专利名称：小幅度温度差的建立精密稳定的装置和方法
技术领域：
本发明提供一种温度差的建立精密稳定的装置和方法，特别是指一种小幅度温度差的建立精密稳定的装置和方法。
在很多情况下，人们需要在物体(如样品池)的两端建立一个微小的温度差(如0.01℃)，并在比较长的时间内保持稳定(如相对误差小于5％，或绝对误差小于0.01℃，稳定时间能达到半小时以上)。这是当前的技术条件较难达到的。
目前通常的做法是把不同温度的恒温循环水(或其它介质)分别加在样品池的两侧。一般高级恒温循环器能恒定的最小温度只能达到0.01℃。如果样品池两侧的温度误差都是0.01℃，那么两侧温差的误差将是0.02℃。现有的恒温器技术通常是用温度传感器测量恒温水(或其它介质)的温度，当循环水(我们以水为例，实际上其它介质也可，如酒精)的温度低(或高)于设定温度时，就开动加热器(或制冷器)使循环水温度回到设定值。所以现有恒温器的恒温过程是一个监测，反馈，调节的过程。这种做法必然有一些连带的缺点(1)温度传感器对温度的响应有一定的响应灵敏度，对于低于该灵敏度的温度差别，温度传感器就无法进行响应，以至于温度调节装置(加热器或制冷器)仍然进行加热或制冷，直到样品池两侧的温度差达到温度传感器的响应灵敏度范围，温度调节装置才可作出反应，由加热或制冷改为制冷或加热。一般而言，这种加热与制冷过程都会过度，也就是说，加热与制冷造成的温度差都要稍稍大于温度传感器的最小灵敏度以后，加热与制冷的过程才会停止，然后变成制冷与加热的过程。因此这种不停地加热、制冷、再加热、再制冷的过程频繁进行，必然会带来误差。
(2)循环介质由于温度恒定的需要，要不停地的流动。尽管这种流动造成的对流可能不是很大，但不可避免地会给样品池带来振动。
(3)恒温器的加热与制冷是需要电的，频繁的加热与制冷需要的能耗较大；而且加热与制冷时电机会不可避免地产生噪音。
(4)这种方式尤其不适于小幅度温度差的建立与长时间维持。
本发明的目的在于提供一种小幅度温度差的建立精密稳定的装置和方法，其具有响应灵敏度高、无振动、无噪音，以及可长时间维持的优点。
本发明一种小幅度温度差的建立精密稳定的装置，其中包括两个导热容器，分别置于距离调节座的两侧，一容器内装有冰水混合物，另一容器内装有沸水；两个调节座分别置于导热容器的一侧，在调节座和导热容器之间夹置有导热连接杆，该调节座内装有调节机构；多个导热棒插置在两调节座的侧端，导热棒的另一端固定有一导热板，该导热板可随导热棒位移。
其中装有沸水容器的上面安装有一出气孔。
本发明一种小幅度温度差的建立精密稳定的方法，其中包括步骤1、在两导热容器内分别放置冰和水的混合物及沸水；步骤2、调节调节座上的导热棒的伸缩长度，达到调节两导热板之间的距离；步骤3、调节在两导热板之间放置一被加温差物体；步骤4、通过调节调节座和导热容器之间夹置的导热连接杆的伸缩长度，可以达到调节两导热板之间的温度；步骤5、如两导热板之间的温度需调高时，利用调节座加大两导热板之间的距离；步骤6、如两导热板之间的温度需调低时，利用调节座减小两导热板之间的距离。
为进一步说明本发明的结构和实现方法，以下结合附图对本发明作一详细描述，其中
图1是恒定温度差原理的等效电路图；图2是恒定温度差装置的原理示意图；图3是恒定小温度差装置的原理示意图4是本发明恒定温度差装置的结构示意图；图5是利用本发明的装置温度随时间变化图。
我们的恒温方案则是基于一种完全不同的思路。为了说明问题，我们先来看如图1所示的恒定温度差原理的等效电路图，它由一个电源和三个相互串联的电阻组成。如果电源的电压恒定，三个电阻(R1,R2,R3)的电压降之和应等于电源的电压。如果我们希望在R2上得到某一电压降值，可以通过改变R1和R3的电阻值来达到。在R1和R3上的电压降多了，R2上的就少了。只要电源电压不变，电阻阻值不变，R2上得到的电压降就不变。如果R1和R3上的电压降是可精确进行调节，即R1和R3的电阻是可精确调节的话，那么我们就可精确调节R2上的电压降。
我们的恒温方法与这个电路的分压原理颇为相似，只不过代替电源的是保持恒定温度的热源和冷源，R1和R3是热传导能力(或热阻)可以调节的热传导体，R2是需要维持稳定温差的样品池。图2给出了恒定温度差装置的原理示意图。S1和S2分别为热冷源和热源，21和23为导热介质，C为样品池。为了得到温度恒定的热源(温度为T热)和冷源(温度为T冷)，我们利用了在一定大气压下，物质的凝固点和沸点是不变的这一原理。例如在一个大气压下，冰水混合物的温度保持在0℃，沸点为100℃。利用这一点，可以制造一个稳定的温度源。只要冰水共存，其混合物的温度即为0℃，而不需要任何调节和控制。同样，保持沸腾状态的水，其温度为100℃。设在21和23上的温度差分别为ΔT1和ΔT3，样品池两侧的温差为ΔTc。
显然T热-T冷=ΔT1+ΔT3+ΔTc；或ΔTc=(T热-T冷)-ΔT1-ΔT3。如果式右方的量保持不变，样品池上的温差ΔTc也就维持不变。这就是我们的恒温原理。为了改变ΔTc我们只需要改变ΔT1和ΔT3(或其中之一)，这是可以通过改变它们(21,23)的热传导能力而实现的。
根据传热学原理，通过固体导热介质的热流量与其横截面积成反比，热传导体两端的温度差与其长度成正比。利用这一点，通过调节传热截面积和传热体长度，可以很方便地改变21和23的热传导能力，从而实现不同的温度差。基于此，我们可以调节21和23的热阻，即精细改变21和23的传热截面积以及长度，从而实现精细调节21和23上的温度，使所需恒定温度差的物体(如样品池)，即C，可恒定某一个温度差，并且可以精确地进行调节。
为了实现样品池上只保持很小幅度的温差ΔTc，就需要在21和22上有很大的温差ΔT1和ΔT3(或其中之一)。为此，我们在可在21(和/或22)和样品池之间加上空气间隙(见附图3)。使得21(和/或22)终端的温度通过这个间隙后再加到样品池的一侧。这个空气间隙通过辐射、对流、传导把温度传给样品池，有一个很大的温差降，改变这个空气间隙的大小也可以方便地调节样品池壁的温度。当所需要的样品池两侧的温差小于1℃时，这一方法十分有效。
请参阅图4所示，本发明小幅度温度差的建立精密稳定的装置，其中包括两个导热容器3，该两个导热容器3分别置于距离调节座2的两侧，一导热容器3内装有冰水混合物，另一导热容器3内装有沸水；两个调节座6分别置于导热容器3的一侧，在调节座6和导热容器3之间夹置有导热连接杆5，该调节座6内装有调节机构(该调节机构为已知技术，不详细描述)；多个导热棒7插置在两调节座6的侧端，导热棒7的另一端固定有一导热板8，该导热板8可随导热棒7位移。其中装有沸水容器3的上面安装有一出气孔4。
本发明一种小幅度温度差的建立精密稳定的方法，其中包括步骤1、在两导热容器内分别放置冰和水的混合物及沸水；步骤2、调节调节座上的导热棒的伸缩长度，达到调节两导热板之间的距离；步骤3、调节在两导热板之间放置一被加温差物体；步骤4、通过调节调节座和导热容器之间夹置的导热连接杆的伸缩长度，可以达到调节两导热板之间的温度；步骤5、如两导热板之间的温度需调高时，利用调节座加大两导热板之间的距离；步骤6、如两导热板之间的温度需调低时，利用调节座减小两导热板之间的距离。
本发明的工作过程为有了温度恒定的热源——冰水混合物，当导热棒插在调节座6中的长度以及导热连接杆5与调节座6接触的面积均固定不变时，在导热板8上，就可获得固定不变的温度。将此导热板8作为调节温度差的冷端。当然这个冷端的温度是可调节的。当需要改变冷端的温度时，只要改变导热棒7插在调节座6中的长度以及导热连接杆5与调节座6接触的面积，就可以非常容易地改变冷端的温度。
在另一个容器3中放置可恒温物质，如沸水。容器3的上面插一出气孔4，用以排出水蒸汽。将与这个容器3相连的导热板作为调节温度差的热端。与稳定和调节冷端的温度的原理相同，也是改变导热棒7插在调节座6中的长度以及导热连接杆5与调节座6接触的面积，就可以非常容易地改变热端的温度。
这样，在获得了温度稳定而且可以精细调节的冷、热端后，通过精细调节冷、热端与物体9之间的距离，来最终对物体9的温度差进行恒定和细微的调节。
在实际使用过程中，根据所需要调节温度差的大小，可以选择在被加温差物体9的两侧还是仅仅一侧加冷端还是热源，以及冷端与热端之间的温度差。利用这一点，我们可以很容易地实现温度差从0.002℃到90℃之间的精细调节。
本发明与现有技术相比具有(一)温度传感器对温度响应的响应灵敏度高；(二)利用本发明的结构调节温度时，由于不使用电机，样品池无振动、无噪音，以及节省能源；(三)通过图5可以看出小幅度温度差可长时间维持。
权利要求
1.一种小幅度温度差的建立精密稳定的装置，其特征在于，其中包括两个导热容器，分别置于距离调节座的两侧，一容器内装有冰水混合物，另一容器内装有沸水；两个调节座分别置于导热容器的一侧，在调节座和导热容器之间夹置有导热连接杆，该调节座内装有调节机构；多个导热棒插置在两调节座的侧端，导热棒的另一端固定有一导热板，该导热板可随导热棒位移。
2.根据权利要求1所述的一种小幅度温度差的建立精密稳定的装置，其特征在于，其中装有沸水容器的上面安装有一出气孔。
3.一种小幅度温度差的建立精密稳定的方法，其特征在于，其中包括步骤1、在两导热容器内分别放置冰和水的混合物及沸水；步骤2、调节调节座上的导热棒的伸缩长度，达到调节两导热板之间的距离；步骤3、调节在两导热板之间放置一被加温差物体；步骤4、通过调节调节座和导热容器之间夹置的导热连接杆的伸缩长度，可以达到调节两导热板之间的温度；步骤5、如两导热板之间的温度需调高时，利用调节座加大两导热板之间的距离；步骤6、如两导热板之间的温度需调低时，利用调节座减小两导热板之间的距离。
全文摘要
本发明一种小幅度温度差的建立精密稳定的装置,其中包括:两个导热容器,分别置于距离调节座的两侧,一容器内装有冰水混合物,另一容器内装有沸水;两个调节座分别置于导热容器的一侧,在调节座和导热容器之间夹置有导热接杆,该调节座内装有调节机构;多个导热棒插置在两调节座的侧端,导热棒的另一端固定有一导热板,该导热板可随导热棒位移。
文档编号G05D23/00GK1304066SQ00100249
公开日2001年7月18日 申请日期2000年1月11日 优先权日2000年1月11日
发明者孙祉伟, 乔润龙, 戴国亮 申请人:中国科学院力学研究所