Vzduchový termostat
1. Úvod do problematiky - motivace Jedním z největších problémů, s kterými je třeba se při přesných měření vypořádat, je vliv teploty na měřenou veličinu či měřený objekt, resp. vliv teploty na jakoukoliv část celého měřicího systému. Proto je nezbytně nutné provádět přesná měření v klimatizovaných laboratořích. Ovšem teplotní stabilizace laboratoře s přesností na ± 0,5 C zdaleka není postačující, pokud se jedná o měření s vysokými nároky na přesnost, kdy nejistoty měření se pohybují pod hranicí 1 ppm. Z tohoto důvodu byl na pracovišti ČVUT - FEL realizován vzduchový termostat, umožňující stabilizovat požadovanou teplotu s přesností na ± 0,03 C. Teplotní rozsah navrženého termostatu je 10 C až 40 C. Díky relativně velkým fyzickým rozměrům lze do termostatu umístit kromě měřeného objektu též samotný měřicí přístroj. 2. Mechanické provedení termostatu Celkové mechanické provedení realizovaného vzduchového termostatu je znázorněno na obr. 1. Izolační část termostatu je tvořena dvouvrstvým pláštěm z polystyrenu (EPS F), nosná část z LTD desek. Celý systém je mobilní, uložený na pojezdových kolečkách. Horní vstupní otvor je přes celou plochu termostatu, tudíž lze do termostatu vkládat i rozměrnější objekty. Samonosné víko je vyrobeno z polystyrenu, lze s ním tudíž velice lehce manipulovat. Pro topení či chlazení jsou použity dva Peltierovy články, doplněné z obou stran masivními hliníkovými chladiči. Pro dosažení dostatečného odvodu tepla z chladičů a zajištění cirkulace vzduchu v termostatu jsou chladiče osazeny ventilátory. Celkové upořádání těchto bloků s Peltierovými články je nakresleno na obr. 2. Bloky jsou umístěny přibližně ve dvou třetinách výšky termostatu. Legenda k obrázku: 1 - polysterenové víko termostatu 2 - nosné stěny termostatu 3 - dvojitá izolace (pěnový polystyren) 1015 4 - mechanické vyztužení (pozinkovaný plech tloušťky 1 mm) 5 pojezdová kolečka 6 topný/chladící blok s Peltierovým článkem Obr. 1 Mechanická konstrukce vzduchového termostatu
Legenda k obrázku: 1 - Peltierův článek 2 - hliníkový chladič pro přívod/odvod tepla 3 - ventilátor 4 - hliníkový blok Obr. 2 Mechanické uspořádání bloku s Peltierovým článkem 3. Technická specifikace termostatu Termostat Vnější rozměry (š x h x v) : 1130 x 1030 x 1015 mm Vnitřní rozměry (š x h x v) : 900 x 800 x 800 mm Celkový využitelný objem termostatu: 576 litrů Doba náběhu termostatu: < 3 hodiny Krátkodobá stabilita termostatu: ± 0,02 C / hodinu Dlouhodobá stabilita termostatu: ±0,03 C / den Rozsah nastavitelných teplot: 10 C až 40 C Tepelné ztráty (odhad) : 10 W při teplotním rozdílu 4 C (vnější teplota teplota termostatu)
4. Verifikace vlastností termostatu Doba náběhu termostatu pro případ, kdy požadovaná teplota termostatu se liší od teploty místnosti o 4 C je 2 hodiny. 28 Teplota místnosti ( C) 27 26 25 24 23 22 21 10:30 10:58 11:27 11:56 12:25 12:54 13:22 13:51 14:20 14:49 čas (h:m) Obr. 3 Teplotní ustálení termostatu po zapnutí regulátoru Teplotní stabilita termostatu byla ověřena během čtyřdenního provozu termostatu za běžných podmínek, při kterých bude provozován (teplota místnosti přibližně 21 C, teplota v termostatu přibližně 27,7 C). Dosažená stabilita teploty v termostatu lepší než ±0,04 C. 27.80 27.79 27.78 27.77 27.76 27.75 27.74 27.73 27.72 27.71 27.70 27.69 27.68 27.67 27.66 27.65 27.64 27.63 27.62 27.61 27.60 Teplota místnosti ( C) 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 22.50 22.40 22.30 22.20 22.10 22.00 21.90 21.80 21.70 21.60 21.50 21.40 21.30 21.20 21.10 21.00 20.90 20.80 20.70 20.60 20.50 Teplota místnosti ( C) čas (h:m) Obr. 4 Teplotní stabilita termostatu při kolísání teploty místnosti
Homogenita teploty v celém objemu termostatu nebyla testována, bylo provedeno měření ve vertikálním směru a horizontálním směru. Ve vertikálním směru byla homogenita měřena 10 cm od rohu termostatu u stěny proti ventilátorům v mezích dno termostatu až 50 cm, v horizontálním směru ve výšce 50 cm od dna termostatu. Během měření byly v termostatu umístěny objekty, běžně používané při provozu termostatu, které omezují proudění vzduchu v prostoru (vodorovná police na měřicí přístroje, měřicí ústředna). Za těchto podmínek byla dosaženo homogenity 0,2 C. 5. Fotodokumentace Obr. 5 Vzduchový termostat
Obr. 6 Regulační jednotka a chladící/topící blok s Peltierovým článkem Obr. 7 Pohled do termostatu, připraveného na měření stability etalonu odporu s vypočitatelnou frekvenční závislostí termostat obsahuje přesný multimetr Datron, měřicí ústřednu Agilent a měřený objekt