恒温槽的装配和性能测试丛乐2005011007 生51班实验日期：2007年10月27日星期六提交报告日期：2007年11月3日星期六助教老师：刘马林同组实验同学：韩益平1 引言1.1实验目的1．了解恒温槽的原理，初步掌握其装配和调试的基本技术。

2．分析恒温槽的性能，找出合理的最佳布局。

3．掌握水银接点温度计、热敏电阻温度计、继电器、自动平衡记录仪的基本测量原理和使用方法。

1.2 实验原理许多物理化学实验都需要在恒温条件下进行。

欲控制被研究体系的某一温度，通常采取两种方法：一是利用物质相变时温度的恒定性来实现，叫介质浴。

如：液氮（-195.9℃）、冰－水（0℃）、沸点水（100℃）、干冰－丙酮（-78。

5℃）、沸点萘（218℃）等等。

相变点介质浴的最大优点是装置简单、温度恒定。

缺点是对温度的选择有一定限制，无法任意调节。

另一种是利用电子调节系统，对加热或制冷器的工作状态进行自动调节，使被控对象处于设定的温度之下。

本实验讨论的恒温水浴就是一种常用的控温装置，它通过继电器、温度调节器（水银接点温度计）和加热器配合工作而达到恒温的目的。

其简单恒温原理线路如图2-1-1所示。

当水槽温度低于设定值时，线路I是通路，因此加热器工作，使水槽温度上升；当水槽温度升高到设定值时，温度调节器接通，此时线路II为通路，因电磁作用将弹簧片D吸下，线路I断开，加热器停止加热；当水槽温度低于设定值时，温度调节器断开，线路II断路，此时电磁铁失去磁性，弹簧片回到原来的位置，使线路I又成为通路。

如此反复进行，从而使恒温槽维持在所需恒定的温度。

恒温槽由浴槽、温度计、接点温度计、继电器、加热器、搅拌器等部件组成。

如图2-1-2所示。

为了对恒温槽的性能进行测试，图中还包括一套热敏电阻测温装置。

现将恒温槽主要部件简述如下。

1.浴槽浴槽包括容器和液体介质。

根据实验要求选择容器大小，一般选择10L或者20L的圆形玻璃缸做为容器。

若设定温度与室温差距较大时，则应对整个缸体保温。

以减少热量传递，提高恒温精度。

恒温槽液体介质根据控温范围选择，如：乙醇或乙醇水溶液（-60－30℃）、水（0－100℃）、甘油或甘油水溶液（80－160℃）、石蜡油、硅油（70－200℃）。

本实验采用去离子水为工作介质，如恒温在50℃以上时，可在水面上加一层液体石蜡，避免水分蒸发。

2.温度计观察恒温浴槽的温度可选择1/10℃水银温度计，测量恒温槽灵敏度则采用热敏电阻测温装置。

将热敏电阻与1/10温度计绑在一起，安装位置应尽量靠近被测系统。

3.接点温度计（温度调节器）接点温度计又称接触温度计或水银导电表，如图2-1-3所示。

它的下半段是水银温度计，上半段是控制指示装置。

温度计上部的毛细管内有一根金属丝和上半段的螺母相连，螺母套在一根长螺杆上。

顶部是磁性调节冒，当转动磁性调节冒时螺杆转动，可带动螺母和金属丝上下移动，螺母在温度调节指示标尺的位置就是要控制温度的大致温度值。

顶部引出的两根导线，分别图1恒温槽工作原理图图2恒温槽装置图接在水银温度计和上部金属丝上，这两根导线再与继电器相连。

当浴槽温度升高时，水银膨胀上升，与上面的金属丝接触，继电器内线圈通电产生磁场，加热线路弹簧片吸下，加热器停止加热。

随着浴槽热量的散失，温度下降，水银收缩并与上面的金属丝脱离，继电器电磁效应消失，弹簧片回到原来位置，接通加热电路，系统温度回升。

如此反复，从而使系统温度得到控制。

需要注意的是，温度调节指示标尺的刻度一般不是很准确，恒温槽温度的设定和测量需要1/10℃温度计来完成。

接点温度计是恒温槽重要部件，其灵敏度对控温精度起关键作用。

4.继电器 继电器与加热器和接点温度计和加热器相连，组成温度控制系统。

实验室常用的继电器有晶体管继电器和电子管继电器。

典型的晶体管继电器电路如图2-1-4所示，它是利用晶体管工作在截止区以及饱和区呈现的开关特性制成的。

其工作过程是：当接点温度计T r 断开时时，E c 通过R k 给锗三极管BG 的基极注入正向电流I b ，使BG 饱和导通，继电器J 的触点K 闭合，接通加热电源。

当温度升高至设定温度，接点温度计T r 接通，BG 的基极和发射极被短路，使BG 截至，触点K 断开，加热停止。

当继电器J 线圈中的电流突然变小时，会感生出一个较高的反电动势，二极管D 的作用是将它短路，避免晶体管被击穿。

必须注意的是，晶体管继电器不能在高温下工作，因此不能用于烘箱等高温场合。

5.加热器 常用的是电加热器。

加热器的选择原则是热容量小、导热性能好、功率适当。

加热器功率的大小是根据恒温槽的大小和所需控制温度的高低来选择的。

通常我们都在加热器前加一个和加热器功率相适应的调压器，这样加热功率可根据需要自由调节。

6.搅拌器 搅拌器的选择与工作介质的粘度有关，如：水、乙醇类粘度较小的工作介质选择功率40W 左右的搅拌器。

若工作介质粘度或搅拌棒的叶片较大时，应选择功率大一些的搅拌器。

7.热敏电阻测温装置 用来对恒温槽的性能进行测试，测温原理见附录温度的测量与控制。

综上所述，恒温效果是通过一系列元件的动作来获得的。

因此不可避免地存在着滞后现象，如温度传递、感温元件、继电器、加热器等的滞后。

因此，装配时除对上述各元件的灵敏度有一定要求外，还应根据各元件在恒温槽中作用，选择合理的摆放位置，合理的布局才能达到理想的恒温效果。

灵敏度是恒温槽恒温好坏的一个重要标志。

一般在指定温度下，以T 始、T 停分别表示开始加热和停止加热时槽内水的温度（相对值），以1/2()T T T =-始停为纵坐标，时间t 为横坐标，记录仪自动画出灵敏度曲线如图2-1-5。

若最高温度为T 高，最低温度为T 低，测得恒温槽的灵敏度为2E T T T -=±低高通过对上述曲线分析可以看出图中（a ）表示灵敏度较高；（b ）表示灵敏度较低；（c ）表示加热功率偏大。

如果加热器功率偏小，则达不到设定的温度值。

图3水银接触温度计示意图 图4晶体管继电器工作原理 示意图 图5几种形状的灵敏度曲线2 实验操作2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图1.仪器和药品恒温槽1套：玻璃缸、电动搅拌器D8401-ZH、1/10℃温度计、电加热器、水银接点温度计、继电器、调压器；热敏电阻温度计、电阻箱、甲电池、电桥盒、记录仪、放大镜等各一个。

2.测试装置示意图（如下图6所示）图6 恒温槽实验装置示意图2.2实验条件表1 实验条件记录实验前温度（℃）实验后温度（℃）实验前大气压（kPa）实验后大气压（kPa）17.7 19.0 101.67 101.672.3 实验操作步骤及方法要点1.恒温槽的装配根据所给原件和仪器，按图2-1-2安装恒温槽，接好线路，经教师检查后方可接通电源。

2.恒温槽的调试玻璃缸中加入去离子水，约总容积的4/5。

打开搅拌器（中速搅拌）、继电器，旋开接点温度计上端磁性调节帽固定螺丝，调节设定温度至比要实际设定的温度低一些的位置（因为温度调节指示标尺的刻度一般不是很准确，适当调低一点防止超过需要设定的温度）。

为了保证恒温效果，单加热型恒温槽温度设定最低值一般要高于室温8～10℃，加热开始。

开始可将加热电压调到200V左右，待接近设定温度时，适当降低加热电压。

仔细观察1/10℃温度计，当水槽温度将要达到设定值时，旋转磁性调节帽，使接点温度计上部的金属丝与水银处于通断的临界状态，可通过继电器指示灯判断。

再观察1/10℃温度计，所示温度是否是要设定的温度，进行进一步调整。

最后拧紧磁性调节帽的固定螺钉。

3.温度波动曲线的测定打开记录仪和电桥盒上的开关，用电阻箱将电桥调平衡，使记录笔停在记录纸的中部。

判断电桥电源极性是否连接正确，增大阻值，记录笔应向右侧移动，升高温度，记录笔也应向右侧移动。

反之则需将甲电池正负接线对调。

记录仪走纸速度定在4mm/min，开始记录，记录7～8个周期即可停止。

4.布局对恒温槽灵敏度的影响改变各元件间的相互位置，重复测定温度波动曲线，找出一个合理的最佳布局。

5.影响温度波动曲线的因素选定某个布局，分别改变加热电压（加热功率）和搅拌速度，测定温度波动曲线与未改变条件的温度波动曲线比较。

6.测定热敏电阻温度计的仪器常数（℃/格）将恒温槽温度升高，用放大镜观察1/10℃温度计，记录温度升高0.3～0.5℃记录笔移动的格数。

7.实验结束剪下记录纸，将仪器复原。

3 结果与讨论3.1 原始实验数据及数据的处理、计算1)热敏电阻温度计仪器常数测量结果测定热敏电阻温度计的仪器常数的数据见下表2。

（原始曲线请见附录中所附记录纸）表2 热敏电阻仪器常数测定数据记录实验次数起始温度（℃）终止温度（℃）温度变化（℃）记录笔移动格数仪器常数（℃/格）1 26.10 26.40 0.30 36.5 0.00822 26.70 27.00 0.30 38 0.0079取两次测量的平均值为仪器常数，得到仪器常数是0.0081℃/格2)恒温槽元件最佳布局的实验结果实验中恒温槽的设定温度为25.5℃；记录仪量程：10mV；记录走纸速度：4mm/min。

实验中对5种不同的恒温槽布局进行了灵敏度曲线的测定。

实验结果如下表所示：表3 恒温槽布局图及对应的灵敏度曲线和实验条件序号布局图灵敏度曲线温度波动范围（格）灵敏度T E（℃）加热电压（V）搅拌速度1 7.2 ±0.029 100 4档2 8.1 ±0.033100 4档3 8.5 ±0.034 100 4档4 10.2 ±0.041 100 4档5 3.0 ±0.012 100 4档注：（a）布局图中各符号的含义如下代表搅拌器，代表水流方向，代表加热器，代表水银接点温度计，代表热敏电阻温度计。

（b）温度波动范围为取平均值后得到的结果（c）根据计算所得的灵敏度判断，布局5的灵敏度数值最小，为最佳布局。

3)电压和搅拌速度对恒温槽灵敏度影响测定的实验结果实验中在不改变布局的情况下，分别对电压和搅拌速度进行了改变，测定电压和搅拌速度对恒温槽灵敏度的影响。

实验结果如下表所示（符号含义同前）：表4 恒温槽布局图及对应的灵敏度曲线、相关数据序号布局图灵敏度曲线温度波动范围（格）灵敏度T E（℃）加热电压（V）搅拌速度1 20.3 ±0.082 150 4档2 8.3 ±0.034 100 6档3.3讨论分析1)合理的最佳布局根据如上所示的结果，在本次实验中我们得到的最佳布局为布局5（见上一页表3）在加热电压为100V，搅拌速度4档的情况下，最佳布局的灵敏度为：T E = ±0.012℃2)对合理最佳布局的讨论最佳布局的基本特征主要有：(a) 加热器与接点温度计距离尽量近，从而减轻温度控制中的延迟现象；(b) 热敏温度计和搅拌器距离尽量远，以防止搅拌器周围的湍流导致热敏温度计处介质温度不规则波动，防止记录出的灵敏度曲线出现不规则跃变；(c) 使除加热器外的各元件处在搅拌器搅拌方向的下游，且搅拌器距离尽量远，否则由于温度计周围介质温度不稳定，会而使得温度控制出现延迟，降低灵敏度。