多室多温数控恒温水浴锅的研制与开发

---

恒温水浴锅(水浴槽)广泛应用于生产单位、医疗单位、质监部门、科研部门和大专院校，进行蒸馏、干燥、浓缩、恒温加热各种溶液、浸渍药品和生物制剂以及其他温度试验等，是生物、遗传、病毒、水产、环保、医药、卫生、生化实验室、分析实验室进行教学、科研的必备设备。

1 水浴锅应满足的功能要求

为了满足生产、科研及教学各方面的不同需要，恒温水浴或油浴锅应具备以下基本功能。

1。1 温控精确稳定

根据不同的需要，恒温水浴设备应具备加热和恒温两项基本功能。 在现有的技术条件下，采用传统的机械触点控制式温控系统、单片机系统以及模糊控制系统［1 ～3］ ，各类水浴锅基本上都能够使设备的温控精度达到 ±0。1 ℃ ～ ±1 ℃，加热温度范围为室温 +5 ℃ ～ +99 ℃，基本能够满足各种使用要求。 本研发的新型设备，在采用相关精密元器件的基础上，利用数控技术，实现了多点集中温度控制设计，更能够完全达到这一基本要求。

1。2 材质防腐耐用

由于是水浴加热设备，一般要求水浴锅的加热内胆材质既耐高温耐腐蚀，又表面光洁便于清洗，因此，当今各类水浴锅内胆大都采用不锈钢材质，既耐腐防锈，又便于清洁。 在加热及温控系统方面，相关元器件的使用寿命应在10 年以上，有的设备安全使用寿命甚至已达到40 年以上。

1。3 加热空间充裕

恒温水浴设备应用于多个领域，因此需要加热的器物的数量和体积范围较大。 为了满足多种需要，不同类型的水浴设备其加热内胆体积范围各不相同。 目前大多数水浴锅都采用公用一个水浴内胆，多个加热孔面板的结构方式，以基本满足多器皿同时加热的要求。

1。4 使用安全方便

在实验室安全管理中，人的因素起着决定性的作用［4］ ，但实验设备自身的安全防护功能同样至关重要。同所有电气实验设备一样，水浴恒温设备在设计制造中应特别注重操作使用安全性能，要最大限度地消除各种安全隐患。 应针对不同的使用对象，将设备的使用操作方法尽可能简化;还应在设备的整体重量和外形尺寸上使其更加人性化。

1。5 注重低碳节能

目前，全社会都在为实现低碳经济而努力。 所谓低碳经济，是指在不影响经济和社会发展的前提下，通过技术创新和制度创新，尽可能最大限度地减少温室气体的排放，从而减缓全球气候变化，实现经济和社会清洁发展与可持续发展［5］ 。 在水浴恒温设备的设计制造中节能空间很大，因此，在新型产品的设计改造中应充分考虑这一因素。

2 现有水浴恒温设备的特点及不足

目前国内用于以上方面的恒温水浴及油浴设备，不论是恒温水浴槽，还是精密恒温水浴器，大都是不同规格型号的单温控单槽多孔水浴设备，加热温度范围为室温 +5 ℃ ～ +99 ℃，温控精度为 ±0。1 ℃ ～ ±1 ℃。这类设备虽然基本满足了相关科研及教学需要，但存在如下显著的缺点。

2。1 单一温度加热

现有的各类水浴恒温设备虽然有多孔可供同时加热恒温，但各孔同属一个水槽，只能有一个温度，不能满足多温度同时加热恒温的要求;目前虽然已有三孔三温恒温水浴锅面市(图 1)，但其采用的是单温单控的温控系统，受其限制，其加热室数量必然有限，否则设备的整体结构无法实现合理紧凑。

2。2 温度调控缓慢

通用的恒温水浴设备一般应具有多种使用范围。而使用现有的大多数水浴设备，当只需要加热恒温单个容器中的少量溶液或物质时，也得调控整个

水槽中的10 升 ～20 升水温，这就必然是既用水量大、浪费能源，又耗时较长，无法达到既节能又快速升温的操作要求。

2。3 附属配件不足

在科研及实验教学工作中，经常需要加热恒温具塞比色管或试管中的少量待测溶液或反应液，而现有的各类水浴恒温设备中，水槽或水筒内都没有配备任何用于放置试管等管状容器的附属配件，给这类容器的加热恒温带来很大不便。 笔者在以往的工作实践中，不得不自制一些适用于水槽容积的金属试管架，用于放置比色管等。 虽然这种相应的试管架仅用于加热小型管状容器，但在多用途恒温水浴设备产品的设计中，它也应是必备附件。

2。4 循环噪音较大

较高级一些的精密恒温水浴槽中，一般带有内置水循环泵。 它一方面用于温水的外循环，另一方面为了使整个槽内水温均匀而进行内循环。 在实际使用中，大多数产品的循环泵循环效果较好，但噪音较大，影响操作环境;但若不开泵，由于水槽较大，会增大槽内水温温差，因此，这一设计上的矛盾难以消除。

3 新型产品的性能及特点

本研究是在综合现有相关设备特点的基础上，设计开发出了系列多加热室多温度的新型恒温水浴设备，在温控技术、水浴室大小及结构设计等方面做出较大突破，使其在节约资源、提高加热恒温效率、降低设备成本方面，走在国内同类设备的最前沿。

3。1 采用了温度数控技术

要实现同一水浴恒温设备中的多室多温，温控技术是其中的关键环节。 实践证明，只有采用温度数控技术，才能达到集中控制的多点控温要求。 而传统的单温控系统模式，是难以满足这一要求的。

目前，成熟的单片机系列产品不断推出［6］ ，单片机温控技术也已应用于多个领域 ［7，8］ 。 将该技术应用于恒温水浴设备后，现有的产品仍然仅限于单温控设计，只是提高了控温质量。 本文在此技术上，采用了独特的软硬件设计，实现了多个小加热室的单独控温操作及温度数显，各室之间可以同温也可以不同温，这样既满足了传统水浴锅的加热恒温要求，也满足了多数情况下需要多个温度同时恒温的快速操作要求。

3。2 新颖的整体结构设计

本研究开发的水浴恒温设备，一改以往单一水槽的结构特点，采用了多个小型水浴室的结构设计。 各单体水浴室水容积不超过1 升，可满足300 毫升烧杯、锥形瓶、圆底烧瓶等玻璃或金属容器加热恒温需求。 根据不同使用要求，水浴室数量可以是4 个 ～ 9 个。 各水浴室的排布可以是条形、方形或环形。该水浴恒温设备采用不锈钢箱体及圆柱形水浴室，各室之间填充保温绝热材料。 为了使设备整体结构紧

凑合理，保温材料选择一体成型的泡沫塑料，将多个水浴室嵌入固定在绝热材料的整体框架中。为了特殊需要，该设备还选择性地配备有外置式水循环泵，以供对外输送循环温水。 同样，为了加热比色

管或试管需要，该设备附带有与水浴室内径相符的不锈钢网状试管架。

3。3 新型产品的性能特点

(1)本产品实现了各水浴室温度集中控制，温度分别数显。 单室加热温度范围为室温 +5 ℃ ～ +99 ℃，温控精度为 ±0。1 ℃。

(2)单个水浴室最大加热功率为300 W，当需要加热恒温小体积液体时，凸显了其节水、节电、省时的优势。 

(3)由于单个水浴室体积较小，因此加热升温速度快，整筒水温温差小，不需要室内水循环系统，避免了内置水循环泵产生的噪音及振动影响，同时减小了能耗，也简化了结构设计。

(4)各水浴室有独立排水阀门，多室公用排水出口。

4 结论

本研究推出的系列产品，在与同类产品材质相同的情况下，提高了恒温水浴锅的工作效率和控制精度，制造成本及市场价格与同类产品相当，但性价比具有明显优势，具有良好的经济效益和推广价值。参考文献:

［1］ 朱雅轩，陈敏。 医用恒温水浴锅的数控化革新［J］。 医疗卫生装备，2006，27(10):94 ～95。

［2］ 刘春明。 恒温水浴控制器的改进［J］。 水产科学 ，1992 ，11(12):12 ～14。

［3］ 陈国童。 基于 MSP430 的恒温水浴锅模糊控制系统［J］。 宁德师专学报，2009，21(2):161 ～164。

［4］ 李五一。 高校学校实验室安全概论［M］。 杭州:浙江摄影出版社，2006。

［5］ 林琳。 从低碳经济角度审视中国生物质能产业的发展［J］。 开放导报，2009，(5): 20 ～25。

［6］ 沈建华，杨艳琴。 MSP430 系列16 位超低功耗单片机实践与系统设计［M］。 北京:清华大学出版社，2005。

［7］ 张平川，许兴广。 基于单片机电热水器模糊控制系统设计［J］。 微计算机信息，2007，23(11):145 ～146。

［8］ 李昕，曲梦可，荣誉。 基于 MSP430 单片机的模糊温湿度控制器的设计［J］。 传感技术学报，2007，20(4):805 ～808