Temperatursensoren für die Heizung: Funktion, Arten, Installationsanleitung

Beim Betrieb von Heizgeräten muss der Erwärmungsgrad des Wärmeträgers sowie der Raumluft kontrolliert werden. Temperatursensoren für die Heizung helfen, Informationen zu erfassen und zu übertragen; die Daten können visuell abgelesen oder direkt an eine Steuerung gesendet werden.

Wir laden Sie ein, zu verstehen, wie Temperatursensoren funktionieren, welche Arten von Überwachungsgeräten es gibt und welche Parameter bei der Auswahl eines Geräts zu beachten sind. Außerdem haben wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung vorbereitet, die Ihnen hilft, den Temperatursensor selbst an einem Heizkörper zu installieren.

Funktionsprinzip eines Wärmesensors

Das Heizsystem kann auf verschiedene Weise überwacht werden, darunter:

• automatische Geräte für die zeitgerechte Energieversorgung;
• Sicherheitsüberwachungseinheiten;
• Mischgruppen.

Für das korrekte Funktionieren all dieser Gruppen sind Temperatursensoren erforderlich, die Signale über den Betrieb der Geräte liefern. Die Beobachtung der Messwerte dieser Sensoren ermöglicht es, Störungen im System rechtzeitig zu erkennen und Maßnahmen zur Behebung zu ergreifen.

Es gibt viele Arten von Geräten zur Temperaturmessung. Sie können in das Wärmeträgermedium eingetaucht, im Raum oder außen angebracht werden.

Ein Temperatursensor kann als separates Gerät verwendet werden, z. B. zur Überwachung der Raumtemperatur, oder ein untrennbarer Teil eines komplexen Geräts wie eines Heizkessels sein.

Den in der automatisierten Steuerung verwendeten Geräten liegt das Prinzip der Umwandlung von Temperaturwerten in ein elektrisches Signal zugrunde. Dadurch können die Messergebnisse schnell in Form eines digitalen Codes über das Netzwerk übertragen werden, was eine hohe Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung gewährleistet.

Gleichzeitig können verschiedene Geräte zur Messung des Erhitzungsgrads konstruktive Besonderheiten aufweisen, die eine Reihe von Parametern beeinflussen: Arbeit in einer bestimmten Umgebung, Übertragungsmethode, Visualisierungsmethode und andere.

Arten von Temperaturmessgeräten

Temperaturmessgeräte können nach einer Reihe wichtiger Kriterien klassifiziert werden, darunter die Art der Informationsübertragung, der Ort und die Bedingungen der Montage sowie der Algorithmus der Messwerterfassung.

Nach der Art der Informationsübertragung

Gemäß der verwendeten Methode der Datenübertragung werden Sensoren in zwei große Kategorien unterteilt:

• kabelgebundene Geräte;
• drahtlose Sensoren.

Ursprünglich waren alle derartigen Vorrichtungen mit Kabeln ausgestattet, über die die Temperatursensoren mit der Steuereinheit verbunden waren und Informationen an diese übermittelten. Obwohl diese Geräte heute von drahtlosen Pendants verdrängt wurden, werden sie dennoch oft in einfachen Schaltungen eingesetzt.

Darüber hinaus zeichnen sich kabelgebundene Sensoren durch eine höhere Messgenauigkeit und Betriebssicherheit aus.

Um einen reibungslosen Betrieb eines kabelgebundenen Sensors in einem zusammengesetzten Gerät zu gewährleisten, ist es empfehlenswert, ihn mit Geräten desselben Herstellers zu kombinieren.

Heutzutage haben sich drahtlose Geräte durchgesetzt, die Daten meist über einen Funkwellensender und -empfänger übertragen. Solche Geräte können fast überall installiert werden, einschließlich in separaten Räumen oder im Freien.

Wichtige Eigenschaften solcher Temperatursensoren sind:

• Vorhandensein eines Akkus;
• Messabweichung der durchgeführten Messungen;
• Reichweite der Signalübertragung.

Drahtlose/kabelgebundene Geräte können einander vollständig ersetzen, jedoch gibt es einige Besonderheiten in ihrer Funktionsweise.

Nach Ort und Art der Platzierung

Nach der Befestigungsart werden diese Geräte in folgende Varianten unterteilt:

• Anlegefühler, die am Heizkreislauf befestigt werden;
• Tauchfühler, die mit dem Wärmeträger in Kontakt stehen;
• Raumfühler, die sich innerhalb eines Wohn- oder Betriebsraums befinden;
• Außenfühler, die sich außerhalb befinden.

In manchen Anlagen können gleichzeitig mehrere Sensortypen zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden.

Nach dem Mechanismus der Messwerterfassung

Nach der Art der Informationsanzeige können die Geräte sein:

• bimetallisch;
• alkoholbasiert.

Bei der ersten Variante werden zwei Platten aus unterschiedlichen Metallen sowie ein Zeigerindikator verwendet. Bei steigender Temperatur verformt sich eines der Elemente und übt Druck auf den Zeiger aus. Die Messwerte solcher Geräte zeichnen sich durch eine gute Genauigkeit aus, jedoch ist ihr großer Nachteil die Trägheit.

Bimetall- und Alkoholthermostate werden häufig an Heizgeräten wie Kesseln installiert. Sie ermöglichen die Überwachung der Erwärmung, deren Überschreitung fatale Folgen haben kann.

Dieser Nachteil ist bei Sensoren, deren Funktionsweise auf der Verwendung von Alkohol basiert, fast vollständig behoben. Dabei wird eine alkoholhaltige Lösung in eine dicht verschlossene Glaskolben gefüllt, die sich bei Erwärmung ausdehnt. Die Konstruktion ist recht einfach und zuverlässig, jedoch für Beobachtungen nicht sehr geeignet.

Verschiedene Arten von Temperatursensoren

Zur Temperaturmessung werden Geräte mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien verwendet. Zu den am häufigsten nachgefragten zählen die nachfolgend aufgeführten Geräte.

Thermoelemente: Genaues Erfassen – Interpretationsschwierigkeit

Eine solche Vorrichtung besteht aus zwei miteinander verschweißten Drähten aus verschiedenen Metallen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Ende erzeugt einen elektrischen Strom von 40–60 µV (der Wert hängt vom Material des Thermoelements ab).

Am häufigsten werden für die Herstellung von Thermoelementen folgende Metall- und Legierungskombinationen verwendet: Chrom-Aluminium, Eisen-Konstantan, Eisen-Nickel, Nickel-Chrom und andere.

Ein Thermoelement gilt als hochpräziser Temperatursensor, jedoch ist es recht schwierig, genaue Messwerte zu erfassen. Dazu muss die elektromotorische Kraft (EMK) unter Verwendung der Temperaturdifferenz des Geräts ermittelt werden.

Damit das Ergebnis korrekt ist, ist es wichtig, die Temperatur der kalten Lötstelle zu kompensieren, indem man beispielsweise eine Hardware-Methode anwendet, bei der ein zweites Thermoelement in eine Umgebung mit bekannter Temperatur gebracht wird.

Die softwaregestützte Kompensation beinhaltet das Platzieren eines weiteren Temperatursensors zusammen mit den kalten Lötstellen in einer Isokammer, was eine Temperaturregelung mit der gewünschten Genauigkeit ermöglicht.

Bestimmte Schwierigkeiten bereitet der Prozess der Datenerfassung vom Thermoelement aufgrund seiner Nichtlinearität. Zur Sicherstellung korrekter Messwerte werden in der Norm GOST R 8.585-2001 Polynomkoeffizienten eingeführt, die die Umrechnung der EMK in Temperatur sowie die umgekehrte Operation ermöglichen.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Messwerte in Mikrovolt erfasst werden, für deren Umwandlung handelsübliche Digitalgeräte nicht geeignet sind. Um ein Thermoelement in Konstruktionen einzusetzen, müssen präzise, mehrstellige Wandler mit minimalem Rauschpegel vorgesehen werden.

Thermistoren: Einfach und unkompliziert

Deutlich einfacher ist die Temperaturmessung mit Thermistoren, die auf dem Prinzip der Abhängigkeit des Widerstands von der Umgebungstemperatur beruhen. Derartige Vorrichtungen, beispielsweise aus Platin, bieten wichtige Vorteile wie hohe Genauigkeit und Linearität.

Als Hauptproblem derartiger Temperatursensoren kann der sehr niedrige Temperaturwiderstandskoeffizient angesehen werden, jedoch ist dieser immer noch einfacher genau zu messen als die kleinen Spannungswerte von Thermoelementen.

Ein wichtiges Merkmal des Widerstands ist der Basiswiderstand bei einer bestimmten Temperatur. Gemäß GOST 21342.7-76 wird dieser Wert bei 0 °C gemessen. Dabei wird die Verwendung einer Reihe von Widerstandswerten (Ohm) sowie T_ks – der Temperaturkoeffizient – empfohlen.

Der Wert T_ks wird nach folgender Formel berechnet:

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

Wobei:

• R_e – Widerstand bei der aktuellen Temperatur;
• R_0c – Widerstand bei 0 °C;
• T_e – aktuelle Temperatur;
• T_0c – 0 °C.

In der GOST sind auch die Temperaturkoeffizienten für verschiedene Messgeräte aus Kupfer, Nickel und Platin sowie die Polynomkoeffizienten angegeben, die zur Berechnung der Temperatur auf Basis der aktuellen Widerstandswerte verwendet werden.

Thermistor-Sensoren sind in der Elektronik- und Maschinenbauindustrie weit verbreitet, aufgrund ihrer Messgenauigkeit, Empfindlichkeit und Wartungsarmut.

Der Widerstand kann gemessen werden, indem das Gerät in einen Stromkreis eingeschlossen und die Differenzspannung gemessen wird. Die Werte können mit integrierten Schaltkreisen überwacht werden, deren analoger Ausgang gleich der Versorgungsspannung ist.

Temperatursensoren mit solchen Geräten können bedenkenlos an einen Analog-Digital-Wandler angeschlossen werden, wobei die Digitalisierung mit einem 8- oder 10-Bit-ADC erfolgt.

Digitaler Sensor für simultane Messungen

Digitale Temperatursensoren haben sich ebenfalls weit verbreitet, zum Beispiel das Modell DS18B20, dessen Betrieb mit Hilfe eines Mikrochips mit drei Ausgängen erfolgt. Dank dieses Geräts können Temperaturmesswerte gleichzeitig von mehreren parallel arbeitenden Sensoren erfasst werden, wobei die Abweichung nur 0,5°C beträgt.

Ein beliebtes Modell ist der kombinierte Temperatur-/Feuchtigkeitssensor SHT1, der Temperaturmessungen mit einer Genauigkeit von +2°C und Feuchtigkeitsmessungen mit einer Abweichung von +5 ermöglicht. Der Hersteller selbst gibt jedoch an, dass es genauere und wirtschaftlichere Geräte gibt.

Zu den weiteren Vorteilen dieses Geräts zählt auch der breite Arbeitstemperaturbereich (-55 bis +125°C). Der Hauptnachteil ist jedoch die langsame Arbeitsweise: Für möglichst genaue Berechnungen benötigt das Gerät mindestens 750 ms.

Berührungslose Pyrometer (Wärmebildkameras)

Die Wirkung dieser berührungslosen Sensoren basiert auf der Erfassung der von Körpern ausgehenden Wärmestrahlung. Zur Charakterisierung dieses Phänomens wird die Energiemenge verwendet, die pro Zeiteinheit von einer Flächeneinheit emittiert wird und auf eine Einheit des Wellenlängenbereichs entfällt.

Ein solches Kriterium, das die Intensität der monochromatischen Strahlung widerspiegelt, wird als spektrale Strahldichte bezeichnet.

Es gibt folgende Arten von Pyrometern:

• Strahlungspyrometer;
• Helligkeitspyrometer (optische);
• Farbpyrometer.

Strahlungspyrometer ermöglichen Messungen im Bereich von 20-25000°C, jedoch ist für die Temperaturbestimmung der Emissionsgrad zu berücksichtigen, dessen effektiver Wert vom physikalischen Zustand des Körpers, seiner chemischen Zusammensetzung und anderen Faktoren abhängt.

Das Hauptwirkungselement des Strahlungssensors ist ein Teleskop, in dem sich eine Batterie aus einer Reihenschaltung von Thermoelementen befindet. Die Arbeitsenden dieser Geräte befinden sich auf einem mit Platin beschichteten Blättchen (+).

Helligkeitspyrometer (optische Pyrometer) sind für die Messung von Temperaturen von 500–4000 °C ausgelegt. Sie gewährleisten eine hohe Messgenauigkeit, können jedoch die Messwerte verfälschen, da die Strahlung von Körpern durch das Zwischenmedium, durch das die Beobachtungen durchgeführt werden, möglicherweise absorbiert wird.

Farbpyrometer, deren Wirkung auf der Bestimmung der Strahlungsintensität bei zwei Wellenlängen basiert – vorzugsweise im roten oder blauen Bereich des Spektrums –, werden für Messungen im Bereich von 800 bis 0 °C verwendet.

Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass die Unvollständigkeit der Strahlung keinen Einfluss auf die Messfehler hat. Darüber hinaus sind die Messwerte unabhängig von der Entfernung zum Objekt.

Quarz-Temperaturwandler (piezoelektrisch)

Zur Temperaturmessung im Bereich von −80 bis +250 °C können Quarz-Wandler (Piezoelemente) verwendet werden, deren Funktionsprinzip auf der Frequenzabhängigkeit von Quarz von der Erwärmung basiert. Die Funktion des Wandlers wird dabei durch die Lage des Schnitts relativ zu den Kristallachsen beeinflusst.

Piezoelektrische (Quarz-)Geräte werden am häufigsten in der Forschungsarbeit eingesetzt, da sie sich durch einen erweiterten Messbereich, Zuverlässigkeit und hohe Genauigkeit auszeichnen.

Piezoelektrische Sensoren zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit, hohe Auflösung aus und können über einen langen Zeitraum zuverlässig arbeiten. Solche Geräte werden häufig bei der Herstellung von digitalen Thermometern eingesetzt und gelten als eine der vielversprechendsten Vorrichtungen für zukünftige Technologien.

Rausch-(akustische) Temperatursensoren

Die Funktionsweise solcher Geräte erfolgt durch die Erfassung der akustischen Potenzialdifferenz in Abhängigkeit von der Temperatur des Widerstands.

Akustische Methoden ermöglichen die Temperaturmessung in geschlossenen Räumen und Umgebungen, in denen eine direkte Messung nicht möglich ist. Solche Geräte finden Anwendung in der Medizin, bei Unterwasserforschungen sowie in der Industrie.

Die Messmethode mit solchen Sensoren ist recht einfach: Man vergleicht die von zwei ähnlichen Elementen erzeugten Rauschsignale, von denen sich eines bei einer bekannten Temperatur und das andere bei der zu bestimmenden Temperatur befindet.

Akustische Temperatursensoren eignen sich für die Messung des Bereichs von -270 – +1100°C. Allerdings liegt die Komplexität des Prozesses im zu geringen Rauschpegel: Die vom Verstärker erzeugten Geräusche übertönen ihn manchmal.

NQR-Temperatursensoren

Das Wesen der Funktionsweise von Thermometern mit Kernquadrupolresonanz besteht in der Wirkung des Feldgradienten, der durch das Kristallgitter und das Kernmoment gebildet wird – eine Größe, die durch die Abweichung der Ladung von der Kugelsymmetrie verursacht wird.

Als Ergebnis eines solchen Phänomens entsteht eine Präzession der Kerne: Ihre Frequenz hängt vom Feldgradienten des Gitters ab. Auf die Größe dieser Größe hat auch die Temperatur einen Einfluss: Ein Anstieg der Temperatur führt zu einem Abfall der NQR-Frequenz.

Das Hauptelement solcher Sensoren ist eine Ampulle mit einer Substanz, die in eine Induktivitätsspule eingesetzt wird, die mit dem Generatorkreis verbunden ist.

Der Vorteil der Geräte ist die unbegrenzte Messdauer, Zuverlässigkeit und stabiler Betrieb. Zu den Nachteilen gehört die Nichtlinearität der Messungen, was die Notwendigkeit der Verwendung einer Transformationsfunktion mit sich bringt.

Halbleiterbauelemente

Eine Kategorie von Geräten, die auf der Grundlage von Änderungen der Eigenschaften des p-n-Übergangs durch Temperatureinfluss funktionieren. Die Spannung am Transistor ist immer proportional zur Temperatureinwirkung, was eine einfache Berechnung dieses Faktors ermöglicht.

Zu den Vorteilen solcher Geräte gehören hohe Datengenauigkeit, niedrige Kosten, Linearität der Kennlinien über den gesamten Messbereich. Die Montage solcher Geräte lässt sich bequem direkt auf einem Halbleitersubstrat durchführen, wodurch sie sich hervorragend für die Mikroelektronik eignen.

Volumenwandler zur Temperaturerfassung

Solche Geräte basieren auf dem bekannten Prinzip der Ausdehnung und Kontraktion von Stoffen, das beim Erhitzen oder Abkühlen beobachtet wird. Solche Sensoren sind recht praktisch. Sie können zur Temperaturbestimmung im Bereich von -60 – +400 °C eingesetzt werden.

Zur visuellen Überwachung der Temperatur sind die meisten Temperatursensoren in Innenräumen mit Displays ausgestattet, auf denen die aktuellen Werte angezeigt werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Messung von Flüssigkeiten mit solchen Geräten auf die Siede- und Gefriertemperatur beschränkt ist und die von Gasen auf deren Übergang in den flüssigen Zustand. Die durch Umwelteinflüsse verursachte Messunsicherheit ist bei diesen Geräten relativ gering: Sie liegt im Bereich von 1-5 %.

Auswahl von Temperatursensoren

Bei der Auswahl solcher Geräte sollten Faktoren wie die folgenden berücksichtigt werden:

• der Temperaturbereich, in dem die Messungen durchgeführt werden;
• die Notwendigkeit und Möglichkeit, den Sensor in ein Objekt oder Medium einzutauchen;
• die Bedingungen der Messung: Für Messungen in aggressiven Medien ist eine kontaktlose Variante oder ein Modell in korrosionsbeständigem Gehäuse zu bevorzugen;
• die Betriebsdauer des Geräts bis zur Kalibrierung oder zum Austausch – einige Gerätetypen (z. B. Thermistoren) fallen relativ schnell aus;
• technische Daten: Auflösung, Spannung, Signalübertragungsgeschwindigkeit, Messunsicherheit;
• die Größe des Ausgangssignals.

In manchen Fällen ist auch das Gehäusematerial des Geräts wichtig, und bei der Verwendung in Innenräumen – die Größe und das Design.

Empfehlungen zur Selbstmontage

Solche Geräte werden für verschiedene Zwecke häufig eingesetzt: Sie werden an Heizkörpern, Heizungskesseln und anderen Haushaltsgeräten installiert.

Vor Beginn der Montage ist die Anleitung sorgfältig zu lesen: Sie enthält nicht nur die Installationsmerkmale (z. B. die Maße für den Anschluss an das Rohr), sondern auch die Betriebsvorschriften und die Temperaturgrenzen, für die das Messgerät geeignet ist.

Auch die Größe der Hülse ist zu berücksichtigen, die zwischen 120 und 160 mm variieren kann.

Es werden die beiden häufigsten Fälle der Montage des Temperatursensors betrachtet.

Anschluss des Geräts an einen Heizkörper

Sie sollten nicht alle Heizgeräte mit einem Thermostat ausstatten. Gemäß den Vorschriften werden Sensoren am Heizkörper installiert, wenn deren Gesamtleistung 50 % der Wärmeabgabe ähnlicher Systeme übersteigt. Wenn in einem Raum zwei Heizgeräte vorhanden sind, wird der Thermostat nur an demjenigen installiert, der die höhere Leistung aufweist.

Der Temperatursensor ist ein wesentlicher Bestandteil von Temperaturreglern, mit denen die Erwärmung von Heizkörpern, Fußbodenheizungen und anderen Heizgeräten verringert oder erhöht werden kann.

Das Ventil des Geräts wird an der Vorlaufleitung an der Stelle installiert, an der der Heizkörper an das Heizungsnetz angeschlossen ist. Falls ein Einschleifen in den vorhandenen Kreislauf nicht möglich ist, muss die Vorlaufleitung demontiert werden, was einige Schwierigkeiten verursachen kann.

Für diesen Vorgang ist ein Rohrschneider erforderlich, während die Montage des Thermostatkopfes ohne Spezialwerkzeug leicht durchgeführt werden kann. Sobald der Sensor montiert ist, müssen nur die Markierungen am Gehäuse und am Gerät ausgerichtet werden, danach wird der Kopf durch sanften Handdruck fixiert.

Montage eines Lufttemperatursensors

Ein solches Gerät wird im kältesten Wohnraum ohne Zugluft installiert (in der Diele, Küche oder im Heizungsraum ist die Montage nicht empfehlenswert, da sie zu Störungen im System führen kann).

Bei der Standortwahl ist darauf zu achten, dass das Gerät keinem direkten Sonnenlicht ausgesetzt ist und sich keine Heizgeräte (Heizlüfter, Heizkörper, Rohre) in der Nähe befinden.

Für ein normales Heizsystem reicht ein Thermostat aus, während bei einem Kollektorsystem mehrere Sensoren verwendet werden sollten, deren Anzahl der Anzahl der Räume entspricht. Dies ermöglicht eine individuelle Temperaturregelung in den einzelnen Räumen.

Der Anschluss des Geräts erfolgt gemäß den Anweisungen im technischen Datenblatt, wobei die im Lieferumfang enthaltenen Klemmen oder Kabel verwendet werden.

Bei Bedarf der Temperaturüberwachung kann der Temperatursensor in der “Fußbodenheizung” tief im Betonestrich platziert werden. In diesem Fall kann zum Schutz ein Wellrohr mit einem geschlossenen Ende und einem abgeschrägten Bogen verwendet werden.

Diese letzte Eigenschaft ermöglicht es, bei Bedarf das defekte Gerät zu entnehmen und durch ein neues zu ersetzen.

Die Montage des Geräts erfolgt wie folgt:

1. In der Wand wird eine Vertiefung für die Befestigung des Wandgeräts angebracht.
2. Vom Temperatursensor wird das vordere Teil entfernt, danach wird das Gerät an der vorbereiteten Stelle installiert.
3. Anschließend wird das Heizkabel an die Kontakte angeschlossen, während an die Sensoren die Klemmen angeschlossen werden.

Der letzte Schritt – der Anschluss des Stromkabels und das Einsetzen der Frontplatte an ihren Platz.

Der Anschlussplan des Thermostats für den Heizkessel wird in diesem Artikel ausführlich beschrieben.

Wenn das Gerät, für dessen Funktionalität der interne Anschluss der Sensoren erforderlich ist, eine komplexe Konstruktion aufweist, ist es besser, sich an Fachleute zu wenden.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Im folgenden Video wird ausführlich erklärt, wie die Installation von Temperaturgeräten an einem Heizkessel durchgeführt wird:

Unterscheidet sich die Montage der Sensoren an Vor- und Rücklaufrohren:

Temperatursensoren werden sowohl in verschiedenen Industriebereichen als auch für Haushaltszwecke häufig eingesetzt. Eine große Auswahl solcher Geräte, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren, ermöglicht es, die optimale Lösung für die jeweilige Aufgabe zu finden.

In Häusern und Wohnungen werden solche Geräte am häufigsten zur Aufrechterhaltung einer angenehmen Raumtemperatur sowie zur Regelung von Heizsystemen – Heizkörper, Fußbodenheizung – eingesetzt.

Haben Sie Ergänzungen oder Fragen zur Auswahl und Installation eines Temperatursensors? Sie können Kommentare zum Beitrag hinterlassen, an Diskussionen teilnehmen und Ihre eigenen Erfahrungen mit solchen Geräten teilen. Das Kontaktformular befindet sich im unteren Block.