2 影响
生化培养箱温度调节精度的主要因素
2.1 测温元件的时间常数
测温元件反映机内温度, 并向控温系统输入端馈送反馈温度信号。 测温元件通过与
生化培养箱内空气的热交换来感知温度, 具有热惯性, 这样当
生化培养箱温度变化时, 测温元件的输出 θf (温度指示)总是滞后于箱内温度 θo 的变化, 测温元件的时间常数 T 2 反映了这种热惯性的大小, T 2 越大, 滞后越严重。 这样, 从测温元件得到的即时温度指示值 θf 实际上并不是生化培养箱内的真实温度θo, 两者之间存在着差异。 图 2 给出了某生化培养箱在阶跃温度干扰 (5 ℃) 作用下机内温度真实值 θo (t) (用 PN 结温度计测得)与测温元件测得值 θf (t) (用电接点水银温度计测得)过渡过程的比较 (设定温度 θi=30 ℃, 曲线温度坐标为与 30 ℃的差值 Δθ)。 由图可见 θo (t)和 θf (t)两曲线的振荡周期相同, 且都趋于同一稳定值, 不同的是 θo (t)的振幅要比 θf (t)的大得多, 生化培养箱内**高的瞬时温度达到 30.8℃, 而在这种情况下测温元件的指示值仅为 30.2 ℃。 这说明生化培养箱内真实温度的变化要比测温元件反映出来的温度指示值的变化大得多, 而它们的差异程度取决于测温元件的时间常数 T 2 , 其大则大之, 小则小之。 生化培养箱内温度真实值与测量值之间这一无法直接看到的差异, 在实际工作中务必充分注意,因为有时虽然测温元件指示或记录的温度值是符合要求的, 但实际上在一段时间中箱内的真实温度已大大超出了规定范围。 测温元件的时间常数越大, 这种情况越严重。
2.2 生化培养箱的热传递延时 τ
由于热传递延迟时间 τ的影响, 生化培养箱内的温度并不是随加热器工作的起止而立即变化, 而是要延长一段时间才开始变化, 其机内温度的变化见图 3 , 图中 θ′M 、
θ′m 分别为生化培养箱内实际达到的**高、 **低温度, 2ε 是箱内温度允许波动范围, P 是加热功率, t 1 、 t 3 为开始
加热时间, t2 为停止加热时间。 此时, 在调节器接通加热器开始加热 (t
1 , t
3) 的一段时间内, 机内温度仍继续下降, 然后才逐渐上升;而在调节器断开加热器停止加热(t2)后的一段时间内, 机内温度仍将继续上升, 然后才下降。 因此, 生化培养箱温度的实际波动范围将超出设定的温度控制范围 (2ε)。 热传递延时 τ的存在将使温度波动范围加大, τ越大, 上述影响越大。
2.3 加热功率
考虑各种影响因素, 在调节器的控制下, 当加热器开始加热时, 培养箱内的温度不是从 O 点是开始 , 而是从
大温升 θM , 即减小加热功率, 就能使温度波动幅值 (θ′M -θ′m) 减小, 提高调节精度, 而 θM 与加热功率正相关。
2.4 生化培养箱结构参数
从式 (8)还可以看出, 生化培养箱的延时时间与时间常数的比值 τ/ T 1 越小, 温度波动幅度也越小。
3 提高温度调节精度的措施
3.1 采用时间常数小的测温元件
由上述分析可知, 测温元件的时间常数使调节动作滞后于实际温度的变化, 造成温度波动范围加大, 控温性能变差。 生化培养箱传统使用的测温元件, 如, 电接点水银温度计、 双金属片温度计等, 它们时间常数都比较大, 一般为几十秒**几分钟, 显然这对提高温度调节精度不利。目前许多新型的测温元件, 如热敏电阻 PN 结测温元件、集成温度传感器等, 它们的体积小、 热容小, 所以时间常数也很小, 仅为十分之几秒到数秒, 所以采用这类测温元件可以明显提高控温精度。 如前述培养箱采用 0 ～ 50 ℃电接点水银温度计, 实测其时间常数为 140 s (气流速度为 0.1 m/s), 生化培养箱内温度波动范围为 1.1 ℃, 当其它条件不变, 仅换用时间常数为4 s 的 N P 结测温元件后, 温度波动范围即降到 0.8℃。
3.2 合理选择测温元件的安装位置
测温元件的时间常数不仅与元件本身的特性有关, 还与感温元件与被测介质的换热情况有关。 即生化培养箱内的空气流动情况及感温元件在其中的安装位置都会影响感温元件的热响应速度, 即时间常数, 从而影响温度调节精度。在上述生化培养箱内, 将测温元件 (电接点水银温度计)安装在空气流速不同的 4 个位置 , 分别测得测温元件的时间常数及生化培养箱内的温度波动范围见表 1 。
于其基本热力学特性的不同, 在不同的蒸发温度下会反映出不同的蒸发速率变化规律。 考虑恒速干燥段, 在较低的介质温度下, 热风干燥时物料表面温度和介质的温度差比过热蒸汽大许多, 使得在较低温度时 , 热风的干燥速度比过热蒸汽要快;随着温度的升高, 这种温差大所占比例优势明显下降;过热蒸汽的对流换热系数随温度的升高较热风增长得要快, 抵偿了温差小的劣势 ;而蒸发单位水分需用的热量, 过热蒸汽比同样条件下的热风所需的热量要小。正是这三方面的结合使得逆转点存在。
