飽和蒸氣壓實驗中的壓力-溫度測量儀設計和開發

李　田, 徐金榮, 楊　玲, 吳忠云, 朱　濤

(北京大學 化學基礎實驗教學中心, 北京　100871)

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飽和蒸氣壓實驗中的壓力-溫度測量儀設計和開發

李田, 徐金榮, 楊玲, 吳忠云, 朱濤

(北京大學 化學基礎實驗教學中心, 北京100871)

“液體飽和蒸氣壓的測定”是物理化學實驗中經典的熱力學實驗,壓力和溫度作為該實驗的待測參數,對實驗結果產生重要影響,因此準確實時地測量十分必要。基于該教學需求,通過對壓力變送器、溫度傳感器以及顯示儀表進行認真的選型,并對電路進行詳細的設計,開發了高精度壓力-溫度測量儀,并將其應用于實驗體系。學生的反饋結果表明,該儀器很好地滿足了教學需求,實驗的系統誤差明顯減小,數據結果的良好率由原來的30%提高到76%。

飽和蒸氣壓實驗； 壓力-溫度測量儀； 設計思路

物理化學實驗是高校化學專業的基礎實驗課程之一,對培養學生的綜合思維和數據處理分析能力起到十分重要的作用。“液體飽和蒸氣壓的測定”是熱力學部分的經典實驗[1-5]。實驗的基本原理是采用靜態法測定水隨氣壓增加或四氯化碳隨氣壓減小時相應的沸點和飽和蒸氣壓的變化情況。體系變化滿足克拉貝龍方程:

1　壓力-溫度測量儀的實驗教學需求和設計思路

對教師和學生近年的反饋意見進行總結,整理得出該儀器設計的要求如下:

(1) 儀器的靈敏度和精密度要高,能夠及時準確地反映數據；

(2) 儀器的安全系數要高,線路設計合理；

(3) 儀器要求方便調校和維修,實驗進行中可及時解決問題；

(4) 界面具備“讀數鎖定”功能,實現體系壓力和溫度的同步記錄。

結合以上的實驗教學要求,我們對壓力傳感器、溫度傳感器和顯示儀表進行了比較和選型。壓力變送器同時集成了信號的傳感和放大功能,有金屬壓阻式、擴散硅式、電容薄膜式、陶瓷薄膜式以及陶瓷電容式等主要類型[6-7],其中,擴散硅壓力變送器的硅單晶在受到外力作用而產生極微小應變時,其內部原子結構的電子能級狀態會發生變化,可導致其電阻劇烈變化,從而實現壓力信號到電信號的轉換。其在精度[8]、可靠性以及耐腐蝕性方面均有良好的性能，故在本次設計中選擇了擴散硅壓力變送器。

Pt100溫度傳感器基于金屬鉑的電阻值隨溫度發生變化的原理,選擇溫度在零度時阻值為100 Ω的鉑電阻制作而成[9-11],其重現性和穩定性良好,已廣泛地應用于工業測溫和溫度校準。基于Pt100溫度傳感器精度高、應用溫度范圍廣(100～850 ℃尤其被廣泛采用)的優點,我們將其引入實驗裝置。

顯示儀表要同時滿足記錄讀數、方便調校、可以鎖定的實驗需求,選擇了XSE系列增強型單輸入通道數字式智能儀表,滿足基礎功能的同時,今后可進一步接入計算機,完成數據的在線采集和處理[12]。3類組件的性能參數見表1。在選型的基礎上,我們從以下方面對設計進行了進一步優化:

表1　傳感器和智能儀表的選型和性能參數

(1) 安全方面:金屬套管末端引入絕緣封裝膠,很好地實現了儀器的安全性和美觀性；

(2) 調校方面:將校正功能寫入控制程序,操作按鍵即可調節零點和滿度；

(3) 線路方面:元件和電子線路采用U/O型插片代替焊接,方便維修；

(4) 功能方面:儀器面板上增加“數值保持”功能,通過按鍵可同時鎖定壓力和溫度的瞬時值,有效地減小了實驗誤差。

基于上述設計要求開發而成的壓力-溫度測量儀以及其接入實驗體系的完整裝置見圖1。

圖1　壓力-溫度測量儀及應用于“水的飽和蒸氣壓測定”實驗的完整裝置

2　壓力-溫度測量儀的實驗教學效果

我們共研制了壓力-溫度測量儀12臺,并自2014年9月全部投入了“液體飽和蒸氣壓的測定”實驗使用。2個學期的開課表明,儀器性能很好地滿足了實驗需求,“數值保持功能”方便學生讀取實時數據,實驗的系統誤差明顯減小。某學生采用靜態法測定四氯化碳飽和蒸氣壓的實驗數據列于表2, 數據的擬合結果見圖2。從圖中可計算得出四氯化碳的平均摩爾氣化熱為(31.02±0.02) kJ/mol,平均摩爾氣化熵為(88.63±0.10)J/(K·mol),該數值與Trouton 規則中提到的88 J/(K·mol) 十分接近。

表2　靜態法測定四氯化碳飽和蒸氣壓的數據

圖2　靜態法測定四氯化碳飽和蒸氣壓的lg(p/ps)-1/T曲線

3　結語

設計和開發的壓力-溫度測量儀是基于“因地制宜、自主研發、注重成本效益”的理念,根據實驗教學要求進行設計的,是教學儀器改革方面的一個成功嘗試。該儀器的研制成功也為本實驗室自主研發教學儀器開辟了一條新思路,通過密切協作,鍛煉了技術隊伍,開拓了視野,提高了水平。目前該儀器已經拓展應用于雙液系三維相圖的繪制實驗,并將其推廣至實驗教學中心的分析化學實驗室進行使用。后續還將其應用于有機實驗室的減壓蒸餾和無水無氧反應裝置,進一步提高儀器的普適性。

References)

[1] 林敬東,閆石,韓國彬,等.液體飽和蒸氣壓測定實驗的改進[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(3):19-20.

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[4] 黃燕梅,余在華,周錫波. 液體飽和蒸氣壓測定實驗裝置的改進[J]. 實驗科學與技術,2007,5(4):145-147.

[5] 王黨生,韓斌,王彭,等. 靜態法測定液體飽和蒸氣壓實驗的研究[J]. 實驗技術與管理,2009,26(7):41-43.

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[11] 孫云霞,呂國義. 提高溫度傳感器測試準確性的方法[J]. 計測技術,2009，29(3):27-28.

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Design and development of pressure-temperature indicator for saturated vapor pressure experiments

Li Tian, Xu Jinrong, Yang Ling, Wu Zhongyun, Zhu Tao

(Experimental Chemistry Center,Peking University,Beijing 100871,China)

The “Determination of saturation vapor pressure” is a classical thermodynamic experiment in physical chemistry experiments. Acquisition of accurate pressure and temperature is necessary. Here, one pressure-temperature indicator is developed and applied into the experiment. The feedback from students shows that the data uncertainty diminishes significantly, and the good result ratio increases from 30% to 76%. The pressure-temperature indicator can well satisfy the needs of the experiments.

saturated vapor pressure experiment; pressure-temperature indicator; design idea

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.020

2015- 06- 11修改日期：2015- 07- 16

李田(1987—)，女，內蒙古呼和浩特，博士，工程師，主要從事實驗技術及實驗室管理工作.

E-mail：litian@pku.edu.cn

O6-32

A

1002-4956(2016)1- 0079- 03