Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Выбор жидкостного термостата

Основные характеристики, которые должны быть обязательно приведены в технической документации на жидкостной термостат следующие:

- диапазон температур
- кратковременная стабильность (начало, середина и конец диапазона)
- долговременная стабильность (начало, середина и конец диапазона)
- однородность температуры в рабочем объеме (начало и конец диапазона)
- точность выхода на заданную температуру (при нескольких температурах)

Кроме того, в термостатах, работающих в широком диапазоне, для получения максимальной стабильности, желательно, чтобы была возможность несложной перенастройки параметров регулирования, например, диапазона регулирования, т.к. для разных температур изменяются условия теплообмена и вязкость жидкости.

Встречаются случаи, когда в спецификации на термостат приведена лишь одна цифра по стабильности и точности выхода на заданную температуру. Надо иметь в виду, что это допустимо только в узких диапазонах температур и только для грубых термостатов. Если необходимо достичь стабильности в лучше ± 0,02 °С необходимо запросить у фирмы-изготовителя график измерения стабильности при нескольких значениях температуры.

Все вышеперечисленные характеристики термостата зависят от конструкции термостата, термостатирующей жидкости, точности регулятора температуры.

Конструкции жидкостных термостатов

Самая простая конструкция – термостат с одним резервуаром, спиральным электронагревателем внутри резервуара, мешалкой в виде пропеллера, погруженного в тот же резервуар. В качестве регулирующего термометра часто используется ртутный контактный термометр. Такие термостаты в большом количестве использовались и до сих пор используются в поверочных лабораториях. Их недостаток – грубый закон регулирования по принципу включено-выключено, наличие вертикальных и горизонтальных градиентов температур, как правило, недостаточная глубина. Максимально достижимая стабильность составляет для воды ± 0,05 °С, для масла - ±0,2 °С.

Совершенствование термостатов идет по пути применения современных регуляторов и датчиков температуры, изменения конструкции резервуара и изменения принципа перемешивания.

Одна из наиболее удачных конструкций – переливной термостат. Он имеет два резервуара, в одном из которых происходит перемешивание, в другой погружаются поверяемые термометры. Жидкость должна переливаться из одного объема в другой, создавая непрерывный вертикальный поток и практически ликвидируя вертикальный градиент температуры.

Вторая современная конструкция – термостат с двумя резервуарами, разделенными решеткой. Внутри одного резервуара непрерывно работает мешалка с несколькими пропеллерами, распределенными по глубине и перемешивающими разные горизонтальные слои жидкости. Таким образом, вертикальный и горизонтальный градиент сводятся к минимуму.

Третий тип – термостаты с насосами вместо мешалок. Они очень хорошо зарекомендовали себя с заполнением дистиллированной водой или спиртом, но для масляных термостатов существует проблема загрязнения насоса окисляющимся или полимеризирующимся маслом. У термостатов с насосами может также наблюдаться некоторый горизонтальный градиент температуры, из-за существования вертикальных потоков.

В конструкции важно также продумать расположение нагревателей и охладителей. Учитывая, что поток тепла устремляется вверх, хорошим вариантом является расположение нагревательного блока в днище резервуара. Встроенный охладитель может также располагаться в днище или в стенке термостата, но иногда выполняется в виде отдельного охладительного змеевика, который можно вводить в термостат по желанию и выводить из него. Существуют также термостаты со змеевиком, в который подается жидкость, охлажденная в другом термостате. Такие конструкции менее практичны и обычно не такие стабильные, как термостаты со встроенной системой охлаждения.

Необходимо помнить, что у каждой фирмы есть свое “Know-how”, но чем больше вопросов о конструкции Вы зададите, тем яснее станет, можно ли верить заявленным характеристикам термостата. Рекомендуем запрашивать как можно больше экспериментальных графиков измерения стабильности и градиентов при различных температурах.

Выбор жидкости для термостата

Жидкость зависит от требуемого диапазона температур.

Лучшая жидкость – дистиллированная вода. Единственный ее недостаток – ограниченный диапазон температур – от 5 до 95 °С. Все остальные характеристики превосходят другие возможные жидкости. Воду можно часто менять. Она обладает минимальной вязкостью. В каждой лаборатории, занимающейся поверкой должен быть отдельный водяной термостат, в который никогда не заливается масло или другая жидкость.

Есть современные импортные силиконовые масла, покрывающие большой диапазон от -80 до 350 °С. Однако, кроме дороговизны такого масла, есть ряд проблем, делающих повседневное использование масленого термостата экономически не выгодным. Во-первых, масло меняет вязкость, как правило, ниже 80 °С стабильность термостата снижается. Во-вторых, после 100 °С требуется вытяжная вентиляция, т. к. пары масла испаряются и вредят здоровью людей. В третьих окисление, загрязнение и перегрев масла ведут к постепенной его полимеризации и отвердеванию, что может навсегда вывести термостат из строя. Следовательно, масляный термостат следует как можно меньшее время использовать, сразу выключать после калибровки и всегда следить за цветом масла. Малейшее потемнение говорит о том, что начинается полимеризация и необходимо заменить масло. Безусловно, масляный термостат необходим в лаборатории для индивидуальной поверки термометров до 300 °С, но время его включения должно быть сведено к минимуму.

(Ремарка автора (НМ) : все сказанное о термостатах должно учитываться при разработке методики подбора пар термометров для теплосчетчиков. Даже с экономической точки зрения следует все же исключить точку 180 °С и обходиться водяным термостатом.)

Для низких температур существует несколько приемлемых жидкостей. Однако, нет ничего лучше простого этилового спирта. Он не ядовит и не очень дорогой. Использование метанола очень опасно, т.к. это очень вредная для здоровья жидкость, хотя добавив в этанол 5% воды можно выйти на температуру минус 100 °С. Для температуры до -30 °С можно использовать смесь этиленгликоля с водой в соотношении 1:1. Хотя зачем использовать что-то другое, если есть спирт?

Итак мы советуем приобрести три термостата : водяной, криостат (спирт), масляный (силиконовое масло). Приведем примерную стоимость жидкостей для термостатов

Наименование Диапазон, °С Примерная цена за 19 л
ПФМС-4 20 - 300 24700 руб
$1000
ПМС-100 40 - 200 5800 руб
$240
Этиленгликоль (смесь с водой 1:1) -30 до 110 $290
Силиконовое масло тип 200.10 -30 до 160 $1200
Силиконовое масло тип 200.20 10 до 230 $1100
Силиконовое масло тип 200.50 30 до 275 $1050
Силиконовое масло тип 550 0 до 230 $2500
Силиконовое масло тип 710 80 до 300 $2520
Минеральное масло 0 до 120 $85
Соль для термостатов (нитрат калия, нитрит и нитрат натрия) 150 до550 $290


Отметим, что широко распространенное масло ПМС-100 имеет кинематическую вязкость 100 сСт, что в два раза выше требований к вязкости для импортных жидкостей (от 10 до 50 сСт). Это создает препятствия для получения высокой стабильности.

Солевые термостаты

Эти термостаты используются обычно в диапазоне от 300 до 550 °С. В России они практически не применяются. В иностранных поверочных лабораториях – это широко используемое оборудование, особенно для поверки термометров, требующих высокотемпературной градуировочной точки и термопар. Соль поставляется в твердом виде в виде гранул и плавится в самом термостате. Соль очень гигроскопична и для ее хранения необходимо поддерживать влажность не более 50% и не допускать попадания воды. Термометры погружаются в расплавленную соль, и после поверки соль может быть легко смыта с них под струей воды. После 400 °С необходима вытяжная вентиляция. Длительная работа при температуре выше 450 °С приводит к постепенному изменению состава и разрушению соли. Необходима периодическая ее замена. Поверка термометров в солевых термостатах экономически обоснована, т.к. соль не дорогая. Достижимая стабильность температуры ± 0,01 °С при 550 °С.

Применение выравнивающего блока

Выравнивающий блок повышает тепловую инерцию и улучшает кратковременную стабильность температуры. Однако, применение блока имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, диаметр каналов в блоке должен быть подходящим для термометров различных типов, либо необходимо иметь несколько блоков под разные диаметры термометров.

Во-вторых, каналы блока загрязняются маслом и необходимо их очищать

В-третьих, сам монтаж блока в термостат доставляет неудобства поверителю

Современные термостаты могут обеспечить кратковременную стабильность в несколько мК. Без блока можно поверять больше термометров и избежать проблем с креплением, сменой и очисткой блоков. Мы советуем не использовать блоки, а выбрать хороший термостат.

Регулирование температуры

Стабильность температуры в термостате во многом зависит от выбора датчика и регулятора температуры. Самыми надежными датчиками считаются миниатюрные платиновые термометры сопротивления с индивидуальной градуировкой и малой инерционностью. Для температур от 0 до 100 °С иногда используются термисторы и кварцевые термометры. Термисторы имеют то преимущество, что не требуют четырехпроводной схемы включения. Термометры сопротивления могут работать в более широком диапазоне температур, но часто проявляют гистерезис, т.е. их показания могут отличаться при нагреве и охлаждении термостата, что влияет на точность выхода на заданное значение температуры и на точность калибровки при использовании внутреннего датчика термометра в качестве образцового. Термометры при длительном использовании могут иметь дрейф индивидуальной градуировочной характеристики и иногда в термостатах предусмотрена возможность корректировки коэффициентов внутреннего термометра, по результатам его сличения с образцовым термометром, погружаемым в термостат.

Современные регуляторы температуры далеко отошли от простого «включено-выключено» и реализуют сложный закон регулирования, параметры которого зависят от температуры, инерционности термостата, вязкости жидкости и обычно побираются на заводе-изготовителе. Однако, если высокоточный термостат предназначен для широкого диапазона температур, в котором вязкость жидкости и условия теплообмена могут меняться, то изготовитель должен предоставить возможность для потребителя изменять параметры регулирования и рекомендовать нужные для получения максимальной стабильности значения.

Ознакомьтесь с жидкостными термометатами из нашего каталога >>>