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影響生化培養(yǎng)箱溫度調(diào)節(jié)精度的主要因素
生化培養(yǎng)箱對溫度控制精度要求很高, 一般要求其溫度控制誤差不大于 ±0.5 ℃。 影響生化培養(yǎng)箱控溫性能的因素很多, 在設(shè)計(jì)和維護(hù)中均需予以認(rèn)真考慮。 本文就生化培養(yǎng)箱控溫系統(tǒng)中測溫元件的相關(guān)方面對其溫控精度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
1.測溫元件的時(shí)間常數(shù)
測溫元件反映機(jī)內(nèi)溫度, 并向控溫系統(tǒng)輸入端饋送反饋溫度信號。 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(shí), 測溫元件的輸出θ f (溫度指示)總是滯后于箱內(nèi)溫度θ o 的變化, 測溫元件的時(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, 從測溫元件得到的即時(shí)溫度指示值 θ f 實(shí)際上并不是生化培養(yǎng)箱內(nèi)的真實(shí)溫度θ o , 兩者之間存在著差異。 圖 1 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 θ o (t) (用PN 結(jié)溫度計(jì)測得)與測溫元件測得值 θ f (t) (用電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)測得)過渡過程的比較 (設(shè)定溫度 θ i =30℃,曲線溫度坐標(biāo)為與 30℃的差值 Δθ)。 由圖可見 θ o (t)和θ f (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 θ o (t)的振幅要比 θ f (t)的大得多, 生化培養(yǎng)箱內(nèi)zui高的瞬時(shí)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(shí)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(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)值與測量值之間這一無法直接看到的差異, 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。 測溫元件的時(shí)間常數(shù)越大, 這種情況越嚴(yán)重。
圖1 生化箱內(nèi)溫度真實(shí)值與測溫元件沒得值比較
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, 而是要延長一段時(shí)間才開始變化, 其機(jī)內(nèi)溫度的變化見圖 2, 圖中 θ′ M 、θ′m 分別為生化培養(yǎng)箱內(nèi)實(shí)際達(dá)到的zui高、 zui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 為開始加熱時(shí)間, t 2 為停止加熱時(shí)間。 此時(shí), 在調(diào)節(jié)器接通加熱器開始加熱 (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)器斷開加熱器停止加熱(t 2 )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。
圖2 τ對溫度波動(dòng)的影響