恒温槽恒温原理

实验1 恒温槽的装配和性能测试

一、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。

二、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。

恒温槽原理

恒温槽是一种高精度温控仪器，它主要是用于科研、实验、生产等领域的高精度温度控制。恒温槽能够稳定地维护一个设定温度，使样品在其内部得到恒定的温度环境。恒温槽的工作原理可以分为两个方面：加热和控温。下面将对其原理进行详细介绍。

一、恒温槽的加热原理

恒温槽的加热系统由电加热器和热传感器组成。电加热器主要是将电能转换成热能，让恒温槽内的温度升高。电加热器通常采用管状加热器，它可以将热均匀地传递到恒温槽的各个部位，保证恒温槽内温度的均匀性。电加热器还需要由恒温槽内部的温度传感器控制温度，以达到稳定温度的目的。

恒温槽内的温度传感器一般采用热电阻或热偶的形式。热电阻是一种温度敏感元件，它的电阻值会随着温度的变化而变化。而热偶则是由两种不同金属材料组成，当两种金属材料的接触温度发生变化时，它们之间的电动势也会发生变化。通过这两种温度传感器的测量，恒温槽可以精确地感知恒温槽内部的温度，并将其反馈至控制系统。

二、恒温槽的控温原理

恒温槽的控温系统主要由PID控制器组成。PID控制器是一种自动控制的系统模块，它可以通过调整控制信号的大小和方向来实现对系统的精确控制。PID控制器的原理是基于反馈控制的，即通过对系统输出与期望输出的误差进行反馈调整，以使得系统输出的误差逐渐减小，最终达到期望值。

在恒温槽中，PID控制器通过将恒温槽内部的温度数据与设定温度进行比较，计算出温度误差，并将误差反馈至电加热器上，调整其加热功率，从而使恒温槽内部的温度达到设定值并保持稳定。 PID控制器中三个参数 P、I、D，代表比例、积分、微分控制的作用，分别表示反馈信号与设定值的比例、时间累积以及温度变化率，通过调节这三个参数，可以实现不同的控制效果。

总结：

恒温槽是一种高精度的温控仪器，它的工作原理主要包含电加热和控温两个方面。电加热器通过将电能转化为热能，使恒温槽内部的温度升高。温度传感器可以感知恒温槽内部的实际温度，并将其反馈至控制系统。控制系统通过PID控制器实现对温度的精确控制，实现恒温槽的温度恒定、稳定。

恒温槽的装配与性能测试

2012年2月28日实验，2012年3月1日提交报告

助教：陈双龙

1 引言

恒温条件是物理化学实验中的基本手段之一。主要的恒温装置有固定温度点的相变介质

浴和可变温度点的电子控温法。本实验讨论的恒温水浴属于后者。它通过继电器、温度调节

器（热电偶）和加热器配合工作而达到恒温的目的。其原理如图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，

热电偶使得线路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，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 恒温槽工作原理[1]

1. 加热器 2. 直流电源 3. 热电偶

恒温槽由浴槽、温度计、热电偶、继电器、加热器、搅拌器等部件组成。为了对恒温槽

的性能进行测试，实验中还包括与自动记录仪相连的热敏电阻测温装置。浴槽包括容器和液

体介质。一般选择10 L或者20 L的圆形玻璃缸做为容器。本实验采用水为工作介质。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。热电偶是恒温槽的

重要部件，它利用两种导体在温差下产生的电动势测定体系的温度[2]，其灵敏度对控温精度

起着关键作用。实验室常用的继电器有晶体管继电器和电子管继电器。我们使用的是前者。

在实验中的加热器之前，需要一个和加热器功率相适应的调压器，以便对加热电压进行调节。

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。一般在设定温度附近，

恒温槽的装配和性能测试

1 引言

1.1实验目的[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

2、分析恒温槽性能，找出合理的最佳布局。

3、掌握热敏电阻温度计等的基本测量原理和使用方法。

1.2 实验原理

本实验讨论的恒温水浴是一种常用的控温装置。当水温低于设定值时，线路接通，加热器工作，使水槽温度上升；当水槽温度升高到设定值时，线路段开，加热器停止加热。如此反复进行，从而使恒温槽维持在所需恒定的温度。[1]

实验时恒温槽由浴槽、温度计、加热器、搅拌器等组成。浴槽内含有液体介质（水）。内有一套测温的热敏电阻温度计连接已设定好目标温度可控电路通断的温控仪，并与加热器串联，从而实现根据温度变化控制加热器是否加热。1/10℃温度计与热敏电阻温度计紧连在一起亦置于水槽中，用以测量温度，热敏电阻温度计与无纸记录仪、计算机相连，测量值由计算机处理出图。电加热器还与调压器连接，可以控制加热器的加热电压。

恒温效果是由一系列元件的动作来获得的，因此存在着滞后现象。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的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效果好坏的一个重要标志，一般以制定温度下TT停始、分别表示开始加热和停止加热时槽内水的温度（相对值），以12TTT停始为纵坐标，实践t为横坐标，画出灵敏度曲线如图：

图1：几种形状的灵敏度曲线

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：

E2TTT低高

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图

恒温槽一套：玻璃钢、D-8410多功能型电动搅拌器，数显惠斯通电桥 清华大学化学系，

群力接触调压器 北京调压器厂， 1/10℃温度计，热敏电阻温度计，电加热器 放大镜，温控仪，无纸记录仪

2.2 实验条件

温度：17.0 ℃

湿度：56.2%