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影響生化培養箱溫度調節精度的主要因素
生化培養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 ℃。 影響生化培養箱控溫性能的因素很多, 在設計和維護中均需予以認真考慮。 本文就生化培養箱控溫系統中測溫元件的相關方面對其溫控精度的影響進行了試驗研究。
1.測溫元件的時間常數
測溫元件反映機內溫度, 并向控溫系統輸入端饋送反饋溫度信號。 測溫元件通過與生化培養箱內空氣的熱交換來感知溫度, 具有熱慣性, 這樣當生化培養箱溫度變化時, 測溫元件的輸出θ f (溫度指示)總是滯后于箱內溫度θ o 的變化, 測溫元件的時間常數 T 2 反映了這種熱慣性的大小, T 2 越大, 滯后越嚴重。 這樣, 從測溫元件得到的即時溫度指示值 θ f 實際上并不是生化培養箱內的真實溫度θ o , 兩者之間存在著差異。 圖 1 給出了某生化培養箱在階躍溫度干擾 (5℃) 作用下機內溫度真實值 θ o (t) (用PN 結溫度計測得)與測溫元件測得值 θ f (t) (用電接點水銀溫度計測得)過渡過程的比較 (設定溫度 θ i =30℃,曲線溫度坐標為與 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, 生化培養箱內zui高的瞬時溫度達到 30.8℃, 而在這種情況下測溫元件的指示值僅為 30.2℃。 這說明生化培養箱內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 T 2 , 其大則大之, 小則小之。 生化培養箱內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的真實溫度已大大超出了規定范圍。 測溫元件的時間常數越大, 這種情況越嚴重。
圖1 生化箱內溫度真實值與測溫元件沒得值比較
2. 生化培養箱的熱傳遞延時 τ
由于熱傳遞延遲時間 τ的影響, 生化培養箱內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, 其機內溫度的變化見圖 2, 圖中 θ′ M 、θ′m 分別為生化培養箱內實際達到的zui高、 zui低溫度, 2ε是箱內溫度允許波動范圍, P 是加熱功率, t 1 、 t 3 為開始加熱時間, t 2 為停止加熱時間。 此時, 在調節器接通加熱器開始加熱 (t 1 , t 3 ) 的一段時間內, 機內溫度仍繼續下降, 然后才逐漸上升;而在調節器斷開加熱器停止加熱(t 2 )后的一段時間內, 機內溫度仍將繼續上升, 然后才下降。 因此, 生化培養箱溫度的實際 波動范圍將超出設定的溫度控制范圍 (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。
圖2 τ對溫度波動的影響