alumínio, ferro-constantan, ferro-níquel, níquel-cromo e outras.

O termopar é considerado um sensor de temperatura de alta precisão, porém é bastante difícil obter leituras precisas dele. Para isso, é necessário conhecer a força eletromotriz (FEM), utilizando a diferença de temperatura do dispositivo.

Para que o resultado seja correto, é importante compensar a temperatura da junção fria, utilizando, por exemplo, um método de hardware, onde um segundo termopar é colocado em um ambiente de temperatura previamente conhecida.

O método de compensação por software envolve colocar outro sensor térmico em uma câmara isotérmica juntamente com as junções frias, o que permite controlar a temperatura com uma precisão especificada.

O processo de obtenção de dados do termopar apresenta certas dificuldades devido à sua não linearidade. Para a correção das leituras, a norma GOST R 8.585-2001 introduziu coeficientes polinomiais que permitem converter FEM em temperatura, bem como realizar operações inversas.

Outro problema é que as leituras são feitas em microvolts, para cuja conversão é impossível usar instrumentos digitais amplamente disponíveis. Para usar um termopar em construções, é necessário prever conversores precisos e de múltiplos bits, com nível mínimo de ruído.

Termistores: fácil e simples

É muito mais fácil medir a temperatura usando termistores, baseados no princípio da dependência da resistência dos materiais com a temperatura ambiente. Dispositivos como esses, por exemplo, feitos de platina, têm vantagens importantes como alta precisão e linearidade.

O principal problema desses sensores térmicos pode ser considerado o coeficiente de temperatura de resistência extremamente baixo, porém ainda é mais fácil medi-lo com precisão do que capturar os pequenos valores de tensão dos termopares.

Uma característica importante de um resistor é a resistência de base a uma determinada temperatura. De acordo com o GOST 21342.7-76, este valor é medido a 0°C. Recomenda-se o uso de uma faixa de valores de resistência (Ohm), bem como T_ks – coeficiente de temperatura.

O indicador T_ks é calculado pela fórmula:

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

Onde:

• R_e – resistência à temperatura atual;
• R_0c – resistência a 0°C;
• T_e – temperatura atual;
• T_0c – 0°C.

No GOST também são fornecidos os coeficientes de temperatura previstos para diversos dispositivos de medição feitos de cobre, níquel, platina, além dos coeficientes polinomiais utilizados para calcular a temperatura com base nas leituras atuais de resistência.

Os sensores termistor são amplamente utilizados nas indústrias eletrônica e mecânica, devido à precisão das leituras, sensibilidade e facilidade de operação.

É possível medir a resistência conectando o dispositivo em um circuito de fonte de corrente e medindo a tensão diferencial. Os indicadores podem ser monitorados usando circuitos integrados, cuja saída analógica é igual à tensão de alimentação.

Os termossensores com tais dispositivos podem ser conectados com segurança a um conversor analógico-digital, digitalizando-o com um ADC de oito ou dez bits.

Sensor digital para medições simultâneas

Os termossensores digitais também têm ampla aplicação, por exemplo, o modelo DS18B20, que funciona com um circuito integrado de três terminais. Graças a este dispositivo, é possível obter leituras de temperatura simultaneamente de vários sensores operando em paralelo, com um erro de apenas 0,5°C.

Um modelo popular é o sensor combinado de temperatura/umidade SHT1, que permite medições de temperatura com precisão de ±2°C e umidade com erro de ±5%. No entanto, o próprio fabricante afirma que existem dispositivos mais precisos e econômicos.

Entre outras vantagens deste dispositivo, destaca-se também a ampla faixa de temperatura de operação (-55 a +125°C). A principal desvantagem, porém, é a operação lenta: para cálculos de máxima precisão, o dispositivo requer pelo menos 750 ms.

Pirômetros sem contato (termovisores)

A operação desses sensores sem contato é baseada na detecção da radiação térmica emitida pelos corpos. Para caracterizar esse fenômeno, utiliza-se a quantidade de energia emitida por unidade de tempo a partir de uma unidade de área, que corresponde a uma unidade de faixa de comprimento de onda.

Tal critério, que reflete a intensidade da radiação monocromática, é denominado luminosidade espectral.

Existem os seguintes tipos de pirômetros:

• de radiação;
• de brilho (ópticos);
• colorimétricos.

Pirômetros de radiação permitem medições na faixa de 20 a 25000°C, porém, para determinar a temperatura, é importante considerar o coeficiente de emissividade, cujo valor efetivo depende do estado físico do corpo, sua composição química e outros fatores.

O principal elemento ativo do sensor de radiação é um telescópio, dentro do qual há uma bateria composta por uma cadeia em série de termopares. As extremidades de trabalho desses dispositivos estão localizadas em uma pétala revestida de platina (+)

Pirômetros de brilho (ópticos) são projetados para medir temperaturas de 500-4000°C. Eles fornecem alta precisão de medição, porém podem distorcer as leituras devido à possível absorção da radiação dos corpos pelo meio intermediário através do qual as observações são realizadas.

Pirômetros colorimétricos, cuja ação se baseia na determinação da intensidade da radiação em dois comprimentos de onda – preferencialmente no segmento vermelho ou azul do espectro, são utilizados para medições na faixa de 800 a 0°C.

Sua principal vantagem é que a incompletude da radiação não afeta os erros de medição. Além disso, os indicadores não dependem da distância até o objeto.

Conversores de temperatura de quartzo (piezoelétricos)

Para obter leituras de temperatura na faixa de -80 a +250°C, podem ser utilizados conversores de quartzo (piezoelamentos), cujo princípio de funcionamento se baseia na dependência da frequência do quartzo em relação ao aquecimento. A função do conversor é influenciada pela orientação do corte em relação aos eixos cristalinos.

Dispositivos piezoelétricos (de quartzo) são mais frequentemente utilizados em trabalhos de pesquisa, pois tais dispositivos são caracterizados por uma faixa estendida de medições, confiabilidade e alta precisão.

Os sensores piezoelétricos se distinguem por sua fina sensibilidade, alta resolução, e são capazes de operar de forma confiável por um longo período. Tais dispositivos são amplamente utilizados na fabricação de termômetros digitais e são considerados um dos instrumentos mais promissores para as tecnologias do futuro.

Sensores de temperatura de ruído (acústicos)

O funcionamento de tais dispositivos é garantido pela medição da diferença de potencial acústica em função da temperatura do resistor.

Os métodos acústicos permitem obter leituras de temperatura em espaços e meios fechados onde a medição direta é impossível. Tais instrumentos encontraram aplicações na medicina, em pesquisas subaquáticas e também na indústria.

O método de medição com esses sensores é bastante simples: é necessário comparar os ruídos produzidos por dois elementos análogos, um dos quais está a uma temperatura previamente conhecida e o segundo à temperatura a ser determinada.

Os termossensores acústicos são adequados para medir a faixa de -270 – +1100°C. A complexidade do processo reside no nível muito baixo de ruído: os sons emitidos pelo amplificador às vezes o abafam.

Sensores de temperatura IAKR

A essência do funcionamento dos termômetros de ressonância quadrupolar nuclear consiste na ação do gradiente de campo, formado pelas redes do cristal e pelo momento nuclear – um indicador causado pelo desvio da carga em relação à simetria esférica.

Como resultado desse fenômeno, ocorre uma precessão dos núcleos: sua frequência depende do gradiente de campo da rede. A temperatura também influencia o valor desse indicador: seu aumento causa uma queda na frequência da ressonância quadrupolar nuclear.

O elemento principal desses sensores é uma ampola com uma substância, colocada dentro de um enrolamento de indutância, conectado ao circuito do gerador.

A vantagem dos dispositivos é a duração ilimitada das medições, confiabilidade e operação estável. Já as desvantagens incluem a não linearidade das medições, o que torna necessário o uso de uma função de conversão.

Dispositivos semicondutores

Categoria de dispositivos que funcionam com base em alterações nas características da junção p-n causadas pela influência da temperatura. A tensão no transistor é sempre proporcional à influência da temperatura, o que permite calcular facilmente esse fator.

As vantagens desses dispositivos são alta precisão dos dados, baixo custo, linearidade das características em toda a faixa de medição. A montagem desses dispositivos pode ser feita convenientemente diretamente sobre um substrato semicondutor, o que os torna excelentes para a microeletrônica.

Transdutores volumétricos para medição de temperatura

O princípio conhecido de expansão e contração das substâncias, observado durante o aquecimento ou resfriamento, é a base desses dispositivos. Esses sensores são bastante práticos. Podem ser utilizados para determinar temperaturas na faixa de -60 – +400°C.

Para permitir o controle visual da temperatura, a maioria dos sensores térmicos localizados em ambientes internos são equipados com displays, nos quais são exibidos os valores atuais.

É importante lembrar que as medições de líquidos com esses dispositivos são limitadas pelas temperaturas de ebulição e congelamento, e as de gases, pela sua transição para o estado líquido. O erro de medição causado pela influência do ambiente para esses dispositivos é bastante pequeno: varia na faixa de 1-5%.

Escolha de sensores de temperatura

Ao escolher esses dispositivos, devem ser considerados fatores como:

• a faixa de temperatura na qual as medições são realizadas;
• a necessidade e a possibilidade de imersão do sensor no objeto ou no meio;
• as condições da medição: para realizar medições em ambientes agressivos, é preferível optar por uma versão sem contato ou um modelo alojado em um invólucro anticorrosivo;
• a vida útil do dispositivo até a calibração ou substituição – alguns tipos de dispositivos (por exemplo, termistores) falham rapidamente;
• dados técnicos: resolução, tensão, velocidade do sinal, erro;
• magnitude do sinal de saída.

Em alguns casos, o material do invólucro do dispositivo também é importante, e para uso interno, o tamanho e o design.

Recomendações para instalação faça você mesmo

Tais dispositivos são amplamente utilizados para diferentes fins: eles equipam radiadores, caldeiras de aquecimento e outros aparelhos domésticos.

Antes de iniciar a instalação, leia atentamente as instruções: elas indicam não apenas as características da instalação (por exemplo, dimensões para conexão ao tubo), mas também as regras de operação e os limites de temperatura para os quais o instrumento de medição é adequado.

Também é necessário considerar o tamanho da luva, que pode variar entre 120-160 mm.

Consideremos os dois casos mais comuns de instalação do sensor térmico.

Conexão do aparelho ao radiador

Não vale a pena equipar todos os dispositivos de aquecimento com termostato. De acordo com os regulamentos, os sensores são instalados no radiador se a sua potência total exceder 50% da produção de calor por sistemas similares. Se houver dois aquecedores no ambiente, o termostato é instalado apenas naquele com a maior potência.

O sensor térmico é um componente obrigatório dos reguladores de temperatura, que permitem reduzir ou aumentar o aquecimento de radiadores, piso aquecido e outros dispositivos de aquecimento

A válvula do dispositivo é instalada no tubo de alimentação no ponto de conexão do radiador à rede de aquecimento. Se não for possível conectá-la ao circuito existente, a alimentação deve ser desmontada, o que pode causar algumas dificuldades.

Para realizar esta manobra, é necessário usar uma ferramenta de corte de tubos, enquanto a instalação da cabeça térmica é facilmente feita sem equipamento especial. Assim que o sensor estiver montado, basta alinhar as marcas feitas no corpo e no dispositivo, e então a cabeça é fixada com uma pressão suave da mão.

Instalação do termossensor de ar

Esse dispositivo é instalado no cômodo mais frio da casa, sem correntes de ar (no hall, cozinha ou sala da caldeira, sua instalação não é recomendada, pois pode causar problemas no funcionamento do sistema).

Ao escolher o local, é preciso garantir que os raios solares não incidam sobre o dispositivo e que não haja aparelhos de aquecimento por perto (aquecedores, radiadores, tubos).

Para um sistema de aquecimento comum, um termostato é suficiente, enquanto em um esquema de coletor é desejável usar vários sensores, cujo número corresponde ao número de cômodos. Isso permitirá ajustar individualmente a temperatura em espaços separados

A conexão do dispositivo é feita de acordo com as instruções contidas no manual técnico, utilizando os terminais ou cabos que acompanham o kit.

Se for necessário monitorar a temperatura, o sensor térmico no “piso aquecido” pode ser colocado no interior da betonilha de concreto. Neste caso, para proteção, pode-se usar um tubo corrugado com uma extremidade fechada e uma curvatura inclinada

Esta última característica permite, se necessário, remover o dispositivo quebrado e substituí-lo por um novo.

A montagem do dispositivo é realizada da seguinte forma:

1. Na parede, faz-se um recesso para a fixação do aparelho suspenso.
2. A peça frontal do termossensor é removida e, em seguida, o dispositivo é instalado no local preparado.
3. Em seguida, o cabo de aquecimento é conectado aos contatos, enquanto os terminais são conectados aos sensores.

A etapa final – conectar o cabo de alimentação e colocar o painel frontal no seu lugar.

O esquema de ligação do termostato para a caldeira de aquecimento é detalhado neste artigo.

Se o dispositivo, cujo funcionamento exige a conexão interna dos sensores, tiver uma estrutura complexa, é melhor consultar especialistas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo abaixo, explica-se detalhadamente como realizar a instalação de termodispositivos na caldeira de aquecimento:

A instalação dos sensores nos tubos de alimentação e retorno é diferente:

Os sensores de temperatura são amplamente utilizados tanto em diversos setores industriais quanto para fins domésticos. A grande variedade desses dispositivos, baseados em diferentes princípios de funcionamento, permite escolher a opção ideal para resolver cada tarefa.

Em casas e apartamentos, esses dispositivos são mais frequentemente usados para manter uma temperatura confortável nos ambientes, bem como para regular sistemas de aquecimento – radiadores, piso aquecido.

Tem algo a acrescentar ou ficou com dúvidas sobre a escolha e instalação do sensor de temperatura? Pode deixar comentários na publicação, participar das discussões e compartilhar a sua própria experiência com esses dispositivos. O formulário de contato encontra-se no bloco inferior.