恒温槽装配和性能测试

实验88　恒温槽装配和性能测试

实验目的

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；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。

实验原理

在物理化学实验中所测得的数据，如折射率、黏度、蒸气压、表面张力、电导、化学反应速率常数等都与温度有关，所以许多物理化学实验必须在恒温下进行。通常用恒温槽来控制温度维持恒定。恒温槽之所以能维持恒温，主要是依靠恒温控制器来控制恒温槽的热平衡的。当恒温槽因对外散热而使水温降低时，恒温控制器就使恒温槽内的加热器工作。待加热到所需的温度时，它又使加热器停止加热，这样就使槽温保持恒定。恒温槽装置一般如图6－1所示。

图6－1　恒温槽的装置

1—浴槽；2—加热器；3—搅拌器；4—温度计；5—感温元件；6—恒温控制器

恒温槽一般由浴槽、加热器、搅拌器、温度计、感温元件、恒温控制器等部分组成，现分别介绍如下。

（1）浴槽：通常采用玻璃槽，以便于观察，其容量和形状视需要而定，物理化学实验一般采用10L圆形玻璃缸。浴槽内的液体一般采用蒸馏水。恒温超过100℃时可采用液体石蜡或甘油等。

（2）加热器：常用的是电热器。根据恒温槽的容量、恒温温度以及与环境的温差大小来选择电热器的功率。如容量20L、恒温25℃的大型恒温槽一般需要功率为250W的加热器。为了提高恒温的效率和精度，有时可采用两套加热器。开始时，用功率较大的加热器加热，当温度达到恒定时，再用功率较小的加热器来维持恒温。

（3）搅拌器：一般采用40W的电动搅拌器，用变速器来调节搅拌速度。

（4）温度计：通常采用1/10℃温度计作为观察温度用，所用温度计在使用前需进行校正。为了测定恒温槽的灵敏度，本实验采用数字式贝克曼温度计。

（5）感温元件：它是恒温槽的感觉中枢，是提高恒温槽精度的关键所在。感温元件和种类很多，如接触温度计、热敏电阻感温元件等。恒温槽一般使用感温头，感温头直接与恒温控制器相连。

（6）恒温控制器：整个控温系统由交流放大器、相敏放大器、控制执行继电器几部分组成。热敏电阻和电位器组成交流感温电桥。当感温头感受的实际温度低于给定温度时，桥路输出为负信号，接通外接加热回路；当感受温度与给定温度相同时，桥路平衡，断开加热回路；当实际温度再下降时，继电器再动作，重复上述过程，从而达到控温目的。

由于这种温度控制装置属于“通”、“断”类型，当加热器接通后传热质温度上升并传递给温度计，使其升温。由于传质、传热都有一个速度，因此，会出现温度传递的滞后。同理，降温时也会出现滞后现象。

由此可知，恒温槽控制的温度是有一个波动范围的，而不是控制在某一固定不变的温度，并且恒温槽内各处的温度也会因搅拌效果的优劣而不同。控制温度的波动范围越小，各处的温度越均匀，恒温槽的灵敏度就越高。灵敏度是衡量恒温槽性能的主要标志。它除与感温元件、电子继电器有关外，还受搅拌器的效率、加热器的功率等因素的影响。

恒温槽灵敏度的测定是在指定温度下，观察温度的波动情况。用较灵敏的温度计如贝克曼温度计记录温度随时间的变化，最高温度为t₁，最低温度为t₂，恒温槽的灵敏度t_e为

灵敏度常常以温度为纵坐标，以时间为横坐标，绘制成温度－时间曲线来表示。图6－2中：曲线（a）表示恒温槽灵敏度较高；曲线（b）表示灵敏度稍差，需更换更灵敏的温度控制器；曲线（c）表示加热器功率太大；曲线（d）表示加热器功率太小或散热太快。

图6－2　恒温槽灵敏度曲线

为了提高恒温槽的灵敏度，在设计恒温槽时要注意以下几点。

（1）恒温槽的热容量要大些，传热质的热容量越大越好。

（2）尽可能加快电热器与温度计间传热的速度。为此要使感温元件的热容尽可能小，感温元件与电热器间距要近一些；搅拌器效率要高。

（3）作调节温度用的加热器功率要小些。

实验用品

仪器　玻璃缸；数字式贝克曼温度计；电动搅拌器；加热器；电子继电器等。

试剂　蒸馏水等。

实验步骤

（1）将蒸馏水注入浴槽至容积的2/3处，按图6－1所示将数字式贝克曼温度计、电子继电器、电动搅拌器、电热器等安装好。

（2）调节恒温控制器上圆盘式温度计，使其温度略低于25℃，接通电源，打开搅拌器开关并加热，注意观察数字式贝克曼温度计的读数，若温度恒定后，仍低于25℃，则微调恒温控制器，直到其温度达到25℃。

（3）在恒温槽中选取5个点，其中1个点靠近加热器，1个点在远离加热器的恒温槽边缘，其余3个点在恒温槽的中间区域，用贝克曼温度计观察这些点的温度变化，记录温度变化的最大值和最小值。

（4）按上述步骤，将恒温槽重新调节至30℃和35℃。

（5）恒温槽灵敏度的测定：待恒温槽已调节到35℃后，在中间区域3个点中选取恒温性能最差的点，观察贝克曼温度计的读数，利用秒表，每隔2min记录一次贝克曼温度计的读数。测定约60min，温度变化范围要求在±0.15℃之内。

实验结果与数据处理

（1）以时间为横坐标、温度为纵坐标，绘制35℃时温度－时间曲线。

（2）计算恒温槽的灵敏度。

（3）用图表示恒温槽内各元件的布局，并在图中指明所选5个点的位置。

思考题

（1）对于提高恒温槽的灵敏度，可从哪些方面进行改进？

（2）如果所需恒定的温度低于室温，如何装备恒温槽？