Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Выбор сухоблочного термостата

Сухоблочные термостаты, которые иногда называют также «сухоблочные калибраторы» или «твердотельные калибраторы» прочно вошли в практику поверочных работ. Причем, если раньше они носили статус «сличительных печей» и использовались в тех диапазонах, где масляные термостаты не работают, то сейчас это оборудование уже почти повсеместно используется для калибровки датчиков в самом широком диапазоне – от - 40 до 1200 °С. Большинство калибраторов, к сожалению, закупаются за рубежом. Есть и отечественные разработки. Причина популярности калибраторов – простота использования, долговечность, отсутствие жидкого наполнителя. В поверочной схеме для средств измерения температуры, действующей с 1 июля 2012 г., сухоблочные калибраторы даже играют роль мер температуры. (подробнее о мерах температуры см. статью "Может ли калибратор температуры служить мерой температуры?" в разделе "Полемические заметки").

Но настоящий метролог, если он борется за точность калибровки, все же никогда не отдаст предпочтение сухоблочному калибратору перед жидкостным. В национальном метрологическом институте Германии ПТБ проводились специальные сличения сухоблочных калибраторов с целью подтвержения их пригодности для поверки термометров в аккредитованных на право поверки лабораториях. Хочется отметить, что сличения 2008-2009 годов подтверждают улучшение характеристик термостатов. Подробнее...

Сухоблочные термостаты очень популярны в России. Задача этого раздела – предупредить о возможных проблемах и дать рекомендации по выбору и оптимальному применению их для поверки термометров. Прежде всего необходимо обратить внимание на полноту технических характеристик, приведенных в документации производителя.

Основные характеристики, которые должны быть обязательно приведены в технической документации на сухоблочный термостат, который предполагается использовать для градуировки ТС, следующие:

- диапазон температур
- глубина каналов в блоке
- время выхода на стабильную температуру
- стабильность температуры на дне канала (начало, середина и конец диапазона)
- вертикальный градиент температуры (начало и конец диапазона)
- градиент температуры между отверстиями в блоке (начало и конец диапазона)
- эффект загрузки блока (изменение температуры от количества погруженных термометров)
- точность выхода на заданную температуру (при нескольких температурах)
- гистерезис температуры при нагреве и охлаждении термостата

Отметим, что последние две характеристики важны при работе в режиме «калибратора», т.е. при использовании внутреннего датчика регулятора температуры в качестве образцового термометра.

Фирма, предоставляющая информацию о калибраторе, особенно, если она декларирует точность в несколько сотых градуса, должна также предоставить потребителю подробную инструкцию, в каких условиях проводилось тестирование метрологических характеристик для получения заявленных характеристик, пределы окружающей температуры, была ли применена дополнительная изоляция блока сверху, каков должен быть максимальный диаметр поверяемого датчика, каков допустимый зазор между стенками каналов и корпусом датчика, какая засыпка должна применяться для ликвидации зазора. Без всех этих характеристик, термостат не может квалифицироваться как приемлемое поверочное оборудование. Советуем всем, кто выбирает термостат обращаться на фирму за результатами, графиками стабильности, графиками градиентов и т.д. Спрашивайте больше вопросов на презентациях и рекламных акциях. Не дайте себя обмануть. Не советуем увлекаться внешним видом импортных термостатов или очень низкой ценой. Есть пример. Симпатичные, небесно-голубые калибраторы фирмы Drako. Примерно 80% из них не проходят поверку по заявленным производителем характеристикам. Или также дешевые импортные калибраторы ТС -150, 250, 650. Они очень часто даже не могут выйти на заявленные температуры диапазона и элементарно поддерживать стабильность. Внесение импортных приборов в реестр СИ РФ к сожалению не гарантирует, что все приборы качественные. Рекомендуем после получения прибора из фирмы провести свои собственные измерения характеристик, и в случае их не соответствия заявленным – обращаться для возврата денег. Остановимся на описании важнейших характеристик.

Стабильность температуры

Для исследования стабильности на дно канала помещается платиновый термометр сопротивления или термистор. После достижения рекомендованного производителем времени стабилизации начинаются непрерывные измерения с компьютерной записью графика изменения температуры. Необходимо также следить за стабильностью температуры в помещении и отсутствием потоков воздуха вблизи термостата.

В современных качественных термостатах достигнут большой прогресс по стабильности. Стабильность лучших дорогих моделей при температурах 100-400 °С может составлять ±0,01- 0,03 °С. Однако для получения такой стабильности необходимо, помимо удачной конструкции блока и нагревателей, соблюдение нескольких условий: 1) использование стабильного температурного датчика, 2) применение регулятора температуры, позволяющего на заводе подобрать идеальный закон регулирования для конкретной инерционности блока и температуры, 3) обеспечение стабильных внешних условий теплообмена, 4) применение рекомендованных изоляционных материалов.

Вертикальный градиент температуры

Этот параметр – самое слабое место всех твердотельных калибраторов. Сколько бы ни старались инженеры, но из-за отсутствия возможности перемешивания такой равномерности температуры в рабочем объеме, как в жидкостном термостате, им не достичь. Теплообмен в блоке идет только путем теплопроводности и теплового излучения с открытых поверхностей. Способ борьбы с градиентом – применение специальной изоляции блока, двух отдельных нагревателей или неравномерно намотанных нагревателей. Вертикальный градиент в большинств е малогабаритных термостатов не лучше ±0,2 °С на 40 мм от дна. В термостатах с большой глубиной погружения градиент обычно лучше. Именно вертикальный градиент дает максимальный вклад в суммарную неопределенность поверки (см. раздел НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ), особенно если ЧЭ поверяемых и эталонного датчиков имеют разную длину. Каким методом определить градиент? Рекомендуем следующую методику:

- Использовать два термометра: один – эталонный ПТС, применяемый при поверке; другой – специальный ТС малого размера.
- В качестве специального ТС можно применять платиновый ЧЭ, ТСПН, термистор. Длина ЧЭ – не более 6 мм. Минимальный теплоотвод по выводам.
- Измерения проводят при температурах, в которых проводится калибровка.
- Первое измерение – термометры располагают на дне канала. Затем специальный термометр поднимают ступенями по 20 мм до достижения длины ЧЭ калибруемых термометров (обычно 40 и 60 мм). Эталонный термометр остается на дне.
- В каждой точке необходимо дождаться стабилизации температуры и сделать измерение с помощью специального и эталонного ТС.
- После последней точки специальный термометр помещают на дно канала и снова проводят измерение.
- Строят кривую, показывающую разность температур, измеренных образцовым и специальным термометрами.
В этой методике определяется характеристика только самого термостата, без учета особенностей поверяемых термометров. Если проводить определение градиента с помощью поверяемых ТС, то мы получим совокупную характеристику, зависящую также от теплоотвода по корпусу ТС. Теплоотвод может явиться причиной нарушения распределения температуры в блоке, особенно для ТС относительно большого диаметра. Отметим здесь, что документ ЕА о поверке сухоблочных термостатов (см. раздел СТАНДАРТЫ) не рекомендует использовать такие термостаты для поверки ТС диаметром более 6 мм.

Градиент температуры между отверстиями в блоке (радиальный градиент температуры)

Радиальный градиент обычно меньше, чем вертикальный и составляет для лучших термостатов ±0,01-0,02 °С.

Радиальный градиент температуры сильно зависит от разницы температур между термостатом и окружающей средой, поэтому следует измерять градиент при максимумах рабочей температуры.

Градиент между каналами зависит от диаметра каналов и термометров, погруженных в каналы, поэтому он должен измеряться термометрами того же диаметра, что и поверяемые ТС.

Термометры для измерения градиента должны быть стабильными.

Самый простой способ измерения градиента – перемещение одного и того же термометра из канала в канал, давая время для стабилизации показаний.

Эффект загрузки блока (количество погруженных в блок термометров)

Если в блок погружены одновременно несколько ТС, то это может привести к искажению температурного поля блока и к снижению действительной температуры блока из-за дополнительного теплоотвода.

Оценка неопределенности проводится путем измерения разности температуры на дисплее и температуры образцового ТС при изменении количества термометров в блоке.

Эффект загрузки блока наибольший при использовании встроенного датчика в качестве образцового ТС.

При использовании метода сличений с образцовым термометром, погруженным в блок, эффект значительно меньше и практически может не учитываться при поверке рабочих ТС.

Тепловой гистерезис калибратора

Учет гистерезиса важен только при использовании термостата в режиме калибратора, т.е. при использовании внутреннего ТС в качестве эталонного, особенно в режиме «автоматической калибровки», когда калибратор сам повышает и снижает температуру по заданной программе.

Гистерезис возникает из-за гистерезиса датчика температуры, используемого для регулирования температуры в блоке. Основная причина гистерезиса для платинового датчика – возникновение напряжений в платиновой проволоке ЧЭ при нагреве и охлаждении.

Гистерезис может быть различным для датчиков разного типа и даже для датчиков одного типа.

Как правило, при снижении температуры датчик показывает завышенное значение температуры, при повышении температуры – заниженное значение.

Гистерезис зависит от диапазона температуры. Он изменяется как разница температур при нагреве и охлаждении блока в средней точке диапазона.

Итак, сухоблочный термостат требует от потребителя особого внимания при его подборе и применении для поверки ТС. Иногда бездумное использование дешевых калибраторов, разрекламированных дилерами, может привести в ошибкам в градуировке рабочих термометров в несколько десятых градуса, или даже в несколько градусов (при поверке ТС большого диаметра). Если Вы приобретаете сухоблочный термостат, то будьте готовы к тому, что придется заняться дополнительными исследованиями для установления приемлемости данной модели к конкретному типу поверяемых ТС и расчетом возникающей при этом неопределенности поверки. Напомним, что согласно ГОСТ Р 8.625-2006 неопределенность поверки должна быть включена в результат отклонения от НСХ, и поэтому лаборатории должны быть заинтересованы в повышении своих измерительных возможностей.


Сличение современных сухоблочных калибраторов в ПТБ

Учитывая, что сухоблочные калибраторы сейчас очень широко используются в поверочных центрах, национальный метрологический институт Германии (ПТБ) организовал сличение наиболее популярных сейчас моделей термостатов фирм Ametek и Fluke. Результаты докладывались на конференции TEMPMEKO - 2010 в Словении. Статья «H.-G. Behnke, S. Friederici, S. Rudtsch Intercomparison of Temperature Block Calibrators» опубликована в журнале «International Journal of Thermophysics».

На сличения были представлены по два калибратора Ametek (тип ATC 156B и ATC 650B) и Fluke (тип 9171 и 9173). В пилотной лаборатории ПТБ калибраторы градуировались при определенных температурах с помощью эталонного платинового термометра, определялись поправки к показаниям встроенного термометра и все характеристики термостатов согласно EURAMET/cg-13/v.01 (см. раздел «Стандарты Еврамет» ). Затем измерения повторялись в поверочных лабораториях – участниках сличений, всего приняло участие 17 лабораторий. Результаты сличений показали, что разность температур, реализуемых калибраторами в разных лабораториях находится в пределах расширенной неопределенности, рассчитанной для опорного значения температуры в ПТБ. Сравнив данные с аналогичными сличениями 1998 г. был сделан вывод о существенном прогрессе в изготовлении сухоблочных калибраторов. Характеристики улучшены в несколько раз. Приводим результаты измерения характеристик термостатов в ПТБ. Вертикальный градиент получен с помощью измерений ПТС с коротким ЧЭ (около 10 мм).

table1
Примечания:
a – стабильность за 30 мин. (разница max – min)
b – вертикальный перепад температуры в канале на расстоянии 20 и 40 мм соответственно, измеренный коротким ТС (10 мм)
c – разница температур между противоположными двумя каналами
d – изменение температуры при введении в один из каналов дополнительного термометра или металлического стержня.



Типичный график, показывающий разницу в определении вертикального градиента в разных лабораториях, выглядит следующим образом:

fig1

Из рисунка видно, что в пилотной лаборатории ПТБ были получены очень хорошие результаты по градиенту температуры, но они не самые лучшие из всех лабораторий. Очевидно, что градиент в одном и том же калибраторе при одной и той же температуре зависит от применяемого для измерений датчика и от внешних условий. Более полно ознакомиться со статьей можно на сайте издательства Springerlink.
В настоящее время статья доступна on-line по ссылке http:///www.springerlink.com/content/0195-928x/preprint/ (полный текст - только для подписчиков журнала)