欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

恒温水浴的组装及其性能测试

2023-04-20 09:33 作者:南京桑力  | 我要投稿

一、实验目的

    了解恒温控制电子调节系统的工作原理,掌握恒温水浴装置的基本结构和调节使用。

二、实验原理

物质的许多物理化学性质与温度成函数关系。在研究这些性质时,一般需要使用一恒温装置。恒温控制可分为两类:一类是利用物质的相变点温度来获得恒温,但温度的选择受到很大限制;另外一类是利用电子调节系统进行温度控制,此方法控温范围宽、可以任意调节设定温度。

从原理上讲,电子调节系统必须包括三个基本部件,即变换器、电子调节器和执行机构。变换器的功能是将被控对象的温度信号变换成电信号;电子调节器的功能是对来自变换器的信号进行测量、比较、放大和运算,最后发出某种形式的指令,使执行机构进行加热或致冷。电子调节系统按其自动调节规律可以分为断续式二位置控制比例-积分-微分控制两种。

 

1. 断续式二位置控制

    实验室常用的电烘箱、电冰箱、高温电炉和恒温水浴等,大多采用这种控制方法。变换器的形式分为:

 

    (1) 双金属膨胀是利用不同金属的线膨胀系数不同,选择线膨胀系数差别较大的两种金属,线膨胀系数大的金属棒在中心,另外一个套在外面,两种金属内端焊接在一起,外套管的另一端固定,见图1.2。在温度升高时,中心金属棒便向外伸长,伸长长度与温度成正比。通过调节触点开关的位置,可使其在不同温度区间内接通或断开,达到控制温度的目的。其缺点是控温精度差,一般有几K 范围。

     

    (2) 若控温精度要求在1K 以内,实验室多用导电表或温度控制表(电接点温度计)作变换器(见图1.3)。电接点温度计是一支可以导电的特殊温度计,又称为导电表。图1.3 是它的结构示意图。它有两个电极,一个固定与底部的水银球相连,另一个可调电极4 是金属丝,由上部伸入毛细管内。顶端有一磁铁,可以旋转螺旋丝杆,用以调节金属丝的高低位置,从而调节设定温度。当温度升高时,毛细管中水银柱上升与一金属丝接触,两电极导通,使继电器线圈中电流断开,加热器停止加热;当温度降低时,水银柱与金属丝断开,继电器线圈通过电流,使加热器线路接通,温度又回升。如此,不断反复,使恒温槽控制在一个微小的温度区间波动,被测体系的温度也就限制在一个相应的微小区间内,从而达到恒温的目的。

    断续式二位置控制系统的电子调节元件常采用继电器,主要类型有:

(1) 电子管继电器

    电子管继电器由继电器和控制电路两部分组成,其工作原理如下:可以把电子管的工作看成一个半波整流器(图1.4), Re~C1并联电路的负载,负载两端的交流分量用来作为栅极的控制电压。当电接点温度计的触点为断路时,栅极与阴极之间由于R1 的耦合而处于同位,即栅极偏压为零。这时板流较大,约有18mA 通过继电器,能使衔铁吸下,加热器通电加热;当电接点温度计为通路,板极是正半周,这时 Re~C1的负端通过C2 和电接点温度计加在栅极上,栅极出现负偏压,使板极电流减少到2.5mA,衔铁弹开,电加热器断路。


因控制电压是利用整流后的交流分量,Re 的旁路电流C1不能过大,以免交流电压值过小,引起栅极偏压不足,衔铁吸下不能断开;C1太小,则继电器衔铁会颤动,这是因为板流在负半周时无电流通过,继电器会停止工作,并联电容后依靠电容的充放电而维持其连续工作,如果C1 太小就不能满足这一要求。C2用来调整板极的电压相位,使其与栅压有相同的峰值。R2用来防止触电。

    电子继电器控制温度的灵敏度很高。通过电接点温度计的电流最大为30μA,因而电接点温度计使用寿命很长,故获得普遍使用。

(2) 晶体管继电器

随着科技的发展,电子管继电器中电子管逐渐被晶体管代替,典型线路见图1.5。当温度控制表呈断开时,E 通过电阻Rb给PNP 型三极管的基极b通入正向电流Ib,使三极管导通,电极电流Ic使继电器J 吸下衔铁,K闭合,加热器加热。当温度控制表接通时,三极管发射极e与基极b被短路,三极管截止,J中无电流,K被断开,加热器停止加热。当J中线圈电流突然减少时会产生反电动势,二极管D的作用是将它短路,以保护三极管避免被击穿。

 


(3) 动圈式温度控制器

 


 

由于温度控制表、双金属膨胀类变换器不能用于高温,因而产生了可用于高温控制的动圈式温度控制器。采用能工作于高温的热电偶作为变换器,其原理见图1.6。热电偶将温度信号变换成电压信号,加于动圈式毫伏计的线圈上,当线圈中因为电流通过而产生的磁场与外磁场相作用时,线圈就偏转一个角度,故称为“动圈”。偏转的角度与热电偶的热电势成正比,并通过指针在刻度板上直接将被测温度指示出来,指针上有一片“铝旗”,它随指针左右偏转。另有一个调节设定温度的检测线圈,它分成前后两半,安装在刻度的后面,并且可以通过机械调节机构沿刻度板左右移动。检测线圈的中心位置,通过设定针在刻度板上显示出来。当高温设备的温度未达到设定温度时,铝旗在检测线圈之外,电热器在加热;当温度达到设定温度时,铝旗全部进入检测线圈,改变了电感量,电子系统使加热器停止加热。为防止当被控对象的温度超过设定温度时,铝旗冲出检测线圈而产生加热的错误信号,在温度控制器内设有挡针。

2、比例-积分-微分控制系统(PID温度调节控制系统)

    参见“实验八  二组分固液系统相图的测定”附录。

三、 仪器与药品

SYP—Ⅲ玻璃恒温水浴装置一套(南京桑力电子设备厂),电子式贝克曼温度计一台,放大镜一个,秒表一个,0~1000C的温度计一支。

SYP—Ⅲ玻璃恒温水浴采用自整定PID技术,自动地按设置调整加热系统,恒温控制较为理想。系统主要由玻璃缸体和控温机箱组成,其结构如图1.17。各功能组件说明如下:

 

1.17 SYP-Ⅲ玻璃恒温水浴结构示意图

1、玻璃缸体,2、控温机箱,3、加热器,4、搅拌器,5、温度传感器,6、加热器电源开关,7、搅拌器电源开关,8、温度控制器电源开关,9、定时显示窗口,10、实时温度显示窗口,11、设定温度显示窗口,12、工作指示灯,13、置数指示灯,14、定时设定值增、减键,15、工作/置数转换按键,16、温度设置键,17、电源插座,18、温度传感器接口,19、保险丝座,20、可升降支架,21、水搅拌指示灯,22加热指示灯

四、实验步骤

1、 向玻璃缸(1)内注入其容积2/3~3/4的自来水,水位高度大约230 mm,将温度传感器(5)插入玻璃缸塑料盖预置孔内(左边),另一端与控温机箱(2)后面板传感器插座(18)相连接。

2、 用配备的电源线将AC220V与控温机箱后面板电源插座(17)相连接。先将加热器电源开关(6)、搅拌器开关(7)置于“关”的位置,后打开温度控制器电源开关(8),此时显示器和指示灯均有显示。初始状态如下图

其中实时温度显示为水温,置数指示灯(13)亮。

4、 设置控制温度:按“工作/置数” 键(15)至置数灯(13)亮。依次按 “X10”、“X1”、“X0.1”、“X0.01” (16)键,设置“设定温度”的十位、个位及小数点后的数字,每按动一次,数码显示由0~9依次递增,直至调整到所需“设定温度”的数值。

5、 设置完毕,按 “工作/置数”键(15),转换到工作状态,工作指示灯(12)亮,打开加热器电源开关,水搅拌开关。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。升温过程中为使升温速度尽可能快,可将加热器功率置于“强”位置。当温度接近设定温度2℃~3℃时,将加热器功率置于“弱”的位置,以免过冲,达到较为理想的控温目的。此时,实时温度显示窗口(10)显示示值为水浴的实时温度值。当达到设置温度时,由PID调节自整定,将水浴温度自动准确地控制在设定的温度范围内。一般均可稳定、可靠地控制在设定温度的±0.02℃以内。

6、 将电子式贝克曼温度计置于温差测量档,此时温度计显示温度精度为千分之一度。作灵敏度曲线:读取贝氏温度计读数,同时开动秒表,如此每隔30s读取一次温度值。连续记录时间及温度读数约30 min(至少有三次最高最低温度值)。

7、 将1/10刻度水银温度计置于恒温水浴中,同时读取1/10刻度水银温度计读数和电子式贝克曼温度计读数,进行温度校正。重复三次,三次校正所得的两种温度计之间的温度偏差值,绝对误差不得大于0.005℃。

8、将加热器功率置于“强”的位置,其它条件不变,再次测量灵敏度曲线。

五、数据记录与处理

1、以1/10刻度水银温度计为标准,校正电子式贝克曼温度计测定的全部温度值。将校正后的灵敏度曲线数据列表。

2、用坐标纸绘制灵敏度曲线图,即温度 ~ 时间图。

3、对两种情况下测定的温度灵敏度曲线进行分析,评价两者的控温性能。

六、思考与提高

思考题:

    利用被实验的恒温控制理论,设计一个气体环境的恒温控制实验。

 

 

参考文献

[1] 复旦大学等编,《物理化学实验》,第二版,北京,高等教育出版社,1993,26-30

[2] 陆道政,季新宝编,《自动控制原理及设计》,上海,上海科学技术出版社,1998

[3] 东北师大等编,《物理化学实验》,第二版,北京。高等教育出版社,1989,37-44


恒温水浴的组装及其性能测试的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律