Регулятор температуры отопления для радиатора. Приборы автоматического регулирования температуры в помещениях

По принципу регулирования все системы автоматического регулирования подразделяются на четыре класса.

1. Система автоматической стабилизации - система, в которой регулятор поддерживает постоянным заданное значение регулируемого параметра.

2. Система программного регулирования - система, обеспечивающая изменение регулируемого параметра по заранее заданному закону (во времени).

3. Следящая система - система, обеспечивающая изменение регулируемого параметра в зависимости от какой-либо другой величины.

4. Система экстремального регулирования - система, в которой регулятор поддерживает оптимальное для изменяющихся условий значение регулируемой величины.

Для регулирования температурного режима электронагревательных установок применяются в основном системы двух первых классов.

Системы автоматического регулирования температуры по роду действия можно разделить на две группы: прерывистого и непрерывного регулирования.

Автоматические регуляторы по функциональным особенностям разделены на пять типов: позиционные (релейные), пропорциональные (статические), интегральные (астатические), изодромные (пропорционально-интегральные), изодромные с предварением и с первой производной.

Позиционные регуляторы относятся к прерывистым САР, а остальные типы регуляторов - к САР непрерывного действия. Ниже рассмотрены основные особенности позиционных, пропорциональных, интегральных и изодромных регуляторов, имеющих наибольшее применение в системах автоматического регулирования температуры.

(рис. 1) состоит из объекта регулирования 1, датчика температуры 2, программного устройства или задатчика уровня температуры 4, регулятора 5 и исполнительного устройства 8. Во многих случаях между датчиком и программным устройством ставится первичный усилитель 3, а между регулятором и исполнительным устройством - вторичный усилитель 6. Дополнительный датчик 7 применяется в изодромных системах регулирования.

Рис. 1. Функциональная схема автоматического регулирования температуры

Позиционные (релейные) регуляторы температуры

Позиционными называют такие регуляторы, у которых регулирующий орган может занимать два или три определенных положения. В электронагревательных установках применяются двух- и трехпозиционные регуляторы. Они просты и надежны в эксплуатации.

На рис. 2 показана принципиальная схема двухпозиционного регулирования температуры воздуха.

Рис. 2. Принципиальная схема двухпозиционного регулирования температуры воздуха: 1 - объект регулирования, 2 - измерительный мост, 3 - поляризованное реле, 4 - обмотки возбуждения электродвигателя, 5 - якорь электродвигателя, 6 - редуктор, 7 - калориф.

Для контроля температуры в объекте регулирования служит термосопротивление ТС, включенное в одно из плеч измерительного моста 2. Величины сопротивлений моста подбираются таким образом, чтобы при заданной температуре мост был уравновешен, то есть напряжение в диагонали моста равнялось нулю. При повышении температуры поляризованное реле 3, включенное в диагональ измерительного моста, включает одну из обмоток 4 электродвигателя постоянного тока, который с помощью редуктора 6 закрывает воздушный клапан перед калорифером 7. При понижении температуры воздушный клапан полностью открывается.

При двухпозиционном регулировании температуры количество подаваемого тепла может устанавливаться только на двух уровнях - максимальном и минимальном. Максимальное количество тепла должно быть больше необходимого для поддержания заданной регулируемой температуры, а минимальное - меньше. В этом случае температура воздуха колеблется около заданного значения, то есть устанавливается так называемый автоколебательный режим (рис. 3, а).

Линии, соответствующие температурам τ н и τ в, определяют нижнюю и верхнюю границы зоны нечувствительности. Когда температура регулируемого объекта, уменьшаясь, достигает значения τ н количество подаваемого тепла мгновенно увеличивается и температура объекта начинает возрастать. Достигнув значения τ в, регулятор уменьшает подачу тепла, и температура понижается.

Рис. 3. Временная характеристика двухпозиционного регулирования (а) и статическая характеристика двухпозиционного регулятора (б).

Скорость повышения и понижения температуры зависит от свойств объекта регулирования и от его временной характеристики (кривой разгона). Колебания температуры не выходят за границы зоны нечувствительности, если изменения подачи тепла сразу вызывают изменения температуры, то есть если отсутствует запаздывание регулируемого объекта .

С уменьшением зоны нечувствительности амплитуда колебаний температуры уменьшается вплоть до нуля при τ н = τ в. Однако для этого требуется, чтобы подача тепла изменялась с бесконечно большой частотой, что практически осуществить чрезвычайно трудно. Во всех реальных объектах регулирования имеется запаздывание. Процесс регулирования в них протекает примерно так.

При понижении температуры объекта регулирования до значения τ н мгновенно изменяется подача тепла, однако из-за запаздывания температура некоторое время продолжает снижаться. Затем она повышается до значения τ в, при котором мгновенно уменьшается подача тепла. Температура продолжает еще некоторое время повышаться, затем из-за уменьшенной подачи тепла температура понижается, и процесс повторяется вновь.

На рис. 3, б приведена статическая характеристика двухпозиционного регулятора . Из нее следует, что регулирующее воздействие на объект может принимать только два значения: максимальное и минимальное. В рассмотренном примере максимум соответствует положению, при котором воздушный клапан (см. рис. 2) полностью открыт, минимум - при закрытом клапане.

Знак регулирующего воздействия определяется знаком отклонения регулируемой величины (температуры) от ее заданного значения. Величина регулирующего воздействия постоянна. Все двухпозиционные регуляторы обладают гистерезисной зоной α , которая возникает из-за разности токов срабатывания и отпускания электромагнитного реле.

Пример использования двухпозиционного регулирования температуры:

Пропорциональные (статические) регуляторы температуры

В тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования или когда недопустим автоколебательный процесс, применяют регуляторы с непрерывным процессом регулирования . К ним относятся пропорциональные регуляторы (П-регуляторы) , пригодные для регулирования самых разнообразных технологических процессов.

В тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования или когда недопустим автоколебательный процесс, применяют регуляторы с непрерывным процессом регулирования. К ним относятся пропорциональные регуляторы (П-регуляторы), пригодные для регулирования самых разнообразных технологических процессов.

В системах автоматического регулирования с П-регуляторами положение регулирующего органа (у) прямо пропорционально значению регулируемого параметра (х):

y=k1х,

где k1 - коэффициент пропорциональности (коэффициент усиления регулятора).

Эта пропорциональность имеет место, пока регулирующий орган не достигнет своих крайних положений (конечных выключателей).

Скорость перемещения регулирующего органа прямо пропорциональна скорости изменения регулируемого параметра.

На рис. 4 показана принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры воздуха в помещении при помощи пропорционального регулятора. Температура в помещении измеряется термометром сопротивления ТС, включенным в схему измерительного моста 1.

Рис. 4. Схема пропорционального регулирования температуры воздуха: 1 - измерительный мост, 2 - объект регулирования, 3 - теплообменник, 4 - конденсаторный двигатель, 5 - фазочувствительный усилитель.

При заданной температуре мост уравновешен. При отклонении регулируемой температуры от заданного значения в диагонали моста возникает напряжение разбаланса, величина и знак которого зависят от величины и знака отклонения температуры. Это напряжение усиливается фазочувствительным усилителем 5, на выходе которого включена обмотка двухфазного конденсаторного двигателя 4 исполнительного механизма.

Исполнительный механизм перемещает регулирующий орган, изменяя поступление теплоносителя в теплообменник 3. Одновременно с перемещением регулирующего органа происходит изменение сопротивления одного из плеч измерительного моста, в результате этого изменяется температура, при которой уравновешивается мост.

Таким образом, каждому положению регулирующего органа из-за жесткой обратной связи соответствует свое равновесное значение регулируемой температуры.

Для пропорционального (статического) регулятора характерна остаточная неравномерность регулирования .

В случае скачкообразного отклонения нагрузки от заданного значения (в момент t1) регулируемый параметр придет по истечении некоторого отрезка времени (момент t2) к новому установившемуся значению (рис. 4). Однако это возможно только при новом положении регулирующего органа, то есть при новом значении регулируемого параметра, отличающегося от заданного на величину δ .

Рис. 5. Временные характеристики пропорционального регулирования

Недостаток пропорциональных регуляторов состоит в том, что каждому значению параметра соответствует только одно определенное положение регулирующего органа. Для поддержания заданного значения параметра (температуры) при изменении нагрузки (расхода тепла) необходимо, чтобы регулирующий орган занял другое положение, соответствующее новому значению нагрузки. В пропорциональном регуляторе этого не происходит, вследствие чего возникает остаточное отклонение регулируемого параметра.

Интегральные (астатические регуляторы)

Интегральными (астатическими) называются такие регуляторы, в которых при отклонении параметра от заданного значения регулирующий орган перемещается более или менее медленно и все время в одном направлении (в пределах рабочего хода) до тех пор, пока параметр снова не примет заданного значения. Направление хода регулирующего органа изменяется лишь тогда, когда параметр переходит через заданное значение.

В интегральных регуляторах электрического действия обычно искусственно создается зона нечувствительности, в пределах которой изменение параметра не вызывает перемещений регулирующего органа.

Скорость перемещения регулирующего органа в интегральном регуляторе может быть постоянной и переменной. Особенностью интегрального регулятора является отсутствие пропорциональной связи между установившимися значениями регулируемого параметра и положением регулирующего органа.

На рис. 6 приведена принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры при помощи интегрального регулятора. В ней в отличие от схемы пропорционального регулирования температуры (см. рис. 4) нет жесткой обратной связи.

Рис. 6. Схема интегрального регулирования температуры воздуха

В интегральном регуляторе скорость регулирующего органа прямо пропорциональна величине отклонения регулируемого параметра.

Процесс интегрального регулирования температуры при скачкообразном изменении нагрузки (расхода тепла) отображен на рис. 7 с помощью временных характеристик. Как видно из графика, регулируемый параметр при интегральном регулировании медленно возвращается к заданному значению.

Рис. 7. Временные характеристики интегрального регулирования

Изодромные (пропорционально-интегральные) регуляторы

Изодромное регулирование обладает свойствами как пропорционального, так и интегрального регулирования. Скорость перемещения регулирующего органа зависит от величины и скорости отклонения регулируемого параметра.

При отклонении регулируемого параметра от заданного значения регулирование осуществляется следующим образом. Вначале регулирующий орган перемещается в зависимости от величины отклонения регулируемого параметра, то есть имеет место пропорциональное регулирование. Затем регулирующий орган совершает дополнительное перемещение, которое необходимо для устранения остаточной неравномерности (интегральное регулирование).

Изодромную систему регулирования температуры воздуха (рис. 8) можно получить заменой жесткой обратной связи в схеме пропорционального регулирования (см. рис. 5) упругой обратной связью (от регулирующего органа к движку сопротивления обратной связи). Электрическая обратная связь в изодромной системе осуществляется потенциометром и вводится в систему регулирования через контур, содержащий сопротивление R и емкость С.

В течение переходных процессов сигнал обратной связи вместе с сигналом отклонения параметра воздействует на последующие элементы системы (усилитель, электродвигатель). При неподвижном регулирующем органе, в каком бы положении он ни находился, по мере заряда конденсатора С сигнал обратной связи затухает (в установившемся режиме он равен нулю).

Рис. 8. Схема изодромного регулирования температуры воздуха

Для изодромного регулирования характерно, что неравномерность регулирования (относительная ошибка) с увеличением времени уменьшается, приближаясь к нулю. При этом обратная связь не будет вызывать остаточных отклонений регулируемой величины.

Таким образом, изодромное регулирование приводит к значительно лучшим результатам, чем пропорциональное или интегральное (не говоря уже о позиционном регулировании). Пропорциональное регулирование в связи с наличием жесткой обратной связи происходит практически мгновенно, изодромное - замедленно.

Программные системы автоматического регулирования температуры

Для осуществления программного регулирования необходимо непрерывно воздействовать на настройку (уставку) регулятора так, чтобы регулируемая величина изменялась по заранее заданному закону. С этой целью узел настройки регулятора снабжается программным элементом. Это устройство служащее для установления закона изменения задаваемой величины.

При электронагреве исполнительный механизм САР может воздействовать на включение или отключение секций электронагревательных элементов, изменяя тем самым температуру нагреваемой установки в соответствии с заданной программой. Программное регулирование температуры и влажности воздуха широко применяется в установках искусственного климата.

Автоматическое регулирование - это очень удобно. При помощи терморегулятора для теплиц вы можете поддерживать в сооружении требуемую температуру воздуха.

Виды терморегуляторов и их характеристика

Выделяется множество типов термостатов. Чтобы сделать правильный выбор, необходимо знать их особенности. Существует 3 основных типа.

1. Электронный термостат. Имеет жидкокристаллический дисплей, что дает возможность получать точную информацию о состоянии .
2. Сенсорные устройства. Хороши тем, что в них можно задать программу работы, что дает возможность создавать различную температуру в разное время суток.
3. Механическое изделие. Наиболее простая установка, позволяющая контролировать температуру почвы. При этом температура задается один раз, а потом вы просто корректируете ее. Идеальный вариант для небольших парников.

Как выбрать терморегулятор

Выбирая термостат, следует руководствоваться тем, что вы желаете получить в конечном счете. Прежде всего следует обратить внимание на такие характеристики:

• особенности установки;
• способ управления;
• внешний вид;
• мощность;
• наличие или отсутствие дополнительных функций.

При выборе терморегуляторов для теплиц особое внимание стоит уделить мощности. Она должна быть больше, чем требуемая мощность обогрева грунта. Берите с запасом! При этом вся работа контролируется датчиком. Он может быть:

• внешним;
• скрытым.

Цепь может состоять из нескольких элементов. Внешний вид терморегуляторов тоже бывает разным. Монтаж может быть или навесным, или скрытым.

Особенности установки

При монтаже системы своими руками стоит знать, что регулятор ведет работу от датчиков - освещенности и температуры. Днем температура в строении будет выше, ночью ниже. В зависимости от этого меняется и отопление. Параметры для терморегулятора такие:

• предел освещенности - от 500 до 2600 люкс;
• отклонение в питании прибора - до 20%;
• диапазон температур - от +15 до 50 градусов;

• при переходе предела освещенности перепад температурного значения - до 12 градусов;
• точность - около 0,4 градуса.

При установке своими руками системы следует знать, что в терморегулятор входит блок корректировки и блок регулирования температур. Выполнить их можно на транзисторах. Варьировать температуру позволяет переключатель. Реле можно объединить с нагревательным устройством для печки при помощи контактов. На регуляторе может находиться выходное реле, контролирующее обогрев.

В датчики включены фоторезисторы и терморезисторы. Они реагируют на различные изменения в окружающей среде. Установить настройки можно согласно инструкции, представленной изготовителем.

Настроить установку своими руками следует, начав с градуирования шкалы резистора. Сначала датчики опускают в подогретую воду, а затем определяют температуру. Далее ведется градуирование датчика освещения. Собирать регулятор температур разрешается внутри теплиц. Располагают его вблизи нагревательного устройства, в качестве которого может выступать печка.

Обзор терморегулятора (видео)

Как вести работу с терморегулятором

Терморегуляторы, вне зависимости от того, сделаны они своими руками либо приобретены в магазине, очень схожи по принципу действия. Ввиду этого работать с ними легко. Чем характеризуется работа с устройством?

• Прокручивать меню помогает специальная кнопка.
• Регулировка температуры происходит вручную.
• В памяти аппарата можно записывать настройки для быстрого включения.
• Применение специальных кнопок позволяет вести контроль над работой котла и печки, устанавливать характеристики обогрева.
• Если есть дисплей с показаниями, можно узнать, каким является обогрев в данныйпериод времени.

Помимо прочего, терморегуляторы дают возможность вести управление котлом для обогрева теплицы.

1. После того как на контроллер подается питание, датчики опрашиваются на предмет получения информации в реальном времени. Затем контроллер ведет сравнение показаний и уже записанной информации для дня или ночи и подбирает необходимые настройки для терморегулятора.
2. По прошествии 5 минут происходит активизация терморегулятора, а котел начинает работу.
3. Если обогрев недостаточный, начинают функционировать нагреватель с насосом. Подается команда об увеличении подачи топлива, что увеличивает обогрев.

Терморегуляторы многофункциональны. С их помощью можно обогреть теплицу и задать требуемую температуру для воздуха в строении, а также обогреть грунт и воду.

Регулятор способен поддерживать оптимальные условия среды в любой . Некоторые устройства включаются и работают самостоятельно, что очень удобно. Подключают их к контроллеру, датчикам тепла, печке и котлу. В итоге вести контроль над температурным режимом можно в полной мере.

Изготовление простого регулятора своими руками

Выполнить регулятор своими руками можно из стандартного бытового термометра. Однако его придется модифицировать.

• Сначала разберите устройство, но помните, что действовать нужно осторожно.
• В шкале, в месте расположения области требуемого предела регулирования, выполняется отверстие. Его диаметр должен быть меньше 2,5 миллиметров. Напротив него фиксируется фототранзистор. Берется листовой алюминий, делается уголок, в котором просверливается 2,8-миллиметровое отверстие. Фототранзистор приклеивают на клей «Момент» в гнездо.
• Ниже отверстия фиксируют уголок, чтобы при превышении температуры (днем) у стрелки не было возможности пройти отверстие. Это предотвратит включение обогрева, когда этого не требуется.
• С наружной стороны на термометре устанавливают 9-вольтовую лампочку. В корпусе термометра для нее просверливают отверстие. Между шкалой и лампочкой внутри располагают линзу. Она нужна, чтобы устройство срабатывало четко.
• Провода от лампочки проводятся через отверстие в корпусе, а провода от фототранзистора - через отверстие в шкале. Общий жгут помещают в хлорвиниловую трубку и фиксируют зажимом. Напротив лампочки сверлят 0,4-миллиметровое отверстие.

• Кроме датчика в терморегуляторе должен быть стабилизатор напряжения. Также требуется фотореле. Питание стабилизатора ведется от трансформатора. В роли фотоэлемента для фотореле служит модифицированный транзистор вида ГТ109. Все, что нужно сделать, это удалить у его корпуса шляпку и обломать базовый вывод.
• В качестве нагрузки используется механизм, выполненный из реле заводского исполнения. Работа в данном случае идет по принципу электромагнита, где стальной якорь идет внутрь катушки и оказывает влияние на микровыключатель, который зафиксирован при помощи 2 кронштейнов. А микровыключатель приводит в действие электромагнитный пускатель, сквозь контакты которого напряжение питания идет на нагревательный прибор.
• Фотореле вместе с субблоками питания помещают в корпус, изготовленный из изоляционного материала. К нему крепят термометр на специальной штанге. На лицевой стороне находятся неоновая лампочка (она будет подавать сигнал о начале работы нагревательных элементов) и тумблер.
• Чтобы регулятор работал точно, следует добиться четкой фокусировки света, исходящего от лампочки на фотоэлемент.

Как сделать термостат своими руками (видео)

Таким образом, несмотря на сложность работ, установка терморегулятора существенно упрощает уход за . Культуры, получающие оптимальный микроклимат, лучше развиваются, а значит, урожай будет значительно больше.

Для сохранения требующегося уровня температуры в нагревательных системах применяются электрические устройства, называемые терморегуляторы. Все приборы, имеющие в составе электронагревательные элементы, оборудованы электрическими терморегуляторами.

Необходимость и особенности терморегуляторов

Терморегулятор представляет собой электрическое устройство необходимое для автоматического регулирования температуры в охлаждающем и отопительном оборудовании. Они монтируются в системах обогрева, искусственного климата, охлаждающих либо морозильных системах. Широко используются в домашнем хозяйстве в обустройстве теплиц.

Цель работы терморегулятора определяется включением либо выключением нагревательных элементов какого-либо прибора при показателях температуры ниже или выше указанных соответственно. Благодаря работе терморегулирующих устройств, воздух в помещении, вода, поверхности приборов и т.п. имею стабильную температуру.

Работают все терморегуляторы, в каком бы приборе они не находились, по единому принципу. Автоматический регулятор получает данные о температуре из окружающей его среды, благодаря тому, что оснащается встроенным или выносным термодатчиком. Опираясь на полученную информацию, терморегулятор определяет, когда нужно включаться и отключаться. Чтобы исключить сбои в работе устройства, термодатчик надлежит устанавливать в помещении подальше от прямого влияния различного нагревательного оборудования, в противном случае, может возникнуть искажение показателей и, естественно, регулятор будет работать ошибочно.

Классификация терморегуляторов

Принцип работы всех устройств, регулирующих температуру одинаковый, но видов терморегуляторов очень много, и они отличаются по:

• Назначению:
  комнатные;
  погодные.
• Способу монтажа:
  стенные;
  настенные;
  крепящиеся на DIN рейку.
• Функциональным возможностям:
  центральное регулирование;
  беспроводное регулирование.
• Способу управления:
  механические;
  электромеханические;
  цифровые (электронные).

Также терморегуляторы отличаются техническими свойствами:

• Диапазон измерений температуры. Разные модели терморегуляторов в зависимости от модификации поддерживают температуру от -60 до 1200 °С.
• Количество каналов:
  одноканальные. Применяются для автоматической регулировки и сохранения температуры объекта на указанном уровне. Отличаются меньшими размерами и весом от многоканальных приборов;
  многоканальные. Выпускаются для фиксирования температуры серии стандартных термодатчиков. Их используют на производствах, лабораториях, а также в народном хозяйстве.
• Габаритные размеры:
  компактные;
  большие;
  крупные.

Применение регуляторов и датчиков температуры

Терморегуляторы могут устанавливаться в жилых и промышленных помещениях. В целом можно выделить учитывающие:

• И контролирующие температуру воздуха в конкретной зоне помещения. Эти приборы относятся к категории комнатных регуляторов. Бывают аналоговые и цифровые.
• И поддерживающие температуру определённых предметов – это регуляторы для полового отопления.
• Температуру воздуха снаружи – погодные термостаты.

Регуляторы, которые эксплуатируются в промышленных помещениях, бывают двух видов:

• Индустриальные пространственные . К этим приборам относятся аналоговые стенные регуляторы, имеющие повышенную защиту.
• Индустриальные с отдельными датчиками . Это аналоговые приборы с внешними датчиками, которые могут быть настенными или устанавливаться на специальную рейку.
  Датчики могут устанавливаться на стены или в полу дома, в зависимости от их типа и назначения. Встроенные приборы монтируются в монтажную коробку прямо в стену, а приборы накладного типа просто прикрепляют на стену.

Выделяют также несколько видов датчиков по назначению:

• Датчик температуры пола.
• Датчик температуры воздуха.
• Инфракрасный датчик для пола и воздуха.

Датчик, измеряющий температуру воздуха, часто размещают на корпусе терморегулятора. Терморегуляторы с инфракрасными датчиками можно применять для контроля всей системы отопления. Эти датчики отлично подходят для установки в ванные комнаты, душевые, сауны и прочие помещения с повышенной влажностью. Сам регулятор температуры надлежит размещать обязательно в сухом месте, от переизбытка влаги он может повредиться. Правда есть модели, с повышенной герметичностью, и их монтаж в ванную ничем не опасен для них.

Регуляторы для тёплых полов отличаются своим внутренним устройством, это:

• Цифровые.
• Аналоговые.

Цифровые устройства имеют хорошую стойкость к разным типам помех, поэтому исключают искажение данных и гарантируют большую точность, чем аналоговые.

Особенности функциональных возможностей электрических регуляторов температуры:

• Беспроводное регулирование (дистанционное) . Рекомендовано применять при дополнительной инсталляции греющих элементов и проведении реконструкций, когда выполнять классическую регулировку невозможно или довольно трудно. Дистанционное управление исключает дополнительные строительно-ремонтные работы при электроинсталляции (к примеру, монтаже кабельной проводки).
• Устройства программирования . Центральное (классическое) устройство позволяет производить регулирование температуры целого крупного объекта с одной точки. Для программирования регулятора используют компьютер или устройства управления. Также контроль осуществляется с помощью телефонного модема.

Принцип действия, плюсы и минусы

Механический регулятор температур считается простым и практичным устройством. Применяется в нагревательных и охладительных целях. Чаще всего представляет внешнее электроустановочное изделие, предназначенное для внутренней установки в жилые помещения в системы отопления. Внешний вид подобен стандартному запорному крану.

Специфичностью механических терморегуляторов является отсутствие электрической составляющей. Работает аппарат по особому принципу, заключающемуся в свойствах некоторых веществ и материалов менять свои механические качества от изменения температуры.

При изменении температуры до конкретно указанной, происходит разрыв или замыкание электрической цепи, что обуславливает выключение либо включение приборов для нагрева. Требуемый показатель температуры выбирается на шкале прибора путём вращения специального колесика.

Положительные моменты механических термостатов:

• Надёжность.
• Устойчивость к перепадам напряжения.
• Не подвластны сбоям электроники.
• Работают при отрицательных температурах.
• Можно эксплуатировать в условиях резких изменений температуры.
• Простое управление.
• Длительный срок службы.

Недостатки:

• Наличие погрешности.
• Вероятность появления небольших щелчков при подаче напряжения на инфракрасные нагреватели.
• Низкая функциональность.

Независимо от недостатков, они являются самыми распространёнными и встречаются в организации обогревательных систем чаще других термостатов, благодаря простому управлению и невысокой стоимости.

Эксплуатация электромеханических термостатов

Электромеханические регуляторы температуры используется в различных бытовых электроприборах. Эти изделия бывают двух модификаций:

• С биметаллической пластиной и группой контактов . Пластина, нагреваясь до определённой температуры, изгибается и размыкает контакты, из-за чего прекращается подача электротока на нагревательную спираль или ТЭН прибора. После остывания пластина прогибается обратно в своё исходное положение, контакты при этом замыкаются, возвращается подача электричества и прибор нагревается. Приборами с этими регуляторами пользуется в повседневной жизни практически каждый человек – это утюги, электроплиты, электрочайники и т.п.
• С капиллярной трубкой . Изделие состоит из трубки, наполненной газом и помещённой в ёмкость с водой, а также контактов. Принцип действия базируется на особенностях материалов расширяться при определённых температурах. Вещество, находящееся в полой трубке, начинает расширяться при разогреве воды, из-за чего возникает замыкание контакта. После охлаждения воды, контакты размыкаются, а электроприбор начинает разогреваться. Подобными регуляторами чаще всего оснащаются водонагреватели, масляные обогреватели, бойлеры.

• Автоматическое включение обогрева.
• Герметичность.
• Невысокая цена.

Минусы этих приборов:

• Низкая функциональность.
• Сложность добиться высокой точности регулирования.

Специфика электронных терморегуляторов

Электронные устройства очень распространены, они эксплуатируются с многими электрообогревателями. Обычно ими оборудуют общие отопительные системы и кондиционирования, а также тёплые полы.

Главные составляющие части:

• Выносной термодатчик.
• Контроллер — устройство, устанавливающее конкретный уровень температуры в доме, а также создающее команды включения и отключения нагревателя.
• Электронный ключ – контактная группа.

Датчик прибора отправляет данные о температуре контроллеру, который обрабатывает полученный сигнал и решает, требуется снижать или повышать температуру.

Виды электронных термостатов:

• Обычные терморегуляторы . В этих приборах можно выставлять желаемые пределы температуры либо точную температуру, которая будет сохраняться. Устройства оборудованы электронным дисплеем.
• Цифровые терморегуляторы :
  С закрытой логикой. Устройства имеют неизменный алгоритм работы. Регулирование выполняется при помощи передачи команд по указанным параметрам конкретным приборам, которые были установлены заранее. Параметры задаются заранее в зависимости от нужд используемых приборов для определённой температуры. Корректировка программы этих регуляторов практически неосуществима, можно только менять основные параметры. Но именно эти термостаты наиболее часто применяют в быту.
  С открытой логикой. Эти аппараты контролируют точный процесс обогрева помещений. Имеют расширенные настройки, благодаря чему можно поменять их алгоритм работы. Управляются кнопками или сенсорной панелью. Путём этих устройств можно включать либо отключать обогревательные системы в строго заданное время. Но их перепрограммированием должны заниматься специалисты. Эти регуляторы применяют чаще на производстве и в промышленности, чем в быту.

Программируемые термостаты удобно эксплуатировать, они открывают широкие возможности для тонкой настройки приборов на нужные температурные показатели, зависящие от требований отдельных зон помещений.

Достоинства:

• Широкий диапазон регулировок.
• Разнообразие дизайнерских решений.
• Экономия электроэнергии.
• Высокая точность.
• Эффективность.
• Безопасность при эксплуатации.

Также терморегуляторы просты в управлении и имеют не высокую стоимость, только эти два плюса не касаются регуляторов с открытой логикой. Электронные регуляторы нередко являются составной частью системы умного дома.

Хочу рассказать о создании несложного устройства, которое сильно облегчило жизнь домашним обитателям - автоматический регулятор температуры газовой колонки. Подобные устройства уже создавались и описывались здесь на хабре, хотелось сделать чуть более продвинутый девайс и подробно описать весь процесс создания от задумки и измерения до реализации, без использования готовых модулей типа Arduino. Устройство будет собрано на макетной плате, язык программирования - C. Это моя первая разработка законченного (и работающего!) устройства.

1. Исходные данные

Мы живем на съёмной квартире, которая обладает одним очень неприятным свойством: в доме нет горячей воды, холодная вода нагревается на месте при помощи нагревателя (Водонагреватель Проточный Газовый - ВПГ ), который расположен на кухне. Во время принятия душа если происходит очередной скачок давления - приходится голышом шлепать до колонки или звать кого-нибудь. Интегрировать полноценный «умный дом» возможности нет, поэтому решено было внедрить автоматическое регулирование нагревателя. К слову, довольно быстро нашел несколько похожих решений, например , а значит проблема моя известна и решена в своем виде.

Модель ВПГ: Vector lux eco 20-3 (китай)
Давление воды: около 1.5 кгс/см² (давление низкое, нагреватель работает чуть выше допустимого предела)

Требования к решению

• Простота
• ПИД-регулятор или его подобие
• Возможность выбора поддерживаемой температуры
• Отображение текущих параметров
• Решение вопросов безопасности устройства

Архитектура системы

После некоторых размышлений архитектура устройства была набросана следующим образом:

• Сервопривод (непосредственно в теле ВПГ)
• Термодатчик штатный ВПГ
• Блок усиления сигнала термодатчика и стабилизатор питания сервопривода (непосредственно в теле ВПГ)
• Блок управления (внешний)

Далее опишу процесс разработки в хронологическом порядке.

2. Сервопривод

Так как профессия у меня программная и механика всегда оставалась самой сложной частью - начать решил с неё. Надо сказать что к первому этапу долго не мог собраться, ВПГ очень боязно было трогать, но очередной перепадок давления вынудил меня начать.

Разобрав колонку и осмотревшись - нашёл места для установки сервомашинки TowerPro MG995, как-то давно заказанной «на сдачу» на aliexpress.

Для устранения люфта привода тяг сделал одну тягу подпружиненной. Люфт был полностью устранен, но выяснилась другая проблема - сервомашинка с моментом > 10 кг*см оказалась слишком дерзкой для ВПГ. При включении переходные процессы в электронике машинки вызывают рывок в рандомное положение и через пару холостых включений тяга оказалась погнутой! Силумин колонки точно не выдержит такого обращения. Так же вызывала нарекания геометрия качалки, которая была не на оси регулятора - что приводило к нелинейности регулировки. Финальный вид узла привода дросселя:

Узел переделан - использованы пружины от ВАЗ (от карбюратора - куплены в магазине автозапчастей) и качалка теперь на геометрической оси вала. Такая конструкция имеет небольшой люфт, но зато линейна в регулировке и может демпфировать бешенство рулевой машинки. Углы выставлены на оптимальные значения для регулировки в наиболее востребованных положениях регулятора.

3. Блок датчиков ВПГ

Терморезистор ВПГ меняет своё сопротивление в пределах 20..50 КОм, использовать напрямую в качестве делителя проблематично - получим низкую точность измерения. Но как оказалась на практике - при повышении питающего напряжения до 12В можно без проблем получить приемлемый диапазон выходного сигнала - только использовать ОУ в режиме повторителя (при необходимости можно поменять коэффициент усиления) для изоляции делителя от нагрузки. Схема блока внутри ВПГ:

Делитель R2 и термодатчик колонки формирует сигнал с напряжением 1.4..4.96 В в полном диапазоне измерений (на практике - 20..60 градусов цельсия). Изначально разработал мостовую схему - которая может компенсировать уход источника питания, но была отброшена из-за того что источник питания влиял слабо, а первый пункт «ТЗ» был - «простота». Операционный усилитель обеспечивает развязку делителя и нагрузки. Стабилитрон D1 ограничивает выходное напряжение на уровне 5.1 В для случаев отсоединения датчика (в противном случае на выходе было бы 12В - что смертельно опасно для контроллера) - что схемой контроллера будет считаться безусловной ошибкой. Интегральный стабилизатор 7805 питает сервомашинку - решение неудачное, при стопоре машинки он ужасно нагревается и думаю может выйти из строя при клине привода (если не сработает встроенная защита). Более на этом блоке не буду заострять внимание.

4. Контроллер

Контроллер собран на базе ИМС Atmega8 в dip-корпусе.

Тактирование - внутренний осцилятор на 8 МГц. Питание - ещё один 7805 на плате. Индикация через стандартный LCD1602 дисплей. Схема блока:

Управление питанием блока осуществляется от колонки через транзистор - используя малогабаритное реле. Сигнал термодатчика (Контакт №4 разьема) имеет подтяжку на землю и при отсоединении датчика во время работы покажет очень высокую температуру - что приведет к уменьшению регулятора и не вызовет опасных ситуаций. Собранный блок:

4. Испытания и регулировка

Для отработки ПИД-регулятора была написана модель ВПГ на Qt. На ней были отработаны основные моменты и ситуации работы нагревателя - старт холодный/горячий, перепады давления. Для снятия характеристик был добавлен UART-разьем на плату контроллера, куда раз в секунду отправлялись данные о показателях - текущая температура, положение дросселя и т.д.

При испытаниях выявилось следующее:

• Очень большая инерция ВПГ от начала воздействия до реакции на термодатчике - порядка 30 секунд
• Округление до градуса в микропрограмме контроллера - плохая идея, алгоритм может работать более точно

Результаты измерения и калибровки термодатчика, Зависимость можно считать условно-линейной:

Первые прогоны в программе отрисовки телеметрии от колонки:

(забыл на графики добавить легенду. Здесь и далее - красный - температура датчика, зеленый пунктирный - положение дросселя, синий - желаемая юзером температура)

Почти удачная регулировка

Удачные варианты коэффициентов

Неплохой вариант старта

Первые прогоны показали основные параметры системы, дальше уже не составило труда замерить их и настроить по ускоренной формуле , параметры подбирал долго и мучительно. Полностью от колебаний избавится не удалось, но колебания в пределах 1 градуса считаются приемлемыми. Принятый вариант:

В процессе подбора интегральый коэффициент пришлось полностью отключить, думаю что это из-за большой инерции системы. Итоговые коэффициенты:

Float Pk = 0.2; float Ik = 0.0; float Dk = 0.2;

5. Корпусирование

Устройство собрано в пластмассовом корпусе распределительной коробки.

И в таком виде работает.

6. Безопасность использования

Важный вопрос, которым задавался с самого начала.Пройдемся по основным пунктам.

Гальваническая развязка цепей колонки и регулятора

Что будет если блок питания 12В закоротит и на цепи датчика окажется 220 вольт? Не вызовет это подачу газа в колонку. Как оказалось - не вызовет - в колонке имеется два уровня подачи газа - электромагнитный клапан контроллера и механический клапан воды. Открыть только соленоид мало - газ не поступит без тока воды.

Отключение или отрыв датчика внутри ВПГ

При отключении терморезистора от блока внутри ВПГ на выходе будет генерироваться сигнал 0xFF (5.1В) что проверяется программой как ошибка, контроллер останавлиает выполнение программы, сервопривод выставляется на минимум.

Отключение или отрыв датчика от контроллера

В этом случае генерируется большая температура (подтяжка линии датчика к земле) что приведет к выводу привода в минимальное значение, что так же безопасно для юзера.

Электронно-механическая защита ВПГ

Цени защиты ВПГ остаются функционировать в штатном режиме, в случае кипения/перегрева/датчика тяги колонки штатные системы должны отключить её.

Температура является показателем термодинамического состояния объекта и используется как выходная координата при автоматизации тепловых процессов. Характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно и требуется тщательный анализ характеристик каждого конкретного процесса.

Регулирование температуры в инженерных системах производится значительно чаще, чем регулирование каких-либо других параметров. Диапазон регулируемых температур невелик. Нижний предел этого диапазона ограничен минимальным значением температуры наружного воздуха (-40 °С), верхний - максимальной температурой теплоносителя (+150 °С).

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и измерителей (датчиков) температуры. Поэтому одной из основных задач при создании АСР температуры является уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим в качестве примера, характеристики наиболее распространенного в инженерных системах манометрического термометра в защитном чехле (рис. 5.1). Структурную схему такого термометра можно представить в виде последовательного соединения четырех тепловых емкостей (рис. 5.2): защитного чехла /, воздушной прослойки 2 , стенки термометра 3 и рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением каждого слоя, то уравнение теплового баланса для каждого элемента этого прибора можно записать в виде

G,Cpit, = а п? Sj і (tj _і - tj) - a i2 S i2 (tj - Сн), (5.1)

где Gj- масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; C pj - удельная теплоемкость; tj - температура; a,i, а /2 - коэффициенты теплоотдачи; S n , S i2 - поверхности теплоотдачи.

Рис. 5.1. Принципиальная схема манометрического термометра:

• 1 - защитный чехол; 2 - воздушная прослойка; 3 - стенка термометра;
• 4 - рабочая жидкость

Рис. 5.2.

Как видно из уравнения (5.1), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются;

• повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более предпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;
• уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;
• уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкости, металлической стружки); у термопар рабочий спай припаивается к корпусу защитного чехла;
• выбор типа первичного преобразователя: например, при выборе необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей - манометрический термометр.

Каждая АСР температуры в инженерных системах создается для вполне конкретной цели (регулирования температуры воздуха в помещениях, тепло- или холодоносителя) и, следовательно, предназначена для работы в очень небольшом диапазоне. В связи с этим условия применения той или иной АСР определяют устройство и конструкцию как датчика, так и регулятора температуры. Например, при автоматизации инженерных систем широко применяются регуляторы температуры прямого действия с манометрическими измерительными устройствами. Так, для регулирования температуры воздуха в помещениях административных и общественных зданий при использовании эжекционных и вентиляторных доводчиков трехтрубной схемы тепло- и холодоснаб-жения применяют регулятор прямого действия прямого типа РТК (рис. 5.3), который состоит из термосистемы и регулирующего клапана. Термосистема, пропорционально перемещающая шток регулирующего клапана при изменении температуры рециркуляционного воздуха на входе в доводчик, включает чувствительный элемент, задатчик и исполнительный механизм. Эти три узла соединены капиллярной трубкой и представляют единый герметичный объем, заполненный термочувствительной (рабочей) жидкостью. Трехходовой регулирующий клапан управляет подачей горячей или холодной воды к теплообменнику эжекционного

Рис. 5.3.

а - регулятор; б - регулирующий клапан; в - термосистема;

• 1 - сильфон; 2 - задатчик; 3 - ручка настройки; 4 - корпус;
• 5, 6 - регулирующие органы соответственно горячей и холодной воды; 7 - шток; 8 - исполнительный механизм; 9 - чувствительный элемент

доводчика и состоит из корпуса и регулирующих органов. С повышением температуры воздуха рабочая жидкость термосистемы увеличивает свой объем и сильфон клапана перемещает шток и регулирующий орган, закрывая прохождение горячей воды через клапан. При увеличении температуры на 0, 5-1 °С регулирующие органы остаются неподвижными (проходы горячей и холодной воды закрыты), а при более высокой температуре открывается лишь проход холодной воды (проход горячей воды остается закрытым). Заданная температура обеспечивается вращением ручки настройки, связанной с сильфоном, который изменяет внутренний объем термосистемы. Регулятор может быть настроен на температуру в диапазоне от 15 до 30 °С.

При регулировании температуры в водо-и пароводных подогревателях и охладителях используются регуляторы типа РТ, которые незначительно отличаются от регуляторов типа РТК. Их основная особенность - совмещенное исполнение термобаллона с задатчиком, а также использование двухседельного клапана в качестве регулирующего органа. Такие манометрические регуляторы выпускаются на несколько 40-градусных диапазонов в пределах от 20 до 180 °С с диаметром условного прохода от 15 до 80 мм. В связи с наличием в этих регуляторах большой статической ошибки (10 °С) их не рекомендуется применять для высокоточного регулирования температуры.

Манометрические термосистемы используются также в пневматических П-регуляторах, широко применяемых для регулирования температуры в инженерных системах кондиционирования воздуха и вентиляции (рис. 5.4). Здесь при изменении температуры изменяется давление в термосистеме, которое через сильфон действует на рычаги, передающие усилие на шток пневмореле и мембрану. При равенстве текущей температуры с заданной вся система находится в равновесии, оба клапана пневмореле, питающий и стравливающий, закрыты. При увеличении давления на шток начинает открываться питающий клапан. К нему подведено давление от сети питания сжатым воздухом, в результате чего в пневмореле образуется давление управления, возрастающее от 0, 2 до 1 кгс/см 2 пропорционально увеличению температуры контролируемой среды. Этим давлением приводится в действие исполнительный механизм.

Для автоматического регулирования температуры воздуха в помещениях начали широко использоваться термостатические клапаны американской фирмы Honeywell и радиаторные терморегуляторы (термостаты) RTD, выпускаемые московским филиалом

Рис. 5.4.

с манометрической термосистемой:

• 1 - шток пневмореле; 2 - узел неравномерности; 3, 9 - рычаги;
• 4, 7 - винты; 5 - шкала; 6 - гайка; 8 - пружина; 10 - сильфон;
• 11 - мембрана; 12 - пневмореле; 13 - термобаллон; 14 - питающий

клапан; 15 - стравливающий клапан

датской фирмы Danfoss, необходимая температура задается поворотом настроенной рукоятки (головки) с указателем от 6 до 26 °С. Понижение температуры на 1 °С (например, с 23 до 22 °С) позволяет экономить 5-7% тепла, потребляемого на отопление. Термостаты RTD позволяют избежать перегрева помещений в переходный и другие периоды года и обеспечить минимально необходимый уровень отопления в помещениях с периодическим проживанием людей. Кроме этого, радиаторные терморегуляторы RTD обеспечивают гидравлическую устойчивость для двухтрубной системы отопления и возможность ее регулировки и увязки в случае ошибок при монтаже и проектировании без использования дроссельных шайб и других конструктивных решений.

Терморегулятор состоит из регулирующего клапана (корпуса) и термостатического элемента с сильфоном (головки). Соединение корпуса и головки производится с помощью накидной гайки с резьбой. Для удобства монтажа на трубопровод и присоединения терморегулятора к отопительному прибору он комплектуется накидной гайкой с резьбовым ниппелем. Температура в помещении поддерживается путем изменения расхода воды через отопительный прибор (радиатор или конвектор). Изменение расхода воды происходит за счет перемещения штока клапана сильфоном, заполненным специальной смесью газов, изменяющих свой объем даже при незначительном изменении температуры окружающего сильфон воздуха. Удлинению сильфона при повышении температуры противодействует настроечная пружина, усилие которой регулируется поворотом рукоятки с указателем желаемого значения температуры.

Для лучшего соответствия любым системам отопления выпускаются два типа корпусов регулятора: RTD-G с малым сопротивлением для однотрубных систем и RTD-N с повышенным сопротивлением для двухтрубных систем. Корпуса изготавливаются для прямого и углового клапанов.

Термостатические элементы регуляторов изготавливаются в пяти вариантах: со встроенным датчиком; с дистанционным датчиком (длина капиллярной трубки 2 м); с защитой от неумелого использования и воровства; с ограничением диапазона настройки до 21 °С. В любом исполнении термостатический элемент обеспечивает ограничение настроенного диапазона температур или фиксации на требуемой температуре воздуха в помещении.

Срок эксплуатации регуляторов RTD 20-25 лет, хотя в гостинице «Россия» (Москва) зарегистрирован срок службы 2000 регуляторов более 30 лет.

Регулирующий прибор (погодный компенсатор) ECL (рис. 5.5) обеспечивает поддержание температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха по соответствующему конкретному ремонту и конкретному объекту отопительному графику. Прибор воздействует на регулирующий клапан с электроприводом (при необходимости - и на циркуляционный насос) и позволяет осуществлять следующие операции:

• поддержание расчетного отопительного графика;
• ночное снижение температурного графика по недельным (интервал 2 ч) или 24-часовым (интервал 15 мин) программируемым часам (в случае электронных часов интервал 1 мин);
• натоп помещения в течение 1 ч после ночного снижения температуры;
• подключение через релейные выходы регулирующего клапана и насоса (или 2 регулирующих клапанов и 2 насосов);

Рис. 5.5. Погодный компенсатор ЕС/. с настройкой,

доступной потребителю:

1 - программируемые часы с возможностью задания периодов работы комфортной или пониженной температуры по суточному или недельному циклу: 2 - параллельное перемещение графика температуры в системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха (отопительного графика): 3 - переключатель режимов работы; 4 - место для инструкции по эксплуатации: 5 - сигнализация включения, текущего режима работы,

аварийных режимов;

О - отопление отключено, поддерживается температура, предотвращающая замерзание теплоносителя в системе отопления;) - работа с пониженной температурой в системе отопления; © - автоматическое переключение с режима комфортной температуры на режим с пониженной температурой и обратно в соответствии с заданием на программируемых часах;

О - работа без понижения температуры по суточному или недельному циклу; - ручное управление: регулятор выключен, циркуляционный насос включен постоянно, управление клапаном производится вручную

• автоматический переход из летнего режима в зимний и обратно по заданной температуре наружного воздуха;
• прекращение ночного снижения температуры при понижении наружных температур ниже заданного значения;
• защиту системы от замораживания;
• коррекцию отопительного графика по температуре воздуха в помещении;
• переход на ручное управление приводом клапана;
• максимальные и минимальные ограничения температуры воды на подаче и возможность фиксированного или пропорцио-

нального ограничения температуры обратной воды в зависимости от температуры наружного воздуха;

• самотестирование и цифровую индикацию значений температур всех датчиков и состояний клапанов и насосов;
• установку зоны нечувствительности, зоны пропорциональности и времени накопления;
• возможность работы по накопленным за заданный период или текущим значениям температур;
• задание коэффициента тепловой устойчивости здания и задание влияния отклонения температуры обратной воды на температуру воды на подаче;
• защиту от образования накипи при работе с газовым котлом. В схемах автоматизации инженерных систем используются

также биметаллические и дилатометрические терморегуляторы, в частности электрический двухпозиционный и пневматический пропорциональный.

Электрический биметаллический датчик предназначен в основном для двухпозиционного регулирования температуры в помещениях. Чувствительным элементом этого прибора является биметаллическая спираль, один конец которой закреплен неподвижно, а другой свободен и удовлетворяет подвижным контактам, замыкающимся или размыкающимся с неподвижным контактом в зависимости от текущего и заданного значений температуры. Заданную температуру устанавливают поворотом шкалы настройки. В зависимости от диапазона настройки терморегуляторы выпускаются в 16 модификациях с общим диапазоном настройки от -30 до + 35 °С, причем каждый регулятор имеет диапазон 10, 20 и 30 °С. Погрешность срабатывания ±1 °С на средней отметке и до ±2, 5 °С на крайних отметках шкалы.

Пневматический биметаллический регулятор в качестве преобразователя-усилителя имеет сопло-заслонку, на которую действует усилие биметаллического измерительного элемента. Эти регуляторы выпускаются 8 модификаций, прямого и обратного действия с общим диапазоном настройки от +5 до +30 °С. Диапазон настройки каждой модификации 10 °С.

Дилатометрические регуляторы устроены на использовании разности коэффициентов линейного расширения инварного (железоникелевый сплав) стержня и латунной или стальной трубки. Эти терморегуляторы по принципу действия регулирующих устройств не отличаются от подобных регуляторов, использующих манометрическую измерительную систему.