Реле температуры
Реле температуры: принцип действия, типы, конструкция и применение
Реле температуры (термореле, термостаты, температурные контроллеры) – это коммутационные аппараты, предназначенные для автоматического контроля и поддержания температуры в заданных пределах путем замыкания или размыкания электрической цепи. Их основная функция – преобразование изменения температуры контролируемой среды (воздуха, жидкости, поверхности) в механическое перемещение исполнительного органа, управляющего контактами. Принцип работы основан на физических свойствах материалов изменять свои геометрические размеры или электрические характеристики под воздействием тепла.
Принципы действия и типы чувствительных элементов
Конструкция и работа реле температуры определяются типом используемого чувствительного элемента.
Биметаллические реле
Наиболее распространенный тип. Чувствительный элемент изготавливается из двух металлических пластин с разными коэффициентами линейного расширения, прочно соединенных между собой. При нагреве пластина изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом расширения. Это механическое движение через систему рычагов непосредственно или с задержкой воздействует на группу электрических контактов, вызывая их переключение. Биметаллические пластины могут быть прямолинейными, U-образными или спиральными (для увеличения хода). Основные достоинства: простота, надежность, независимость от источника питания, низкая стоимость. Недостатки: относительно невысокая точность, возможна необходимость периодической калибровки.
Реле с термобаллоном (капиллярные)
Состоят из термобаллона (чувствительного элемента), капиллярной трубки и сильфонной (мембранной) или сильфонно-рычажной коробки, соединенных в герметичную систему, заполненную рабочим веществом (жидкостью, газом, парожидкостной смесью). При изменении температуры в термобаллоне изменяется давление рабочего вещества, которое по капилляру передается на сильфон. Сильфон деформируется и через передаточный механизм воздействует на контакты. Преимущества: возможность дистанционного контроля (длина капилляра до 10-20 м), высокая мощность переключения, стойкость к вибрациям. Применяются в холодильных установках, системах отопления, для контроля температуры жидкостей.
Электронные реле температуры (термоконтроллеры)
Используют в качестве датчика полупроводниковые термисторы (NTC, PTC), термосопротивления (RTD, например, Pt100, Pt1000) или термопары. Изменение сопротивления или термо-ЭДС датчика преобразуется электронной схемой в цифровой или аналоговый сигнал, который сравнивается с уставкой. При достижении порогового значения выходное реле (электромагнитное или твердотельное) коммутирует нагрузку. Обеспечивают высокую точность (до ±0.1°C), программируемость, цифровую индикацию, несколько уставок и выходов, интерфейсы связи. Требуют внешнего питания.
Основные технические характеристики и параметры выбора
При подборе реле температуры необходимо учитывать комплекс взаимосвязанных параметров.
| Параметр | Описание и типовые значения |
|---|---|
| Диапазон регулирования температуры | Область температур, в пределах которой можно установить порог срабатывания. Например: -30…+50°C (для холодильных камер), 0…120°C (для систем отопления), 200…600°C (для промышленных печей). |
| Точность поддержания температуры (зона нечувствительности, дифференциал) | Разность между температурой включения и выключения реле. Для биметаллических реле обычно 1-10°C, для электронных может настраиваться от 0.1°C. |
| Уставка (задание) | Температура, при которой должно происходить срабатывание. Может быть фиксированной или регулируемой. |
| Коммутационная способность контактов | Максимальные ток и напряжение, которые могут коммутировать выходные контакты реле. Указывается для активной и реактивной нагрузки. Например: 16А 250В AC, 10А 30В DC. |
| Вид выходного сигнала | Одно- или двухпозиционный контакт (НО, НЗ, перекидной), транзисторный выход (NPN/PNP), симисторный выход, аналоговый сигнал (0-10В, 4-20 мА). |
| Степень защиты (IP) | Определяет защиту от пыли и влаги. Для установки в щиты – IP20, для монтажа в цехах – IP40-IP54, для наружной установки – IP65 и выше. |
| Напряжение питания (для электронных) | Напряжение, необходимое для работы контроллера. Типовые значения: 24В AC/DC, 110-230В AC. |
| Тип и длина чувствительного элемента | Биметаллическая пластина, капилляр (1м, 2м, 5м), выносной датчик (термопара, термосопротивление). |
| Климатическое исполнение | Диапазон температур окружающей среды, при котором реле сохраняет работоспособность. |
Конструктивное исполнение и способы монтажа
- Встраиваемые (щитовые): Предназначены для монтажа на DIN-рейку в распределительный шкаф. На лицевой панели располагаются органы управления и индикации. Наиболее распространенный тип для электронных контроллеров.
- Накладные (корпусные): Имеют собственный защитный корпус (часто пластиковый или металлический) и клеммную колодку. Монтируются непосредственно на объекте контроля, например, на стене помещения или на корпусе оборудования.
- С выносным датчиком: Блок управления устанавливается в удобном месте, а датчик температуры размещается непосредственно в контролируемой среде. Крепление датчика может быть погружным, накладным (с контактной пастой) или воздушным.
- Компактные (биметаллические): Небольшие устройства, часто в круглом или прямоугольном корпусе, с контактной группой и регулировочным винтом. Устанавливаются непосредственно в электрооборудование (например, в электродвигатели для защиты от перегрева).
- Контроль температуры теплоносителя в котлах, бойлерах, тепловых пунктах.
- Управление циркуляционными насосами в зависимости от температуры в обратном трубопроводе.
- Защита от замерзания трубопроводов, резервуаров, вентиляционных камер.
- Термостаты для управления электрокотлами, тепловыми завесами, калориферами, фанкойлами.
- Регулирование температуры в системах приточного воздуха и рекуператорах.
- Защита электродвигателей от перегрева обмоток (встраиваемые биметаллические реле или датчики PTC в сочетании с монитором).
- Контроль температуры в промышленных печах, сушильных камерах, термопластавтоматах, экструдерах.
- Температурный мониторинг подшипников крупных механизмов, редукторов, трансформаторов.
- Управление процессами нагрева и охлаждения в химической, пищевой, металлургической отраслях.
- Регулирование температуры в холодильных и морозильных камерах, витринах, чиллерах.
- Запуск и остановка компрессоров, управление соленоидными клапанами, вентиляторами испарителей.
- Неправильное подключение датчика: Несоблюдение схемы подключения для 2, 3, 4-проводных RTD.
- Повреждение датчика или кабеля: Обрыв или короткое замыкание.
- Влияние наводок: Прокладка сигнального кабеля датчика вместе с силовыми проводами. Необходимо использовать экранированный кабель и правильно подключать экран.
- Несоответствие типа датчика настройкам контроллера (например, выбран тип J, а подключена термопара K).
- Подгорание и прилипание контактов из-за коммутации токов, превышающих номинальный, или частых коммутаций.
- Механический износ подвижных частей и ослабление пружин.
- Потеря герметичности капиллярной системы в реле с термобаллоном.
- Необратимая деформация биметаллической пластины при длительном перегреве выше расчетного.
Сферы применения и схемы подключения
Реле температуры являются ключевыми элементами систем автоматизации и защиты.
1. Теплоэнергетика и отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (ОВКВ)
2. Промышленность
3. Холодильная техника
Типовая схема подключения
Для простейшего биметаллического термостата на управление нагревателем: Фаза (L) подается на общий контакт реле. Нормально-разомкнутый (НО) контакт реле соединяется с одним из контактов нагревательного элемента (ТЭНа). Второй контакт ТЭНа соединяется с нейтралью (N). При достижении заданной температуры контакты размыкаются, отключая нагрев. При охлаждении ниже порога (с учетом дифференциала) контакты замыкаются вновь. Для электронных контроллеров схема включает также подключение блока питания и датчика температуры согласно инструкции (2, 3 или 4-проводная схема для RTD).
Сравнительный анализ типов реле температуры
| Критерий | Биметаллическое | Капиллярное | Электронное |
|---|---|---|---|
| Точность | Низкая/Средняя | Средняя | Высокая/Очень высокая |
| Наличие дистанционного датчика | Нет (чаще всего) | Да (капилляр) | Да (электронный датчик) |
| Зависимость от электропитания | Нет | Нет | Да |
| Стоимость | Низкая | Средняя | Средняя/Высокая |
| Функциональность | Одна уставка, фиксированный дифференциал | Одна уставка, регулируемый или фиксированный дифференциал | Множество уставок, программируемый дифференциал, таймеры, интерфейсы |
| Стойкость к помехам и вибрациям | Средняя | Высокая | Зависит от исполнения |
| Типичное применение | Защита двигателей, простые термостаты | Холодильники, системы отопления, контроль жидкостей | Промышленные установки, системы климат-контроля, сложные технологические процессы |
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается термостат от терморегулятора?
В профессиональной среде термины часто используются как синонимы. Однако иногда под термостатом понимают двухпозиционное устройство (вкл/выкл) для поддержания температуры в диапазоне, а под терморегулятором – устройство, способное обеспечивать плавное регулирование мощности (например, с помощью ШИМ или тиристорного управления). В большинстве же случаев это одно и то же.
Как правильно выбрать длину и тип погружной гильзы для датчика?
Длина погружной гильзы (арматуры) должна обеспечивать достаточную глубину погружения чувствительного элемента в среду для исключения влияния стенок резервуара или трубопровода. Минимальная глубина – не менее 40-50 мм для жидкостей и 60-80 мм для газов. Материал гильзы (нержавеющая сталь, латунь, медь) должен быть химически стойким к контролируемой среде и выдерживать давление и температуру.
Что такое гистерезис (дифференциал) и как его настроить?
Гистерезис – это разность между температурой включения и выключения реле. Например, при уставке +20°C и гистерезисе 2°C, реле включит нагрузку при +18°C и выключит при +20°C. Настройка дифференциала предотвращает слишком частые срабатывания (тактовку) при колебаниях температуры вокруг уставки. В механических реле он часто фиксирован (3-5°C) или регулируется отдельным винтом. В электронных задается в меню параметров.
Почему электронное реле температуры показывает некорректное значение?
Как осуществляется защита реле от ложных срабатываний при индуктивной нагрузке?
При коммутации катушек контакторов, соленоидов, электромагнитных клапанов возникают перенапряжения и искрение, сокращающие срок службы контактов. Для защиты применяют:
RC-цепочки (варисторы), подключаемые параллельно нагрузке.
Защитные диоды для постоянного тока.
Использование реле с усиленными или твердотельными выходами, рассчитанными на индуктивную нагрузку.
Каковы основные причины выхода из строя механических термореле?
Заключение
Реле температуры представляют собой обширный класс аппаратуры, обеспечивающей безопасность, энергоэффективность и автоматизацию технологических процессов. От правильного выбора типа, точной настройки и грамотного монтажа зависит надежность работы всей системы. Современный тренд – постепенное замещение электромеханических устройств электронными программируемыми контроллерами, которые, несмотря на более высокую стоимость и требовательность к питанию, предоставляют непревзойденную точность, гибкость и возможности интеграции в системы верхнего уровня АСУ ТП. При этом простые и надежные биметаллические и капиллярные реле сохраняют свою актуальность в огромном спектре применений, где не требуется высокая функциональность.