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.

Общая информация

Для консультации и по вопросам приобретения просьба обращаться:
info@christmas-plus.ru 
8 (800) 302-92-25 (звонок по РФ бесплатный)
8 (812) 575-54-07, 575-55-43

Подписывайтесь на наш канал в Ютюбе!
Вы всегда будете в курсе наших последних новостей и сможете наглядно познакомиться с нашей продукцией.