　　　　　　　　　　　　　　温度的测量与控制技术

【温度的控制】
　一、液浴恒温槽　
　 (１)、恒温槽的构造及原理
　该恒温槽是实验室中常用的恒温设备，其装置如图所示。
　它是以某种液体为介质的恒温装置，依靠温度控制器来自动调节其热平衡。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图1－1 恒温槽装置图（flash模拟演示）
　　　1－浴槽；2－电热丝；3－搅拌器；4－温度计；5－接触温度计；6－温度控制器
　　恒温槽一般是由浴槽、搅拌器、加热器、接触温度计、温度控制器和温度计等部分组成，现分别介绍如下：（如图所示）实验开始时，先将搅拌器3启动，将接触温度计5调至所需恒温温度（例如25℃），若此时浴槽1内的水温低于25℃，则接触温度计5的两条引出线断路，则温度控制器6发出指令对加热器2通电加热，使浴槽1内的水温升高，当浴槽1内的水温达到25℃时，接触温度计5的两条引线导通，则温度控制器6发出指令对加热器2停止加热。以后当浴槽1内的水因对外散热使温度低于25℃时，则接触温度计5的两条引线再次断路，则加热器2重新工作。这样周而复始就可使介质的温度在一定范围内保持恒定。
　 1. 浴槽：通常使用玻璃容器便于观察，也可以用金属容器。其大小视实验需要而定，浴槽
内的介质一般选用蒸馏水。对特殊需要时，可选用如下介质：
　 　　　-60～30℃乙醇或乙醇水溶液；
　　　　　 80～160℃甘油或甘油水溶液；
　　　　　70～200℃液体石蜡、硅油等；
　２.加热器: 常用的是电热器。加热器功率的大小应根据浴槽大小和恒温温度的实际需要而定，如容量为20dm3的浴槽，要求恒温在20～30℃时，可选用200～300W的加热器。为了提高恒温的效果，可采用两套加热器。刚开始加热时，用功率较大的加热器加热，当温度达恒定时，用功率较小的加热器来维持恒温。
　３.搅拌器: 一般采用40W的电动搅拌器，用变速器来调节转速。搅拌器一般应尽量安装在加热器附近，使热量迅速传递，保持浴槽内各部位温度均匀。
　４.温度计: 观察恒温槽的温度常用1/10℃的水银温度计，若测量恒温槽的灵敏度，可用1/100℃温度计或贝克曼温度计。温度计的安装位置应尽量靠近被测系统，所用温度计在使用前需进行校正。
　５.感温元件：感温元件的作用是当恒温槽的温度达到设定值时，发出信号，使加热系统停止加热。低于设定温度时，则发出信号，命令加热系统继续加热。感温元件的种类很多，如接触温度计、热敏电阻等。这里仅以接触温度计(又称水银导电表)为例说明它的控温原理，接触温度计的构造(如图所示)与普通温度计类似，但上下两段均有刻度7，上段由标铁5指示温度，它焊接上一根钨丝，钨丝下端所指的位置与上段标铁5上端面所指的温度相同，它依靠顶端上部的调节帽1内的一块磁铁3的旋转来调节钨丝的上下位置。当旋转调节帽1时，磁铁3带动内部螺丝杆8转动，使标铁5上下移动，顺时针旋转调节帽1时，标铁5向上移动；逆时针旋转时，标铁向下移动，下面水银槽和上面螺丝杆引出两根线4、4′作为导电与断电用。当恒温槽温度未达到标铁上端面所指示的温度时，水银柱与钨丝触针不接触；当温度上升并达到标铁上端面所指示的温度时，水银柱与钨丝触针接触，从而使两根导线4、4′导通。

　　　　　　接触温度计的构造图
1．调节帽；2．调节帽固定螺丝；3．磁铁；4．螺丝杆引出线；4′．水银槽引出线；5．标铁；6．触针；7．刻度板；8．螺丝杆；9．水银槽

　６.温度控制器：温度控制器的原理如图所示。图中右侧为电源部分，左侧为晶体管继电器。电源变压器T，四个二极管(D1，D2，D3，D4)组成桥式全波整流器。三级管的基极(b)电流由200KΩ的电阻R1限制在120μΑ左右，使集电极(c)的电流略大于继电器J的工作电流。当接触温度计中水银与触针未接触时，1、2断路，三极管的集电极使继电器J工作，加热器(200W)通电加热，恒温槽温度上升；当温度达到控制温度，汞柱与触针接触，1、2间短路，基极电流为零，集电极(c)电流很小，继电器J将衔铁放开，加热器停止加热。若恒温槽的温度因热量散失而再次低于恒温温度时，则上述继电器控制过程重复进行，即电源被接通而加热。这样就使水温恒定在某一温度。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　图温度控制器的电路图
　 T-电源变压器；D1、D2、D3、D4-2AP3晶体二级管；J-121型灵敏继电器；
　　　　　 C1、C1-滤波电容；L1-工作指示氖炮；L2-电源指示灯泡。
　由于这种温度控制装置属于“通”“断”类型，当加热器接通后传热使介质温度上升并传递质温度上升并传递给接触温度计，使它的水银柱上升。由于传质、传热都需要一定时间，因此，会出现温度传递的滞后现象。即当接触温度计的水银触及钨丝时，实际上电热器附近的水温已超过了指定温度，因此，恒温槽温度必高于指定温度。同理，降温时也会出现滞后现象。　由此可知，恒温槽控制的温度有一个波动范围，而不是控制在某一固定不变的温度，并且恒温槽内各处的温度也会因搅拌效果的优劣而不同。控制温度的波动范围越小，各处的温度越均匀，恒温槽的灵敏度越高。灵敏度是衡量恒温槽性能的主要标志，它除与感温元件、电子继电器有关外，还受搅拌器的效率、加热器的功率等因素的影响
　恒温槽灵敏度的测定是在指定温度下，用较灵敏的温度计，如贝克曼温度计，记录恒温槽温度随时间的变化，若最高温度为t₁，最低温度为t₂，则恒温槽的灵敏度t_E为
　　　　　　 t_E = ±
　灵敏度常以温度为纵坐标，以时间为横坐标，绘制成温度 - 时间曲线来表示。在图1-4中曲线(a)表示恒温槽灵敏度较高；(b)表示加热器功率太大；(c)表示加热器功率太小或散热太快。(b)、(c)灵敏度较低。
　　为了提高恒温槽的灵敏度，在设计恒温槽时要注意以下几点：
　　 1.恒温槽的容量要大些，其热容量越大越好。　
　　 2.尽可能加快电热器与接触温度计间传热的速率。为此要使：(1)感温元件的热容尽可能小，感温元件与电热器间距离要近一些；(2)搅拌效率要高。
　　 3.作调节温度用的加热器功率要小些。
　液浴恒温槽的恒温性能主要取决于感温元件和恒温控制器，接触温度计的构造简单，通过它很容易理解恒温原理，但是其调节往往需要一定的经验的技巧，对初学者来说，需要训练才能掌握。近年来，由于实验技术的发展，这种调节技术被数字式恒温控制器的键盘输入所取代，使恒温操作便加简单，克服了人为因素对恒温效果的影响。
　 (２).SQW数字恒温控制器
　“SQW智能数字恒温控制器”是通过微处理器对温度传感器（热电偶）的信号进行线性补偿，利用数字信号处理技术进行恒温控制，采用键入式温度设定，可以人为设定恒温槽的灵敏度（回差）。其操作面板如图所示。
　　
　　　　　　　　　　　　图SQW数字恒温控制器的面板图
一、使用方法
　 1．将热电偶插入恒温介质中，电源开关置于“开”，此时“恒温”指示灯亮，左边LED显示为介质温度，右边LED显示为0.00℃。
　 2．恒温温度设置。例如欲将恒温槽调节到18.0℃。
　按动键，右边LED的十位上数字闪烁，再按▲键，此位将逐次显示“0”、“1”，至显示“1”时停止按动▲键。
　按动键，右边LED的个位上数字闪烁，再按▼键，此位将逐次显示“9”、“8”，至显示“8”时停止按动▼键。
按动键，最后一位“0”闪烁，再按动键，“工作”指示灯亮。此时右边LED显示值即为设定的温度值18.0℃。
　 3．打开玻璃恒温水浴（其操作面板如图1—6所示）的加热器开关和水搅拌开关，之后恒温槽的温度将逐渐升高。升温过程中可将加热器功率置于“强”位置，恒温时置于“弱”位置。需要快搅拌时“水搅拌”置于“快”位置。通常情况下置于“慢”位置即可。
　　　　
　　　　　　　　　　图SYP型玻璃恒温水浴操作面板
　 4．回差温度设置
　按“回差”键，回差将依次显示0.5→0.4→0.3→0.2→0.1达到回差温度的设置。当介质温度<设定温度-回差，加热器处于加热状态；当介质温度>设定温度+回差，加热器停止加热。由此可见，此“回差”即为恒温槽的灵敏度。
　 5．实验结束后，关闭加热器、水搅拌和恒温控制器开关。

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