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赌博网实验1 恒温槽的装配与性能测定

发布日期: 2020-07-03 03:45
 

  实验1 恒温槽的装配与性能测定_化学_自然科学_专业资料。中科大物化实验1报告 PB

  实验一 恒温槽的装配与性能测定 郭璟 中国科学技术大学少年班学院 合肥 230026 摘要:通过对比自组装电路和超级恒温水浴的温度-时间曲线,分析了不同恒温 方法的区别,也了解了恒温槽的工作原理。 Abstract: By comparing the temperature-controlling data of lab-made circuit and purchased equipment, I analyzed the difference of these two methods while understood the principles of thermostatic bath. 关键词:恒温槽,恒温 前言 在许多物理化学实验中,由于待测的数据如折射率、粘度、电导、蒸汽 压、电动势、化学反应的速度常数、电离平衡常数等都与温度有关。因此,这 些实验都必须在恒温的条件下进行,这就需要各种恒温的设备。通常用恒温槽 来控制温度,维持恒温。一般恒温槽的温度都相对的稳定,多少总有一定的波 动,大约在±0.1℃,如果稍加改进也可达到 0.01℃,要使恒温设备维持在高于 室温的某一温度,就必须不断补充一定的热量,使由于散热等原因引起的热损 失得到补偿。恒温槽之所以能够恒温,主要是依靠恒温控制器来控制恒温槽的 热平衡。当恒温槽的热量由于对外散失而使其温度降低时,恒温控制器就驱使 恒温槽中的电加热器工作,待加热到所需要的温度时,它又会使其停止加热, 使恒温槽温度保持恒定。 恒温槽的装置是多种多样的。它主要包括下面的几个部件:敏感元件(也 称感温元件) ,控制元件,加热元件。赌博网!感温元件将温度转化为电信号而输送给控 制元件,然后由控制元件发出指令让电加热元件加热或停止加热。图 1 即是一 恒温装置。它由浴槽、加热器、搅拌器、温度计、感温元件、恒温控制器等组 成,现分别介绍如下:??? 图 1 恒温槽装置图 1-浴槽;2-加热器;3-搅拌器;4-温度计; 5-感温元件(热敏电阻探头) ;6-恒温控制器;7-贝克曼温度计 1.浴槽:通常用的是 10dm3 的圆柱形玻璃容器。槽内一般放蒸馏水,如恒 温的温度超过了 100℃可采用液体石腊和甘油。温度控制的范围不同,水浴槽 中介质也不同,一般来说: -60℃~30℃时用乙醇或乙醇水溶液。 0℃~90℃时用水。 80℃~160℃时用甘油或甘油水溶液。 70℃~200℃时用液体石蜡、硅油等。 2.加热器:常用的是电热器,我们用的电加热器把电阻丝放入环形的玻璃 管中,根据浴槽的直径大小弯曲成圆环制成。它可以把加热丝放出的热量均匀 地分布在圆形恒温槽的周围。电加热器由电子继电器进行自动调节,以实现恒 温。电加热器的功率是根据恒温槽的容量、恒温控制的温度以及和环境的温差 大小来决定的。最好能使加热和停止加热的时间各占一半。为了提高恒温的效 果和精度,我们在恒温控制器和电加热器之间串接一只 1kV 的可调变压器,其 恒温槽的电路图设计如下:? 图 2 恒温槽电路图 实验开始时,由于室温距恒定温度的温差较大,为了尽快升温达到恒定温 度,我们就把串接的输出电压调高一些,而待其温度逐渐接近恒温温度时,为 了减少滞后现象,要把可调变压器的输出电压降低一些,这样能较好地提高恒 温槽控温的精度。 3.搅拌器:一般采用功率为 40W 的电动搅拌器,并将该电动搅拌器串联在 一个可调变压器上用来调节搅拌的速度,使恒温槽各处的温度尽可能地相同。 搅拌器安装的位置,桨叶的形状对搅拌效果都有很大的影响。为此搅拌桨叶应 是螺旋桨式的或涡轮式的,且有适当的片数、直径和面积,以使液体在恒温槽 中循环,保证恒温槽整体温度的均匀性。 4.温度计:恒温槽中常以一支 1/10℃的温度计测量恒温槽的温度。用贝克 曼温度计测量恒温槽的灵敏度。所用的温度计在使用前都必须进行校正和标 化。 5.恒温控制器:我们实验室采用的温控仪是 7151-DM 型有测温部件的控温 仪。它采用稳定性能较好的热敏电阻作为感温元件,感温时间较短、使用方 便、调速快、精度高并能进行遥控遥测。这个感温元件又因使用了特殊的烧结 工艺,故只需要将此感温元件(探头)放在所需的控温部位,就能在控温的同 时,从测温仪表上精确地反应出被控温部位的温度值。如图 3 所示。 图 3 控温原理图 由图 3 我们可知控温仪是由感温电桥、交流放大器、相敏放大器、控温执 行继电器四部分组成。热敏电阻 Rt 及 R11、R12、R16 和电位器 Rp 组成交流感温电 桥,当热敏电阻探头感受的实际温度低于给定温度时,桥路输出变为负信号, 使 J1 开始动作,并触发 J2 启动闭合,接通外接加热回路,这时加热器导通开始 对体系加热,当感受到的温度与给定温度相同时,桥路平衡,无信号输出,J1 恢复常开状态,使 J2 失去触发信号而恢复常开状态,断开加热回路,加热停 止。当实际温度再下降时控温执行继电器再次动作,重复上述过程达到控温目 的。 该仪器的测温系统是利用直流电桥的不平衡从而在电表上迅速指示精确的 温度值,而得到测温结果。具体的使用方法详见附录控温仪的使用方法。? 实验室中还有一种常用的恒温装置是超级恒温水浴,它的控温原理和上述 的温控仪基本相同,只不过它的感温元件是一支接触式温度计(有时也称导电 表)而不是热敏电阻探头,如图 4 所示。该温度计的下半段类似于一支水银温 度计,上半段是控制用的指示装置,温度计的毛细管内有一根金属丝和上半段 的螺母相连,它的顶部放置一磁铁,当转动磁铁时,螺母即带动金属丝沿螺杆 向上或向下移动,由此来调节触针的位置。在接点温度计中有两根导线,这两 根导线的一端与金属丝和水银柱相连,另一端则与温度的控制部分相连。这种 恒温槽的控温器是电子继电器,不象上述的控温仪那种电路。这个继电器实际 上是一个自动开关,它与接触式温度计相配合,当恒温槽的温度低于接触式温 度计所设定的温度时,水银柱与触针不接触,继电器由于没电流通过或电流很 小,这时继电器中的电磁铁磁性消失,衔铁靠自身弹力自动弹开,将加热回路 接通进行加热。反之则停止加热,这样交替地导通、断开、加热与停止加热, 使恒温水浴达到恒定温度的效果。控温精度一般达±0.1℃,最高可达±0.05℃。 图 4 接触温度计的构造图 1-调节帽;2-调节固定螺丝;3-磁铁;4-螺杆引出线’-水银槽引出线-水银槽 这种恒温水浴还装有电动机和水泵一套,便于将恒温的水通过水泵注入所 需测量的体系外部,做到不仅可在恒温水浴中恒温而且还可对外接体系进行恒 温。此装置还备有冷却装置,可将循环水打入仪器带走多余的热量以达到更好地 恒温效果。 但是这两种恒温装置都属于“通” “断”二端式控温,因此不可避免地存在 着一定的滞后现象,如温度的传递、感温元件(热敏探头或接触式温度计)继 电器、电加热器等的滞后。所以恒温槽控制的温度存在有一定的波动范围,而 不是控制在某一固定不变的温度。其波动范围越小,槽内各处的温度越均匀, 恒温槽的灵敏度越高。灵敏度的高低是衡量恒温槽恒温优劣的主要标志,它不 仅与温控仪所选择的感温元件、继电器、接触式温度计等灵敏度有关,而且与 搅拌器的效率、加热器的功率、恒温槽的大小等因素有关。搅拌的效率越高, 温度越易达到均匀,恒温效果越好。加热器的功率用可调变压器进行调节,以 保证在恒温槽达到所需的温度后减小电加热的余热,减小温度过高或过低地偏 离恒定温度的程度。此外,恒温槽装置内的各个部件的布局对恒温槽的灵敏度也 有一定的影响。一般布局原则是:加热器与搅拌器应放得近一些,这样利于热 量的传递。我们设计的电加热器是由环形的玻璃套管制成的,搅拌器装在环形 中间,有利于整个恒温槽内热量的均匀分布。感温元件热敏探头应放在合适的 位置并与槽中的温度计相近,以正确地确定温控仪面板上的指示温度,并且不 宜放置得太靠近边缘。 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。也可在同一温 度下改变恒温槽内各部件的布局来测量,从而找出恒温槽的最佳和最差布局。 也可选定某一布局,改变加热器电压和搅拌速度测定对恒温槽温度波动曲线的 影响。该实验用较灵敏的贝克曼温度计,在一定的温度下,记录温度随时间的 变化。如记最高温度为 ,最低温度为 ,恒温槽的灵敏度为: ? =± 灵敏度常以温度为纵坐标, 以时间为横坐标绘制成温度——时间曲线 灵敏度的温度——时间曲线 (a) 表示恒温槽灵敏度较高;(c) 表示加热器功率太大; (b) 灵敏度较低; (d) 表示加热器功率太小或散热太快。 实验部分 1.仪器和药品 HK-2A 超级恒温水浴——南京南大万和科技有限公司 JDW-3F 精密电子温差测量仪——南京南大万和科技有限公司 TDGC2-3KVA 接触调压器——上海全力电器有限公司 水银接触式温度计、自组装电路、开关、导线.操作 ①打开仪器,用超级恒温水浴调节温度至设定值 25.00℃,将温差测量仪置 零,使用软件开始测量,至得到数个稳定的峰和谷值。 ②调节水银温度计至电路指示灯亮暗之间的位置,控制开关拨至外接继电 器; (1)外加电压设为 125V,使用软件开始测量。 (2)外加电压设为 175V,使用软件开始测量。 ③打开冷凝水,重复①②操作,再得到三组数据。 结果与分析 1.实验结果与评价 数据及处理见附件和附录。 结果列于下表: 自组装电路 灵敏度/℃ 无冷凝水 有冷凝水 超级恒温水浴 125V 加热电压 0.017 0.0115 0.144 0.135 175V 加热电压 0.1665 0.1885 可以看出使用自组装电路的灵敏度比超级恒温水浴大了一个数量级,同时 在加热电压较大时,灵敏度也较大。而冷凝水的存在更是对系统稳定性的一大 考验,可以看到超级恒温水浴这方面做的很好,甚至比不存在冷凝水更好,而 字组装电路的表现则与之前相当或更差。 究其原因,最根本的就是设计复杂性的差异。实验使用的自组装电路采用 简单的水银温度计作为测温装置,控制加热电路的通断,由于温度计的机械限 制,此方法本身精密度就不高,而超级恒温水浴中使用了更加精密的测温和控 温元件,使得精密度有很大的提高。 另外,可以看到加热电压越大,灵敏度越差。这是因为加热电压较大时,赌博网 加热功率也较大,使得温度急剧升高,而不能控制在小范围波动。 2.误差分析 综合分析实验过程,可能存在以下误差来源: ①可以在附图中看到测量过程中有一些坏点,这是温差测量仪本身造成 的;同理,本实验中使用的多种电子仪器和元件都会或多或少受到周围电磁场 的影响,特别是测量仪器,在受到继电器通断瞬间的强磁场影响时会使得测量 数据有所偏差。 ②另外,测量仪器得到的温度值与实际温度会有一定的偏差,当然这个因 素不在本实验的考虑范围,但是此因素会影响到使用恒温仪器进行的一系列实 验结果。 3.讨论: ①减小实验误差的方法: (1)改进实验电路装置,使得仪器稳定性更好; (2)减小加热电压,可以提高灵敏度; (3)在处理数据时将得到的坏点数据删除。 ②关于本实验方法的利弊:本实验操作简单,原理明确,数据处理也较为 简便。同时由于本实验为定性实验,对数据处理的要求不高,得到结论也较为 方便。可以看到结论与实际是相符的。 ③实验心得:通过本次实验,我对恒温槽的工作原理有了一个大致的了 解,也产生了进一步研究恒温槽控温和测温原理的兴趣。 参考资料 物理化学 高等教育出版社 傅献彩等著 附件:数据处理 六组实验数据作图如下(单位:℃) : 图 5 未加冷凝水使用超级恒温水浴的数据 图 6 未加冷凝水使用自组装电路在 125V 加热电压下的数据 图 7 未加冷凝水使用自组装电路在 175V 加热电压下的数据 图 8 加冷凝水使用超级恒温水浴的数据 图 9 加冷凝水使用自组装电路在 125V 加热电压下的数据 图 10 加冷凝水使用自组装电路在 175V 加热电压下的数据 可以得到灵敏度(℃)分别为:0.017, 0.144, 0.1665, 0.0115, 0.135, 0.1885。 可以看出使用自组装电路的灵敏度比超级恒温水浴大了一个数量级,同时 在加热电压较大时,灵敏度也较大。

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