Sensores de temperatura para calefacción: propósito, tipos, instrucciones de instalación

Al trabajar con aparatos de calefacción, es necesario controlar el grado de calentamiento del refrigerante, así como el aire en la habitación. Los sensores de temperatura para calefacción ayudan a recoger y transmitir información, cuyos datos pueden leerse visualmente o enviarse directamente al controlador.

Proponemos entender cómo funcionan los sensores de temperatura, qué tipos de dispositivos de control existen y qué parámetros considerar al elegir un aparato. Además, hemos preparado una guía paso a paso que ayudará a instalar usted mismo el termo-sensor en el radiador de calefacción.

Principio de funcionamiento del sensor térmico

Se puede controlar el sistema de calefacción mediante diversos métodos, entre los cuales:

• dispositivos automáticos para el suministro oportuno de energía;
• bloques que monitorean la seguridad;
• unidades de mezcla.

Para el correcto funcionamiento de todos estos grupos, se necesitan sensores de temperatura que envíen señales sobre el funcionamiento de los aparatos. La observación de las lecturas de estos dispositivos permite detectar a tiempo fallos en el sistema y tomar medidas correctivas.

Existen muchas variedades de dispositivos utilizados para medir la temperatura. Pueden sumergirse en refrigerantes, usarse en interiores o colocarse en exteriores.

El termo-sensor puede usarse como un dispositivo independiente, por ejemplo, para controlar la temperatura de una habitación, o ser una parte inseparable de un dispositivo complejo, como una caldera de calefacción.

La base de estos dispositivos utilizados en el control automatizado es el principio de conversión de los indicadores de temperatura en una señal eléctrica. Gracias a esto, los resultados de la medición pueden transmitirse rápidamente a través de la red en forma de código digital, lo que garantiza alta velocidad, sensibilidad y precisión de la medición.

Al mismo tiempo, los diferentes dispositivos para medir la etapa de calentamiento pueden tener características constructivas que afectan una serie de parámetros: funcionamiento en un entorno determinado, método de transmisión, método de visualización y otros.

Tipos de dispositivos para medir la temperatura

Los termo-dispositivos pueden clasificarse según una serie de criterios importantes, entre los cuales el método de transmisión de información, el lugar y condiciones de instalación, así como el algoritmo de toma de lecturas.

Según el método de transmisión de información

Según el método utilizado para transmitir la información, los sensores se dividen en dos grandes categorías:

• instrumentos con cable;
• sensores inalámbricos.

Inicialmente, todos estos dispositivos estaban equipados con cables, a través de los cuales los sensores de temperatura se comunicaban con la unidad de control, transmitiéndole información. Aunque hoy en día estos dispositivos han sido desplazados por los análogos inalámbricos, todavía se utilizan a menudo en esquemas simples.

Además, los sensores con cable se caracterizan por una mayor precisión de las lecturas y confiabilidad en el funcionamiento.

Para garantizar un funcionamiento coordinado del sensor con cable utilizado en un dispositivo compuesto, es recomendable combinarlo con equipos fabricados por el mismo fabricante.

Actualmente, se han popularizado los dispositivos inalámbricos, que generalmente transmiten información mediante un transmisor y un receptor de ondas de radio. Estos instrumentos se pueden instalar en casi cualquier lugar, incluido un espacio cerrado o al aire libre.

Las características importantes de dichos sensores de temperatura son:

• presencia de batería;
• error de las mediciones realizadas;
• alcance de transmisión de la señal.

Los dispositivos inalámbricos/con cable pueden reemplazarse completamente entre sí, sin embargo, en su funcionamiento existen algunas particularidades.

Según el lugar y método de colocación

Según el lugar de fijación, estos instrumentos se dividen en los siguientes tipos:

• de superficie, que se fijan al circuito de calefacción;
• de inmersión, que contactan con el fluido caloportador;
• de ambiente, que se encuentran dentro de una vivienda o local de servicio;
• exteriores, que se colocan en el exterior.

En algunos equipos se pueden utilizar simultáneamente varios tipos de sensores para el control de temperatura.

Según el mecanismo de toma de lecturas

Según la forma de mostrar la información, los instrumentos pueden ser:

• bimetálicos;
• de alcohol.

En la primera opción se utiliza dos placas hechas de diferentes metales, así como un indicador de aguja. Al aumentar la temperatura, uno de los elementos se deforma, creando presión sobre la aguja. Las lecturas de estos instrumentos se caracterizan por una buena precisión, pero su gran desventaja es la inercia.

Los termostatos bimetálicos y de alcohol se instalan a menudo en equipos de calefacción, por ejemplo, en calderas. Permiten monitorear el calentamiento, cuyo exceso puede tener consecuencias fatales.

Este defecto está casi completamente ausente en los sensores cuyo funcionamiento se basa en el uso de alcohol. En este caso, se vierte una solución que contiene alcohol en un bulbo sellado herméticamente, que se expande al calentarse. La construcción es bastante elemental, confiable, pero no muy conveniente para la observación.

Diferentes tipos de termo-sensores

Para tomar lecturas de temperatura se utilizan dispositivos con diferentes principios de funcionamiento. Entre los más demandados se encuentran los instrumentos enumerados a continuación.

Termopares: medición precisa – complejidad en la interpretación

Dicho dispositivo consta de dos alambres soldados entre sí, fabricados de diferentes metales. La diferencia de temperatura que surge entre el extremo caliente y el frío sirve como fuente de corriente eléctrica de 40-60 μV (el valor depende del material del termopar).

Las combinaciones de metales y aleaciones más utilizadas para fabricar termopares son: cromo-aluminio, hierro-constantán, hierro-níquel, níquel-cromo, entre otras.

El termopar se considera un sensor de temperatura de alta precisión, sin embargo, obtener lecturas precisas de él es bastante complicado. Para ello, es necesario conocer la fuerza electromotriz (FEM), utilizando la diferencia de temperatura del dispositivo.

Para que el resultado sea correcto, es importante compensar la temperatura de la unión fría, utilizando, por ejemplo, un método de hardware, en el que se coloca un segundo termopar en un medio de temperatura previamente conocida.

El método de compensación por software implica colocar otro sensor térmico en una isocámara junto con las uniones frías, lo que permite controlar la temperatura con la precisión deseada.

El proceso de obtención de datos del termopar presenta ciertas dificultades debido a su no linealidad. Para la corrección de las lecturas, en la norma GOST R 8.585-2001 se han introducido coeficientes polinómicos que permiten convertir la FEM en temperatura, así como realizar operaciones inversas.

Otro problema es que las lecturas se toman en microvoltios, para cuya conversión no es posible utilizar instrumentos digitales ampliamente disponibles. Para utilizar el termopar en diseños, es necesario prever convertidores precisos y de múltiples bits, que tengan un nivel mínimo de ruido.

Termorresistencias: fácil y sencillo

Es mucho más sencillo medir la temperatura mediante termorresistencias, cuyo principio se basa en la dependencia de la resistencia de los materiales con la temperatura ambiente. Dichos dispositivos, por ejemplo, hechos de platino, tienen ventajas importantes como alta precisión y linealidad.

El principal problema de este tipo de sensores térmicos es el coeficiente de temperatura de resistencia extremadamente bajo, sin embargo, medirlo con precisión sigue siendo más fácil que detectar los pequeños valores de voltaje de los termopares.

Una característica importante de la resistencia es la resistencia base a una temperatura determinada. Según GOST 21342.7-76, este valor se mide a 0°C. Se recomienda el uso de una serie de valores de resistencia (Ohmios), así como T_ks – el coeficiente de temperatura.

El valor de T_ks se calcula mediante la fórmula:

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

Donde:

• R_e – resistencia a la temperatura actual;
• R_0c – resistencia a 0°C;
• T_e – temperatura actual;
• T_0c – 0°C.

En el GOST también se indican los coeficientes de temperatura previstos para diversos dispositivos de medición fabricados de cobre, níquel, platino, así como los coeficientes del polinomio utilizados para calcular la temperatura basándose en las lecturas actuales de resistencia.

Los sensores termorresistivos están muy extendidos en las industrias electrónica y de construcción de maquinaria, gracias a la precisión de las lecturas, la sensibilidad y la facilidad de mantenimiento.

Se puede medir la resistencia conectando el dispositivo al circuito de la fuente de corriente y midiendo la tensión diferencial. Se pueden controlar los indicadores mediante circuitos integrados, cuya salida analógica es igual a la tensión de alimentación.

Los sensores de temperatura con dichos dispositivos se pueden conectar con seguridad a un convertidor analógico-digital, digitalizándolo con un ADC de ocho o diez bits.

Sensor digital para mediciones simultáneas

Los termodetectores digitales también han tenido una amplia aplicación, por ejemplo, el modelo DS18B20, cuyo funcionamiento se realiza mediante un microchip con tres salidas. Gracias a este dispositivo, es posible tomar lecturas de temperatura simultáneamente de varios sensores que trabajan en paralelo, con un error de solo 0,5°C.

Un modelo popular es el sensor combinado de temperatura/humedad SHT1, que permite realizar mediciones de temperatura con una precisión de +2°C y de humedad con un error de +5%. Sin embargo, el propio fabricante afirma que existen dispositivos más precisos y económicos.

Entre otras ventajas de este dispositivo, también se puede destacar un amplio rango de temperaturas de trabajo (-55 a +125°C). Pero el principal inconveniente es su funcionamiento lento: para realizar cálculos extremadamente precisos, el dispositivo necesita al menos 750 ms.

Pirómetros sin contacto (termógrafos)

El funcionamiento de estos sensores sin contacto se basa en la detección de la radiación térmica emitida por los cuerpos. Para caracterizar este fenómeno se utiliza la cantidad de energía emitida por unidad de tiempo desde una unidad de superficie, que corresponde a una unidad de rango de longitud de onda.

Este criterio, que refleja la intensidad de la radiación monocromática, se denomina luminancia espectral.

Existen los siguientes tipos de pirómetros:

• radiantes;
• de brillo (ópticos);
• de color.

Los pirómetros radiantes permiten realizar mediciones en el rango de 20 a 25000°C, sin embargo, para determinar la temperatura es importante tener en cuenta el coeficiente de emisividad, cuyo valor efectivo depende del estado físico del cuerpo, su composición química y otros factores.

El principal elemento activo del sensor de radiación es un telescopio, dentro del cual hay una batería compuesta por una cadena en serie de termopares. Los extremos activos de estos dispositivos se encuentran en un pétalo recubierto de platino (+).

Pirómetros de brillo (ópticos) están diseñados para medir temperaturas de 500-4000°C. Proporcionan alta precisión en las mediciones, pero pueden distorsionar las lecturas debido a la posible absorción de las radiaciones de los cuerpos por el medio intermedio a través del cual se realizan las observaciones.

Pirómetros de color, cuyo funcionamiento se basa en la determinación de la intensidad de la radiación en dos longitudes de onda – preferiblemente en el segmento rojo o azul del espectro, se utilizan para mediciones en el rango de 800 a 0°C.

Su principal ventaja es que la falta de emisividad no afecta los errores de medición. Además, los indicadores no dependen de la distancia al objeto.

Convertidores de temperatura de cuarzo (piezoeléctricos)

Para obtener lecturas de temperatura en el rango de -80 a +250°C se pueden utilizar convertidores de cuarzo (piezoelementos), cuyo principio de funcionamiento se basa en la dependencia de la frecuencia del cuarzo respecto al calentamiento. Al mismo tiempo, la función del convertidor se ve influenciada por la orientación del corte con respecto a los ejes cristalinos.

Dispositivos piezoeléctricos (de cuarzo) se utilizan con mayor frecuencia en la realización de trabajos de investigación, ya que dichos dispositivos se caracterizan por un amplio rango de mediciones, confiabilidad y alta precisión.

Los sensores piezoeléctricos se distinguen por una fina sensibilidad, alta resolución, y son capaces de funcionar de manera confiable durante un largo período. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en la fabricación de termómetros digitales y se consideran uno de los instrumentos más prometedores para las tecnologías del futuro.

Sensores de temperatura de ruido (acústicos)

El funcionamiento de dichos dispositivos se logra mediante la medición de la diferencia de potencial acústico en función de la temperatura del resistor.

Los métodos acústicos permiten obtener lecturas de temperatura en espacios cerrados y medios donde no es posible la medición directa. Dichos instrumentos han encontrado aplicaciones en medicina, investigaciones submarinas, así como en la industria.

El método de medición con estos sensores es bastante simple: es necesario comparar los ruidos producidos por dos elementos similares, uno de los cuales se encuentra a una temperatura previamente conocida y el segundo a la temperatura que se desea determinar.

Los termodetectores acústicos son adecuados para medir el intervalo de -270 – +1100°C. La complejidad del proceso radica en el nivel de ruido demasiado bajo: los sonidos emitidos por el amplificador a veces lo ahogan.

Sensores de temperatura de RCN

La esencia del funcionamiento de los termómetros de resonancia cuadrupolar nuclear radica en la acción del gradiente de campo que forman las redes cristalinas y el momento nuclear, un indicador provocado por la desviación de la carga respecto a la simetría esférica.

Como resultado de este fenómeno, se produce una precesión nuclear: su frecuencia depende del gradiente de campo de la red. La temperatura también influye en el valor de este indicador: su aumento provoca una disminución de la frecuencia de la resonancia cuadrupolar nuclear.

El elemento principal de estos sensores es una ampolla con sustancia que se coloca en el devanado de inductancia conectado al circuito del generador.

Las ventajas de estos dispositivos son la duración ilimitada de las mediciones, la fiabilidad y el funcionamiento estable. En cuanto a las desventajas, se incluye la no linealidad de las mediciones, lo que hace necesario utilizar una función de conversión.

Dispositivos de semiconductores

Categoría de dispositivos que funcionan basándose en los cambios en las características de la unión p-n causados por la influencia de la temperatura. El voltaje en el transistor siempre es proporcional a la influencia de la temperatura, lo que permite calcular fácilmente este factor.

Las ventajas de estos dispositivos son la alta precisión de los datos, el bajo costo, la linealidad de las características en todo el rango de medición. Estos dispositivos se pueden montar convenientemente directamente sobre un sustrato semiconductor, por lo que son ideales para la microelectrónica.

Transductores volumétricos para medición de temperatura

Estos dispositivos se basan en el conocido principio de expansión y contracción de las sustancias que se observa al calentar o enfriar. Dichos sensores son bastante prácticos. Se pueden utilizar para determinar temperaturas en el rango de -60 – +400°C.

Para permitir el control visual de la temperatura, la mayoría de los sensores térmicos ubicados en interiores están equipados con pantallas en las que se muestran los valores actuales.

Es importante recordar que las mediciones de líquidos con estos instrumentos están limitadas por la temperatura de ebullición y congelación, y las de gases, por su transición al estado líquido. El error de medición causado por la influencia del entorno para estos instrumentos es bastante pequeño: varía en el rango del 1-5%.

Elección de sensores de temperatura

Al elegir dichos dispositivos, se deben considerar factores como:

• el rango de temperatura en el que se realizan las mediciones;
• la necesidad y posibilidad de sumergir el sensor en el objeto o medio;
• las condiciones de medición: para tomar mediciones en un entorno agresivo, es mejor optar por una opción sin contacto o un modelo con carcasa anticorrosiva;
• la vida útil del dispositivo hasta la calibración o reemplazo – algunos tipos de dispositivos (por ejemplo, termistores) fallan con bastante rapidez;
• datos técnicos: resolución, voltaje, velocidad de transmisión de señal, error;
• magnitud de la señal de salida.

En algunos casos también es importante el material de la carcasa del dispositivo, y en uso en interiores, las dimensiones y el diseño.

Recomendaciones para la instalación por cuenta propia

Estos dispositivos se utilizan ampliamente para diversos fines: se instalan en radiadores, calderas de calefacción y otros electrodomésticos.

Antes de comenzar la instalación, debe leer atentamente las instrucciones: en ellas se indican no solo las características de instalación (por ejemplo, las dimensiones para la conexión al tubo), sino también las reglas de funcionamiento, así como los límites de temperatura para los que es adecuado el instrumento de medición.

También es necesario tener en cuenta el tamaño de la funda, que puede variar entre 120 y 160 mm.

Consideremos los dos casos más comunes de instalación del sensor térmico.

Conexión del dispositivo al radiador

No conviene equipar todos los dispositivos de calefacción con un termostato. Según el reglamento, los sensores se instalan en el radiador si su potencia total supera el 50% de la producción de calor de sistemas similares. Si en la habitación hay dos calefactores, el termostato se instala solo en el que tenga mayor potencia.

El sensor térmico es una parte obligatoria de los reguladores de temperatura, que permiten reducir o aumentar la calefacción de radiadores, suelo radiante y otros aparatos de calefacción.

La válvula del dispositivo se instala en la tubería de suministro en el punto de conexión del radiador a la red de calefacción. Si no es posible insertarlo en el circuito existente, se debe desmontar la tubería de suministro, lo que puede causar algunas dificultades.

Para realizar esta manipulación, es necesario utilizar una herramienta para cortar tubos, mientras que el montaje del termocabezal se realiza fácilmente sin equipo especial. Una vez montado el sensor, basta con alinear las marcas realizadas en el cuerpo y el dispositivo, después de lo cual la cabeza se fija presionando suavemente con la mano.

Instalación del termo-sensor de aire

Este tipo de dispositivo se instala en la habitación más fría de la vivienda sin corrientes de aire (en el pasillo, la cocina o la sala de calderas no es recomendable su instalación, ya que puede causar alteraciones en el funcionamiento del sistema).

Al elegir la ubicación, se debe asegurar de que no incida la luz solar directa sobre el dispositivo, y que no haya aparatos de calefacción cerca (calentadores, radiadores, tuberías).

Para un sistema de calefacción normal, un termostato es suficiente, mientras que en un sistema de colectores es recomendable utilizar varios sensores, cuyo número coincida con el de habitaciones. Esto permitirá regular individualmente la temperatura en espacios separados.

La conexión del dispositivo se realiza según las instrucciones que se encuentran en la ficha técnica, utilizando los bornes o el cable que vienen incluidos.

Si es necesario monitorear la temperatura, el termodector en el 'suelo radiante' puede ubicarse en el interior de la capa de hormigón. En este caso, para protegerlo se puede utilizar un tubo corrugado con un extremo cerrado y una curva inclinada.

Esta última característica permite, si es necesario, extraer el dispositivo averiado y reemplazarlo por uno nuevo.

La instalación del dispositivo se realiza de la siguiente manera:

1. En la pared se practica una cavidad para la fijación del dispositivo empotrado.
2. Del termostato se retira la pieza frontal, y luego el dispositivo se instala en el lugar preparado.
3. A continuación, se conecta el cable calefactor a los contactos, mientras que a los sensores se conectan los terminales.

La etapa final – la conexión del cable de alimentación y la colocación del panel frontal en su lugar.

El esquema de conexión del termostato para la caldera de calefacción se describe detalladamente en este artículo.

Si el dispositivo, para cuyo funcionamiento se requiere la conexión interna de los sensores, tiene una construcción compleja, es mejor consultar a especialistas.

Conclusiones y video útil sobre el tema

En el video a continuación se explica detalladamente cómo realizar la instalación de los termostatos en la caldera de calefacción:

¿Es diferente la instalación de sensores en las tuberías de ida y de retorno?

Los sensores de temperatura se utilizan ampliamente tanto en diversos ámbitos industriales como con fines domésticos. La gran variedad de estos dispositivos, basados en diferentes principios de funcionamiento, permite elegir la opción óptima para resolver una u otra tarea.

En casas y apartamentos, estos dispositivos se utilizan con mayor frecuencia para mantener una temperatura confortable en las habitaciones, así como para regular los sistemas de calefacción – radiadores, suelo radiante.

¿Tiene algo que añadir o le han surgido dudas sobre la selección e instalación de un sensor de temperatura? Puede dejar comentarios en la publicación, participar en debates y compartir su propia experiencia con el uso de estos dispositivos. El formulario de contacto se encuentra en el bloque inferior.