2 影響
生化培養(yǎng)箱溫度調(diào)節(jié)精度的主要因素
2.1 測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù)
測(cè)溫元件反映機(jī)內(nèi)溫度, 并向控溫系統(tǒng)輸入端饋送反饋溫度信號(hào)。 測(cè)溫元件通過(guò)與
生化培養(yǎng)箱內(nèi)空氣的熱交換來(lái)感知溫度, 具有熱慣性, 這樣當(dāng)
生化培養(yǎng)箱溫度變化時(shí), 測(cè)溫元件的輸出 θf (溫度指示)總是滯后于箱內(nèi)溫度 θo 的變化, 測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù) T 2 反映了這種熱慣性的大小, T 2 越大, 滯后越嚴(yán)重。 這樣, 從測(cè)溫元件得到的即時(shí)溫度指示值 θf 實(shí)際上并不是生化培養(yǎng)箱內(nèi)的真實(shí)溫度θo, 兩者之間存在著差異。 圖 2 給出了某生化培養(yǎng)箱在階躍溫度干擾 (5 ℃) 作用下機(jī)內(nèi)溫度真實(shí)值 θo (t) (用 PN 結(jié)溫度計(jì)測(cè)得)與測(cè)溫元件測(cè)得值 θf (t) (用電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)測(cè)得)過(guò)渡過(guò)程的比較 (設(shè)定溫度 θi=30 ℃, 曲線溫度坐標(biāo)為與 30 ℃的差值 Δθ)。 由圖可見(jiàn) θo (t)和 θf (t)兩曲線的振蕩周期相同, 且都趨于同一穩(wěn)定值, 不同的是 θo (t)的振幅要比 θf (t)的大得多, 生化培養(yǎng)箱內(nèi)**高的瞬時(shí)溫度達(dá)到 30.8℃, 而在這種情況下測(cè)溫元件的指示值僅為 30.2 ℃。 這說(shuō)明生化培養(yǎng)箱內(nèi)真實(shí)溫度的變化要比測(cè)溫元件反映出來(lái)的溫度指示值的變化大得多, 而它們的差異程度取決于測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù) T 2 , 其大則大之, 小則小之。 生化培養(yǎng)箱內(nèi)溫度真實(shí)值與測(cè)量值之間這一無(wú)法直接看到的差異, 在實(shí)際工作中務(wù)必充分注意,因?yàn)橛袝r(shí)雖然測(cè)溫元件指示或記錄的溫度值是符合要求的, 但實(shí)際上在一段時(shí)間中箱內(nèi)的真實(shí)溫度已大大超出了規(guī)定范圍。 測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù)越大, 這種情況越嚴(yán)重。
2.2 生化培養(yǎng)箱的熱傳遞延時(shí) τ
由于熱傳遞延遲時(shí)間 τ的影響, 生化培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度并不是隨加熱器工作的起止而立即變化, 而是要延長(zhǎng)一段時(shí)間才開(kāi)始變化, 其機(jī)內(nèi)溫度的變化見(jiàn)圖 3 , 圖中 θ′M 、
θ′m 分別為生化培養(yǎng)箱內(nèi)實(shí)際達(dá)到的**高、 **低溫度, 2ε 是箱內(nèi)溫度允許波動(dòng)范圍, P 是加熱功率, t 1 、 t 3 為開(kāi)始
加熱時(shí)間, t2 為停止加熱時(shí)間。 此時(shí), 在調(diào)節(jié)器接通加熱器開(kāi)始加熱 (t
1 , t
3) 的一段時(shí)間內(nèi), 機(jī)內(nèi)溫度仍繼續(xù)下降, 然后才逐漸上升;而在調(diào)節(jié)器斷開(kāi)加熱器停止加熱(t2)后的一段時(shí)間內(nèi), 機(jī)內(nèi)溫度仍將繼續(xù)上升, 然后才下降。 因此, 生化培養(yǎng)箱溫度的實(shí)際波動(dòng)范圍將超出設(shè)定的溫度控制范圍 (2ε)。 熱傳遞延時(shí) τ的存在將使溫度波動(dòng)范圍加大, τ越大, 上述影響越大。
2.3 加熱功率
考慮各種影響因素, 在調(diào)節(jié)器的控制下, 當(dāng)加熱器開(kāi)始加熱時(shí), 培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度不是從 O 點(diǎn)是開(kāi)始 , 而是從
大溫升 θM , 即減小加熱功率, 就能使溫度波動(dòng)幅值 (θ′M -θ′m) 減小, 提高調(diào)節(jié)精度, 而 θM 與加熱功率正相關(guān)。
2.4 生化培養(yǎng)箱結(jié)構(gòu)參數(shù)
從式 (8)還可以看出, 生化培養(yǎng)箱的延時(shí)時(shí)間與時(shí)間常數(shù)的比值 τ/ T 1 越小, 溫度波動(dòng)幅度也越小。
3 提高溫度調(diào)節(jié)精度的措施
3.1 采用時(shí)間常數(shù)小的測(cè)溫元件
由上述分析可知, 測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù)使調(diào)節(jié)動(dòng)作滯后于實(shí)際溫度的變化, 造成溫度波動(dòng)范圍加大, 控溫性能變差。 生化培養(yǎng)箱傳統(tǒng)使用的測(cè)溫元件, 如, 電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)、 雙金屬片溫度計(jì)等, 它們時(shí)間常數(shù)都比較大, 一般為幾十秒**幾分鐘, 顯然這對(duì)提高溫度調(diào)節(jié)精度不利。目前許多新型的測(cè)溫元件, 如熱敏電阻 PN 結(jié)測(cè)溫元件、集成溫度傳感器等, 它們的體積小、 熱容小, 所以時(shí)間常數(shù)也很小, 僅為十分之幾秒到數(shù)秒, 所以采用這類測(cè)溫元件可以明顯提高控溫精度。 如前述培養(yǎng)箱采用 0 ～ 50 ℃電接點(diǎn)水銀溫度計(jì), 實(shí)測(cè)其時(shí)間常數(shù)為 140 s (氣流速度為 0.1 m/s), 生化培養(yǎng)箱內(nèi)溫度波動(dòng)范圍為 1.1 ℃, 當(dāng)其它條件不變, 僅換用時(shí)間常數(shù)為4 s 的 N P 結(jié)測(cè)溫元件后, 溫度波動(dòng)范圍即降到 0.8℃。
3.2 合理選擇測(cè)溫元件的安裝位置
測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù)不僅與元件本身的特性有關(guān), 還與感溫元件與被測(cè)介質(zhì)的換熱情況有關(guān)。 即生化培養(yǎng)箱內(nèi)的空氣流動(dòng)情況及感溫元件在其中的安裝位置都會(huì)影響感溫元件的熱響應(yīng)速度, 即時(shí)間常數(shù), 從而影響溫度調(diào)節(jié)精度。在上述生化培養(yǎng)箱內(nèi), 將測(cè)溫元件 (電接點(diǎn)水銀溫度計(jì))安裝在空氣流速不同的 4 個(gè)位置 , 分別測(cè)得測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù)及生化培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度波動(dòng)范圍見(jiàn)表 1 。
于其基本熱力學(xué)特性的不同, 在不同的蒸發(fā)溫度下會(huì)反映出不同的蒸發(fā)速率變化規(guī)律。 考慮恒速干燥段, 在較低的介質(zhì)溫度下, 熱風(fēng)干燥時(shí)物料表面溫度和介質(zhì)的溫度差比過(guò)熱蒸汽大許多, 使得在較低溫度時(shí) , 熱風(fēng)的干燥速度比過(guò)熱蒸汽要快;隨著溫度的升高, 這種溫差大所占比例優(yōu)勢(shì)明顯下降;過(guò)熱蒸汽的對(duì)流換熱系數(shù)隨溫度的升高較熱風(fēng)增長(zhǎng)得要快, 抵償了溫差小的劣勢(shì) ;而蒸發(fā)單位水分需用的熱量, 過(guò)熱蒸汽比同樣條件下的熱風(fēng)所需的熱量要小。正是這三方面的結(jié)合使得逆轉(zhuǎn)點(diǎn)存在。
