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实验1 恒温槽的装配和性能测试

发布日期: 2019-10-31 16:23
 

  实验 1 恒温槽的装配和性能测定 1. 引言 1.1.实验目的 实验目的 1.1.1. 了解恒温槽的构造及恒温原理,初步掌握其装配和调试的基本技术 1.1.2. 绘制恒温槽的灵敏度曲线(温度——时间曲线) ,学会分析恒温槽的性能 1.1.3. 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 量原理与使用方法 1.2.实验原理 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 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。 图1 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 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。 图2 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℃) 、赌钱游戏,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 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的重要部件,它的灵敏度对控温精度起着关键作用。 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 Tr 断开时时,Ec 通过 Rk 给锗三极管 BG 的基极注 入正向电流 Ib,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 Tr 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。 图3 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 T始 恒温好坏的一个重要标志。一般在指定温度下,以 、 T停 分别表示开始加热 为纵坐标,时间 t T = 1/ 2(T始 ? T停 ) 和停止加热时槽内水的温度(相对值) ,以 为横坐标,记录仪自动画出灵敏度曲线 若最高温度为 高 ,最低温度为 低 ,测得恒温槽的灵敏度为 TE = ± T高 ? T低 2 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。 2. 实验内容 2.1.实验条件 实验条件 室温实验开始:17.7℃实验结束 19.0℃ 气压实验开始:101.87kPa 实验结束:101.79kPa 2.2.实验仪器 实验仪器 恒温槽 1 套:玻璃缸、电动搅拌器、1/10℃温度计、电加热器、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。 2.3.实验操作 实验操作 2.3.1 2.3.2 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。 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。 2.3.3 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定在 4mm/min,开始记录,记录 7~8 个周期 即可停止。 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 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 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。 找出一个合理的最佳布局 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( 影响温度波动曲线的因素选定某个布局 (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 测定温度波动曲线与未改变条件的温度波动曲线比较。 。 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。 记录温度升高 实验结束。剪下记录纸 剪下记录纸,将仪器复原。 2.4.注意事项 注意事项 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 1/10℃温度计所在位置就将来利用这个恒温槽做实验的系统所在区域 温度计所在位置就将来利用这个恒温槽做实验的系统所在区域。 温度计所在位置就将来利用这个恒温槽做实验的系统所在区域 温度设定时要留有提前量,避免水槽温度高于欲设定值。 温度设定时要留有提前量 接点温度计的刻度不是很准确,温度的设定与测量以 1/10℃ 接点温度计的刻度不是很准确 ℃温度计为准。 3. 结果与讨论 3.1.原始结果 原始结果 3.1.1. 个数 温度/℃ 温度 ℃ 仪器常数探究 10 24.64 平均 0.008℃ ℃/格 3.1.2. 布局探究:走纸速度 走纸速度:4mm/min,加热电压 100V 搅拌速度 4 档,设定温度 25.0℃热敏电阻仪常数 热敏电阻仪常数:0.0080℃/格。 符号说明: :控温装置 :热敏电阻 :搅拌器 :加热器 90 24.71 :水流方向 水流方向 组 别 1 布局 实验曲线. 参数对灵敏度的影响 实验布局: 组别 1 加热电压/v 100 搅拌速度 6 ,走纸速度:4mm/min 实验曲线.数据处理 数据处理 组别 1 2 3 4 最高点最低点平均格数差 最高点最低点平均格数差 4.92 3.7 5.5 1.25 关系探究 加热电压 100V,搅拌速度 6 档,最高点最低点平均格数差:0.6, 搅拌速度 ,最高点最低点温 度差:0.0048,灵敏度 灵敏度:0.0024 加热电压 150V,搅拌速度 4 档,最高点最低点平均格数差:5.53, 搅拌速度 ,最高点最低点温 度差:0.0443,灵敏度 灵敏度:0.0221 3.3. 结果分析 3.3.1. 布局对灵敏度的影响 从实验数据可以看出,不同布局的情况下,组四灵敏度最高 从实验数据可以看出 组四灵敏度最高。通过分析可以 看出,由于搅拌器在加热器的上游 而接点温度计在加热器的下游,所以温 由于搅拌器在加热器的上游,而接点温度计在加热器的下游 度调节器周围的温度较为均匀,所以恒温槽的灵敏度较高。 度调节器周围的温度较为均匀 。而其他组由于搅 拌器与加热器相距较远,所以整个恒温槽中的水温并不是十分均匀 拌器与加热器相距较远 所以整个恒温槽中的水温并不是十分均匀,这就导 致系统误差的增大而使恒温槽的灵敏度下降。 致系统误差的增大而使恒温槽的灵敏度下降 3.3.2. 加热功率对灵敏度的影响 由实验数据可以看出,功率过大会使得恒温槽的灵敏度下降 由实验数据可以看出 功率过大会使得恒温槽的灵敏度下降。分析原因,我 们认为当恒温槽温度达到设定值时,加热电路断开,但是恒温槽的温度会继 们认为当恒温槽温度达到设定值时 但是恒温槽的温度会继 续上升一段时间,而这段时间内上升的温度与加热功率为正相关关系 续上升一段时间 正相关关系,所以 实验时加热功率不应不大。同时考虑到散热,加热功率太小也同样会造成恒 实验时加热功率不应不大 加热功率太小也同样会造成恒 温槽灵敏度的下降。所以应在实验时选择适当的加热功率。 温槽灵敏度的下降 。 3.3.3. 搅拌速度对恒温槽灵敏度的影响 由实验数据可以看出,增大搅拌速度恒温槽的灵敏度将会升高 由实验数据可以看出 增大搅拌速度恒温槽的灵敏度将会升高。这主要是由 于系统内的温度随着搅拌速度的增加而变得更加均匀, 于系统内的温度随着搅拌速度的增加而变得更加均匀 这一点有利于恒温槽 灵敏度的提高。 灵敏度的提高 3.3.4. 此外,环境温度与设定温度差值大 一个周期经历时间就小 环境温度与设定温度差值大,一个周期经历时间就小 温度差/℃ 温度差 ℃ 0.0394 0.0296 0.0440 0.0100 灵敏度/℃ 灵敏度 ℃ 0.0196 0.0148 0.0220 0.0050 4. 参考文献 基础物理化学实验贺德华麻英高等教育出版社 2007 5. 思考题 5.1. 恒温槽的恒温原理是什么? 答:见试验部分。 5.2. 恒温槽内各处温度是否相等?为什么? 答:恒温槽内各处温度并不相等。 恒温槽的热传递过程可以表示为:加热器——水——环境。在该过程中,恒温槽内各处 都能起储存能量和传递能量的作用,而热量的传递要求恒温槽内各处存在温差,即及恒 温槽内各处温度不相等。一般的认为,加热器附近的温度最高,其他地方的温度则受布 局、搅拌速度和加热功率等的影响。 5.3. 欲提高恒温槽的灵敏度,主要通过哪些途径? 答:①恒温槽是通过一系列元件的动作获得的,因此,提高各元件的灵敏度有助于提高 恒温槽整体的灵敏度。 ②通过元件相对位置的改变,找出最佳的位置组合。 ③适当的提高搅拌功率,提高恒温介质流动性,传热性能。 ④加热器功率要适宜,选用合适的加热电压。

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