CN109806924A - 化学实验用热水恒温机构及其恒温调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学实验用热水恒温机构，包括主容器，主容器的侧壁内设有侧水腔，侧水腔内设有电阻丝和温度传感器；主容器的侧壁外表面设有电控箱，电控箱内设有电控装置，电控装置内置有存储器，存储器中存储有目标温度变量t1、当前温度变量t2、周期变量r和精度参数j；t1、t2和j的单位均为摄氏度，r的单位为秒。本发明还公开了相应的恒温调节方法，第一是加水；第二是开始加热；第三是加热至接近目标温度；第四是恒温保持步骤。本发明结构简单，成本较低，能够改变调节的精细程度。周期变量r和精度参数j的取值越小，温度控制的精度越高，相应控制调节的频率也越高。

Description

化学实验用热水恒温机构及其恒温调节方法

技术领域

本发明涉及化学实验中提供恒温环境的装置。

背景技术

在进行化学实验，特别是某些有机化学实验时，保持恒定的温度条件尤为重要。水浴装置是常用的保持恒温的装置，有些现有的恒温水浴装置能够实现精细恒温控制，但成本很高；有些恒温水浴装置不能实现精细恒温控制，相应成本较低。市场缺少一种既能够实现较为精细的恒温控制，成本又较低的热水恒温机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种较为节能、能够改变温度调节的精细程度的恒温控制的化学实验用热水恒温机构。

为实现上述目的，本发明的化学实验用热水恒温机构包括顶部敞口的主容器，主容器的侧壁内设有环形的侧水腔，主容器顶部螺纹连接有顶盖；

侧水腔内设有电阻丝和温度传感器；主容器的侧壁外表面设有电控箱，电控箱内设有电控装置，电控装置连接有显示屏和声光报警器，显示屏和声光报警器均设置在电控箱外表面；电控装置通过线路连接所述温度传感器和电阻丝；电控装置内置有存储器，存储器中存储有目标温度变量t1、当前温度变量t2、周期变量r和精度参数j；t1、t2和j的单位均为摄氏度，r的单位为秒；

主容器的侧壁顶部连接有出气管，出气管上设有出气阀；主容器的侧壁底部连接有加水管，加水管上设有加水阀；出气管和加水管均与侧水腔相连通。

所述主容器的底壁内设有下水腔，下水腔与侧水腔相连通；

下水腔和侧水腔内均匀分布有若干温度传感器，各温度传感器分别通过线路与电控装置相连接；所述电阻丝沿周向在侧水腔内均匀设置有若干条，各电阻丝之间并联连接。

所述顶盖向上连接有把手。

所述电控装置采用PLC或单片机。

本发明还公开了上述化学实验用热水恒温机构的恒温调节方法，按以下步骤进行：

第一步骤是加水；

第二步骤是开始加热；

第三步骤是加热至接近目标温度；

第四步骤是恒温保持步骤。

第一步骤具体是：实验人员打开加水阀和出气阀，将加水管与加水用的软管相连通，加水用的软管与外置的水源相连通，水源的水压高于侧水腔内处于满水状态时侧水腔底端的水压；水源中的水逐渐进入侧水腔和下水腔，直到出气管中向外出水时，表明侧水腔和下水腔中已加满水，此时关闭加水阀并减小出气阀的开启度，并将加水管与加水用的软管相分离；

第二步骤具体是：实验人员根据拟进行的实验的要求，通过电控装置设定目标温度变量t1的值，设定周期变量r的值以及设定精度参数j的值；

实验人员通过电控装置打开电阻丝，电阻丝对水进行加热；电控装置将温度传感器的温度信号显示在显示屏上；

第三步骤具体是：

电控装置以各温度传感器的温度信号的平均值作为当前温度变量t2的值，对电阻丝的通断进行周期控制，每一个控制周期为r秒；

一个控制周期开始时的当前温度变量t2的值为t21，一个控制周期结束时的当前温度变量t2的值为t22；

在每一个控制周期结束时，电控装置对该控制周期计算（t1－t22）－（t22－t21）的值；当（t1－t22）－（t22－t21）的值大于等于零时，继续进行下一个控制周期；当（t1－t22）－（t22－t21）的值小于零时，电控装置关闭电阻丝，停止加热并进入第四步骤；

第四步骤具体是：

在每一个控制周期结束时，电控装置对该控制周期计算（t1－t22）的值；

当（t1－t22）的值大于j时，电控装置打开电阻丝，对水进行加温；当（t1－t22）的值小于等于j时，电控装置关闭电阻丝，停止加温。

还包括有报警动作；

报警动作是在第四步骤的执行过程中，当（t1－t22）的绝对值大于j+0.5℃时，电控装置控制声光报警器工作，声光报警器发出声光报警，提醒实验人员进行人工干预。

在第二步骤开始时，在出气管下方设置接水容器。

本发明结构简单，能够制造出不同大小、不同储水量的化学实验用热水恒温机构。实验人员可以根据实际情况（水量多少、余热能将整体水温上升多少等等）和实验的温度需要（精度需要、温度值的需要）调节周期变量r的值，r的取值越小，温度控制的精度越高，相应控制调节的频率也越高。精度参数j越小，温度控制的精度越高，相应控制调节的频率也越高。

在每一个控制周期结束时，电控装置对该控制周期计算（t1－t22）－（t22－t21）的值；当（t1－t22）－（t22－t21）的值大于等于零时，继续进行下一个控制周期；当（t1－t22）－（t22－t21）的值小于零时，电控装置关闭电阻丝，停止加热并进入第四步骤；这样的控制过程，充分利用了余热，提前结束加热过程，防止了水温过高，节约了能量。

本发明可以通过显示屏将温度传感器和的温度信息显示出来，便于实验人员随时精确地监控水的温度数据。

由于当电阻丝关闭后，电阻丝以及电阻丝周边邻近的水会有一定超出目标温度的余热，这些余热会促使水的整体温度进一步上升。本发明充分考虑到了这部分余热利用的问题，使温度控制更加稳定合理，并节省了能量。如果电阻丝一直保持开启状态直到达到目标温度，将会导致电阻丝关闭后，水的温度在目标温度的基础上进一步上升，可能出现温度过高现象。

周期变量r的取值，尽量与余热加温的周期相同，由实验人员根据其通过观察得到的经验来进行调节，使余热能够将水温度加热至邻近目标值或恰好等于目标值。

恒温保持步骤能够将水的温度稳定在目标值附近。周期变量r的设置，减少了控制次数，又能够将水温度稳定地加热至目标值附近。

在恒温保持过程中如果出现目标温度与当前温度变量的差值大于j+0.5℃时，表明控制失灵，需要实验人员人工介入，排查原因并恢复正常恒温工作。此时发出声光报警，能够提醒实验人员及时进行人工干预。

如果目标温度与当前温度变量的差值小于等于j+0.5℃，系统还具有自动恢复的能力，此时无须过早进行人工干预。水升温时，由于体积膨胀，会有部分水溢流出来。接水容器能够防止溢流水对周边环境或器材造成破坏。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电控原理图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的化学实验用热水恒温机构包括顶部敞口的主容器1，主容器1的侧壁内设有环形的侧水腔2，主容器1顶部螺纹连接有顶盖3；

侧水腔2内设有电阻丝4和温度传感器5；主容器1的侧壁外表面设有电控箱6，电控箱6内设有电控装置7，电控装置7连接有显示屏8和声光报警器9，显示屏8和声光报警器9均设置在电控箱6外表面；电控装置7通过穿入主容器1的侧水腔2的线路连接所述温度传感器5和电阻丝4；电控装置7内置有存储器，存储器中存储有目标温度变量t1、当前温度变量t2、周期变量r和精度参数j；t1、t2和j的单位均为摄氏度，r的单位为秒；

主容器1的侧壁顶部连接有出气管10，出气管10上设有出气阀11；主容器1的侧壁底部连接有加水管12，加水管12上设有加水阀13；出气管10和加水管12均与侧水腔2相连通。

线路与主容器1的侧壁密封配合，线路为常规装置，图未示。

所述主容器1的底壁内设有下水腔14，下水腔14与侧水腔2相连通；

下水腔14和侧水腔2内均匀分布有若干温度传感器5，各温度传感器5分别通过线路与电控装置7相连接；所述电阻丝4沿周向在侧水腔内均匀设置有若干条，各电阻丝4之间并联连接。

所述顶盖3向上连接有把手15。把手15的设置，便于旋转顶盖3，从而方便地将顶盖3安装在主容器1上或从主容器1上拆卸下来。

所述电控装置7采用PLC或单片机。

本发明还公开了上述化学实验用热水恒温机构的恒温调节方法，按以下步骤进行：

第一步骤是加水；

第二步骤是开始加热；

第三步骤是加热至接近目标温度；

第四步骤是恒温保持步骤。

第一步骤具体是：实验人员打开加水阀13和出气阀11，将加水管12与加水用的软管相连通，加水用的软管与外置的水源相连通，水源的水压高于侧水腔2内处于满水状态时侧水腔2底端的水压；水源中的水逐渐进入侧水腔2和下水腔14，直到出气管10中向外出水时，表明侧水腔2和下水腔14中已加满水，此时关闭加水阀13并减小出气阀11的开启度，并将加水管12与加水用的软管相分离；

第二步骤具体是：实验人员根据拟进行的实验的要求，通过电控装置7设定目标温度变量t1的值，设定周期变量r的值以及设定精度参数j的值；

实验人员通过电控装置7打开电阻丝4，电阻丝4对水进行加热；电控装置7将温度传感器5的温度信号显示在显示屏8上；

第三步骤具体是：

电控装置7以各温度传感器5的温度信号的平均值作为当前温度变量t2的值，对电阻丝4的通断进行周期控制，每一个控制周期为r秒；r通常的取值范围是0.5－3秒，包括两端值。

一个控制周期开始时的当前温度变量t2的值为t21，一个控制周期结束时的当前温度变量t2的值为t22；

在每一个控制周期结束时，电控装置7对该控制周期计算（t1－t22）－（t22－t21）的值；当（t1－t22）－（t22－t21）的值大于等于零时，继续进行下一个控制周期；当（t1－t22）－（t22－t21）的值小于零时，电控装置7关闭电阻丝4，停止加热并进入第四步骤；这样的控制过程，充分利用了余热，防止了水温过高。

第四步骤具体是：

在每一个控制周期结束时，电控装置7对该控制周期计算（t1－t22）的值；

当（t1－t22）的值大于j时，电控装置7打开电阻丝4，对水进行加温；当（t1－t22）的值小于等于j时，电控装置7关闭电阻丝4，停止加温。j通常的取值范围是0.1－2℃，包括两端值。

打开顶盖，在主容器内进行试验。根据试验内容，试验过程中盖上顶盖或者保持主容器顶部敞口。最后，主容器1内的化学实验全部完成后，打开加水阀13将水排空，然后关闭加水阀13和出气阀11，确保顶盖处于盖好的状态。

还包括有报警动作；

在第四步骤的执行过程中，当（t1－t22）的绝对值大于j+0.5℃时，电控装置7控制声光报警器9工作，声光报警器9发出声光报警，提醒实验人员进行人工干预。

在第二步骤开始时，在出气管10下方设置接水容器。水升温时，由于体积膨胀，会有部分水溢流出来。接水容器能够防止溢流水对周边环境或器材造成破坏。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.化学实验用热水恒温机构，其特征在于：包括顶部敞口的主容器，主容器的侧壁内设有环形的侧水腔，主容器顶部螺纹连接有顶盖；

侧水腔内设有电阻丝和温度传感器；主容器的侧壁外表面设有电控箱，电控箱内设有电控装置，电控装置连接有显示屏和声光报警器，显示屏和声光报警器均设置在电控箱外表面；电控装置通过线路连接所述温度传感器和电阻丝；电控装置内置有存储器，存储器中存储有目标温度变量t1、当前温度变量t2、周期变量r和精度参数j；t1、t2和j的单位均为摄氏度，r的单位为秒；

主容器的侧壁顶部连接有出气管，出气管上设有出气阀；主容器的侧壁底部连接有加水管，加水管上设有加水阀；出气管和加水管均与侧水腔相连通。

2.根据权利要求1所述的化学实验用热水恒温机构，其特征在于：所述主容器的底壁内设有下水腔，下水腔与侧水腔相连通；

下水腔和侧水腔内均匀分布有若干温度传感器，各温度传感器分别通过线路与电控装置相连接；所述电阻丝沿周向在侧水腔内均匀设置有若干条，各电阻丝之间并联连接。

3.根据权利要求1或2所述的化学实验用热水恒温机构，其特征在于：所述顶盖向上连接有把手。

4.根据权利要求3所述的化学实验用热水恒温机构，其特征在于：所述电控装置采用PLC或单片机。

5.权利要求1或2中所述化学实验用热水恒温机构的恒温调节方法，其特征在于按以下步骤进行：

第一步骤是加水；

第二步骤是开始加热；

第三步骤是加热至接近目标温度；

第四步骤是恒温保持步骤。

6.根据权利要求5所述的恒温调节方法，其特征在于：

第一步骤具体是：实验人员打开加水阀和出气阀，将加水管与加水用的软管相连通，加水用的软管与外置的水源相连通，水源的水压高于侧水腔内处于满水状态时侧水腔底端的水压；水源中的水逐渐进入侧水腔和下水腔，直到出气管中向外出水时，表明侧水腔和下水腔中已加满水，此时关闭加水阀并减小出气阀的开启度，并将加水管与加水用的软管相分离；

第二步骤具体是：实验人员根据拟进行的实验的要求，通过电控装置设定目标温度变量t1的值，设定周期变量r的值以及设定精度参数j的值；

实验人员通过电控装置打开电阻丝，电阻丝对水进行加热；电控装置将温度传感器的温度信号显示在显示屏上；

第三步骤具体是：

电控装置以各温度传感器的温度信号的平均值作为当前温度变量t2的值，对电阻丝的通断进行周期控制，每一个控制周期为r秒；

一个控制周期开始时的当前温度变量t2的值为t21，一个控制周期结束时的当前温度变量t2的值为t22；

在每一个控制周期结束时，电控装置对该控制周期计算（t1－t22）－（t22－t21）的值；当（t1－t22）－（t22－t21）的值大于等于零时，继续进行下一个控制周期；当（t1－t22）－（t22－t21）的值小于零时，电控装置关闭电阻丝，停止加热并进入第四步骤；

第四步骤具体是：

在每一个控制周期结束时，电控装置对该控制周期计算（t1－t22）的值；

当（t1－t22）的值大于j时，电控装置打开电阻丝，对水进行加温；当（t1－t22）的值小于等于j时，电控装置关闭电阻丝，停止加温。

7.根据权利要求6所述的恒温调节方法，其特征在于：还包括有报警动作；

在第四步骤的执行过程中，当（t1－t22）的绝对值大于j+0.5℃时，电控装置控制声光报警器工作，声光报警器发出声光报警，提醒实验人员进行人工干预。

8.根据权利要求6所述的恒温调节方法，其特征在于：在第二步骤开始时，在出气管下方设置接水容器。