本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量技術(shù)，特別是一種純液體飽和蒸汽壓的自動(dòng)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

通常溫度下(距離臨界溫度較遠(yuǎn)時(shí))，純液體與其蒸氣達(dá)平衡時(shí)的蒸氣壓稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓，簡(jiǎn)稱為蒸氣壓。蒸發(fā)1mol液體所吸收的熱量稱為該溫度下液體的摩爾氣化熱。液體的蒸氣壓隨溫度而變化，溫度升高時(shí)，蒸氣壓增大；溫度降低時(shí)，蒸氣壓降低，這主要與分子的動(dòng)能有關(guān)。當(dāng)蒸氣壓等于外界壓力時(shí)，液體便沸騰，此時(shí)的溫度稱為沸點(diǎn)，外壓不同時(shí)，液體沸點(diǎn)將相應(yīng)改變，當(dāng)外壓為1atm(101.325kPa)時(shí)，液體的沸點(diǎn)稱為該液體的正常沸點(diǎn)。

液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系用克勞修斯-克拉貝龍方程式表示：

式中，R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；Δ_vapH_m為在溫度T時(shí)純液體的摩爾氣化熱。

假定ΔvapHm與溫度無(wú)關(guān)，或因溫度范圍較小，ΔvapHm可以近似作為常數(shù)，積分上式，得：

其中C為積分常數(shù)。由此式可以看出，以lnp對(duì)1/T作圖，應(yīng)為一直線，直線的斜率為由斜率可求算液體的Δ_vapH_m。

靜態(tài)法測(cè)定液體飽和蒸氣壓，是指在某一溫度下，直接測(cè)量飽和蒸氣壓，此法一般適用于蒸氣壓比較大的液體。靜態(tài)法測(cè)量不同溫度下純液體飽和蒸氣壓，有升溫法和降溫法二種。本次實(shí)驗(yàn)采用升溫法測(cè)定不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓，所用儀器是純液體飽和蒸氣壓測(cè)定裝置，如圖6所示：

平衡管由A球和U型管B、C組成。平衡管上接一冷凝管，以橡皮管與壓力計(jì)相連。A內(nèi)裝待測(cè)液體，當(dāng)A球的液面上純粹是待測(cè)液體的蒸氣，而B(niǎo)管與C管的液面處于同一水平時(shí)，則表示B管液面上的(即A球液面上的蒸氣壓)與加在C管液面上的外壓相等。此時(shí)，體系氣液兩相平衡的溫度稱為液體在此外壓下的沸點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)步驟

1.開(kāi)通小流量的冷卻水。開(kāi)通DP-A精密數(shù)字壓力計(jì)的電源，預(yù)熱。認(rèn)識(shí)系統(tǒng)中各旋塞的作用。開(kāi)啟進(jìn)氣旋塞(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)“平衡閥2”)使系統(tǒng)與大氣相通。讀取大氣壓力p0，以后每半小時(shí)讀一次。

2.按動(dòng)DP-A精密數(shù)字壓力計(jì)的“采零”按鍵，使讀數(shù)為0。系統(tǒng)檢漏：開(kāi)啟真空泵，2分鐘后開(kāi)啟抽氣旋塞(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)“平衡閥門1”)，關(guān)閉進(jìn)氣旋塞(平衡閥門2)，使系統(tǒng)減壓至壓力計(jì)讀數(shù)約為－85kPa，關(guān)閉抽氣旋塞(平衡閥門1)。系統(tǒng)若在5分鐘之內(nèi)壓力計(jì)讀數(shù)基本不變，則說(shuō)明系統(tǒng)不漏氣。

3.打開(kāi)玻璃恒溫浴“加熱器”開(kāi)關(guān)，置于“強(qiáng)加熱”、“慢攪拌”，同時(shí)接通SWQP型數(shù)字控溫儀的電源，顯示屏的右下部得“置數(shù)”紅燈亮，按動(dòng)×10和×1按鈕，使“設(shè)定溫度”至40.00℃按動(dòng)“工作/置數(shù)”使水浴升溫。

4.水浴溫度升至40.00℃后加熱方式改為“弱”，穩(wěn)定5分鐘。緩慢旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣旋塞(平衡閥門2)，使平衡管中二液面等高，讀取DP-A精密數(shù)字壓力計(jì)和水浴的溫度，記錄。

5.分別測(cè)定45、50、53、56、58、60、62、64℃時(shí)液體的飽和蒸氣壓。

以上操作基本上通過(guò)手工方式完成實(shí)驗(yàn)操作和測(cè)量，其存在問(wèn)題是多次重復(fù)操作效率低且容易出錯(cuò)；采用玻璃恒溫浴來(lái)進(jìn)行溫度控制，時(shí)間較長(zhǎng)，有一定的誤差，存在靈敏度不高等問(wèn)題；數(shù)據(jù)采集與分析由人工完成，操作周期長(zhǎng)，效率低，出現(xiàn)問(wèn)題需要事后處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)采集、處理、分析和顯示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種純液體飽和蒸汽壓的自動(dòng)測(cè)量裝置，能夠自動(dòng)進(jìn)行氣路切換、測(cè)溫控溫、判定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)并完成溫度和壓力數(shù)據(jù)采集和分析，可大大提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化程度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化了操作，顯示直觀，提高了實(shí)驗(yàn)效果。

一種純液體飽和蒸汽壓的自動(dòng)測(cè)量裝置，包括真空泵、閥塞、兩位三通電磁閥、玻璃導(dǎo)管、緩沖瓶、燒杯、冷凝管、平衡管組件、壓力傳感器、溫度傳感器、水池、水泵驅(qū)動(dòng)單元、壓力監(jiān)測(cè)模塊、測(cè)溫模塊、PWM控制單元、真空泵驅(qū)動(dòng)單元、電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元、加熱器、MCU單元；其中燒杯中盛裝水；溫度傳感器、加熱器、平衡管組件置于燒杯中；測(cè)溫模塊與溫度傳感器、加熱器連接；PWM控制單元與加熱器連接；平衡管組件包括A球、B球、C球以及連接A球和B球的單端球形管、連接B球和C球的雙端球形U型管、連接C球的玻璃直管，玻璃直管還與壓力傳感器和緩沖瓶連接；冷凝管套于玻璃直管上且進(jìn)水口與水泵連接且出水口置于水池內(nèi)；水泵置于水池內(nèi)；水泵驅(qū)動(dòng)單元與水泵連接；壓力監(jiān)測(cè)模塊與壓力傳感器連接；真空泵與兩位三通電磁閥第一端口連接；閥塞與兩位三通電磁閥第二端口連接；玻璃導(dǎo)管一端與兩位三通電磁閥第三端口連接且另一端與緩沖瓶連接；真空泵驅(qū)動(dòng)單元與真空泵連接；電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元與兩位三通電磁閥的電磁線圈連接；MCU單元分別與水泵驅(qū)動(dòng)單元、壓力監(jiān)測(cè)模塊、測(cè)溫模塊、PWM控制單元、真空泵驅(qū)動(dòng)單元、電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元連接。

采用上述裝置，裝置還包括與MCU單元連接的LCD顯示單元、鍵盤。

本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明溫度傳感器和壓力檢測(cè)裝置，可同步自動(dòng)完成壓力-溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量，而無(wú)需進(jìn)行手工調(diào)節(jié)；利用MCU單元對(duì)溫度傳感器反饋的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)單元對(duì)加熱裝置進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)燒杯內(nèi)水的溫度控制更加準(zhǔn)確。

(2)本實(shí)用新型利用LCD顯示屏能及時(shí)顯示溫度等數(shù)據(jù)；利用鍵盤輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。

(3)本實(shí)用新型純液體飽和蒸氣壓的自動(dòng)測(cè)量裝置能準(zhǔn)確、有序地自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并完成數(shù)據(jù)采集、分析和顯示，提高了對(duì)溫度控制的精度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加方便，操作更加簡(jiǎn)單，極大地提高了實(shí)驗(yàn)效率；且由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試任務(wù)自動(dòng)化進(jìn)行，可以提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)人員從繁瑣的工作中解脫出來(lái)投入更多精力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和研究；保障了每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和執(zhí)行內(nèi)容的一致性，從而達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型純液體飽和蒸氣壓的自動(dòng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型出液體飽和蒸氣壓的自動(dòng)測(cè)量裝置的系統(tǒng)框圖。

圖3為圖1中平衡管組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為壓力測(cè)量的信號(hào)調(diào)理電路示意圖。

圖5為空氣相對(duì)壓力系數(shù)的lnp-1/t曲線圖。

圖6為現(xiàn)有技術(shù)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型測(cè)測(cè)純液體飽和蒸氣壓的自動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置包括：真空泵1、閥塞2、兩位三通電磁閥3、玻璃導(dǎo)管4、緩沖瓶5、燒杯6、冷凝管7、平衡管組件8、硅壓力傳感器9、溫度傳感器10、壓力檢測(cè)裝置13、水泵12、測(cè)溫模塊14、PWM控制單元15、真空泵驅(qū)動(dòng)單元16、電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元17、加熱器18。

如圖2所示，本實(shí)用新型測(cè)純液體飽和蒸汽壓的自動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：MCU單元20、LCD顯示單元21、鍵盤22。MCU單元20具有PWM輸出、SPI通訊及相關(guān)功能，且具有數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能。其中PWM輸出是一個(gè)占空比動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的過(guò)程，SPI通訊可連續(xù)測(cè)量溫度信號(hào)。

如圖3所示，平衡管組件8包括A球、B球、C球以及連接A球和B球的單端球形管95、連接B球和C球的雙端球形U型管93、連接C球的玻璃直管91，玻璃直管91還與壓力傳感器9和緩沖瓶5連接，管與球之間連接處套有橡皮管92。

壓力測(cè)量的信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

燒杯4用來(lái)存放水。溫度傳感器10豎直插入燒杯6中，溫度傳感器10的溫度信號(hào)輸出與測(cè)溫模塊14的輸入相連。加熱器件18斜插入燒杯底部，加熱器18的輸入與PWM驅(qū)動(dòng)單元15輸出相連。MCU單元20輸入端與測(cè)溫模塊14相連，輸出端與PWM驅(qū)動(dòng)單元15相連。MCU單元20的輸出端與LCD顯示屏21相連。鍵盤22與MCU單元20的輸入端相連。

該測(cè)純液體飽和蒸汽壓的自動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，MCU單元20的輸出與真空泵驅(qū)動(dòng)16單元的輸入相連，真空泵驅(qū)動(dòng)單元16的輸出與真空泵1的輸入相連；

MCU單元20的輸出與電磁驅(qū)動(dòng)單元17的輸入相連，電磁驅(qū)動(dòng)單元17的輸出與電磁換向閥3的輸入相連，由此構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置的管路切換結(jié)構(gòu)。

MCU單元20輸出PWM調(diào)制信號(hào)與PWM驅(qū)動(dòng)單元15輸入相連，PWM驅(qū)動(dòng)單元15輸出與加熱器18輸入相連，使加熱器18給水加熱，溫度傳感器10采集溫度信號(hào)輸出與測(cè)溫模塊14輸入相連，測(cè)溫模塊14溫度數(shù)據(jù)輸出與MCU單元20輸入相連，由此構(gòu)成水的閉環(huán)加熱與溫度控制系統(tǒng)。壓力檢測(cè)裝置9的輸出與壓力檢測(cè)模塊13的輸入相連，壓力檢測(cè)模塊13的輸出與MCU單元20的輸入相連。

MCU單元20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和儲(chǔ)存，并將輸出與LCD顯示屏21輸入相連，LCD顯示屏21顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線。鍵盤22用來(lái)控制實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與參數(shù)。

開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，將待測(cè)液體裝入平衡管中，A球約2/3體積，B、C球約1/2體積，按圖1連接好實(shí)驗(yàn)裝置。

(1)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)氣密性檢查：兩位三通閥右路常態(tài)下選通，MCU控制真空泵工作，同時(shí)MCU通過(guò)壓力檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)平衡管內(nèi)氣壓，氣壓達(dá)到53kPa時(shí)，MCU驅(qū)動(dòng)電磁鐵得電，兩位三通閥左路接通，關(guān)閉真空泵，系統(tǒng)與大氣、真空泵都不通。系統(tǒng)自動(dòng)記錄5分鐘內(nèi)的氣壓大小，若維持不變表示系統(tǒng)不漏氣。

(2)自動(dòng)排除A-B彎管空間內(nèi)的空氣：AB彎管空間內(nèi)的壓力包括兩部分：一是待測(cè)液體的蒸氣壓；另一部分是空氣的壓力。排除空氣后才能保證B管液面上的壓力為液體的蒸氣壓。MCU通過(guò)PWM控制單元啟動(dòng)加熱棒，閉環(huán)控制水杯內(nèi)溫度為室溫高2℃。MCU控制水泵接通冷凝水，兩位三通閥工作在右路，真空泵開(kāi)始抽氣至液體輕微沸騰，此時(shí)A-B彎管內(nèi)的空氣不斷隨蒸氣經(jīng)C管逸出，沸騰數(shù)分鐘后，空氣被排凈。

(3)自動(dòng)測(cè)定飽和蒸氣壓：排凈空氣且溫度恒定后，兩位三通閥工作在右路，平衡管中緩緩放入空氣，直至B管和C管中液面齊平。MCU控制電磁鐵得電，兩位三通閥工作在左路。自動(dòng)存下當(dāng)前的溫度和壓力數(shù)據(jù)。

MCU控制加熱棒升溫，溫度每升高5℃，重復(fù)上述動(dòng)作(3)。

(4)根據(jù)步驟3的數(shù)據(jù)，繪制lnp-1/T曲線(如圖5所示)。計(jì)算純液體飽和蒸氣壓的大小。并在LCD屏上顯示。