07007胡焕婷恒温槽的装配与性能测试实验报告.docx

实验一恒温槽的装配与性能测定PB07007320胡焕婷中国科大地空系【摘要】本实验对恒温槽的构造、恒温原理及其装配和调试的基本技术进行探讨。通过绘制恒温槽 灵敏度曲线（温度一时间曲线），分析恒温槽的性能，并探讨贝克曼温度计和温控仪的调试与 使用方法。【Abstract】In this experiment, we choose different conditions （difference in temperature margin and heat voltage） to examine the fluctuate of the temperature of the thermostat, in order to analyzed the factors taking effect on the sensitivity of the thermostat and grasp its theory and the method to operate this equipment.【关键词】恒温槽 灵敏度曲线 贝克曼温度计 温控仪【Ky-wordS】thermostatic bath temperature margin Beckmann thermometer sensitivity【前言】物质的物理和化学性质，如折射率、粘度、电导、蒸汽压，以及反应中的电动势、化学反 应的速度常数、电离平衡常数等都与温度有关。因此，这些实验都必须在恒温的条件下进行， 通常用恒温槽来控制温度维持恒温。快速控制好恒温槽的温度，可为许多物理化学实验创造 好的条件（节省时间,避免因温度而产生误差）。一般恒温槽的温度都相对的稳定，多少总有一 定的波动，大约在土0.1°C，如果稍加改进也可达到0.01 r，在1993年，北京市计量科学研 究所温度室就已成功研制出我国第一台数显和控制分辨力均为0.001的标准恒温槽1。要使恒温设备维持在高于室温的某一温度，就必须不断补充一定的热量，使由于散热等 原因引起的热损失得到补偿。恒温槽之所以能够恒温，主要是依靠恒温控制器来控制恒温槽 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。本实验对恒温槽的构造、恒温原理及其其装配和调试的基本技术进行探讨，并通过绘制恒 温槽灵敏度曲线（温度一时间曲线），分析恒温槽的性能。此外，尽管试验中并没有用到贝克 曼温度计，但仍了解了贝克曼温度计和温控仪的调试与使用方法。【实验部分】一、仪器与药品玻璃缸1个秒表1个贝克曼温度计1支温控仪1台050°C的1/10的温度计1支搅拌马达1个电加热丝1个蒸馏水导线若干恒温槽结构恒温槽的装置是多种多样的。它主要包括下面的几个部件：1.敏感元件，也称感温元件；2. 控制元件；3.加热元件。感温元件将温度转化为电信号而输送给控制元件，然后由控制元 件发出指令让电加热元件加热或停止加热。图1-1。恒温槽由浴槽、加热器、搅拌器、温度计、感温元件、恒温控制器等组成（图1-1）。图1-1恒温槽装置图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。1. 浴槽：是10dm3的圆柱形玻璃容器，本实验中使用蒸馏水。注意不可以使用自来水，否则 会在电加热丝上形成水垢，难以清理。2. 加热器：我们用的电加热器把电阻丝放入环形的玻璃管中，根据浴槽的直径大小弯曲成圆 环制成，这样可以把加热丝放出的热量均匀地分布在圆形恒温槽的周围。由电子继电器可以 进行自动调节，以实现恒温。图1-2恒温槽电路图实验开始时，由于室温距恒定温度的温差较大，为了尽快升温达到恒定温度，我们就把 串接的输出电压调高一些，但不能超过200V。而待其温度逐渐接近恒温温度时，为了减少滞后现象，要把可调变压器的输出电压降低一些，这样能较好地提高恒温槽控温的精度。3. 搅拌器：一般采用功率为40W的电动搅拌器，并将该电动搅拌器串联在一个可调变压器 上用来调节搅拌的速度，使恒温槽各处的温度尽可能地相同。同时，搅拌速度应适中，在确 定搅拌速度后，实验之中不可以随意改变，导致实验条件的变化。4. 温度计：恒温槽中以一支1/10°C的温度计测量恒温槽的温度。用数字贝克曼温度计测量恒 温槽的灵敏度。所用的温度计在使用前都必须进行校正和标化。若接触式温度计与水银温度 计读数不一致，在刚刚接通时要进行对照，以水银温度计为标准。5. 电子继电器：为恒温槽的控温器，实际上是一个自动开关，它与接触式温度计相配合，当 恒温槽的温度低于接触式温度计所设定的温度时，水银柱与触针不接触，继电器由于没电流 通过或电流很小，这时继电器中的电磁铁磁性消失，衔铁靠自身弹力自动弹开，将加热回路 接通进行加热。反之则停止加热，这样交替地导通、断开、加热与停止加热，使恒温水浴达 到恒定温度的效果。控温精度一般达±0.1C，最高可达±0.05C。6. 接触式温度计：该温度计为感温装置，其下半段类似于一支水银温度计，上半段是控制用 的指示装置，温度计的毛细管内有一根金属丝和上半段的螺母相连，它的顶部放置一磁铁， 当转动磁铁时，螺母即带动金属丝沿螺杆向上或向下移动，由此来调节触针的位置。在接点 温度计中有两根导线，这两根导线的一端与金属丝和水银柱相连，另一端则与温度的控制部 分相连。为使恒温槽温度恒定，接触温度计调至某一位置时，应将调节帽上的固定螺钉拧紧， 以免使之因振动而发生偏移。接触温度计上部I遍节温度指示（以上沿所戏划度为准）贤触沿旧计I.此时调节的毗度舛为26'C图1-4接触温度计的构造图1-调节帽；2-调节固定螺丝；3-磁铁；4-螺杆引出线；4-水银槽引出线;5-标铁；6-触针；7-刻度板；8-螺丝杆；9-水银槽。二、实验步骤1、将蒸馏水注入水浴槽中，根据恒温槽组装的原则，按图1-1分别将所需各部件按要求 装备好。口2、将贝克曼温度计调节好，使其水银柱在25r时停止在中间位置。（见附录贝克曼温度 计的调节与使用）口3、将温控仪、250V可调变压器、电加热丝按电路图1-2连接好，并将搅拌马达接到另一 只1kV的可调变压器的输出端，接好电源线。4、将控温仪热敏探头固定在恒温槽的一定位置，注意可浸入部分不可超过200mm，并将 所有调压器电压调至最低。5、经老师许可后插好电源，调电压开启搅拌使其有一快慢适中的搅拌速度。打开温控仪 电源，控制温控仪使之黄红灯交替明亮息灭，这时恒温槽处于恒温状态。6、恒温槽灵敏度测量：（1）机械自动化控制 低温、不同加热电压情况下的恒温控制及其恒温槽性能比较在既使用调压器和发热管，也使用控温器的情况下，将温度控制并恒温到 某个高于室温的温度上，如25°C （冬天），30°C （夏天）。达到指定温度后，分 别将调压器调节为175V （或180V）和100V两个加热电压，等继电器不断地 开关跳动表现恒温以后，然后自行选用一种温差计（贝克曼温差计和电子数字 温差计）测量温差AT与时间t的变化曲线：T （C）t （sec） 高温、不同加热电压情况下的恒温控制及其恒温槽性能比较在既使用调压器和发热管，也使用控温器的情况下，将温度控制并恒温到 某个高于室温的温度上，如40C （冬天），45C （夏天）。达到指定温度后，分 别将调压器调节为175V （或180V）和100V两个加热电压，等继电器不断地 开关跳动表现恒温以后，自行选用一种温差计测量温差AT与时间t的变化曲 线： ：T（C）t（sec）（2）人工手动控制没有控温器时的恒温控制及其恒温槽性能及比较：在只使用调压器和发热管，而不使用控温器的情况下（相当于将接触温度 计的位置调节到50C，并使发热管始终处于加热状态即可），不断调节调压器 的输出电压值使温度恒温到某个高于室温的温度上，如40C （冬天），45C （夏 天）。等温度稳定以后，停止调压器输出电压调节，自行选用一种温差计测量温 差AT与时间t的变化曲线：T （C）t （sec）将这条变化曲线与中的两条变化曲线比较说明观察到的现象。三、实验注意事项1、为使恒温槽温度恒定，接触温度计调至某一位置时，应将调节帽上的固定螺钉拧紧， 以免使之因振动而发生偏移。2、当恒温槽的温度和所要求的温度相差较大时，可以适当加大加热功率，但当温度接 近指定温度时，应将加热功率降到合适的功率。【结果与讨论】一、数据记录及处理1. 20°C, 175V 时温度（aT/）一时间（t/sec ）曲线:由曲线可知:T maxT .minT ± maxmin210.065-0.061± 0.06320.079-0.062± 0.07030.082-0.058± 0.070则恒温槽的灵敏度为：T = + Lx - Inin = 士(0.063 + 0.070 + 0.070)/3 = ±0.068°C 22. 20°C, 100V 时温度（aT/）一时间（t/sec ）曲线:由曲线可知:TmaxT .minT=± 暮 - Tun210.024-0.057± 0.04020.015-0.057± 0.03630.008-0.057± 0.032则恒温槽的灵敏度为：T = + * _On = 士(0.040 + 0.036 + 0.032)/3 = ±0.036°C23. 35C, 175V 时温度（aT/C）一时间（t/sec ）曲线:a rrcao6-Q.04 -t.os-e.明-Q.1O-35-C I 175V时温度（T/T ）-时间（t/sec ）曲线20002600 t/s由曲线可知:T maxT minT - TT = +maxuun210.046-0.087+ 0.06620.043-0.080+ 0.06230.073-0.097+ 0.085, T - T则恒温槽的灵敏度为：T = ±m>n = ±（0.066 + 0.062 + 0.085） = ±0.071 °C24. 35°C, 100V 时温度（5/°。）一时间（t/sec ）曲线：由曲线可知:T maxT minT ± maxmtn-21-0.025-0.083± 0.0292-0.027-0.084± 0.0283-0.030-0.082± 0.026, T - T则恒温槽的灵敏度为：T = ±mm = ±(0.029 + 0.028 + 0.026) = ±0.028°C25. 40。，人工手动控制时温度（山/。）一时间（t/sec ）曲线:-0 055 -5 -12000WT ,人工手动控制 时温度时间(t/sec)曲统结果分析1. 加热功率对恒温槽灵敏度的影响20°C下，不同功率恒温槽灵敏度比较：175V时恒温槽的灵敏度为：T1 = ±0.068。100V时恒温槽的灵敏度为：T2 = ±0.036 °CI T !<! I即加热功率低(100V)的恒温槽灵敏度较高。35 C下，不同功率恒温槽灵敏度比较：175V时恒温槽的灵敏度为：T1 = ±0.071 °C100V时恒温槽的灵敏度为：T2 = ±0.028 °C1 r2k| Y即加热功率低（10ov）的恒温槽灵敏度较高。由上两图易得，在相同温度下，不同加热电压时，温度变化随着时间t呈周期性变化。 当加热功率大时（即175V时），温度变化周期较大，且温度波动幅度较大。这是由于当加热 功率较大时，液体温度变化快，而滞后作用较大，故周期较长，且温度波幅度较大，恒温效 果较差，即恒温槽灵敏度低。因此可以得到结论：同温度下，加热功率低的恒温槽灵敏度较高。在实际应用时，应选用 较低的加热功率，这样在低能耗的前提下还保证了温差变化周期较小和更高的灵敏度，恒温 效果更好。2. 温度对恒温槽灵敏度的影响175V时，不同温度恒温槽灵敏度比较：20°C时恒温槽的灵敏度为：T1 = ±0.068 °C35°C时恒温槽的灵敏度为：T2 = ±0.071 °C两温度下灵敏度相差不大。变化曲线比较如下图：0.08-0.04-0.02 -0.00 -0.02 一-0.04-0.06 -0.08 -0.10 -0.12200040006000800010000175V时不同温度的温度（ T/°C ）-时间（t/sec ）曲线0.060.10 -20 °C35 °C100V时，不同温度恒温槽灵敏度比较：20°C时恒温槽的灵敏度为：T1 = ±0.036°C 35°C时恒温槽的灵敏度为：T2 = ±0.028 °C 两温度下灵敏度相差不大。变化曲线比较如下图：LOOV不同温度时温度t/T -时间（t/sec ）曲线由上面两图可得，温度变化幅度两不同温度条件下相差不大，但温度变化周期都是温度较 高（即35°C）的较短。这是由于在同一室温下，恒定在较高温度散热速度较快，故体系温 度下降也较快，反映在数据上就是温度变化的周期变短。温度变化周期反映了加热器对体系 间断性加热以维持恒温的频率。3. 40C时手动控温与恒温控制器性能比较手动控温时，操作者需根据温度偏离设定温度的情况，实时改变加热功率，控制加热与散热 之间的关系，尽量维持温度恒定，这样得出的温度变化曲线没有明显的周期性.但由于恒温仪 器的滞后作用，曲线也呈高低变化。手动控制时，没有控温器时的恒温控制，在只使用调压器和发热管的情况下(即将接触温 度计的位置调节到50°C，并使发热管始终处于加热状态即可)，不断调节调压器的输出电压 值(大约65V左右)使温度恒温到35C。可以看出温度波动相较不明显，峰值间差距相对 不大。说明维持在特定的加热功率时，恒温槽的散失热量大约与电加热丝提供热量相等，恒 温槽温度趋于稳定。与有恒温控制器时的曲线进行比较可以看出，手动控制恒温槽温度变化 的周期比有恒温控制器时的周期小，且温度的波动也比有恒温控制器时小，这说明手动控制 克服了继电器和固定的加热功率的影响，实时控制使温度保持恒定。但手动操作也有不可避 免的缺点，如耗费更多的人力且受人为影响极大，可能会有很大的偶然误差。三、实验结果分析及拓展1. 使某一体系维持在高于室温的恒温状态的方法： 环境一体系间理想的静态绝热；环境一体系间近似的动态绝热，当体系不断向环境散发热量时，环境以另外的形 式连续的向体系供给相等的热量；实验中采用的自动控温装置。三种方法各有优缺点：第一种方法原理最为简单，但很难实现；第二种方法从上图可看出，温度波动范围明显比自动控温装置要小，但是，一旦外界 因素发生改变(如室温降低)，平衡很容易被打破，因此在外界条件变化剧烈时，不能适用；第三种方法虽然从灵敏度上分析不如第二种，但能克服第二装配那个方法的缺点，可 随环境变化实现自动控温，因此在一定误差允许范围内，使用第三种方法更为方便有效。2. 提高恒温槽的灵敏度的方法：(1) 在适当范围内，较小的加热功率有利于提高恒温槽灵敏度。(2) 提高恒温仪的感温灵敏度，减小其滞后效应。(3) 恒温槽可改进成更好的保温材料以减少散热，这样便可采用尽量低的加热电压，提高灵敏度。（4）搅拌器的性能也可改进，使其能在尽量短的时间内将液体混合均匀，保证恒温 槽内各部分温度的均一性。四、对实验的体会和认识通过这次实验，基本掌握了恒温槽的工作原理及操作方法。实验前老师对各种温度计的原 理、使用方法、优缺点及使用注意事项的介绍，让我受益匪浅，尤其是对贝克曼温度计的介 绍，让我了解到了一种新型温度计的使用方法，为以后的物化实验打下基础。本次实验操作 简单，属于物理化学实验的基础部分，重要的是对物化实验思维及基础操作的培养。【参考资料】1 中国科学技术大学出版社，崔献英，柯燕雄，单绍纯编，物理化学 实验（2000年）2 张克标准恒温槽的应用与研究J中国计量,2003 （11）3 中国科技大学近代化学系，崔献英，邵良衡编，物理化学实验（1992年）4 北京大学出版社，北京大学化学系物理化学教研室编，物理化学实验（1985）5 大学物理实验第一册霍剑青等编高等教育出版社（2005.11）