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赌博网恒温槽-物化实验

发布日期: 2020-05-29 02:04
 

  恒温槽-物化实验_化学_自然科学_专业资料。实验 1 恒温槽的装配和性能测试 同组姓名:赵晓慧 指导老师:郭勋 姓名:憨家豪 学号:2012012026 班级:材 23 实验日期:2014.3.22 提交报告日期:2014.3.24 1 引

  实验 1 恒温槽的装配和性能测试 同组姓名:赵晓慧 指导老师:郭勋 姓名:憨家豪 学号:2012012026 班级:材 23 实验日期:2014.3.22 提交报告日期:2014.3.24 1 引言 1.1 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。 1.2 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。 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。 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。 图 2—1—2 恒温槽装置图 1.搅拌器 2.浴槽 3.电加热器 4.接点温度计 5.热敏电阻温度计 6.1/10℃温度计 7.晶体管继电器 8.自动记录仪 9.调压器 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。 图 2—1—3 水银接触温度计示意图 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 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 2—1—4 晶体管继电工作原理示意图 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。灵敏度是恒温槽恒温好坏的一个重要标志。一般在指定温度下, 以 T始 、T停 分别表示开始加热和停止加热时槽内水的温度(相对值) ,以 T ? 1/ 2(T始 ? T停 ) 为纵坐标,时间 t 为横坐标,记录仪自动画出灵敏度曲线 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 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 实验操作 2.1 实验用品 恒温槽 1 套:玻璃缸、电动搅拌器(D—8401 型) 、1/10℃温度计、电加热器、水银接点 温度计、 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 (电脑记录) 、 放大镜各一个。 2.2 实验条件 实验室气压 100.18 kpa,室温 18.0 C,相对湿度 31.0 %,实验中设定水温为 30.00 C 。 o o 2.3 实验步骤及注意事项 1.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; 2.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℃, o 本次实验设定值为 30.00 C, 加热开始。 开始可将加热电压调到 200V, 待接近设定温度时 (达 o 到 29.7 C) ,适当降低加热电压(至 100V) 。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(本次实验省略了“调节磁性调节帽”这一步操作) ; 3.温度波动曲线的测定与布局对恒温槽灵敏度的影响 打开电脑记录程序,电桥已调平 衡,开始记录,记录 3~4 个周期即可停止。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; 4.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(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度波动曲线.测定热敏电阻温度计的仪器常数(℃/mV) 将恒温槽温度升高,用放大镜观察 1/10℃ 温度计, 电脑记录温度升高 0.3~0.5 ℃电压改变值; 6.实验结束,保存数据,将仪器复原。 7.注意事项 (1)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; (2)温度设定时要留有提前量,避免水槽温度高于欲设定值; (3)接点温度计的刻度不是很准确,温度的设定与测量以 1/10℃温度计为准。 3 结果与讨论 3.1 实验数据与数据处理 1.实验室气压:100.18kPa;温度:18.0℃;设定温度:30.00℃。 2.测定不同布局的波动曲线,记下电压峰值,计算灵敏度。 接点温度计 搅拌器 加热器 热敏电阻和 1/10 温度计 表 1 不同布局、加热电压和搅拌器转速下恒温槽的灵敏度 电压 实验 组号 布局 灵敏度曲线 峰峰 值 /mV 灵敏度 水流方向 加热 电压 /V 搅拌 档 TE/℃ 24.0 23.8 1 23.6 23.4 23.2 400 0.48 ± 0.0253 V (mV) 100 4档 500 600 t (s) 700 800 900 24.8 24.4 2 0.59 24.0 23.6 1500 1600 1700 1800 1900 2000 t (s) ± 0.0312 V (mV) 100 4档 25.0 24.8 3 24.6 24.4 24.2 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 t (s) 0.54 ± 0.0285 V (mV) 100 4档 24.5 24.4 V (mV) 24.3 24.2 24.1 24.0 2200 2400 t (s) 2600 2800 4 0.25 ± 0.0132 100 4档 25.0 24.9 V (mV) 24.8 24.7 24.6 24.5 3700 3800 3900 t (s) 4000 4100 5 0.36 ± 0.0190 120V 4档 25.0 24.9 6 24.8 24.7 24.6 0.15 ± 0.0079 V (mV) 100V 6档 4700 4800 4900 5000 5100 5200 t (s) 3.测热敏电阻温度计的仪器常数(在最佳布局下测量) 表 2 热敏电阻温度计的仪器常数 始末 始 末 温度 T /℃ 30.00 27.00 电压 V /mV 24.44 仪器常数 /(℃/mV) 0.1056 3.60 3.2 讨论分析 1. 布局对灵敏度的影响 布局 4 的灵敏度数值最小,即恒温性能最好,为最佳布局。 布局 2 的灵敏度数值最大,即恒温性能最差,为最差布局。可能因为热敏电阻温度计位 于加热器的下游, 处于温度波动比较大的地方, 所以灵敏度曲线也就反映出大的温度波动来。 综上所述,分析不同布局对灵敏度的影响,可以从以下几个方面考虑: (1)电加热器放置的位置不应与搅拌器相隔过远,否则不能很好地将热量分散到整个 恒温槽中; (2)接点温度计是用来监控电加热器的温度的,它应该很好的来反映加热器的情况, 所以应放在加热器的水流下方,并距加热器较近。这样可直接有效地控制电加热器的温度; (3)热敏电阻用来监测水温,应该放在离搅拌器比较近的位置,这样才能保证测量的 区域温度比较均匀,减小波动,同时增大准确性; (4)将搅拌器、加热器、接点温度计和热敏电阻之间的相对距离缩小有助于缩短温度 变化的周期,提高灵敏度。赌博网, 2. 加热电压对灵敏度的影响 对比表 2 中第 4,5 组数据可看出,加热电压越小,灵敏度越好。加热电压越高,功率越 大,温度的变化就越快,加热就会越不均匀,温度的波动就大;反之,加热电压越小,灵敏 度就越好。 3. 搅拌速率对灵敏度的影响 对比表 2 中第 4,6 组数据可以看出,搅拌越快,灵敏度越好。由于搅拌越快热量传导就 越快,加热就越均匀,加热器和控制加热电路通断的接点温度计的相互配合就越密切,温度 调节就越灵敏。 4. 其它现象分析 本次实验测得的灵敏度曲线形状不是很清晰, 波动较大。 对于最佳布局以及在判断加热 电压和搅拌速度对灵敏度的影响时,无法分辨出周期。分析原因,可能是电桥老化,灵敏度 降低,电路平衡受到影响,降低了恒温槽的温度反馈能力。另外,电脑记录数据更加精确, 很细微的波动都能被清晰地记录下来,这就要求我们准确地判断到底哪个才是真正的周期。 不过, 本次实验的重点测量和计算值为电压峰峰值而非周期, 所以本次实验数据还是有利用 价值的。在数据处理时,对于明显不符合变化趋势的极个别点,应予以剔除,排除局部温度 的猛然涨落对实验结果的影响。这次的实验结果定性上是正确的。 4 结论 通过对恒温槽中各装置的布局、搅拌速度、加热电压(即功率)等进行合理调节可以提 高节恒温槽的灵敏度,优化恒温槽的恒温效果。具体的关系在“讨论分析”中已有说明,不 再赘述。总结如下:一个好的布局应当是能够使接点温度计迅速感知温度变化,热敏电阻温 度计所处温度相应恒定,搅拌器能有效分散新生热量的布局。高搅拌速度有利于散热,低加 热功率有利于温度的稳定。 5 参考文献 [1] 清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验.北京:清华大学出版社,1991: 18-25. [2] 复旦大学等.物理化学实验.2 版.北京:高等教育出版社,1992:26-30. 6 附录 1.恒温槽的恒温原理是什么? 答:恒温槽主要通过继电器、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。 2.恒温槽内各处的温度是否相等?为什么? 答:恒温槽内温度并不严格相等。因为搅拌器不可能理想地使槽内水温均一,只能够加 快热的传导,尽量减小各处温差;而且加热器加热不均匀,恒温槽水温和环境温度不相等造 成的冷却效应等,造成恒温槽各处水温不相等。 3.怎样提高恒温槽的灵敏度? 答:要选择适宜的加热温度,尽量不要太高;搅拌器要尽量快速搅拌,加快热量传递; 各组件之间的距离不要离得太远;感温元件的热容要小,要敏感;工作介质的热容要大,导 热性能和流动性要好,粘滞系数要小。

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