實驗1恒溫槽裝配與性能測定報告

1、恒溫槽的裝配與性能測定Thermostat Assembly and the Performance Testing摘要 本實驗通過測定恒溫槽恒在不同條件下（不同溫差及加熱電壓）溫度隨時間的波動情況，分析影響恒溫槽靈敏度的因素，并在實驗過程中初步掌握恒溫槽的裝配及恒溫原理。Abstract: In this experiment, we choose different conditions (difference in temperature margin and heat voltage) to examine the fluctuate of the temperature of the

2、 thermostat , in order to analyzed the factors taking effect on the sensitivity of the thermostat and grasp its theory and the method to operate this equipment. 關(guān) 鍵 詞 恒溫槽 溫差 加熱電壓 靈敏度Key words: thermostat temperature margin heat voltage sensitivity1前言在許多物理化學(xué)實驗中，待測數(shù)據(jù)如折射率、粘度、電導(dǎo)、蒸汽壓等都與溫度有關(guān)，這些實驗都要在恒溫條件下進

3、行，通常用恒溫槽設(shè)備來控制溫度，目前恒溫槽主要靠恒溫控制器控制電加熱器工作，溫度都是相對的穩(wěn)定，多少總有一定的波動。所以在實驗過程中，恒溫槽的靈敏度很重要，測量恒溫槽的靈敏度對分析實驗結(jié)果，以及對恒溫槽的改進都有著重要的意義。本實驗就是通過電磁繼電器控恒溫槽靈敏度的測量，并進行討論，來研究恒溫槽的改進。2實驗2.1 原理通常用恒溫槽來控制溫度，維持恒溫。一般恒溫槽的溫度都相對的穩(wěn)定，多少總有一定的波動，大約在0.1，如果稍加改進也可達到0.01，要使恒溫設(shè)備維持在高于室溫的某一溫度，就必須不斷補充一定的熱量，使由于散熱等原因引起的熱損失得到補償。恒溫槽之所以能夠恒溫，主要是依靠恒溫控制器來控制

4、恒溫槽的熱平衡。當(dāng)恒溫槽的熱量由于對外散失而使其溫度降低時，恒溫控制器就驅(qū)使恒溫槽中的電加熱器工作，待加熱到所需要的溫度時，它又會使其停止加熱，使恒溫槽溫度保持恒定。恒溫槽的裝置是多種多樣的。它主要包括下面的幾個部件：1敏感元件，也稱感溫元件；2 控制元件；3 加熱元件。感溫元件將溫度轉(zhuǎn)化為電信號而輸送給控制元件，然后由控制元件發(fā)出指令讓電加熱元件加熱或停止加熱。圖1即是一恒溫裝置。它由浴槽、加熱器、攪拌器、溫度計、感溫元件、恒溫控制器等組成，現(xiàn)分別介紹如下：1、 浴槽：通常用的是10dm3的圓柱形玻璃容器。槽內(nèi)一般放蒸餾水，如恒溫的溫度超過了100可采用液體石臘和甘油。溫度控制的范圍不同，水

5、浴槽中介質(zhì)也不同，一般來說：-6030時用乙醇或乙醇水溶液。090時用水。80160時用甘油或甘油水溶液。70200時用液體石蠟、硅油等。圖1 恒溫槽裝置圖1-浴 槽; 2-加熱器; 3-攪拌器; 4-溫度計;5-感溫元件(熱敏電阻探頭) 6-恒溫控制器; 7-貝克曼溫度計。 2、加熱器：常用的是電熱器，我們用的電加熱器把電阻絲放入環(huán)形的玻璃管中，根據(jù)浴槽的直徑大小彎曲成圓環(huán)制成。它可以把加熱絲放出的熱量均勻地分布在圓形恒溫槽的周圍。電加熱器由電子繼電器進行自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)恒溫。電加熱器的功率是根據(jù)恒溫槽的容量、恒溫控制的溫度以及和環(huán)境的溫差大小來決定的。最好能使加熱和停止加熱的時間各占一半。

6、為了提高恒溫的效果和精度，我們在恒溫控制器和電加熱器之間串接一只1kV的可調(diào)變壓器，其恒溫槽的電路圖設(shè)計如下：圖2 恒溫槽電路圖實驗開始時，由于室溫距恒定溫度的溫差較大，為了盡快升溫達到恒定溫度，我們就把串接的輸出電壓調(diào)高一些，而待其溫度逐漸接近恒溫溫度時，為了減少滯后現(xiàn)象，要把可調(diào)變壓器的輸出電壓降低一些，這樣能較好地提高恒溫槽控溫的精度。3、攪拌器：一般采用功率為40W的電動攪拌器，并將該電動攪拌器串聯(lián)在一個可調(diào)變壓器上用來調(diào)節(jié)攪拌的速度，使恒溫槽各處的溫度盡可能地相同。攪拌器安裝的位置，槳葉的形狀對攪拌效果都有很大的影響。為此攪拌槳葉應(yīng)是螺旋槳式的或渦輪式的，且有適當(dāng)?shù)钠瑪?shù)、直徑和面積，

7、以使液體在恒溫槽中循環(huán)，保證恒溫槽整體溫度的均勻性。4、溫度計：恒溫槽中常以一支1/10的溫度計測量恒溫槽的溫度。用貝克曼溫度計測量恒溫槽的靈敏度。所用的溫度計在使用前都必須進行校正和標(biāo)化。 5、恒溫控制器：我們實驗室采用的溫控儀是7151-DM型有測溫部件的控溫儀。它采用圖3 控溫原理圖穩(wěn)定性能較好的熱敏電阻作為感溫元件，感溫時間較短、使用方便、調(diào)速快、精度高并能進行遙控遙測。這個感溫元件又因使用了特殊的燒結(jié)工藝，故只需要將此感溫元件（探頭）放在所需的控溫部位，就能在控溫的同時，從測溫儀表上精確地反應(yīng)出被控溫部位的溫度值,如圖3所示。 由圖3我們可知控溫儀是由感溫電橋、交流放大器、相敏放大器

8、、控溫執(zhí)行繼電器四部分組成。熱敏電阻Rt及R11、R12、R16和電位器Rp組成交流感溫電橋，當(dāng)熱敏電阻探頭感受的實際溫度低于給定溫度時，橋路輸出變?yōu)樨撔盘?，使J1開始動作，并觸發(fā)J2啟動閉合，接通外接加熱回路，這時加熱器導(dǎo)通開始對體系加熱，當(dāng)感受到的溫度與給定溫度相同時，橋路平衡，無信號輸出，J1恢復(fù)常開狀態(tài)，使J2失去觸發(fā)信號而恢復(fù)常開狀態(tài)，斷開加熱回路，加熱停止。當(dāng)實際溫度再下降時控溫執(zhí)行繼電器再次動作，重復(fù)上述過程達到控溫目的。實驗室中還有一種常用的恒溫裝置是超級恒溫水浴，它的控溫原理和上述的溫控儀基本相同，只不過它的感溫元件是一支接觸式溫度計(有時也稱導(dǎo)電表)而不是熱敏電阻探頭，如圖

9、4所示。該溫度計的下半段類似于一支水銀溫度計，上半段是控制用的指示裝置，溫度計的毛細管內(nèi)有一根金屬絲和上半段的螺母相連，它的頂部放置一磁鐵，當(dāng)轉(zhuǎn)動磁鐵時，螺母即帶動金屬絲沿螺桿向上或向下移動，由此來調(diào)節(jié)觸針的位置。在接點溫度計中有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線的一端與金屬絲和水銀柱相連，另一端則與溫度的控制部分相連。這種恒溫槽的控溫器是電子繼電器，不象上述的控溫儀那種電路。這個繼電器實際上是一個自動開關(guān)，它與接觸式溫度計相配合，當(dāng)恒溫槽的溫度低于接觸式溫度計所設(shè)定的溫度時，水銀柱與觸針不接觸，繼電器由于沒電流通過或電流很小，這時繼電器中的電磁鐵磁性消失，銜鐵靠自身彈力自動彈開，將加熱回路接通進行加熱。反

10、之則停止加熱，這樣交替地導(dǎo)通、斷開、加熱與停止加熱，使恒溫水浴達到恒定溫度的效果?？販鼐纫话氵_0.1，最高可達0.05。 這種恒溫水浴還裝有電動機和水泵一套，便于將恒溫的水通過水泵注入所需測量的體系外部，做到不僅可在恒溫水浴中恒溫而且還可對外接體系進行恒溫。此裝置還備有冷卻裝置,可將循環(huán)水打入儀器帶走多余的熱量以達到更好地恒溫效果。這兩種恒溫裝置都屬于“通”“斷”二端式控溫，因此不可避免地存在著一定的滯后現(xiàn)象，如溫度的傳遞、感溫元件(熱敏探頭或接觸式溫度計)繼電器、電加熱器等的滯后。所以恒溫槽控制的溫度存在有一定的波動范圍，而不是控制在某一固定不變的溫度。其波動范圍越小，槽內(nèi)各處的溫度越均勻

11、，恒溫槽的靈敏度越高。靈敏度的高低是衡量恒溫槽恒溫優(yōu)劣的主要標(biāo)志，它不僅與溫控儀所選擇的感溫元件、繼電器、接觸式溫度計等靈敏度有關(guān)，而且與攪拌器的效率、加熱器的功率、恒溫槽的大小等因素有關(guān)。攪拌的效率越高，溫度越易達到均勻，恒溫效果越好。加熱器的功率用可調(diào)變壓器進行調(diào)節(jié)，以保證在恒溫槽達到所需的溫度后減小電加熱的余熱，減小溫度過高或過低地偏離恒定溫度的程度。此外,恒溫槽裝置內(nèi)的各個部件的布局對恒溫槽的靈敏度也有一定的影響。一般布局原則是：加熱器與攪拌器應(yīng)放得近一些，這樣利于熱量的傳遞。我們設(shè)計的電加熱器是由環(huán)形的玻璃套管制成的，攪拌器裝在環(huán)形中間，有利于整個恒溫槽內(nèi)熱量的均勻分布。感溫元件熱敏

12、探頭應(yīng)放在合適的位置并與槽中的溫度計相近，以正確地確定溫控儀面板上的指示溫度，并且不宜放置得太靠近邊緣。恒溫槽靈敏度的測定是在指定溫度下觀察溫度的波動情況。也可在同一溫度下改變恒溫槽內(nèi)各部件的布局來測量，從而找出恒溫槽的最佳和最差布局。也可選定某一布局，改變加熱器電壓和攪拌速度測定對恒溫槽溫度波動曲線的影響。該實驗用較靈敏的貝克曼溫度計，在一定的溫度下，記錄溫度隨時間的變化。如記最高溫度為t1，最低溫度為t2，恒溫槽的靈敏度為： 靈敏度常以溫度為縱坐標(biāo)， 以時間為橫坐標(biāo)繪制成溫度時間曲線來表示，如下圖5：圖5 靈敏度的溫度時間曲線(a) 表示恒溫槽靈敏度較高； (c) 表示加熱器功率太大；(b

13、) 靈敏度較低； (d) 表示加熱器功率太小或散熱太快。2.2 實驗裝置與試劑2.2.1 實驗儀器試劑儀器名稱型號產(chǎn)地電子繼電器6402型通州市滬通實驗儀器廠精密電子溫差測量儀JDW3F南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所增力電動攪拌器JJ1(40W)江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠調(diào)壓變壓器TDGC-1/0.5 天津市東風(fēng)電器廠恒溫槽裝置(恒溫水浴改裝)HK-2A南京南大萬和科技有限公司2.2.3 試劑無2.3 實驗過程1、不通冷凝水時，不連接電子繼電器，直接用恒溫槽加熱，等溫度信號在30左右開始閃爍時，完成調(diào)零，用電子數(shù)字溫差計測量溫差T與時間t的變化曲線，用計算機采集數(shù)據(jù)：T（）t（sec） （至少采集三個周

14、期） 2、不通冷凝水時，連接電子繼電器，也使用控溫器的情況下，將溫度控制并恒溫到30。達到指定溫度后，分別將調(diào)壓器調(diào)節(jié)為175V和125V兩個加熱電壓，等繼電器不斷地開關(guān)跳動表現(xiàn)恒溫以后，用計算機開始采集數(shù)據(jù)。（分別至少采集三個周期） 3、通冷凝水時，不連接電子繼電器，直接用恒溫槽加熱，等溫度信號在30左右開始閃爍時，完成調(diào)零，用電子數(shù)字溫差計測量溫差T與時間t的變化曲線，用計算機開始采集數(shù)據(jù)。至少采集三個周期） 4、通冷凝水時，連接電子繼電器，也使用控溫器的情況下，將溫度控制并恒溫到30。達到指定溫度后，分別將調(diào)壓器調(diào)節(jié)為175V和125V兩個加熱電壓，等繼電器不斷地開關(guān)跳動表現(xiàn)恒溫以后，用

15、計算機開始采集數(shù)據(jù)。（分別至少采集三個周期）3 結(jié)果與討論（具體計算見附錄）3.1實驗結(jié)果通過計算可以得到六組條件下的的靈敏度和周期，如表1：序號123456實驗條件不通冷凝水通冷凝水恒溫槽加熱繼電器175V加熱控溫繼電器125V加熱控溫恒溫槽加熱繼電器175V加熱控溫繼電器125V加熱控溫靈敏度0.0080.2040.1190.0820.2310.126周期（s）216.7183413321985661602表1 各實驗組靈敏度及周期總表3.2 結(jié)果討論1) 無冷凝水恒溫槽與繼電器加熱控溫性能比較 將無冷凝水的三種條件1、2、3溫度時間曲線繪制在同一張圖（圖6）中，可以明顯看到恒溫槽加熱的靈

16、敏度與周期都遠小于另兩組加熱器加熱的對應(yīng)值，即用恒溫槽加熱控溫時溫度的波動范圍很小且波動周期很短，很穩(wěn)定。而加熱器加熱，靈敏度普遍較大，周期也較長，且靈敏度和周期隨加熱器電壓增大而增大，不很穩(wěn)定，恒溫效果不好。 另外，通過對2、3的觀察發(fā)現(xiàn)，繼電器加熱組升溫速度較快，降溫速度較慢，且電壓越大升溫速度越大，周期越長，降溫速率基本一致，與電壓關(guān)系不大。綜上，可得出恒溫槽加熱比另兩種穩(wěn)定性上有絕對的優(yōu)勢，靈敏度小周期短，繼電器加熱，一定范圍內(nèi)電壓低時相對更穩(wěn)定。圖6 無冷凝水時各方法溫度時間曲線2) 通冷凝水恒溫槽與繼電器加熱控溫性能比較將通冷凝水的三種條件4、5、6的溫度時間曲線繪制在同一張圖（圖

17、7）中，圖7 通冷凝水時各方法溫度時間曲線 首先，整體來看可以看到恒溫槽加熱的靈敏度與周期都遠小于另兩組加熱器加熱的對應(yīng)值，與不通冷凝水一樣，用恒溫槽加熱控溫時溫度的波動范圍很小更穩(wěn)定。 比較5、6組可以發(fā)現(xiàn)，用繼電器控制加熱時，加熱溫度越高靈敏度越大，同時周期反而變小，周期規(guī)律與之前相反，表現(xiàn)出冷凝水對降溫的重要作用。電壓高波動大，但升溫快周期明顯比低壓短。5升降溫速度大致相等，6降溫更快。 恒溫槽有一定的波動，周期性不很明顯。綜上，通冷凝水時，恒溫槽依舊有波動更小，穩(wěn)定的特點，但周期性不再明顯；繼電器加熱電壓越高靈敏度大，周期明顯減小。3) 恒溫槽控溫通冷凝水的影響（比較1、4組）圖8 恒

18、溫槽控溫有無冷凝水溫差-時間曲線將恒溫槽控溫?zé)o冷凝水（1組）和有冷凝水（4組）溫差-時間曲線一起作圖，如圖8： 第一組波動明顯小于第二組，靈敏度小，周期從結(jié)果來看稍大于第二組。 第一組更穩(wěn)定，周期性也更明顯。第二組因為通冷凝水整體溫度偏低。4) 繼電器控制175V加熱器加熱通冷凝水的影響（比較2、5）圖9 繼電器控制175V加熱器控溫有無冷凝水溫差-時間曲線將繼電器控制175V加熱器控溫?zé)o冷凝水（2組）和有冷凝水（5組）溫差-時間曲線一起作圖，如圖9： 有無冷凝水對靈敏度影響不大，對周期有明顯影響，通冷凝水后降溫顯著變快，周期明顯縮短。5) 繼電器控制125V加熱器加熱通冷凝水的影響（比較3、

19、6）圖10 繼電器控制125V加熱器控溫有無冷凝水溫差-時間曲線將繼電器控制125V加熱器控溫?zé)o冷凝水（3組）和有冷凝水（6組）溫差-時間曲線一起作圖，如圖10： 靈敏度：第3組 第6組； 周 期：第3組稍小于第6組。 可發(fā)現(xiàn)，在 125V 加熱器加熱時，與不通冷凝水相比，通入冷凝水對靈敏度及周期的影響不大。與圖9相比，通入冷凝水后變化趨勢有所減少，也就是說加熱器電壓的降低，弱化了通冷凝水與不通冷凝水之間的差異。 比較兩組斜率，發(fā)現(xiàn)通入冷凝水后，升溫速度降低，降溫速度明顯增大。所以在125V加熱器加熱時，不通冷凝水，升溫速度大于降溫速度，通了冷凝水升溫速度小于降溫速度。6) 結(jié)果總結(jié) 恒溫槽控

20、溫時不管有無冷凝水靈敏度與周期均小于加熱器加熱時的相應(yīng)值。 恒溫槽控溫時，通入冷凝水會使靈敏度明顯增大；繼電器加熱時影響不大。 通入冷凝水會使升溫減速、降溫加速，控制好冷凝水的流量有利于穩(wěn)定控溫過程。 繼電器電壓直接影響靈敏度，電壓越大，靈敏度越大。3.3 誤差分析1. 本實驗過程中環(huán)境溫度可能發(fā)生變化，而室溫會直接影響散熱和周期等結(jié)果，所以可能會引起誤差。2. 本實驗中冷凝水的流量大小對實驗結(jié)果有一定影響，會影響降溫過程的速度，但實驗中保持水流基本不變，影響一致。3. 由于本實驗與環(huán)境條件（恒溫槽相關(guān)屬性）密切相關(guān)，因而實驗結(jié)果的重復(fù)性不強。各次實驗由于環(huán)境條件不同，結(jié)果會有一定的差異，本次

21、實驗所得的數(shù)據(jù)只能反映當(dāng)時條件下的恒溫槽情況，并不能作為其余實驗的參照。4 總結(jié)通過這次實驗，我掌握了一些控制裝置溫度保持恒定的方法，并且初步掌握了不同方法的差異及其各自的特點。實驗使我了解了如何去提高恒溫槽的靈敏度，并且意識到了環(huán)境對于裝置的重要影響。以后在做實驗的時候要細心去注意環(huán)境對于實驗結(jié)果所帶來的誤差。 同時這次實驗之后我學(xué)會了通過控制變量進行比較來確定某一個參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。這對以后研究問題時自行設(shè)計實驗具有重要的意義。參考文獻1.傅獻彩 沈文霞 姚天揚.物理化學(xué).北京:高等教育出版社,2006. 2.李龍泉 朱玉瑞 金谷等.定量化學(xué)分析.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2007

22、.附：數(shù)據(jù)處理過程1. 無冷凝水（1） 恒溫槽自身控溫溫差隨時間變化曲線如附圖1：附圖一 無冷凝水時恒溫槽自身控溫的溫差T 與時間t 的變化曲線計算靈敏度 : Tmax =0.004 , Tmin = -0.011 t = ( Tmax - Tmin )/2= （0.004+0.011）/2 = 0.008 計算平均周期 ：取前六個完整周期讀出波峰波谷數(shù)值如附表1：波峰時刻400606837102112781465波谷時刻506723941117913831587附表1 無冷凝水時恒溫槽自身控溫峰谷表利用逐差法求得平均周期為: =216.7（s）（2） 電子繼電器控制175V 加熱電壓溫差隨時

23、間變化曲線如附圖2：附圖2 無冷凝水175V電子繼電器控溫下溫差T 與時間t 的變化曲線計算靈敏度 : Tmax =0.455 , Tmin = 0.048 t = ( Tmax - Tmin )/2= （0.455-0.048）/2 = 0.204 計算平均周期 ：取3個完整周期讀出波峰波谷數(shù)值如附表2：波峰時刻20819463842波谷時刻921814110附表2 無冷凝水175V電子繼電器控溫峰谷表利用逐差法求得平均周期為: (s)（3） 電子繼電器控制125V 加熱電壓溫差隨時間變化曲線如附圖3：附圖3 無冷凝水125V電子繼電器控溫下溫差T 與時間t 的變化曲線計算靈敏度 : Tmax =0.295 , Tmin = 0.057 t = ( Tmax - Tmin )/2= （0.295-0.057）/2 = 0.119 計算平均周期 ：取3個完整周期讀出波峰波谷數(shù)值如附表3：波峰時刻16712975波谷時刻141127484107附表3 無冷凝水125V電子繼電器控溫峰谷表利用逐差法求得平均周期為: (s)2. 通冷凝水（1） 恒溫槽自身控溫溫差隨時間變化曲線如附圖4：附圖4 通冷凝水時恒溫槽自身控溫的