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恒温槽的装配与性能测定
PB09206xxx
Abstract
This experiment is designed to throw light upon some of the major factors in determining the performance as well as sensitivity of thermostatic chambers. More data are collected by comparing the HK-2A thermostatic bath with a thermometer-controlled thermostatic chamber

关键词：恒温槽 接触温度计 控温技术

一、 前言

在许多物理化学实验中，由于待测的数据如折射率、粘度、电导、蒸汽压、电动势、化学反应的速度常数、电离平衡常数等都与温度有关，因此保证实验在一个相对稳定的温度环境下进行就显得十分重要，在实验要求不是很苛刻或者条件有限的情况下，通常采用恒温槽来控制温度，维持恒温。一般恒温槽的温度都相对稳定，体系的温度会维持在某一设定温度上下波动，范围大约在0.1oC，若对仪器稍加改进也可达到0.01oC。恒温槽的基本原理就是依靠温度控制器恒温槽的热平衡：当恒温槽的热量由于对外散失而使其温度降低时，恒温控制器就驱使恒温槽中的电加热器工作，待加热到所需要的温度时，它又会使其停止加热，使恒温槽温度保持恒定。
恒温槽的种类很多，但其原理大体相同，只是实现的方式略有差别。常见的恒温槽由浴槽、加热器、搅拌器、温度计、感温元件、恒温控制器等主要部件组成。

1-浴 槽; 2-加热器; 3-搅拌器; 4-温度计;
5-感温元件(热敏电阻探头) 6-恒温控制器; 7-贝克曼温度计。
常见的恒温槽结构示意图

二、 实验部分

本实验中研究的恒温槽有两种，一种是市面上购买的商品化教学用恒温槽（南大万和HK-2A型），另一种是在借助该恒温槽的加热电路及水浴主体改装成的自制恒温装置。处于时间和安全的考虑，本实验中不再要求自行连接恒温槽的电路。由于本次实验的设定温度在30oC左右，因此浴槽中盛放的介质是蒸馏水。实验中恒温槽内安装有循环水装置，可以用于评价循环水对恒温槽性能的影响。
1. HK-2A恒温槽性能的测试
打开恒温槽的电源以及搅拌器开关，设定恒温槽的工作温度为30oC，打开电子为温差计（），恒温槽内温度的变化将实时传入计算机终端进行保存，当恒温槽止加热进入恒温阶段后，将温差计的实数清零，打开数据记录软件进行记录。记录2个周期的温度波动即可。

HK-2A恒温槽

从图中可以读出最高温度t1=0.05799oC，最低温度t2=0.02799oC
由恒温槽灵敏度的定义式

该条件下恒温槽灵敏度为

可以看到尽管为教学用恒温槽，该仪器的精度还是比较高的。另一方面也可以看出由于恒温槽的灵敏度较高，温度波动的周期也比较小，温度的变化较为稳定，这样的恒温槽对于那些要求体系温度恒定的实验有着重要的价值

2. 自制恒温槽性能的测定

将电路开关切换至外接继电器，加热电压设定为175V，重复实验1 的步骤，记录数据。需要注意的是，接触式温度计的温度可能与实际的温度不符，为了防止过度加热带来的长时间冷却过程，可以先将温度计的温度调节至略低于目标温度，再按照实际温度显示调节温度计。最终发现温度计与实际温度的差距并不大，几乎是肉眼无法分辨的。

从图中可以读出最高温度t1=0.0821oC，最低温度t2=-0.1440oC
因此恒温槽的灵敏度为
实验中恒温槽温度的波动范围为29.91～30.16oC
将自行组装的恒温槽与商品化的恒温槽的灵敏度进行对比可以看出商品化的恒温槽其控温的灵敏度要显著优于继电器控制的组装恒温槽，而且该恒温槽的加热功率太大，有着严重的滞后现象。
将加热电压调整到100V，重复上述实验

从图中可以读出最高温度t1=-0.0560oC，最低温度为t2=-0.1440
恒温槽的灵敏度为

不改动其他条件而仅仅改变了加热功率后，恒温槽的灵敏度出现了显著的提高，这是因为电压减小后，有功率计算公式P=U2/R可知，加热器的功率也会相应的减小，在其他条件不变的情况下，恒温槽升温的速率会显著变慢，减小了加热时的加热惯性，使得在停止加热后温度可以不再继续快速上升而是在短时间内开始回落。
造成恒温槽灵敏度较差的一个重要原因就是在继电器断开后加热电路后由于之前加热功率太大导致剩余热量过多，恒温槽内温度继续升高使得温度的波动范围较大，也就是所谓的加热惯性。实际上可以看到商品化的恒温槽其升温速度并不明显慢于自制的继电器控制的恒温槽，温度的波动图中也可以发现，HK-2A恒温槽的温度变化呈类正弦曲线，而继电器控制恒温槽的图像则呈锯齿状，因此可以初步确定HK-2a恒温槽的加热元件其功率是由电路控制在实时变化的，当恒温槽内温度远低于目标温度时，加热器功率较大，温度快速上升，当温度接近目标时，功率会逐渐减小，降温是也是同样的原理，这样一方面可以使得波动周期缩短，另一方面可以减小加热惯性提高恒温槽的灵敏度，缺点时仪器的控温元件较自制恒温槽较为复杂。
3. 评价循环水对恒温槽性能的影响
其他的实验条件与之前保持一致，将恒温槽的循环水装置打开，循环水通过低温恒温反应浴装置（DHJF-200F型）控制在27oC。

恒温槽的灵敏度：

在打开了循环水之后，恒温槽的灵敏度进一步提高，灵敏度已经超过了普通温度计的分辨能力，实验中的温差计也只能测到0.001oC，图中曲线呈锯齿状是由于灵敏度过高显得图中存在温度突变的原因造成的。循环水（水温略低于目标温度）在恒温槽中的作用是进一步减慢加热速率，使加热参与热量更快的散发，减小了加热惯性，同时加快了热量的耗散，减小了温度的波动周期。

175V加热电压下继电器恒温槽工作曲线

恒温槽的灵敏度

恒温水浴对于这一条件下的恒温槽灵敏度提高并不明显，只是略有改善，且不能排除是仪器误差造成的偶然现象。
这一点可能是由与自制恒温槽使用的控温元件本身精度并不是很高，而且由于加热功率较大，加热时温度的滞后比较严重，恒温水浴的所能带来的改善并不会太明显。

100V加热电压下继电器恒温槽工作曲线

恒温槽灵敏度：

同样的，与没有恒温水浴的情况相比，灵敏度改善的空间很有限，说明恒温水浴的影响程度与加热功率的关系并不大，真正的影响因素可能是控温元件的灵敏度。HK-2A恒温槽采用的是多点式半导体传感器控温元件，精度要远高于继电器和接触式温度计组成的建议控温模块，所以恒温水浴带来的改善必须建立在灵敏度较高的控温元件之上。

三、 实验结论

从本次实验中可以看出衡量恒温槽工作性能的指标主要有两个方面，一个实恒温槽的灵敏度，这是恒温槽性能最重要的指标之一，它反映了和恒温槽在正常工作状态下温度的波动大小；另一个因素是恒温槽温度波动的周期。对于加热功率比较大的恒温槽，其波动周期通常较大，在灵敏度相同时，温度波动周期大的恒温槽意味着其有更长的时间体系偏离目标温度相对更多。也就是说有更长的时间不处于目标温度，这是不利于体系温度的稳定的。
与此同的，恒温槽内恒温循环水对提高恒温槽的灵敏度有一定的帮助。且恒温槽的控温元件越先进，灵敏度越高，恒温循环水所能带来的改善效果越明显。

注：本实验中由于数据和图表均比较少，因此直接在报告中处理，不再附在附件中。