С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Термостат принцип работы

Термостат принцип работы


Принцип работы терморегулятора

Главная > Теория > Принцип работы терморегулятора

Что такое терморегулятор, можно понять из самого его названия. Это устройство, которое контролирует температуру в определенной точке путем приведения в действие системы управления. Термостат, прежде всего, важен для работы систем отопления и кондиционирования воздуха, холодильников. Он обеспечивает экономное использование энергоресурсов – включает и отключает нагревание и охлаждение при достижении определенной температуры.

Различные виды терморегуляторов

Виды терморегуляторов

Исходя из принципа действия, термостаты делятся на два типа:

  • механические;
  • электронные.

В свою очередь, каждый тип подразделяется на подвиды.

Механические термостаты

В механических термостатах используют датчики с различной технологией срабатывания, но все они основаны на едином принципе. Чтобы понять, как работает механический терморегулятор, надо обратить внимание на физические свойства многих веществ расширяться при нагревании и сжиматься, когда их охлаждают (вода является заметным исключением, расширяясь при охлаждении). Механические термостаты используют это свойство, называемое термическим расширением.

Механический термостат

Биметаллические пластины

Принцип работы терморегулятора, наиболее часто применяющегося, состоит в использовании пластины из двух полос различных металлов, соединенных болтами.

Включение и отключение биметаллического термостата:

  1. Внешний диск устройства позволяет установить температуру, при которой оно включается и отключается;
  2. Циферблат диска подключен через цепь к датчику температуры – биметаллической пластине, которая замыкает и размыкает электроцепь, в зависимости от большего или меньшего изгиба;
  3. Биметаллическая полоса состоит из разных металлов, скрепленных вместе;
  4. Один металл расширяется меньше, чем другой при нагреве, в связи с этим пластина изгибается внутрь при поднятии температуры;
  5. Пластина – часть электроцепи, поэтому, когда полоса холодная, она прямая, и цепь замкнута. Система включена и нагревается. Нагреваясь до определенной температуры, пластина изгибается и разрывает цепь. Схема отключается.

Работа биметаллической пластины

Важно! Поскольку на расширение и сжатие пластины требуется время, датчик имеет инерцию срабатывания.

Газонаполненные датчики

Из-за медленной реакции металлов на температурные изменения разработаны альтернативные конструкции терморегуляторов. Одна из них – использование газонаполненного сильфона между парой металлических дисков. Большая площадь поверхности этих дисков позволяет им быстро реагировать на нагрев. Кроме того, они упругие и имеют гребни.

Механический термостат с газонаполненным датчиком

  1. При повышении температуры газ в междисковом пространстве расширяется и разъединяет диски. При этом тот из них, что находится внутри, нажимает на микропереключатель в средней части термостата, размыкая цепь. Нагрев прекращается;
  2. Когда температура снижается, сжимается и газ, вновь приближая диски друг к другу. Внутренний диск отдаляется от микропереключателя. Контакт замыкается, включая нагрев.

Газонаполненные терморегуляторы используются для систем отопления домов, они применялись в старых моделях автомобилей. Иногда в них используются не газы, а летучие жидкости с низкой температурой кипения. Например, разбавленный спирт.

Важно! Конкретный химический состав жидкостей подбирается, исходя из диапазона регулируемых температур.

Восковые терморегуляторы

Данный вид термостатов имеет герметичную камеру с восковой пробкой и свободно ходящим металлическим стержнем внутри. По мере повышения температуры воск расплавляется, расширяется и выталкивает стержень из этой камеры. Одновременно стержень действует на включение и отключение электроцепи. Пружина возвращает механизм на место, когда воск остывает.

Устройство воскового термостата

Восковые термостаты используются в системах управления охлаждением автомобильных двигателей, в смесителях и т. д. Термостат с простой конструкцией хорошо подходит для тяжелых условий работы внутри двигателя и отличается высокой надежностью.

На радиаторах центрального отопления устанавливают клапаны, где часто используются именно восковые термостаты. При нагреве радиатора до установленного уровня восковые регуляторы уменьшают поток воды через радиатор.

Электронные термостаты

Цифровой термостат является электронной версией механического термостата. Вместо механического датчика может быть установлен термистор – резистор, меняющий свое сопротивление по отношению к температуре, или термопара. Сигнал поступает в электронный модуль, где обрабатывается, и оттуда поступают команды на включение и отключение нагрева или охлаждения. Преимуществом электронного термостата является более точный контроль температуры.

Цифровые регуляторы бывают:

  1. Непрограммируемые. Приборы с простым набором функций, имеющие цифровой дисплей и кнопки управления для установки выбранного температурного значения;
  2. Программируемые. Устройства, представляющие собой мини-компьютер, позволяющие устанавливать дни недели, часы, временное поддержание температуры, ручную отмену и т. д.;

Программируемый терморегулятор

  1. Беспроводные. С развитием современных технологий термостатические устройства стали «умнее» и освободились от проводов. Такие приборы связаны с использованием различных порталов беспроводной связи, например, WiFi или Bluetooth. Самым распространенным является WiFi-подключение. В таких связях эффективность соединений увеличивается, и снимаются проблемы, связанные с проводкой.

Некоторые дополнительные функциональные возможности электронных устройств:

  1. Интеграция оконных контактов для снижения температуры с открытыми окнами;
  2. Координация работы нескольких радиаторов;
  3. Отдельное крепление измерительных датчиков в оптимальном месте;
  4. Дистанционное управление системой по телефону, интернету или смартфону. На значительном удалении от дома всегда можно внести корректировку в настройки;
  5. Сигнал тревоги, если температура слишком низкая или высокая. При желании владелец получает сообщение по электронной почте;
  6. Интеграция аварийных сигналов для датчиков дыма и датчиков разрыва трубы.

Кроме этого, беспроводные термостаты последнего поколения обладают приятным современным внешним видом. Они могут предоставлять подробные энергетические отчеты, доступна система голосового управления.

Беспроводной термостат

Двухзонные термостаты

Двухзонный терморегулятор позволяет одновременно управлять разными системами отопления и выполнять программирование на два жилых помещения (например, спальня и кухня, гостиная и прихожая). Возможна установка разных уровней желаемой температуры в каждой комнате или области дома.

Модель прибора обычно содержит несколько записанных программ, можно вносить и свои корректировки. Часто применяемый диапазон температур – от 7 до 30 градусов. Ступень регулирования – полградуса.

Двухзональный терморегулятор подходит почти для всех видов отопления:  электрического напольного и потолочного, газового с помощью водяных радиаторов и других систем.

Устройство состоит из нескольких элементов:

  • электронного программируемого модуля;
  • датчиков температуры;

Датчики должны быть установлены в местах, исключающих сквозняки и прямые солнечные лучи, которые могут исказить данные, передаваемые в электронный управляющий модуль.

Кроме двухзонных, существуют двухступенчатые терморегуляторы, применяемые, например, в установках кондиционирования воздуха, где требуется автоматическое управление в холодных и теплых циклах с промежуточной мертвой зоной. Электрически он состоит из двойного переключаемого контакта. Возможно его использование и для обычного контроля температуры с применением одного контакта.

Термостат 12 В

Принцип работы металлоискателя

В целом электронные приборы значительно дороже механических, особенно программируемые и беспроводные устройства. Однако существует дешевый цифровой прибор, который можно использовать для простого контроля нагревания или охлаждения разных помещений и устройств. Например, применять в инкубаторах, теплицах, аквариумах, для теплого пола и т. д.

Терморегулятор на 12 В

Для питания терморегулятора 12 вольт можно использовать и сеть 220 В, но для этого его надо включить через специальный БП, с выходом 12 В постоянного тока. Второй вариант – подключить напрямую к 12-вольтовому аккумулятору. Никаких дополнительных функций у прибора нет, что сказывается на его низкой цене. Но со своим предназначением обычного температурного регулирования он справляется.

В конструкции терморегулятора – температурный датчик (терморезистор) и контроллер с переключающим устройством для выставления требуемой температуры.

Без использования терморегуляторов невозможно нормальное функционирование нагревательных и охлаждающих систем. Не имея обратной связи, они могут быть слишком энергоемкими и неспособными сохранять устойчивую температуру.

Видео

Устройство и принцип работы терморегулятора

Терморегулятором называют деталь изделия, автоматически поддерживающую температуру, значение которой устанавливает потребитель. Другое название устройства – термостат. Его используют в холодильных и морозильных камерах, системах отопления, в помещениях с искусственно созданным климатом. В этой статье, вы узнаете о том, как устроен и как работает терморегулятор на батарее, в холодильнике и утюге.

Холодильный терморегулятор

Устройство терморегулятора холодильника несколько отличается от того, что применяется в других системах. Это связано с особенностями строения камеры и ее назначением (охлаждать, а не нагревать).

Конструкция включает в себя (смотрите рисунок, где представлено устройство терморегулятора холодильника Т-110):

  1. Термическую систему;
  2. Пружину;
  3. Ползунок;
  4. Гайку;
  5. Винт регулировочный 1;
  6. Корпус термостата;
  7. Колодка;
  8. Винт регулировочный 2;
  9. Пружину для перебрасывания;
  10. Пружину контровочную;
  11. Рычажное устройство;
  13. Ось.

Конструкция различных моделей холодильников может отличаться между собой. Но у них можно выделить общие элементы:

  • Узел резкого замыкания. Необходим для защиты контактов от выгорания, которое свойственно процессам замыкания в электрической цепи. Подвижные контакты располагают не на силовом рычаге, а на другом, соединенным с ним с помощью пружины. При повороте силового рычага контакт не движется (цепь еще замкнута). Затем пружина резко меняет положение и размыкает цепь (или замыкает);
  • Узел, изменяющий температурный режим. Состоит из пружины и винта, перемещающего гайку. От натяжения пружины зависит объем подачи фреона – охлаждающей жидкости;
  • Узел, предназначенный для настройки дифференциала – устройства, ограничивающего ход силового рычага. Он определяет, при какой температуре цепь будет замыкаться, а при какой – размыкаться. Например, при установленной температуре в холодильнике в 3 градуса, цепь будет размыкаться при достижении 2,7 градусов. А при 3,3 цепь будет замыкаться вновь. Диапазон можно сделать больше или меньше.

На рисунке видно, что от термической системы отходит трубка, которую заполняют рабочей средой. Это фреон или хлорметил. Трубку встраивают в холодильные и морозильные камеры. Причем так, чтобы жидкая фаза находилась в конце трубки (в морозильнике), а пары вещества – в начале. Температура жидкой фазы всегда ниже паров одного и того же вещества. Поэтому в морозильнике шкала термометра всегда ниже нуля, а в холодильнике – выше.

Принцип действия

Принцип работы терморегулятора холодильника следующий:

  1. Если в трубке температура понижается, то в термической системе давление паров рабочей среды понижается. Тогда гофрированная часть сильфона сжимается, отчего силовой рычаг относительно оси начинает вращение. Это приводит к размыканию цепи;
  2. Если температура растет, то внутри термической системы давление паров растет. От этого внутри сильфона расширяется гофра. Рычаг начинает движение в обратную сторону, вращаясь вокруг оси. Это приводит к тому, что контакты замыкаются.

Чтобы менять температурный режим, необходимо определить усилие пружины. Чем оно больше, тем выше температура устанавливается в холодильнике. И наоборот, усилить холод можно путем уменьшения натяжения пружины. Регулировка усиления производится с помощью поворотной рукоятки, вынесенной во внутреннюю часть холодильника.

Термостат в утюге

Конструкция электрического терморегулятора, используемого для утюгов, включает в себя элементы (смотрите рисунок):

  1. Биметаллическая пластинка;
  2. Пластинка-контакт подвижная;
  3. Пружина пластинки-контакта;
  4. Ручка термостата;
  5. Шайбы-изоляторы;
  6. Пластина-контакт неподвижная;
  7. Утюжная подошва;
  8. Регулировочный винт.

    Пластина в термостате утюга состоит не из одного, а из двух, спаянных между собой металлов. Ее так и называют – биметаллическая пластинка. В связи с разной способностью расширяться при нагревании пластина то сгибается, то разгибается, размыкая или замыкая контакт. Регулировать температуру утюга можно с помощью рукоятки, от положения которой зависит расстояние между контактом и пластиной. Если оно большое, то пластине нужно больше нагреться для изгиба (высокий температурный режим), если оно маленькое, то нагрев несильный (низкий режим).

Отопительный терморегулятор

Регулировать температуру в помещении можно, вращая ручку шарового крана. Но он может находиться только в двух положениях: открыто или закрыто. Если кран закрыть не полностью, то конструкция потеряет герметичность из-за твердых частиц, содержащихся в носителе тепла, которые повреждают шарнир. Поэтому для систем отопления чаще используют специальный терморегулятор с механическим управлением.

В устройство терморегулятора отопления входят элементы (смотрите рисунок):

  1. Термический элемент;
  2. Термический перекрывающий клапан;
  3. Шкала настроечная.
  4. Чувствительный к изменению температуры элемент;
  5. Разъемное соединение;
  6. Шток передающий;
  7. Клапан от золотника;
  8. Компенсаторное устройство;
  9. Накидная гайка;
  10. Кольцо для фиксации;

Сложная конструкция свойственна и для термического элемента, который называют сильфоном. Это цилиндр с гофрированными изнутри стенками. Полость заполнена газом или жидкостью – рабочей средой, способной реагировать на изменение температуры вокруг. Именно этот элемент обусловливает принцип работы терморегулятора отопления.

Принцип действия

Принцип работы терморегулятора отопления основан на свойстве веществ увеличиваться в объеме при нагревании и уменьшаться при остывании. Термодатчик реагирует на изменение температуры снаружи конструкции. А каждому ее значению соответствует некоторое давление рабочей среды, которая заполняет полость сильфона.

Возможны два варианта действия:

  • Температура превысила установленное потребителем значение. Тогда сильфон растягивается от увеличения объема рабочей среды. Это заставляет перемещаться шток, от которого зависит работа перекрывающего клапана. Поток теплоносителя уменьшается, и температура падает;
  • Температура стала ниже установленной потребителем. Тогда сильфон сжимается, поскольку объем рабочей среды в нем уменьшается. Шток начинает двигаться в обратном направлении, приоткрывая клапан. Поток теплоносителя увеличивается, отчего температура начинает расти.

Эти два процесса постоянно сменяют друг друга. Современные терморегуляторы позволяют реагировать на изменение температуры в пределах одного градуса и даже десятых его долей. Для человека такая температурная разность несущественна, и он не заметит периодического повышения и понижения.

Как устроен терморегулятор: от механических устройств к электронным

Для обеспечения комфортного микроклимата в современных помещениях используются различные системы кондиционирования и отопления.

Схема устройства терморегулятора.

Функцию поддержания необходимой температуры берут на себя такие приборы, как термостаты (терморегуляторы).

Очень удобны и популярны термостаты, которые предназначены для контроля нагрева радиаторов. Они размещаются непосредственно на трубе, входящей в отопительный прибор. Принцип работы терморегулятора заключается в автоматическом поддержании температурного режима в заданных пределах. По способу управления различают механические (ручные) и электронные (автоматические) приборы. Для радиаторного термостата предпочтительнее и удобнее использовать автоматическое регулирование.

Схема подключения комнатного термостата к котлу.

Радиаторный термостат работает благодаря двум главным составляющим: термостатической головке и клапану. Клапан выполняет функцию так называемого исполнительного устройства. В термостатической головке расположен цилиндр (или сильфон), который заполнен рабочим веществом. Принцип действия рабочего вещества заключается в постоянном реагировании на изменение температуры воздуха. Схема следующая: при повышении температуры происходит увеличение объема вещества, а при понижении — сжатие. За счет этих физических изменений приводится в движение нажимной шток, который соединен с цилиндром.

Если головку термостата поставить на клапан, то за счет постоянного сжатия и расширения ее, шток будет давить/отпускать подпружиненный запирающий конус. А этот конус будет открывать/прикрывать проходное отверстие, тем самым регулируя объем подачи теплоносителя.

Роль рабочего вещества может выполнять либо специальная жидкость, либо газ. В соответствии с этим различают два типа термостата: жидкостной и газонаполненный. Газонаполненные устройства обладают более быстрой реакцией на изменение температуры, а жидкостные точнее чувствуют перепады давления внутри цилиндра и лучше передают их на исполнительный механизм.

Принцип работы термостата в однотрубной и двухтрубной системе отопления будет одинаковым, но гидравлическое сопротивление клапанов разным: для однотрубных ниже, а для двухтрубных — значительно выше. Поэтому еще при проектировании инженерных конструкций нужно подобрать устройство соответствующего действия, в противном случае тепловая мощность сойдет на нет. То же самое касается модернизации системы. Общее устройство механического терморегулятора показано на Рис.1.

Вернуться к оглавлению

Схема механического терморегулятора.

Термостат может быть сконструирован по-разному: с ручным управлением или программным. Программируемый термостат устроен таким образом, что способен изменять температуру в помещении в зависимости от различных заданных факторов, например, от времени суток или дня недели. А электромеханический прибор просто постоянно поддерживает на одном уровне необходимую температуру.

Ручной терморегулятор имеет принцип работы утюга: после нагрева помещения до определенной отметки — отключается, а после остывания воздуха на несколько градусов — снова включается.

Вернуться к оглавлению

Такое устройство функционирует в двух режимах: включено и выключено. Отличается дешевизной, надежностью и повышенной помехоустойчивостью. Его принцип работы базируется на особом свойстве биметаллической пластины изгибаться при изменении температуры. Схема действия следующая: когда температура повышается, то изгибание пластины приводит к размыканию цепи, а когда понижается, происходит выпрямление пластины и соответствующее замыкание электрической цепи.

В таком гистерезисе термостат работает непрерывно. Это свойство является необходимым для механических приборов. С одной стороны, оно приводит к снижению быстроты реакции управляющей системы, но с другой — уменьшает число необходимых соединений. Для снижения количества соединений регулятор может быть оборудован ускоряющим сопротивлением, которое позволит нагревать биметаллическую пластину, когда цепь замкнута. После размыкания нагрев прекратится. В случае, когда измеренная температура все еще остается ниже установленного значения, биметаллическая пластина опять замкнет контакты.

Самым главным недостатком биметаллических термодатчиков считается довольно большое отклонение от установленного температурного значения в условиях, когда нагрузка получается ниже номинальной. Ток, который проходит через терморегулятор, начинает нагревать пластину, при этом температура, измеренная термодатчиком, будет выше фактической. Это означает, что воздух в помещении не нагреется до заданного значения. Еще одним минусом биметаллического устройства является то, что оно не работает бесшумно, а издает щелчки в момент замыкания электрической цепи. Общее устройство механического терморегулятора показано на Рис. 2.

Вернуться к оглавлению

Чертеж автоматического терморегулятора.

Электронные модели бывают двухпозиционными или пропорциональными (P-регуляторы), а также полностью или частично механическими, либо электронными. Пропорциональные регуляторы корректируют процесс обогрева в зависимости от соответствия измеренной температуры заданной. Чем существеннее разница между ними, тем выше мощность, подаваемая на обогреватель. Такая же схема и принцип работы реализованы на низкой мощности.

P-управление для термостатов реализуется при помощи широтно-импульсной модуляции. Длительность периодов работы и отключения устройства регулируется для того, чтобы достигнуть некого среднего значения потребления энергии. Такие приборы идеально подходят для поддержания температуры обогревателя на постоянном уровне.

Электронная схема для частично автоматических устройств с выходным реле берет на себя функцию управления, а само реле выполняет роль выключателя. Здесь также используется гистерезис, поскольку необходимо продлить рабочий период термостата для предотвращения скорого износа реле. Чаще всего терморегуляторы, снабженные выходным реле, являются двухпозиционными.

Устройство терморегулятора в абсолютно электронных моделях отличается тем, что всей цепью управляет двунаправленный триодный тиристор. Этот прибор не содержит детали, которые могут быть подвержены механическому износу. Двухпозиционный электронный терморегулятор устроен так, что гистерезис в нем либо очень мал, либо используется пропорциональное управление, а регулировка температуры становится достаточно точной. Недостатком такого прибора являются немаленькие габариты за счет наличия необходимости эффективного охлаждения устройства.

В современных моделях термостатов часто используются жидкокристаллические дисплеи, которые удобным способом показывают как заданную, так и реальную температуру воздуха в помещении. Возможна сигнализация о неисправности устройства и выведение статистики работы прибора.

Использование термостатов не вызовет никаких трудностей в обращении и обеспечит качественную работу на долгие годы. Современные устройства позволят создать комфорт и уют в помещении, сэкономят электроэнергию и будут незаменимыми в реализации системы «умный дом».

Автомобильный термостат: принцип действия

Такой прибор, как термостат, можно встретить на любом автомобиле, имеющем жидкостную систему охлаждения двигателя. Термостат служит для автоматической регулировки температуры в системе охлаждения, кроме того, он помогает быстрее прогреться холодному двигателю до рабочей температуры. Термостат играет роль автоматического клапана, срабатывающего при повышении или понижении температуры охлаждающей жидкости, и монтируется в том месте, где жидкость выходит в радиатор охлаждения.

Рабочее тело термостата, то есть его наполнитель может быть жидким или твердым. В современных легковых автомобилях, как правило, применяются термостаты, имеющие твердый наполнитель.

Принцип работы термостата довольно прост: представляя собой клапан, он перекрывает поток жидкости в радиатор, пока мотор не прогреется. Пока термостат закрыт охлаждающая жидкость циркулирует в системе охлаждения по так называемому малому контуру, минуя радиатор, то есть циркулирует по рубашке охлаждения двигателя. Таким образом, жидкость быстрее нагревается, а холодный двигатель быстрее «выходит» на рабочую температуру. При достижении охлаждающей жидкостью температуры около 90˚С (эта температура может быть разной для каждого конкретного двигателя), термостат открывается, открывая проход для охлаждающей жидкости в радиатор. После этого охлаждающая жидкость циркулирует по большому контуру охлаждения, до тех пор, пока её температура не снизится, и термостат опять закроется.

Давайте рассмотрим, каким образом реагирует термостат на изменения температуры. Происходит это за счет расширения его наполнителя под воздействием высокой температуры. При расширении наполнителя открывается клапан, а при снижении температуры наполнитель остывает, становится меньшим в объеме, и клапан перекрывается.

На некоторых автомобилях в системе охлаждения может быть не один, а несколько термостатов. Термостаты могут отличаться по своей конструкции, по типу наполнителя, по температуре срабатывания, но, принцип работы любого термостата одинаков. Несмотря на простоту конструкции и устройства, термостат — очень важный элемент в системе охлаждения двигателя автомобиля. Неисправность термостата, при которой он постоянно перекрывает путь жидкости в радиатор, может стать причиной выхода из строя двигателя в результате его перегрева. Если же удалить термостат из системы, или он будет постоянно открытым, то мотор будет долго прогреваться до рабочей температуры, что ухудшит его экономичность и сократит ресурс.

Заменить термостат не сложно, тем более что стоит он недорого. Лучше всего заменять термостат, не дожидаясь, когда он выйдет из строя, а регулярно, примерно один раз в несколько лет.

Чтобы проверить работу термостата нужно запустить двигатель, и подождать, пока заработает вентилятор на радиаторе. Если по каким-либо причинам вентилятор на радиаторе не запускается, необходимо на приборной панели следить за температурой охлаждающей жидкости и не допустить ее критического значения. Далее нужно заглушить двигатель, поднять капот, и найти верхний и нижний шланг радиатора. По верхнему шлангу жидкость поступает в радиатор, а по нижнему вытекает из него. Теперь дотроньтесь до шлангов, но будьте осторожны — шланги могут быть очень горячие. Если один из шлангов холодный, и при этом указатель показывает высокую температуру охлаждающей жидкости, это указывает на то, что термостат закрыт, и не пропускает охлаждающую жидкость в радиатор. Такой термостат нужно заменить.

Есть и другой способ проверки термостата, но для этого его нужно извлечь из системы охлаждения. Термостат и термометр кладут в емкость с водой, после чего емкость нагревают, контролируя температуру воды, и отмечают, при какой температуре термостат открывается. После этого нагрев выключают, дают воде остыть, и отмечают температуру, при которой термостат закрывается. Этим способом можно проверить не только исправность термостата, но и то, как точно он работает.

Источник: CAR-TALES.RU

Эта статья полезна для Вас? Да 3 / Нет 1
Порекомендуйте статью друзьям:

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости