影响生化培养箱温度调节精度的主要因素

    生化培养箱对温度控制精度要求很高, 一般要求其温度控制误差不大于 ±0.5 ℃。 影响生化培养箱控温性能的因素很多, 在设计和维护中均需予以认真考虑。 本文就生化培养箱控温系统中测温元件的相关方面对其温控精度的影响进行了试验研究。

                      
1.测温元件的时间常数
测温元件反映机内温度, 并向控温系统输入端馈送反馈温度信号。 测温元件通过与生化培养箱内空气的热交换来感知温度, 具有热惯性, 这样当生化培养箱温度变化时, 测温元件的输出θ f (温度指示)总是滞后于箱内温度θ o 的变化, 测温元件的时间常数 T 2 反映了这种热惯性的大小, T 2 越大, 滞后越严重。 这样, 从测温元件得到的即时温度指示值 θ f 实际上并不是生化培养箱内的真实温度θ o , 两者之间存在着差异。 图 1 给出了某生化培养箱在阶跃温度干扰 (5℃) 作用下机内温度真实值 θ o (t) (用PN 结温度计测得)与测温元件测得值 θ f (t) (用电接点水银温度计测得)过渡过程的比较 (设定温度 θ i =30℃,曲线温度坐标为与 30℃的差值 Δθ)。 由图可见 θ o (t)和θ f (t)两曲线的振荡周期相同, 且都趋于同一稳定值, 不同的是 θ o (t)的振幅要比 θ f (t)的大得多, 生化培养箱内Zgao的瞬时温度达到 30.8℃, 而在这种情况下测温元件的指示值仅为 30.2℃。 这说明生化培养箱内真实温度的变化要比测温元件反映出来的温度指示值的变化大得多, 而它们的差异程度取决于测温元件的时间常数 T 2 , 其大则大之, 小则小之。 生化培养箱内温度真实值与测量值之间这一无法直接看到的差异, 在实际工作中务必充分注意,因为有时虽然测温元件指示或记录的温度值是符合要求的, 但实际上在一段时间中箱内的真实温度已大大超出了规定范围。 测温元件的时间常数越大, 这种情况越严重。

            图1　 生化箱内温度真实值与测温元件没得值比较

2. 生化培养箱的热传递延时 τ
由于热传递延迟时间 τ的影响, 生化培养箱内的温度并不是随加热器工作的起止而立即变化, 而是要延长一段时间才开始变化, 其机内温度的变化见图 2, 图中 θ′ M 、θ′m 分别为生化培养箱内实际达到的Zgao、 Zdi温度, 2ε是箱内温度允许波动范围, P 是加热功率, t 1 、 t 3 为开始加热时间, t 2 为停止加热时间。 此时, 在调节器接通加热器开始加热 (t 1 , t 3 ) 的一段时间内, 机内温度仍继续下降, 然后才逐渐上升;而在调节器断开加热器停止加热(t 2 )后的一段时间内, 机内温度仍将继续上升, 然后才下降。 因此, 生化培养箱温度的实际 波动范围将超出设定的温度控制范围 (2ε)。 热传递延时 τ的存在将使温度波动范围加大, τ越大, 上述影响越大。

                      图2  τ对温度波动的影响