實驗一恒溫槽的裝配與性能測定PB07007320胡煥婷中國科大地空系【摘要】本實驗對恒溫槽的構(gòu)造、恒溫原理及其裝配和調(diào)試的基本技術進行探討。通過繪制恒溫槽靈敏度曲線（溫度—時間曲線），分析恒溫槽的性能，并探討貝克曼溫度計和溫控儀的調(diào)試與使用方法?！続bstract】Inthisexperiment,wechoosedifferentconditions（differenceintemperaturemarginandheatvoltage）toexaminethefluctuateofthetemperatureofthethermostat,inordertoanalyzedthefactorstakingeffectonthesensitivityofthethermostatandgraspitstheoryandthemethodtooperatethisequipment.【關鍵詞】恒溫槽靈敏度曲線貝克曼溫度計溫控儀【Key-words】thermostaticbathtemperaturemarginBeckmannthermometersensitivity【前言】物質(zhì)的物理和化學性質(zhì)，如折射率、粘度、電導、蒸汽壓，以及反應中的電動勢、化學反應的速度常數(shù)、電離平衡常數(shù)等都與溫度有關。因此，這些實驗都必須在恒溫的條件下進行，通常用恒溫槽來控制溫度維持恒溫?？焖倏刂坪煤銣夭鄣臏囟?可為許多物理化學實驗創(chuàng)造好的條件（節(jié)省時間,避免因溫度而產(chǎn)生誤差）。一般恒溫槽的溫度都相對的穩(wěn)定，多少總有一定的波動，大約在土O.l°c，如果稍加改進也可達到0.01r，在1993年，北京市計量科學研究所溫度室就已成功研制出我國第一臺數(shù)顯和控制分辨力均為0.001的標準恒溫槽［1］。要使恒溫設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恒溫槽的熱平衡。當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。本實驗對恒溫槽的構(gòu)造、恒溫原理及其其裝配和調(diào)試的基本技術進行探討，并通過繪制恒溫槽靈敏度曲線（溫度—時間曲線），分析恒溫槽的性能。此外，盡管試驗中并沒有用到貝克曼溫度計，但仍了解了貝克曼溫度計和溫控儀的調(diào)試與使用方法。【實驗部分】一、儀器與藥品玻璃缸1個秒表1個

貝克曼溫度計1支溫控儀1臺0?50°C的1/10的溫度計1支攪拌馬達1個電加熱絲1個蒸餾水導線若干恒溫槽結(jié)構(gòu)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；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1-1。恒溫槽由浴槽、加熱器、攪拌器、溫度計、感溫元件、恒溫控制器等組成（圖1-1）。圖1-1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。1?浴槽：是10dm3的圓柱形玻璃容器，本實驗中使用蒸餾水。注意不可以使用自來水，否則會在電加熱絲上形成水垢，難以清理。加熱器：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，這樣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。由電子繼電器可以進行自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)恒溫。圖1-2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，但不能超過200V。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。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。同時，攪拌速度應適中，在確定攪拌速度后，實驗之中不可以隨意改變，導致實驗條件的變化。溫度計：恒溫槽中以一支1/1O°C的溫度計測量恒溫槽的溫度。用數(shù)字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化。若接觸式溫度計與水銀溫度計讀數(shù)不一致，在剛剛接通時要進行對照，以水銀溫度計為標準。電子繼電器：為恒溫槽的控溫器，實際上是一個自動開關，它與接觸式溫度計相配合，當恒溫槽的溫度低于接觸式溫度計所設定的溫度時，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。反之則停止加熱，這樣交替地導通、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_±0.1C，最高可達±0.05C。接觸式溫度計：該溫度計為感溫裝置，其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線，這兩根導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。為使恒溫槽溫度恒定，接觸溫度計調(diào)至某一位置時，應將調(diào)節(jié)帽上的固定螺釘擰緊，以免使之因振動而發(fā)生偏移。接融溫應計上部3^■■輯節(jié)溫此知調(diào)節(jié)的訛度妁論26°c度指示｛以上沿度対準）接融溫應計上部3^■■輯節(jié)溫此知調(diào)節(jié)的訛度妁論26°c度指示｛以上沿度対準）圖1-4接觸溫度計的構(gòu)造圖1-調(diào)節(jié)帽；2-調(diào)節(jié)固定螺絲；3-磁鐵；4-螺桿引出線；4'-水銀槽引出線5-標鐵；6-觸針；7-刻度板；8-螺絲桿；9-水銀槽。二、實驗步驟1、將蒸餾水注入水浴槽中，根據(jù)恒溫槽組裝的原則，按圖1-1分別將所需各部件按要求裝備好?？?、 將貝克曼溫度計調(diào)節(jié)好，使其水銀柱在25°C時停止在中間位置。（見附錄貝克曼溫度計的調(diào)節(jié)與使用）口3、 將溫控儀、250V可調(diào)變壓器、電加熱絲按電路圖1-2連接好,并將攪拌馬達接到另一只1kV的可調(diào)變壓器的輸出端，接好電源線。4、 將控溫儀熱敏探頭固定在恒溫槽的一定位置，注意可浸入部分不可超過200mm,并將所有調(diào)壓器電壓調(diào)至最低。5、 經(jīng)老師許可后插好電源，調(diào)電壓開啟攪拌使其有一快慢適中的攪拌速度。打開溫控儀電源，控制溫控儀使之黃紅燈交替明亮息滅，這時恒溫槽處于恒溫狀態(tài)。6、 恒溫槽靈敏度測量：（1）機械自動化控制①低溫、不同加熱電壓情況下的恒溫控制及其恒溫槽性能比較在既使用調(diào)壓器和發(fā)熱管，也使用控溫器的情況下，將溫度控制并恒溫到某個高于室溫的溫度上，如25°C（冬天），30°C（夏天）。達到指定溫度后，分別將調(diào)壓器調(diào)節(jié)為175V（或180V）和100V兩個加熱電壓，等繼電器不斷地開關跳動表現(xiàn)恒溫以后，然后自行選用一種溫差計（貝克曼溫差計和電子數(shù)字溫差計）測量溫差AT與時間t的變化曲線：△T（C）?t（sec）②高溫、不同加熱電壓情況下的恒溫控制及其恒溫槽性能比較在既使用調(diào)壓器和發(fā)熱管，也使用控溫器的情況下，將溫度控制并恒溫到某個高于室溫的溫度上，如40C（冬天），45C（夏天）。達到指定溫度后，分別將調(diào)壓器調(diào)節(jié)為175V（或180V）和100V兩個加熱電壓，等繼電器不斷地開關跳動表現(xiàn)恒溫以后，自行選用一種溫差計測量溫差AT與時間t的變化曲線：△T（C）?t（sec）2）人工手動控制⑤沒有控溫器時的恒溫控制及其恒溫槽性能及比較：在只使用調(diào)壓器和發(fā)熱管，而不使用控溫器的情況下（相當于將接觸溫度計的位置調(diào)節(jié)到50C，并使發(fā)熱管始終處于加熱狀態(tài)即可），不斷調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓值使溫度恒溫到某個高于室溫的溫度上，如40C（冬天），45C（夏天）。等溫度穩(wěn)定以后，停止調(diào)壓器輸出電壓調(diào)節(jié)，自行選用一種溫差計測量溫差AT與時間t的變化曲線：△T（C）?t（sec）

將這條變化曲線與②中的兩條變化曲線比較說明觀察到的現(xiàn)象。三、實驗注意事項

1、為使恒溫槽溫度恒定，接觸溫度計調(diào)至某一位置時，應將調(diào)節(jié)帽上的固定螺釘擰緊，以免使之因振動而發(fā)生偏移。2、當恒溫槽的溫度和所要求的溫度相差較大時，可以適當加大加熱功率，但當溫度接近指定溫度時，應將加熱功率降到合適的功率。【結(jié)果與討論】一、數(shù)據(jù)記錄及處理20°C,175V時溫度（59）—時間（t/sec）曲線:20T0.08-0.060.040.02-0.00--0.02-0.04--0.08200040006000800010000」20T0.08-0.060.040.02-0.00--0.02-0.04--0.08200040006000800010000」“弭時溫度（蟲Trc）-時間（t/sec）曲線則恒溫槽的靈敏度為：max min2二土則恒溫槽的靈敏度為：max min2二土（0.063+0.070+0.070）/3二±0.068°CTmaxT.minT-TT—±―max min210.065-0.061±0.06320.079-0.062±0.07030.082-0.058±0.070

TmaxT.minT丄T-TT— max min210.024-0.057±0.04020.015-0.057±0.03630.008-0.057±0.032則恒溫槽的靈敏度為：由曲線可知：±—max min2二±（0.040+0.036+0.032）/3二±0.036°C35°C,175V時溫度（59）由曲線可知：±—max min2二±（0.040+0.036+0.032）/3二±0.036°C由曲線可知：TmaxT.minT—TT-±m(xù)ax minmax min210.046-0.087±0.06620.043-0.080±0.06230.073-0.097±0.085o.oa丄rrcaos--Q.CM-”口g-￡.05--Q.10-35-C』口丹時溫度（T/T}”時間（t/sec）曲線20002600t/s則恒溫槽的靈敏度為：o.oa丄rrcaos--Q.CM-”口g-￡.05--Q.10-35-C』口丹時溫度（T/T}”時間（t/sec）曲線20002600t/s則恒溫槽的靈敏度為：35°C,100V時溫度（59）—時間（t/sec）曲線:

TmaxT.minT-TT—±—max min21-0.025-0.083±0.0292-0.027-0.084±0.0283-0.030-0.082±0.026由曲線可知：則恒溫槽的靈敏度為：—±—max min35XAD2--003--0.04--Q.D5--0.DS--0.07--0.DB-0.0S,100V時溫度（空TY）-時間（t/sec）曲線15OT 2000t/S—±35XAD2--003--0.04--Q.D5--0.DS--0.07--0.DB-0.0S,100V時溫度（空TY）-時間（t/sec）曲線15OT 2000t/S—±(0.029+0.028+0.026)—±0.028°C、ire.-0.CM0--0.M5■O.DStl-^0.055--0.0M--100-0.M5■O.DStl-^0.055--0.0M--10052(KI2040艾，人工手動控制時溫度（W}?時間（t/sec）曲蟻結(jié)果分析加熱功率對恒溫槽靈敏度的影響20°C下，不同功率恒溫槽靈敏度比較：175V時恒溫槽的靈敏度為：T1=±0.068°C100V時恒溫槽的靈敏度為：T2=±0.036°CITIvlT1即加熱功率低（100V）的恒溫槽靈敏度較高。21巴TTCJ10.10-0.0&-0.060.0-3-0.020.00-0.02--0.04-0.06-?0.0&0 2000 4000 6000 ED00譏20弋不同功率下溫度（也譏）?時間（說饑}曲線比較35C下，不同功率恒溫槽靈敏度比較：175V時恒溫槽的靈敏度為：T1=±0.071°C100V時恒溫槽的靈敏度為：T2=±0.028°C

1T2k|T1即加熱功率低（1°°V）1T2k|T1即加熱功率低（1°°V）的恒溫槽靈敏度較高。0.05004-0060QQ-0.02--O.M35LC不同功率時遍度｛」T/UC）-時間（t/sec）曲線15002WDt/S100Q 100V175V由上兩圖易得，在相同溫度下，不同加熱電壓時，溫度變化AT隨著時間t呈周期性變化。當加熱功率大時（即175V時），溫度變化周期較大，且溫度波動幅度較大。這是由于當加熱功率較大時，液體溫度變化快，而滯后作用較大，故周期較長，且溫度波幅度較大，恒溫效果較差，即恒溫槽靈敏度低。因此可以得到結(jié)論：同溫度下，加熱功率低的恒溫槽靈敏度較高。在實際應用時，應選用較低的加熱功率，這樣在低能耗的前提下還保證了溫差變化周期較小和更高的靈敏度，恒溫效果更好。溫度對恒溫槽靈敏度的影響175V時，不同溫度恒溫槽靈敏度比較：20°C時恒溫槽的靈敏度為：T1=±0.068°C35°C時恒溫槽的靈敏度為：T2=±0.071°C

兩溫度下靈敏度相差不大。變化曲線比較如下圖：100V時，不同溫度恒溫槽靈敏度比較：20°C時恒溫槽的靈敏度為：T1=±0.036°C35°C時恒溫槽的靈敏度為：T2=±0.028°C兩溫度下靈敏度相差不大。變化曲線比較如下圖：

由上面兩圖可得，溫度變化幅度兩不同溫度條件下相差不大，但溫度變化周期都是溫度較高（即35°C）的較短。這是由于在同一室溫下，恒定在較高溫度散熱速度較快，故體系溫度下降也較快，反映在數(shù)據(jù)上就是溫度變化的周期變短。溫度變化周期反映了加熱器對體系間斷性加熱以維持恒溫的頻率。40C時手動控溫與恒溫控制器性能比較手動控溫時,操作者需根據(jù)溫度偏離設定溫度的情況,實時改變加熱功率,控制加熱與散熱之間的關系，盡量維持溫度恒定,這樣得出的溫度變化曲線沒有明顯的周期性.但由于恒溫儀器的滯后作用，曲線也呈高低變化。15000.08-0.06-0.04-0.02-0.00-^0.02--0.04--0.06--0.0B-3515000.08-0.06-0.04-0.02-0.00-^0.02--0.04--0.06--0.0B-35弋恒溫儀控制與手動控制溫度變化對比圖100025DDt/s 175V——100V手動手動控制時，沒有控溫器時的恒溫控制，在只使用調(diào)壓器和發(fā)熱管的情況下(即將接觸溫度計的位置調(diào)節(jié)到50°C，并使發(fā)熱管始終處于加熱狀態(tài)即可)，不斷調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓值(大約65V左右)使溫度恒溫到35C?？梢钥闯鰷囟炔▌酉噍^不明顯，峰值間差距相對不大。說明維持在特定的加熱功率時，恒溫槽的散失熱量大約與電加熱絲提供熱量相等，恒溫槽溫度趨于穩(wěn)定。與有恒溫控制器時的曲線進行比較可以看出，手動控制恒溫槽溫度變化的周期比有恒溫控制器時的周期小，且溫度的波動也比有恒溫控制器時小，這說明手動控制克服了繼電器和固定的加熱功率的影響,實時控制使溫度保持恒定。但手動操作也有不可避免的缺點，如耗費更多的人力且受人為影響極大，可能會有很大的偶然誤差。三、實驗結(jié)果分析及拓展1.使某一體系維持在高于室溫的恒溫狀態(tài)的方法：⑴環(huán)境—體系間理想的靜態(tài)絕熱；⑵環(huán)境—體系間近似的動態(tài)絕熱，當體系不斷向環(huán)境散發(fā)熱量時，環(huán)境以另外的形式連