物化實驗報告 恒溫槽的裝配和性能測試

1、恒溫槽得裝配與性能測試張鵬翔 2013012030材33實驗日期:2015年5月14日 提交報告日期:2015年5月20日1引言1、1.2.3.實驗目得了解恒溫槽得原理，初步掌握其裝配與調(diào)試得基本技術(shù)。分析恒溫槽得性能，找出合理得最佳布局。掌握水銀接點溫度計、熱敏電阻溫度計、繼電器、自動平衡記錄儀得基本測量原理與使用方法。1、實驗原理2許多物理化學實驗都需要在恒溫條件下進行。欲控制被研究體系得某一溫度，通常采取兩種方法：一就 是利用物質(zhì)相變時溫度得恒定性來實現(xiàn)，叫介質(zhì)浴。女0 :液氮(195、9 C )、冰水(0 C )、沸點水(100 C )、干冰丙酮(78。5C )、沸點萘(218 C )

2、等等。相變點介質(zhì)浴得最大優(yōu)點就是裝置簡單、溫度恒定。缺點就是對 溫度得選擇有一定限制，無法任意調(diào)節(jié)。另一種就是利用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng) 動調(diào)節(jié)，使被控對象處于設定得溫度之下。本實驗討論得恒溫水浴就就是一種常用得控溫裝置，它通過繼電器、熱器配合工作而達到恒溫得目得。其簡單恒溫原理線路如圖211所示。是通路，因此加熱器工作，使水槽溫度上升；當水槽溫度升高到設定值時，對加熱或制冷器得工作狀態(tài)進行自溫度調(diào)節(jié)器(水銀接點溫度計)與加 當水槽溫度低于設定值工作原理路 I就，溫度調(diào)節(jié)器接通，此時線路II為通路，因電磁作用將彈簧片D吸下，線路I斷開，加熱器停止加熱；當水槽溫度低于設定值時，溫度調(diào)節(jié)器斷開，線路II斷路

3、,此時電磁鐵失去磁性，彈簧片回到原來得位置，使線路I又成為通路。如此反復進行 ，從而使恒溫槽維 持在所需恒定得溫度。恒溫槽由浴槽、溫度計、接點溫度計、繼電器、加熱器、攪拌器等部件組成。如圖恒溫槽得性能進行測試，圖中還包括一套熱敏電阻測溫裝置。現(xiàn)將恒溫槽主要部件簡述如下。212所示。為了對1、浴槽 浴槽包括容器與液體介質(zhì)。根據(jù)實驗要求選擇容器大小，一般選擇10L或者20L得圓形玻璃缸做為容器。若設定溫度與室溫差距較大時，則應對整個缸體保溫。以減少熱量傳遞，提高恒溫精度。恒溫槽液體介質(zhì)根據(jù)控溫范圍選擇，如:乙醇或乙醇水溶液(60 - 30C )、水(0 100C )、甘油或甘油水溶液(80 160

4、C)、石蠟油、硅油(70 200C )。本實驗采用去離子水為工作介質(zhì)，如恒溫在50C以上時，可在水面上加一層液體石蠟，避免水分蒸發(fā)。2、溫度計觀察恒溫浴槽得溫度可選擇1/10 C水銀溫度計，測量恒溫槽靈敏度則采用熱敏電阻測溫裝置。將熱敏電阻與1/10溫度計綁在一起，安裝位置應盡量靠近被測系統(tǒng)。3、接點溫度計(溫度調(diào)節(jié)器)接點溫度計又稱接觸溫度計或水銀導電表，如圖213所示。它得下半段就是水銀溫度計，上半段就是控制指示裝置。溫度計上部得毛細管內(nèi)有一根金屬絲與上半段得螺母相連，螺母套在一根長螺桿上。頂部就是磁性調(diào)節(jié)冒，當轉(zhuǎn)動磁性調(diào)節(jié)冒時螺桿轉(zhuǎn)動 ，可帶動螺母與金屬絲上下移動，螺母在溫度調(diào)節(jié)指示標尺

5、得位置就就是要控制溫度得大致溫度值。頂部引出得兩根導線，分別接在水銀溫度計與上部金屬絲上，這兩根導線再與繼電器相連。當浴槽溫度升高時，水銀膨脹上升，與上面得金屬絲接觸，繼電器內(nèi)線圈通電產(chǎn)生磁場，加熱線路彈簧片吸下，加熱器停止加熱。隨著浴槽熱量得散失，溫度下降，水銀收縮 并與上面得金屬絲脫離，繼電器電磁效應消失，彈簧片回到原來位置，接通加熱電路，系統(tǒng)溫度回升。如此反復， 從而使系統(tǒng)溫度得到控制。需要注意得就是，溫度調(diào)節(jié)指示標尺得刻度一般不就是很準確，恒溫槽溫度得設定與測量需要1/10 C溫度計來完成。接點溫度計就是恒溫槽重要部件，其靈敏度對控溫精度起關鍵作用4、繼電器 繼電器與加熱器與接點溫度計

6、與加熱器相連，組成溫度控制系統(tǒng)。實驗室常用得繼電器有晶體管繼電器與電子管繼電器。典型得晶體管繼電器電路如圖214所示，它就是利用晶體管工作在截止區(qū)以及飽與區(qū)呈現(xiàn)得開關特性制成得。其工作過程就是：當接點溫度計Tr斷開時時,Ec通過Rk給鍺三極管BG得基極注入正向電流lb,使BG飽與導 通,繼電器J得觸點K閉合,接通加熱電源。當溫度升高至設定溫度，接點溫度計Tr接通,BG得基極與發(fā)射極被短路，使BG截至,觸點K斷開，加熱 停止。當繼電器J線圈中得電流突然變小時，會感生出一個較高得反電動 勢,二極管D得作用就是將它短路，避免晶體管被擊穿。必須注意得就是,晶體管繼電器不能在高溫下工作，因此不能用于烘箱

7、等高溫場合。度標尺 可鼻節(jié)金 堆H點圖3水銀接觸溫度計示意圖木餵瓊It： 7-1-3木銀接柚溫侵計用您圖5、加熱器常用得就是電加熱器。加熱器得選擇原則就是熱容量小、導熱性能好、功率適當。加熱器功率得大小就是根據(jù)恒溫槽得大小與所需控制溫度得高低來選擇得。通常我們都在加熱器前加一個與加 熱器功率相適應得調(diào)壓器，這樣加熱功率可根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)。6、 攪拌器攪拌器得選擇與工作介質(zhì)得粘度有關，如:水、乙醇類粘度較小得工作介質(zhì)選擇功率40W左右得攪拌器。若工作介質(zhì)粘度或攪拌棒得葉片較大時，應選擇功率大一些得攪拌器。7、 熱敏電阻測溫裝置用來對恒溫槽得性能進行測試，測溫原理見附錄溫度得測量與控制電器工作原理

8、綜上所述，恒溫效果就是通過一系列元件得動作來獲得得。因此不可避免地存在著滯后現(xiàn)象示意圖，如溫度傳 遞、感溫元件、繼電器、加熱器等得滯后。因此，裝配時除對上述各元件得靈敏度有一定要求外，還應根據(jù)各元件在恒溫槽中作用，選擇合理得擺放位置，合理得布局才能達到理想得恒溫效果。靈敏度就是恒溫槽恒 溫好壞得一個重要標志。一般在指定溫度下，以、分別表示開始加熱與停止加熱時槽內(nèi)水得溫度（相對值）,215。以為縱坐標，時間t為橫坐標，記錄儀自動畫出靈敏度曲線如圖若最高溫度為，最低溫度為，測得恒溫槽得靈敏度為通過對上述曲線分析可以瞧出圖中（a）表示靈敏度較高；（b）表示靈敏度較低；（c）表示加熱功率偏大。如果圖5

9、幾種形狀得靈敏度曲線加熱器功率偏小，則達不到設定得溫度值。2實驗操作2、1實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖1、儀器與藥品恒溫槽1套:玻璃缸、電動攪拌器D8401ZH 1/10 C溫度計、電加熱器、電接點溫度計、繼電調(diào)壓器、 熱敏電阻溫度計、電阻箱、電橋盒、記錄儀各一個。2、測試裝置示意圖（如下圖6所示）歸GV7J圖6恒溫槽實驗裝置示意圖注意，此圖中得水銀接點溫度計已經(jīng)由電接點溫度計替代。2.2實驗條件表1實驗條件記錄室溫（C）大氣壓（kPa）相對濕度（）2099、14532、3實驗操作步驟及方法要點1、恒溫槽得裝配根據(jù)所給元件與儀器，按圖212安裝恒溫槽，接好線路。注意裝置與實驗指導書上有溫

10、盒得插頭上。電接點溫度計已經(jīng)連接到控溫盒上了，由此形成控溫閉路溫度計與繼電器得作用。1/10水銀溫度計與熱敏電阻溫度計已經(jīng)固定在一起橋連接記錄儀，記錄儀要接插座，并連接電腦。打開電腦中得記錄程序。注意 法停下，但可以從記錄得數(shù)據(jù)中進行截取。所不同。攪拌器由攪拌器電源控制 ，電源接插座。電加熱器要接在調(diào)壓器提供得插頭上，而調(diào)壓器要接在控，控溫盒直接接插座?？販睾屑嬗校瑹崦綦娮铚囟扔嬤B接電橋，電 ，記錄程序每時每刻都在記錄，無2、恒溫槽得調(diào)試玻璃缸中加入去離子水，約總?cè)莘e得 9/10。打開攪拌器（中速攪拌，4檔）、控溫盒。控溫盒已經(jīng)設置好控制溫度為30C，無需再調(diào)節(jié)。開始可將加熱電壓調(diào)到200V左

11、右，待接近設定溫度時，適當降低加熱電壓。觀察控溫盒得示數(shù)（示數(shù)顯示為控溫溫度計得讀數(shù)），就是否在30C附近。觀察1/10溫度計，示數(shù)也應在30C附近。此時調(diào)節(jié)電橋，使電橋示數(shù)在0附近（盡量減小誤差，而且便于觀察）。3、溫度波動曲線得測定電橋得讀數(shù)實時顯示在記錄儀上 ，同時在電腦屏幕上繪出曲線。該讀數(shù)反映了熱敏電阻溫度計處得溫度。由于電阻與溫度成正線性關系，而電阻得相對高低又可以用電橋讀數(shù)來反映因此記錄電橋示數(shù)就相當于記錄溫度，而且精度要高。開始記錄數(shù)據(jù)。待數(shù)個循環(huán)波形穩(wěn)定后，停止記錄。這取決于波形穩(wěn)定得時間長短與波形本身得周期。4、布局對恒溫槽靈敏度得影響改變各元件間得相互位置，包括水平位置與

12、垂直位置，重復測定溫度波動曲線，找出一個合理得最佳布局。5、影響溫度波動曲線得因素選定某個布局，分別改變加熱電壓（加熱功率）與攪拌速度，測定溫度波動曲線與未改變條件得溫度波動曲線比較。6、測定熱敏電阻溫度計得儀器常數(shù)（C/mV）停止加熱，不停止攪拌，讓裝置自然降溫冷卻。一面觀察控溫盒上得溫度示數(shù)，一面觀察電腦上得電橋示數(shù)。在溫度下降0、2C前后，分別記錄電橋示數(shù)，求出儀器常數(shù)。7、實驗結(jié)束 保存數(shù)據(jù)，收拾實驗儀器。3結(jié)果與討論3、1原始實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)得處理、計算1) 熱敏電阻溫度計儀器常數(shù)測量結(jié)果測定熱敏電阻溫度計得儀器常數(shù)得數(shù)據(jù)見下表：表2熱敏電阻儀器常數(shù)測定數(shù)據(jù)記錄起始溫度終止溫度溫度變化

13、電橋變化儀器常數(shù)(C)(C)(C)(mV)(C /mV)30、0029、780、221、610、137得到儀器常數(shù)就是 0、137C /mV2) 恒溫槽元件最佳布局得實驗結(jié)果實驗中恒溫槽得設定溫度為30 C ;元件旁得數(shù)字代表估實驗中對6種不同得恒溫槽布局進行了靈敏度曲線得測定。圖案按照約定繪制。計得深度位置(單位:cm)。實驗結(jié)果如下表所示：表3恒溫槽布局圖及對應得靈敏度曲線與實驗條件序號布局圖靈敏度曲線周期T(s) 靈敏度Te(C)3 2o 3 3 dE d S A-fc f t t a- 3 3C組實驗曲議rg *宙三6 5 1 3 3 1 o 13 3185230262 0、 035

14、0、 042 0、 051D俎買裳曲踐E- nA 5 1 5 OE152 52 - o D TJ I 2 5 AUm170 0、 028 A/ . vr . / 1 . U1_XJu_E組買莪曲線so3/SO吋同I )ED IDS 15D20。rd-494 0、015閡買裳曲線124 0、018序號注:(a)布局圖中各符號得含義如下代表加熱器l代表熱敏電阻溫度計。X代表攪拌器，、代表水流方向(b)溫度波動范圍為取平均值后得到得結(jié)果(C)根據(jù)計算所得得靈敏度判斷，布局E得靈敏度數(shù)值最小，為最佳布局，布局F次之。3)電壓與攪拌速度對恒溫槽靈敏度影響測定得實驗結(jié)果實驗中在保持布局F得情況下,分別對電

15、壓與攪拌速度進行了改變，測定電壓與攪拌速度對恒溫槽靈敏度得影響。實驗結(jié)果如下表所示(符號含義同前)：表4恒溫槽布局圖及對應得靈敏度曲線、相關數(shù)據(jù)代表水銀接點溫度計布局圖靈敏度曲線周期(s)靈敏度加熱電壓攪拌Te(C )(V)速度4.百組實驗曲賤 J 和I 4 - f 上嚴-erne-CL-0.1H組實宜曲域-OllE3、3討論分析1）合理得最佳布局根據(jù)如上所示得結(jié)果，在本次實驗中我們得到得最佳布局為布局 在加熱電壓為100V,攪拌速度4檔得情況下，最佳布局得靈敏度為 在加熱電壓為80V,攪拌速度4檔得情況下，最佳布局得靈敏度為2）水槽內(nèi)熱流分析攪拌器得作用就是讓水槽內(nèi)得水整體上沿一個方向流動。

16、速并不均勻。但就是，靠近攪拌器得水流動較快，熱量能夠迅速分散均勻 見到，加熱器產(chǎn)生得熱流在流動較慢得水中不能夠很快擴散均勻。再者 速也絕不就是與同攪拌器得距離成簡單得函數(shù)關系。1069801601110080E,而布局F次之（見上一頁表 3）。:Te = 0、015C:Te= 0、011 C但就是，從水里得顆粒物可以觀察到各處水流;遠離攪拌器得水流動較慢，可以明顯，水槽中得水流有許多紊亂得區(qū)域，流由于密度得原因，加熱器產(chǎn)生得熱流本實驗裝置中，加熱器貼近水面（平均深度5cm）,而且位置無法調(diào)整。在不斷擴散得同時也在不斷向上漂移。另一方面，攪拌器得位置靠下（螺旋槳深度18cm）,無法激烈地攪動靠近

17、表面得水層。因而，熱量一開始集中在水槽得上層，要傳導到水槽得中下層需要很長得時間。3）對合理最佳布局得討論（a）要想達到最佳合理布局，首先要削減加熱器通斷循環(huán)得周期，因為加熱器通電時一定會給體系以多于得熱量，水槽內(nèi)得平均溫度一定在上升；加熱器斷電時，水槽內(nèi)得平均溫度一定在下降。若攪拌速度一定加熱電壓一定，水槽內(nèi)得平均溫度上升與下降得速率也就是一定得。因此，假如認為熱敏電阻溫度計近似反映了水槽整體平均溫度，那么通斷循環(huán)得周期越短，測得得靈敏度區(qū)間就越小。為達到這一目得，要求在加熱器通電后，接電溫度計能很快感受到熱量。然而,一開始得布局（A、B、C）中,接點溫度計深入水槽得下層（20cm）。加熱器

18、得熱流要傳到到接點溫度計，需要相當長得時間，大大影響了控溫精度。然而，將接點溫度計得位置調(diào)整為水槽得上層（10cm）后（例如F，擁有與C 一樣得平面布局），熱流可以迅速傳到接點溫度計，控溫精度提高?？販仄钆判颍篊BADFGEH，一個合理得想法就是，讓接點溫度計處在加熱器得下為了使加熱器與接電溫度計之間得熱傳導盡量快游,并且距離盡量近?？删褪?,為什么 A 、 B、 C 三組實驗中 ,控溫偏差都不小 ,而加熱器與接點溫度計得距離 最大得 A 組,控溫精度反而相對高 ,距離最小得 C 組,控溫精度卻最低呢 (CBA)? 熱傳導得距離不僅僅就是水平距離,還有垂直距離得影響。C 組中接點溫度計得確更

19、近 ,然而加熱器與接點溫度計得位置一高一低 ,從加熱器產(chǎn)生得熱流隨整體循環(huán)在第一次流經(jīng)接點溫度計時,沒有擴散到接點溫度計得深度，而要等到隨整體循環(huán)一整圈之后，才能擴散到相應深度，自然時間要長。相反,A組中，加熱器得熱流隨著整體循環(huán) ,不斷向下擴散 ,第一圈擴散到接點溫度計時就已經(jīng)達到了接點溫度計得深度 ,不用等待第二圈 , 因此時間要短。D 組得情況又不一樣 :當加熱器、攪拌器與接點溫度計三者基本重合時,攪拌十分激烈 ,可以讓接點溫度計比較快地接觸到加熱器得熱流 ,因而控溫偏差最小。雖然偏差小 ,但畢竟不如將接電溫度計升到水槽得上 層要管用 (DFE) 。(b) 要想達到合理得布局 ,應該讓熱

20、敏溫度計盡可能遠離變化。與攪拌器得距離盡量遠 ,盡量放在一個溫度與熱流均勻化得地方 ,防止湍流影響。本次實驗中所有得布局都符合這個條件。另外,應該讓熱敏溫度計處在水槽得中下部。水槽上層有加熱器得不斷通斷,溫度不夠均勻 ,而熱流擴散到水槽得中下部有延遲。利用這項延遲 ,可以進一步縮小控溫偏差。但又不能太靠下,否則會受到底部散熱得干擾。,且攪拌器距離盡量遠 ,否則(c) 要達到合理得布局 ,使除加熱器外得各元件處在攪拌器攪拌方向得下游 由于溫度計周圍介質(zhì)溫度不穩(wěn)定,會而使得溫度控制出現(xiàn)延遲 ,降低靈敏度。4) 攪拌器得攪拌速度對恒溫槽靈敏度得影響 提高攪拌器得攪拌速度 ,與之前我們得預測相反 ,恒

21、溫槽得靈敏度并不一定會明顯提高！對比調(diào)高攪拌 速度得G組與沒有調(diào)高得F組,雖然攪拌速度提高時，槽內(nèi)介質(zhì)傳熱速度更快，槽內(nèi)各部分得溫度更均勻，但也 加快了水槽整體向周圍環(huán)境散熱得速度，因此靈敏度僅由 0、018提高到0、016。相反,周期由124s縮短到 106s,更加明顯。5) 加熱電壓對恒溫槽靈敏度得影響 降低加熱電壓時 ,加熱功率減小 ,恒溫槽靈敏度提高。造成這一影響得原因就是 :受攪拌與擴散速度得影響 ,熱延遲得時間大體上一定。加熱功率越大,等到接電溫度計受到熱信號時 ,體系吸收得熱量就越多 ,之后也就需要更長得時間來散熱 ,造成控溫偏差增大。另外 加熱器在斷電后 ,由于其溫度不可能迅速

22、下降 ,所以會繼續(xù)對液體有短暫得加熱作用,造成溫度控制得延遲。因此,降低加熱電壓 ,有利于靈敏度提高。6) 對實驗中特殊現(xiàn)象得討論在 100V 時測得得所有靈敏度曲線有一共同得特點,即升溫線較陡 ,而降溫線較平緩。而 80V 測得得靈敏度曲線中 ,升溫與降溫線大體保持同樣斜度。因此 ,在實際工作中 ,選用 80V 得加熱電壓會更理想。4 結(jié)論 本次實驗通過恒溫槽得裝配與性能測試對恒溫槽得最佳布局以及各種因素對恒溫槽靈敏度得影響進 行了探究 ,實驗結(jié)果匯總?cè)缦?:1)最佳布局得基本特征最佳布局得基本特征主要有 :加熱器與接點溫度計距離盡量近 ,并且要同時處在水槽上層 ;熱敏溫度計與 攪拌器距離盡量遠 ,而且要處在水槽中下層 ;使除加熱器外得各元件處在攪拌器攪拌方向得下游 ,且攪拌器距 離盡量遠。2) 攪拌器得攪拌速度對恒溫槽靈敏度得影響提高攪拌器得攪拌速度 ,恒溫槽得靈敏度會有小幅提高 ,波動周期會明顯縮短。3) 加熱電壓對恒溫槽靈敏度得影響降低加熱電壓時 ,加熱功率減小 ,恒溫槽靈敏度提高。 5 附錄 思考題1、恒溫槽得恒溫原理就是什么？答 :恒溫槽得恒溫得原理主要就是:在恒