附录2 温度的控制
物质的物理化学性质，如粘度、密度、蒸气压、表面张力、折光率等都随温度而改变，要测定这些性质必须在恒温条件下进行。一些物理化学常数如平衡常数、化学反应速率常数等也与温度有关，这些常数的测定也需恒温，因此，掌握恒温技术非常必要。
恒温控制可分为两类，一类是利用物质的相变点温度来获得恒温，但温度的选择受到很大限制；另外一类是利用电子调节系统进行温度控制，此方法控温范围宽、可以任意调节设定温度。
一、电接点温度计温度控制
恒温槽是实验工作中常用的一种以液体为介质的恒温装置，根据温度控制范围，可用以下液体介质：- 60℃～30℃用乙醇或乙醇水溶液；0℃～90℃用水；80℃～160℃用甘油或甘油水溶液；70℃～300℃用液体石蜡、汽缸润滑油、硅油。
恒温槽是由浴槽、电接点温度计、继电器、加热器、搅拌器和温度计组成，具体装置示意图见图3.2-1。继电器必须和电接点温度计、加热器配套使用。电接点温度计是一支可以导电的特殊温度计，又称为导电表。图3.2-2是它的结构示意图。它有两个电极，一个固定与底部的水银球相连，另一个可调电极4是金属丝，由上部伸入毛细管内。顶端有一磁铁，可以旋转螺旋丝杆，用以调节金属丝的高低位置，从而调节设定温度。当温度升高时，毛细管中水银柱上升与金属丝接触，两电极导通，使继电器线圈中电流断开，加热器停止加热；当温度降低时，水银柱与金属丝断开，继电器线圈通过电流，使加热器线路接通，温度又回升。如此，不断反复，使恒温槽控制在一个微小的温度区间内波动，被测体系的温度也就限制在一个相应的微小区间内，从而达到恒温的目的。
图3.2-1 恒温槽装置示意图
1. 浴槽；2. 加热器；3. 搅拌器；4. 温度计5. 电接点温度计；6. 继电器；7. 贝克曼温度计
1. 恒温槽的温度控制装置属于“通”“断”类型，当加热器接通后，恒温介质温度上升，热量的传递使水银温度计中的水银柱上升。但热量的传递需要时间，因此常出现温度传递的滞后，往往是加热器附近介质的温度超过设定温度，所以恒温槽的温度超过设定温度。同理，降温时也会出现滞后现象。由此可知，恒温槽控制的温度有一个波动范围，并不是控制在某一固定不变的温度。控温效果可以用灵敏度Δt表示：
式中，t1为恒温过程中水浴的最高温度；t2为恒温过程中水浴的最低温度。
从图3.2-3可以看出：曲线（a）表示恒温槽灵敏度较高；（b）表示恒温槽灵敏度较差；（c）表示加热器功率太大；（d）表示加热器功率太小或散热太快。影响恒温槽灵敏度的因素很多，大体有：
图3.2-2 电接点温度计
1. 磁性螺旋调节器；2. 电极引出线；3. 标尺；4. 示螺母；5. 调电极；6. 标尺
（1）恒温介质流动性好，传热性能好，控温灵敏度就高。
（2）加热器功率要适宜，热容量要小，控温灵敏度就高。
图3.2-3控温灵敏度曲线
（3）搅拌器搅拌速度要足够大，才能保证恒温槽内温度均匀。
（4）继电器电磁吸引电键，后者发生机械作用的时间愈短，断电时线圈中的铁芯剩磁愈小，控温灵敏度就高。
（5）电接点温度计热容小，对温度的变化敏感，则灵敏度高。
（6）环境温度与设定温度的差值越小，控温效果越好。
2. 控温灵敏度测定步骤如下：
（1）按图3.2-4接好线路，经过教师检查无误，接通电源，使加热器加热，观察温度计读数，到达设定温度时，旋转电接点温度计调节器上端的磁铁，使得金属丝刚好与水银面接触（此时继电器应当跳动，绿灯亮，停止加热），然后再观察几分钟，如果温度不符合要求，则需继续调节。
（2）作灵敏度曲线：将温差测量仪的探头放入恒温槽中，稳定后，按温差测量仪的“设定”，使其显示值为0，然后每隔30s记录一次，读数即为实际温度与设定温度之差，连续观察15min。如有时间可改变设定温度，重复上述步骤。
（3）结果处理。
①将时间、温差读数列表。
②用坐标纸绘出温度—时间曲线。
③求出该套设备的控温灵敏度并加以讨论。
二、自动控温简介
实验室内都有自动控温设备，如电冰箱、恒温水浴、高温电炉等。现在多数采用电子调节系统进行温度控制，具有控温范围广、可任意设定温度、控温精度高等优点。
电子调节系统种类很多，但从原理上讲，它必须包括三个基本部件，即变换器、电子调节器和执行机构。变换器的功能是将被控对象的温度信号变换成电信号；电子调节器的功能是对来自变换器的信号进行测量、比较、放大和运算，最后发出某种形式的指令，使执行机构进行加热或制冷（见图3.2-4）。电子调节系统按其自动调节规律可以分为断续式二位置控制和比例—积分—微分控制两种，简介如下：
图3.2-4 电子调节系统的控温原理
1. 断续式二位置控制。
实验室常用的电烘箱、电冰箱、高温电炉和恒温水浴等，大多采用这种控制方法。变换器的形式分为：
（1）双金属膨胀式。
利用不同金属的线膨胀系数不同，选择线膨胀系数差别较大的两种金属，线膨胀系数大的金属棒在中心，另外一个套在外面，两种金属内端焊接在一起，外套管的另一端固定，见图3.2-5。在温度升高时，中心金属棒便向外伸长，伸长长度与温度成正比。通过调节触点开关的位置，可使其在不同温度区间内接通或断开，达到控制温度的目的。其缺点是控温精度差，一般有几K范围。
图3.2-5 双金属膨胀式温度控制器示意图
（2）若控温精度要求在1K以内，实验室多用导电表或温度控制表（电接点温度计）作变换器（见图3.2-6）。
2. 继电器。
（1）电子管继电器。
电子管继电器由继电器和控制电路两部分组成，其工作原理如下：可以把电子管的工作看成一个半波整流器（图3.2-6），Re-C1并联电路的负载，负载两端的交流分量用来作为栅极的控制电压。当电接点温度计的触点为断路时，栅极与阴极之间由于R1的耦合而处于同位，即栅极偏压为零。这时板流较大，约有18 mA通过继电器，能使衔铁吸下，加热器通电加热；当电接点温度计为通路，板极是正半周，这时Re- C1的负端通过C2和电接点温度计加在栅极上，栅极出现负偏压，使板极电流减少到2.5 mA，衔铁弹开，电加热器断路。
图3.2-6 电子继电器线路图
1. 电接点温度计；2. 衔铁；3. 电热器
因控制电压是利用整流后的交流分量，Re的旁路电流C1不能过大，以免交流电压值过小，引起栅极偏压不足，衔铁吸下不能断开；C1太小，则继电器衔铁会颤动，这是因为板流在负半周时无电流通过，继电器会停止工作，并联电容后依靠电容的充放电而维持其连续工作，如果C1太小就不能满足这一要求。C2用来调整板极的电压相位，使其与栅压有相同的峰值。R2用来防止触电。
电子继电器控制温度的灵敏度很高。通过电接点温度计的电流最大为30 μA，因而电接点温度计使用寿命很长，故获得普遍使用。
（2）晶体管继电器。
随着科技的发展，电子管继电器中电子管逐渐被晶体管代替，典型线路见图3.2-7。当温度控制表呈断开时，E通过电阻Rb给PNP型三极管的基极b通入正向电流Ib，使三极管导通，电极电流Ic使继电器J吸下衔铁，K闭合，加热器加热。当温度控制表接通时，三极管发射极e与基极b被短路，三极管截止，J中无电流，K被断开，加热器停止加热。当J中线圈电流突然减少时会产生反电动势，二极管D的作用是将它短路，以保护三极管避免被击穿。
图3.2-7 晶体管继电器
（3）动圈式温度控制器。
由于温度控制表、双金属膨胀类变换器不能用于高温，因而产生了可用于高温控制的动圈式温度控制器。采用能工作于高温的热电偶作为变换器，其原理见附图3.2-8。热电偶将温度信号变换成电压信号，加于动圈式毫伏计的线圈上，当线圈中因为电流通过而产生的磁场与外磁场相作用时，线圈就偏转一个角度，故称为“动圈”。偏转的角度与热电偶的热电势成正比，并通过指针在刻度板上直接将被测温度指示出来，指针上有一片“铝旗”，它随指针左右偏转。另有一个调节设定温度的检测线圈，它分成前后两半，安装在刻度的后面，并且可以通过机械调节机构沿刻度板左右移动。检测线圈的中心位置，通过设定针在刻度板上显示出来。当高温设备的温度未达到设定温度时，铝旗在检测线圈之外，电热器在加热；当温度达到设定温度时，铝旗全部进入检测线圈，改变了电感量，电子系统使加热器停止加热。为防止当被控对象的温度超过设定温度时，铝旗冲出检测线圈而产生加热的错误信号，在温度控制器内设有挡针。
图3.2-8 动圈式温度控制机构
参考资料：
[1] 沈维善，张孙元编. 热电偶热电阻分度手册. 北京:机械工业部仪表工业局，1985.
[2] 李永敏主编. 数字化测试技术. 北京:北京航空工业出版社，1987.
[3] 沙占友主编. 智能化集成温度传感器原理与应用. 北京:机械工业出版社，2002.