深入了解温度开关：技术原理与应用领域

What does a temperature switch do?

温度开关专为在各种系统和应用中控制和监测温度而设计。当温度超过或低于特定阈值时，它们会切换电气触点，从而防止过热或确保充分加热。

What is the principle behind mechanical temperature switches?

本文主要介绍利用金属、液体或气体热膨胀原理的机械式温度开关。随着温度的升高，温度开关内部的物质会持续膨胀，直到达到预设的特定温度时，切换触点便会被触发（动作）。对于大多数温度开关而言，承受 10 A 或更大的切换电流不在话下。小型加热器可以直接由开关控制，但对于大型系统，则必须使用诸如电力接触器等执行器。此外，机械式温度开关属于无源开关，因此无需外部供电电压。

What are electronic temperature switches?

市场上也提供电子式温度开关。它们通过电阻温度计测量温度，并对信号进行电子评估。例如，可以使用按键来设置开关点，并且它们可以配备显示屏。通常，温度值也可以通过标准信号（例如 4 至 20 mA）进行输出。

What is the switching hysteresis?

温度开关的开关点（或称切换温度）是指随着温度升高，触点断开（从而关闭加热器）时的温度。部分温度开关的开关点是固定的，而另一些型号则可以自由设定。此外，温度开关还有一个所谓的下限开关点（也称为复位点或回调点），即随着过程冷却，触点再次闭合时的温度。这两个开关点之间的温差，被称为开关回差（或复位值/回调值）。

What is the difference between a temperature switch and a temperature controller?

温度控制器（Temperature controllers）能够实现极其精准的控制结果。它们通过温度传感器测量温度，并作为 PID 控制器，将温度精确地调节至设定值。在采用二进制控制（Binary control）的情况下，通过改变执行器的相对开启时间，同样可以实现精确的调节。例如，加热输出功率可以在 0 到 10 kW 之间进行无级变化。

相比之下，温度开关（Temperature switches）属于不连续的双位控制器（Discontinuous two-state controllers）——在这种控制方式下，过程温度会围绕设定值发生波动。在许多应用场景中，这种温度波动是完全可以接受的，因此使用温度开关可以以极低的成本构建出非常坚固耐用的温度控制系统。

How do bimetal temperature switches work?

顾名思义，双金属开关内部使用了双金属片。这两种轧制在一起的金属（例如铜和镍）具有不同的热膨胀系数。随着温度升高，这两种金属的膨胀程度不同，从而产生弯曲变形，进而使触点断开（常闭型，NC）或闭合（常开型，NO）。

工业环境中的双金属开关通常设计得非常紧凑，并且像传感器一样直接螺纹旋入工艺管道或设备中。它们的开关点在出厂生产时即已固定。此外，它们具有极强的抗振动能力——抗振能力高达 10 g 的情况并不罕见。这些开关通过连接线缆与评估系统（如控制回路）相连。带有双金属的温度开关常用于压缩机等设备中——在发生超温时切断压缩机电源，或启动主动冷却装置（例如风扇）。

How do gas or liquid-filled temperature switches work?

这种类型的温度开关通常被称为恒温器（Thermostat），它包含一个充有气体或液体的感温探头，并将其置于被测工艺环境中。如果探头处的温度升高，系统内部的压力就会随之增加。由于膜片通过毛细管与传感器相连，膜片处也会产生相同的压力。膜片随之发生膨胀变形，进而触发一个快动开关（Snap-action switch）。毛细管的内径仅为 0.2 毫米，大约是人类头发直径（最大 0.1 毫米）的两倍。

探头与恒温器外壳之间通过毛细管相连。在实际应用中，毛细管的最大长度通常可达 5 米。开关点一般可以在外壳上进行设定。

附图展示了一款用于控制室温的温度开关。在这种版本中，毛细管仅连接到一个螺旋形探头，该探头直接位于恒温器外壳上。

In which applications are temperature switches also used?

在许多情况下，例如，一个紧凑型控制器通过电气温度计测量的数据来调节过程温度。在控制器上设定一个目标值后，控制器便会通过其输出端相应地启动加热器，从而将过程温度精确地控制在目标值。而温度开关同样会测量温度，并在达到极限温度（例如 1000 °C）时切断加热。

温度过高可能是由技术故障或操作不当引起的。对于某些系统而言，上述的切断功能是强制性的。例如导热油系统或谷物干燥机。然而，在许多情况下，通过切断电源来防止过热，从而保护被处理物料或系统免受损坏，往往仅仅是出于基本的安全常识。

How do thermostats differ in terms of setpoint specification and switching behavior?

对于用于控制的温度开关，可以通过一个简单的旋钮来设定目标值。这类组件被称为温度控制器（Temperature controllers）。

用于在达到特定极限温度时执行切断操作的温度开关被称为温度监视器（Temperature monitors）。这类温度开关的设定值通常只能使用专用工具进行设定。

此外，还有一种用于切断操作且必须进行复位的温度开关。如果触点因超温而断开，即使温度恢复到正常范围，它也不会自动闭合，必须按下复位按钮。这些所谓的温度限制器（Temperature limiters）通常用于没有技术人员在现场值守的无人监控系统中。

温度监视器和温度限制器通常还配备有额外的安全功能，因此它们又被称为安全温度监视器或安全温度限制器。