恒温水浴的组装及其性能测试实验讲义..doc

恒温水浴的组装及其性能测试 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和比例-积分-微分控制两种。 图1.1 电子调节系统原理框图 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： 图1.2 双金属膨胀温度变化器原理示意图 (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。 图1.3 电接点温度计 1.磁性螺旋调节器；2.电极引出线；3.指示螺母；4.可调电极；5.上标尺；6.下标尺 (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。 图1.4 电子管继电器线路图 1.电接点温度计；2.衔铁；3.电热器。Re 为220V、直流电阻约2200Ω 的电磁继电器 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。 图1.5 晶体管继电器 (3) 动圈式温度控制器 图1.6 动圈温度控制器原理图 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，