2 影響
生化培養(yǎng)箱溫度調(diào)節(jié)精度的主要因素
2.1 測溫元件的時間常數(shù)
測溫元件反映機內(nèi)溫度, 并向控溫系統(tǒng)輸入端饋送反饋溫度信號。 測溫元件通過與
生化培養(yǎng)箱內(nèi)空氣的熱交換來感知溫度, 具有熱慣性, 這樣當(dāng)
生化培養(yǎng)箱溫度變化時, 測溫元件的輸出 θf (溫度指示)總是滯后于箱內(nèi)溫度 θo 的變化, 測溫元件的時間常數(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, 從測溫元件得到的即時溫度指示值 θf 實際上并不是生化培養(yǎng)箱內(nèi)的真實溫度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 ℃) 作用下機內(nèi)溫度真實值 θo (t) (用 PN 結(jié)溫度計測得)與測溫元件測得值 θf (t) (用電接點水銀溫度計測得)過渡過程的比較 (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 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)**高的瞬時溫度達(dá)到 30.8℃, 而在這種情況下測溫元件的指示值僅為 30.2 ℃。 這說明生化培養(yǎng)箱內(nèi)真實溫度的變化要比測溫元件反映出來的溫度指示值的變化大得多, 而它們的差異程度取決于測溫元件的時間常數(shù) T 2 , 其大則大之, 小則小之。 生化培養(yǎng)箱內(nèi)溫度真實值與測量值之間這一無法直接看到的差異, 在實際工作中務(wù)必充分注意,因為有時雖然測溫元件指示或記錄的溫度值是符合要求的, 但實際上在一段時間中箱內(nèi)的真實溫度已大大超出了規(guī)定范圍。 測溫元件的時間常數(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 τ
由于熱傳遞延遲時間 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, 而是要延長一段時間才開始變化, 其機內(nèi)溫度的變化見圖 3 , 圖中 θ′M 、
θ′m 分別為生化培養(yǎng)箱內(nèi)實際達(dá)到的**高、 **低溫度, 2ε 是箱內(nèi)溫度允許波動范圍, P 是加熱功率, t 1 、 t 3 為開始
加熱時間, t2 為停止加熱時間。 此時, 在調(diào)節(jié)器接通加熱器開始加熱 (t
1 , t
3) 的一段時間內(nèi), 機內(nèi)溫度仍繼續(xù)下降, 然后才逐漸上升;而在調(diào)節(jié)器斷開加熱器停止加熱(t2)后的一段時間內(nèi), 機內(nèi)溫度仍將繼續(xù)上升, 然后才下降。 因此, 生化培養(yǎng)箱溫度的實際波動范圍將超出設(shè)定的溫度控制范圍 (2ε)。 熱傳遞延時 τ的存在將使溫度波動范圍加大, 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)加熱器開始加熱時, 培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度不是從 O 點是開始 , 而是從
大溫升 θM , 即減小加熱功率, 就能使溫度波動幅值 (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)箱的延時時間與時間常數(shù)的比值 τ/ T 1 越小, 溫度波動幅度也越小。
3 提高溫度調(diào)節(jié)精度的措施
3.1 采用時間常數(shù)小的測溫元件
由上述分析可知, 測溫元件的時間常數(shù)使調(diào)節(jié)動作滯后于實際溫度的變化, 造成溫度波動范圍加大, 控溫性能變差。 生化培養(yǎng)箱傳統(tǒng)使用的測溫元件, 如, 電接點水銀溫度計、 雙金屬片溫度計等, 它們時間常數(shù)都比較大, 一般為幾十秒**幾分鐘, 顯然這對提高溫度調(diào)節(jié)精度不利。目前許多新型的測溫元件, 如熱敏電阻 PN 結(jié)測溫元件、集成溫度傳感器等, 它們的體積小、 熱容小, 所以時間常數(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 ℃電接點水銀溫度計, 實測其時間常數(shù)為 140 s (氣流速度為 0.1 m/s), 生化培養(yǎng)箱內(nèi)溫度波動范圍為 1.1 ℃, 當(dāng)其它條件不變, 僅換用時間常數(shù)為4 s 的 N P 結(jié)測溫元件后, 溫度波動范圍即降到 0.8℃。
3.2 合理選擇測溫元件的安裝位置
測溫元件的時間常數(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)的空氣流動情況及感溫元件在其中的安裝位置都會影響感溫元件的熱響應(yīng)速度, 即時間常數(shù), 從而影響溫度調(diào)節(jié)精度。在上述生化培養(yǎng)箱內(nèi), 將測溫元件 (電接點水銀溫度計)安裝在空氣流速不同的 4 個位置 , 分別測得測溫元件的時間常數(shù)及生化培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度波動范圍見表 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)干燥時物料表面溫度和介質(zhì)的溫度差比過熱蒸汽大許多, 使得在較低溫度時 , 熱風(fēng)的干燥速度比過熱蒸汽要快;隨著溫度的升高, 這種溫差大所占比例優(yōu)勢明顯下降;過熱蒸汽的對流換熱系數(shù)隨溫度的升高較熱風(fēng)增長得要快, 抵償了溫差小的劣勢 ;而蒸發(fā)單位水分需用的熱量, 過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)點存在。
