Термостаты. Что такое термостат и как он работает?

Термостаты

Вам слишком жарко? Тогда вам захочется охладиться. Вам слишком холодно? Значит нужно согреться. Наши тела - это удивительные саморегулирующиеся механизмы, которые могут постоянно приспосабливаться, чтобы поддерживать температуру в пределах 37 ° C. Но остальной мир не так устроен. Если мы хотим, чтобы в наших домах поддерживалась более или менее постоянная температура, мы должны постоянно включать и выключать обогреватели - или, в качестве альтернативы, полагаться на умные устройства, называемые термостатами, которые сделают эту работу за нас. Что они собой представляют и как работают? Заглянем внутрь!

 

На фото: простой механический термостат, устанавливаемый в шкафах управления и автоматики для контроля температуры нагрева воздуха от обогревателей ОША. На нем демонстрируется текущая температура  в градусах Цельсия. После того, как вы установили температуру, термостат должен включать и выключать обогрев по мере необходимости, чтобы поддерживать в шкафу нужную температуру. На практике такой термостат не включается и не выключается при одной температуре, а переключается между небольшим диапазоном температур по обе стороны от установленного вами значения.

Что такое термостат?

Наверняка вы где-либо уже видели терморегулятор, размещенный на стене или бытовой технике для управления системой отопления . И  хотя на самом устройстве указывается температура, это не термометр . Это называется термостатом , современным словом на основе два древних греческих: термо- (значение тепла ) и Статос (что означает стоячие и связанный с такими словами , как стаз, статус - кво, и статическим электричеством, означающим оставаться таким же). Уже по названию мы можем сказать, что термостат - это то, что «сохраняет тепло одинаково»: когда температура контролируемого отопления или технологического процесса слишком низкая, термостат включает отопление, поэтому температура быстро повышается; как только температура достигает установленного нами уровня, термостат отключает нагрев. Для контроля охлаждения термостат работает аналогично: пока температура больше установленной, охладители работают, как только достигается граничное значение, они отключаются.

Давайте просто проясним разницу: термометр - это то, что измеряет температуру; термостат - это то, что пытается поддерживать температуру (поддерживать ее примерно такой же).

На фото: электронный  термостат STC-1000 с цифровым показанием температуры. Этот работает немного иначе, чем механический на верхнем фото. Дисплей является частью программатора. Данные о температуре поступают с термопары, которая постоянно измеряет температуру в контролируемой среде, а затем терморегулятор включает и выключает нагрев или охлаждение, чтобы поддерживать его в пределах 1 ° C от установленной вами температуры.

Как работают термостаты

Так как же работает термостат? Большинство вещей становятся больше при нагревании и меньше при остывании (заметным исключением является вода : она расширяется при нагревании и при замерзании). Механические термостаты используют эту идею (которая называется тепловым расширением) для включения и выключения электрической цепи. В двух наиболее распространенных типах используются биметаллические ленты и газонаполненные сильфоны.

Биметаллические термостаты

Традиционный термостат состоит из двух частей, состоящих из разных металлов, скрепленных вместе, образуя так называемую биметаллическую полосу (или биметаллическую пластину). Пластина работает как мост в электрической цепи, подключенной к вашей системе нагрева. Обычно «мост не работает», пластина пропускает электричество по цепи, и нагрев включен. Когда пластина нагревается, один из металлов расширяется больше, чем другой, поэтому вся полоса очень немного изгибается. В конце концов, он так сильно изгибается, что разрывает цепь. «Мост установлен», мгновенно отключается электричество, отключается нагрев, и температура начинает снижаться.

Но что происходит потом? По мере охлаждения пластина тоже остывает и возвращается к своей первоначальной форме. Рано или поздно он снова включается в цепь и снова заставляет электричество течь, и нагрев снова включается. Регулируя шкалу температуры, вы изменяете температуру, при которой контур включается и выключается. Поскольку металлической полосе требуется некоторое время для расширения и сжатия, нагрев не включается и выключается постоянно каждые несколько секунд, что было бы бессмысленно (и весьма раздражающе). К примеру, при отоплении дома, в зависимости от того, насколько хорошо изолирован ваш дом и насколько холодно на улице, может потребоваться час или больше, чтобы термостат снова включился после того, как он выключился. А встроенные терморегуляторы в обогревателях шкафов управления ОША, которые служат для поддержания температуры нагревателя в безопасном диапазоне, могут включаться чаще.

1. Внешний диск позволяет установить температуру, при которой термостат включается и выключается.
2. Циферблат соединен цепью с датчиком температуры (биметаллическая полоса, показанная здесь красным и синим), который включает и выключает электрическую цепь путем изгиба.
3. Биметаллическая («двухметаллическая») пластина состоит из двух отдельных металлических полос, скрепленных между собой: кусок латуни (синий) прикручен к железному элементу (красный).
4. При нагревании железо расширяется меньше, чем латунь, поэтому биметаллическая полоса изгибается внутрь при повышении температуры.
5. Биметаллическая пластина образует часть электрической цепи (серый путь). Когда полоска остыла, она прямая, поэтому она действует как мост, по которому может течь электричество. Включен контур и нагрев. Когда полоса более горячая, она изгибается и разрывает цепь, поэтому электричество не может течь. Теперь цепь отключена.

Газонаполненный сильфон

Проблема с биметаллическими пластинами заключается в том, что они долго нагреваются или охлаждаются, поэтому они не быстро реагируют на изменения температуры. Альтернативная конструкция термостата определяет изменения температуры быстрее с помощью пары металлических дисков с газонаполненным сильфоном между ними. Диски имеют большую площадь поверхности, поэтому они быстро реагируют на тепло, и они гофрированы (на них есть выступы), что делает их упругими и гибкими. Когда контролируемая среда нагревается, газ в сильфоне расширяется и раздвигает диски. Внутренний диск нажимает на микровыключатель в центре термостата, выключающий электрическую цепь (и нагрев). По мере охлаждения помещения газ в сильфоне сжимается, и металлические диски снова сжимаются. Внутренний диск отходит от микровыключателя, включение электрической цепи и повторное включение нагрева. Вы также можете найти термостаты с гофрированными сильфонами в других областях применения (например, в старых автомобилях), и вместо газа они иногда заполняются летучей (низкокипящей) жидкостью, такой как разбавленный спирт; точное химическое вещество внутри зависит от диапазона температур, в котором они должны работать.

Фото: термостат регулирует температуру с помощью пары металлических дисков, разделенных газонаполненными сильфонами, которые нажимают на микровыключатель. При повороте шкалы температуры диски перемещаются ближе или дальше от микровыключателя в центре. Это означает, что газовый сильфон должен более или менее расшириться, чтобы включить или выключить электричество, эффективно повышая температуру, при которой срабатывает переключатель (и комнатную температуру).

 

Восковые термостаты

Подводя итог тому, что мы уже определили, вы можете увидеть, что все механические термостаты (все неэлектронные) используют вещества, которые изменяют размер или форму с повышением температуры. Таким образом, битметаллические термостаты полагаются на расширение металлов по мере их нагрева, в то время как газовые сильфоны работают за счет расширения газов. Некоторые термостаты идут дальше и используют изменение состояния вещества с жидкости на газ. Восковые термостаты, вероятно, являются наиболее распространенным примером, и вы найдете их в домашних радиаторных клапанах, автомобильных двигателях и душевых смесителях.. Они используют маленькую пробку воска внутри запечатанной камеры. При изменении температуры воск плавится (меняет состояние с твердого на жидкое), сильно расширяется и выталкивает стержень из камеры, который включает или выключает что-то (управление системой охлаждения двигателя в автомобиле или регулирование смеси горячего и холодной воды в душе, чтобы тело не закипело, как омар). Восковые термостаты имеют тенденцию быть более надежными и долговечными в экстремальных условиях внутри двигателя автомобиля.

 

Фото1: Как работает восковой термостат. Воск (синий) находится внутри запечатанной камеры (серый), в которой находится металлическая игла (серебряная). При повышении температуры воск плавится, расширяется и выталкивает иглу из камеры (желтые стрелки). Поднимающаяся стрелка включает или выключает любое устройство, которым управляет термостат. Пружина (не показано) тянет весь механизм снова, когда температура падает. Фото2: вот внутренняя часть регулятора душа со смесителем, показывающая, как на самом деле выглядит восковой термостат. Маленький черный цилиндр посередине - это восковой термостат, который перемещается внутрь и наружу, регулируя подачу горячей и холодной воды, поддерживая более или менее постоянную температуру смешанной воды (выходящей из душевой лейки). На этой фотографии показана пружина, которая отводит термостат назад, когда температура падает, а восковой термостат снова сжимается.

Термостатические радиаторные клапаны

На фото: этот термостатический клапан регулирует поток горячей воды через радиатор, предотвращая перегрев помещения. Если в комнате становится слишком жарко, срабатывает восковой термостат, который приводит в действие клапан, перекрывая поток воды через радиатор до тех пор, пока температура снова не упадет.

Температурные клапаны, установленные на радиаторах центрального отопления, обычно используют восковые термостаты. Когда радиаторы нагреваются до установленного вами уровня, восковые клапаны расширяются и уменьшают поток воды через радиатор, пока температура снова не упадет. В сочетании с комнатными термостатами такие клапаны могут защитить ваш дом от перегрева - и это хороший способ как сэкономить энергию и деньги, так и внести свой вклад в борьбу с глобальным потеплением .

Более современные цифровые терморегуляторы не имеют подвижных частей, измеряющих температуру, и вместо этого они опираются на данные электронных температурных датчиков сопротивления – термопар.

Электронные терморегуляторы имеют жидкокристаллический дисплей, на который выводится температура текущая и запрограммированные параметры. Некоторые из них имеют кнопки для настройки или же сенсорный экран.

Для управления нагревом и охлаждением в цифровых электронных терморегуляторах используется реле или полупроводник, к примеру, симистор. Датчики температуры (термопары) обычно идут в комплекте с цифровыми терморегуляторами.

Недорогим и в то же время достаточно качественным примером цифрового терморегулятора является популярный современный терморегулятор STC-1000. Он очень прост в настройке, имеет жк дисплей и 4 кнопки для программирования параметров. Данные температуры поступают от термопары, которая также входит в комплект.

Есть терморегуляторы, которые функционируют на основе не одного, а нескольких термодатчиков, анализируя показатели температуры с них. К примеру, если вам нужно контролировать температуру радиатора для отопления в комнате, один из термодатчиков может быть настроен на поддержание батареи на определенном уровне температуры, а второй на определенную температуру воздуха в самой комнате. Таким образом можно не допустить как перегрева батареи, так и оптимальной температуры воздуха.

На сайте компании Элемаг вы найдете большой выбор терморегуляторов как механического, так и цифрового типов. Для подбора наиболее подходящего термостата для вашей системы нагрева или охлаждения обращайтесь к нашим специалистам по телефону и получите бесплатную квалифицированную консультацию по данной теме.