温度调节器

进入21世纪，人口的爆炸性增长加速了能源的消耗，进而引发了不必要的能源危机，甚至出现了严重的极端天气。其中，基于空调的空间制冷和供暖等是能源消耗的重要组成部分之一，每年约占全球能源消耗的12%。在发达国家，建筑系统能耗的占比甚至提高到40%以上。尽管已经采用了传统的隔热材料和相关的加热-冷却设备，但是目前迫切需要的是开发具有非能耗或者低能耗的新型热调节材料和技术。 　　其中，辐射调节被认为是一种直接、高效、有前途的方式，通过吸收输入的阳光调节内部环境温度，进而实现节能。辐射调节在很大程度上取决于物理/化学改性和合成的材料、合理的结构设计和有效的功能配合。然而，生物相容性和多功能性对材料要求非常高。同时，复杂的制备工艺和多层结构设计也限制了辐射调控材料的发展及其应用。为此，合理设计和制造热调节材料至关重要，它可以通过可调节的物理或化学结构显著提高冷却或加热性能。 　　之前的工作中，已经通过反向聚合在织物表面设计了由聚吡咯和全氟十二烷基三乙氧基硅烷组成的超疏水仿生类黑素体分级纳米球织物，实现了人体热管理温度调节和光热蒸发应用(Nano Lett. 2022, 22, 9343-9350)。但是在材料稳定性和季节适应性温度调节方面仍有不足。基于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员通过免冻干的方法，设计了由光热MXene-CNF层和CNF层组成的Janus结构气凝胶(JMNA)，该气凝胶能够实现可切换的热调节，将被动辐射冷却和加热集成到一个材料系统中，以适应多变的环境。 　　基于良好的机械性能，Janus气凝胶可用作季节适应性辐射热调节的智能屋顶。当CNF层暴露于外部环境时，外层高反射率和内层低红外发射率的结合使得夏季能够有效地进行被动辐射冷却。为了应对寒冷的冬季，MXene-CNF层可被用作外层，有效将阳光转化为可观的热能。产生的热量可以通过CNF层高红外发射率进一步传递到内部环境，从而产生显著的被动辐射加热。Janus结构气凝胶简单的制造方法和合理设计为开发可扩展的气候适应性热调节材料提供了一条替代途径。 　　该工作以“Engineering Structural Janus MXene-nanofibrils Aerogels for Season-Adaptive Radiative Thermal Regulation”为题发表在Small,2023,2302509(DOI：10.1002/smll.202302509)。本研究得到了国家自然科学基金项目(52073295)、中国科学院青年创新促进会(No.2023133)、宁波市科技局项目(2021Z127)、国家自然科学基金委中德交流项目(M-0424)、宁波市公益性科技计划项目(2021S150)及中科院王宽诚国际交叉团队(GJTD-2019-13)等项目的资助。

冰河时代、太阳辐射变化、强烈的火山活动……地球的气候经历了如此多的外部剧烈变化，为什么生命能一直存活下来？近日发表在《科学进展》杂志上的一项研究表明，即使经历了气候的戏剧性变化之后，地球也能够在巨大的时间尺度上（平均在10万年左右）调节和稳定自己的温度。美国麻省理工学院的研究团队发现，地球拥有一种“稳定反馈”机制，该机制已运行了数百万年，这是地球在过去37亿年左右的时间里成功维持生命的部分原因。科学家曾假设过这种反馈，但现在有了一些直接证据。为了找到这一证据，研究人员深入挖掘了过去6600万年收集的古气候数据，应用数学模型来确定地球平均气温的波动是否可能受到一个或多个因素的限制。一种可能的机制是“硅酸盐风化”，这是一种缓慢而稳定的硅酸盐岩石风化的地质过程，它涉及化学反应，最终将二氧化碳从大气中吸走，将其困在岩石和海洋沉积物中。进入大气层的二氧化碳含量增加会加速风化活动，增加暴露的硅酸盐的数量，从而从大气中去除更多的温室气体限制未来的风化。研究发现，温度稳定的时间尺度与硅酸盐风化作用的时间尺度相匹配，最长可达40万年左右。化石和冰芯留下的记录表明，这种风化确实控制了温度。研究人员认为，如果没有这种地质反馈机制，我们的星球将经历越来越极端的温度波动。了解这是如何运作的，对于理解地球的过去和未来至关重要。“我们现在知道，今天的全球变暖最终会通过这种稳定的反馈被抵消。”麻省理工学院地球、大气和行星科学系研究生康斯坦丁阿恩沙伊特说，“但另一方面，这需要数十万年的时间才能发生，所以速度还不足以解决我们当前的气候变暖问题。”

前情回顾在本系列上一期中，小编主要针对电子天平的称量原理，校准的定义及分类，砝码的基础知识以及与天平准确度之间的关系等方面为大家做了科普式的讲解，特别是在校准的分类方面着重花了笔墨进行了详细的梳理，想必大家一定对严谨而又考究的天平校准技术留下了深刻的印象吧，不知道小编尽量将复杂的数学原理讲得通俗透彻的方法有没有让大家解开了心中的疑虑呢？其实在天平的称量中，还有一只无形的大手牢牢地掌控着称量的结果，这就是温度。本期小编将为你展现这只大手到底有哪些奇妙的魔力！ 称量原理的遗留问题 在上次关于校准的分享中，小编对电子天平的称量原理做了简要的介绍，同时也提到温度、湿度等环境因素也会影响电子天平的传感器，但至于是怎么影响的只是卖了个关子。那么今天我们就来走进电子天平的传感器内部，来一起探究温度是怎么影响称量的。 电子天平一般采用电磁力平衡传感器，其称量原理如下图所示： 电子天平在加载前，电磁力平衡传感器处于初始平衡状态。当被测物置于称量盘后，立柱和遮光板在被测物重力的作用下向下移动，光敏二级管D2检测到发光二极管D1发出的光，并产生电流信号，经过I/V变换电路、PID调节器，转变成与被测物重量相对应的电流并驱动动圈，在永磁体的磁场作用下，动圈产生向上的电磁力，使遮光片向上移动，D2输出的电流信号减小，直至遮光片重新回到初始平衡位置，D2的输出电流降为0。此时，动圈产生的电磁力F与被测物重力相当，即F=G=mg，其中m为被测物体的质量，g为重力加速度。【1】 同时，根据电磁力公式F=BLI sinθ，其中B为气隙磁场的磁感应强度，L为动圈（受力导线）的有效长度，I为动圈电流，θ为通电导体与磁场的夹角。由于传感器中动圈的规格尺寸已固定，所以其B和L均不再改变，而θ为90°，故sinθ=1，因此F 的大小与I成对应关系。综合之前的描述，即得出m=BLI / g。【2】 当温度恒定时，B和L是定值，g也是恒定值，则m与I成正比，通过检测动圈电流，就可以间接得到被测物体的质量。当环境温度变化或过流元件发热时，B和L均会发生改变，造成m与I不再成比例关系，使电子天平产生较大的非线性测量误差。 值得一提的是，当电子天平处于预热阶段时，随着内部温度升高，磁感应强度B会逐渐下降,同时I也会减小，这样就导致电磁力F变小，天平失去平衡，因此示值会呈现正的单方向漂移。而天平只有经过充分预热，使磁钢达到热平衡，这一变化过程结束，天平才达到平衡，再利用去皮功能，使显示置零，此时天平才处于真正的可使用状态。【2】 操纵天平的无形之手 电子天平会根据所在的环境而发生变化的，正常情况下，不同准确度级别的天平对温度范围和温度波动度的要求各不相同，准确度级别越高，对环境温度的要求就越苛刻。根据国家标准的相关规定，电子天平的正常工作条件需要满足以下表格的具体要求： 温度最主要的影响就是其变化会带来热胀冷缩，对电子天平就反映在传感器中细小而又精密的部件之间间隙的改变，这些变化会被灵敏的天平记录下来，从而影响读数的准确性。如果没有特定的工作温度范围，电子天平的正常温度条件为10℃~30℃，计量性能应符合国家标准对单次称量结果的示值误差，以及多次称量或在不同位置称量的示值误差（重复性和偏载）的相关规定。 温度变化是影响电子天平称量结果准确性的重要因素之一，而实验室由于早晨和中午会有一定的温差、以及电子天平设备发热、人员流动等原因，一天中最高温度与最低温度之间往往能够达到10℃。这对天平的影响是显而易见的，那么我们如何做才能消除温度对称量结果的影响呢？首先，天平在使用过程中，要尽可能地处于一个温度相对稳定的环境，当天平所处的环境温度有较大的变化时，天平的称量结果会发生漂移，比如从低温的仓库移到温暖的实验室，需要让天平在使用环境中通电预热一定的时间；其次，当温度变化超过一定范围时，我们可以通过校准将这种漂移消除。 通电时间的长短能够有效地避免温度变化对天平的影响。一般来说，天平的精度越高，需要预热的时间越长。小编在这里建议，十万分之一天平预热时间在4小时以上，万分之一天平预热时间在1小时以上。 玩转温度补偿，尽在奥豪斯电子天平 对于电子天平来说，一个良好的结构设计应该充分考虑到温度对称量系统的影响，并采取相关措施减少或消除温度变化所带来的影响。奥豪斯电子天平在设计中认真评估了温度对称重系统的影响，通过优化机械设计、零部件选型、以及智能算法，来消除温度带来的影响，保证天平在额定温度的变化范围内，计量性能符合如OIML等国际法规的要求。 从入门级的先行者CP系列及Adventurer AR系列，到进阶级的Adventurer AX系列，再到最高级的Explorer EX系列，最后到Explorer准微量天平（EX5）系列，均具有动态温度补偿功能，实时修正环境温度对称量结果的影响。特别是Explorer全系列和部分AX系列天平所拥有的AutoCal™ 全自动校准系统能够自动对温漂和时漂做出最实时的反应，当温漂值超过±1.5℃或间隔3~11小时之间（用户可自定义内部校准时间）时，天平校准自动触发，全面消除外界环境对天平所造成的不良因素。 怎么样，小编专业而又全面的讲解有没有让你对复杂而又深奥的温度“魔力”的理解变得清晰透彻了呢？如果你有更多关于温度对天平影响的疑难咨询，或正在寻求更专业细致的选型指导，请及时联系我们，我们专业的工程师们届时将会在第一时间联系您！ 参考文献： 【1】孙鹏龙，何开宇，卜晓雪，李鹏飞，石磊. 环境温度对高精度电子天平称量准确度的影响[J]. 计量与测试技术，2016，43(10)：34-35. 【2】唐辉，商洪涛，刘向兵. 如何提高电子天平称量的准确性[J]. 医疗装备