李　田, 徐金荣, 杨　玲, 吴忠云, 朱　涛

(北京大学 化学基础实验教学中心, 北京　100871)



饱和蒸气压实验中的压力-温度测量仪设计和开发

李田, 徐金荣, 杨玲, 吴忠云, 朱涛

(北京大学 化学基础实验教学中心, 北京100871)

“液体饱和蒸气压的测定”是物理化学实验中经典的热力学实验,压力和温度作为该实验的待测参数,对实验结果产生重要影响,因此准确实时地测量十分必要。基于该教学需求,通过对压力变送器、温度传感器以及显示仪表进行认真的选型,并对电路进行详细的设计,开发了高精度压力-温度测量仪,并将其应用于实验体系。学生的反馈结果表明,该仪器很好地满足了教学需求,实验的系统误差明显减小,数据结果的良好率由原来的30%提高到76%。

饱和蒸气压实验； 压力-温度测量仪； 设计思路

物理化学实验是高校化学专业的基础实验课程之一,对培养学生的综合思维和数据处理分析能力起到十分重要的作用。“液体饱和蒸气压的测定”是热力学部分的经典实验[1-5]。实验的基本原理是采用静态法测定水随气压增加或四氯化碳随气压减小时相应的沸点和饱和蒸气压的变化情况。体系变化满足克拉贝龙方程:

1　压力-温度测量仪的实验教学需求和设计思路

对教师和学生近年的反馈意见进行总结,整理得出该仪器设计的要求如下:

(1) 仪器的灵敏度和精密度要高,能够及时准确地反映数据；

(2) 仪器的安全系数要高,线路设计合理；

(3) 仪器要求方便调校和维修,实验进行中可及时解决问题；

(4) 界面具备“读数锁定”功能,实现体系压力和温度的同步记录。

结合以上的实验教学要求,我们对压力传感器、温度传感器和显示仪表进行了比较和选型。压力变送器同时集成了信号的传感和放大功能,有金属压阻式、扩散硅式、电容薄膜式、陶瓷薄膜式以及陶瓷电容式等主要类型[6-7],其中,扩散硅压力变送器的硅单晶在受到外力作用而产生极微小应变时,其内部原子结构的电子能级状态会发生变化,可导致其电阻剧烈变化,从而实现压力信号到电信号的转换。其在精度[8]、可靠性以及耐腐蚀性方面均有良好的性能，故在本次设计中选择了扩散硅压力变送器。

Pt100温度传感器基于金属铂的电阻值随温度发生变化的原理,选择温度在零度时阻值为100 Ω的铂电阻制作而成[9-11],其重现性和稳定性良好,已广泛地应用于工业测温和温度校准。基于Pt100温度传感器精度高、应用温度范围广(100～850 ℃尤其被广泛采用)的优点,我们将其引入实验装置。

显示仪表要同时满足记录读数、方便调校、可以锁定的实验需求,选择了XSE系列增强型单输入通道数字式智能仪表,满足基础功能的同时,今后可进一步接入计算机,完成数据的在线采集和处理[12]。3类组件的性能参数见表1。在选型的基础上,我们从以下方面对设计进行了进一步优化:

表1　传感器和智能仪表的选型和性能参数

(1) 安全方面:金属套管末端引入绝缘封装胶,很好地实现了仪器的安全性和美观性；

(2) 调校方面:将校正功能写入控制程序,操作按键即可调节零点和满度；

(3) 线路方面:元件和电子线路采用U/O型插片代替焊接,方便维修；

(4) 功能方面:仪器面板上增加“数值保持”功能,通过按键可同时锁定压力和温度的瞬时值,有效地减小了实验误差。

基于上述设计要求开发而成的压力-温度测量仪以及其接入实验体系的完整装置见图1。

图1　压力-温度测量仪及应用于“水的饱和蒸气压测定”实验的完整装置

2　压力-温度测量仪的实验教学效果

我们共研制了压力-温度测量仪12台,并自2014年9月全部投入了“液体饱和蒸气压的测定”实验使用。2个学期的开课表明,仪器性能很好地满足了实验需求,“数值保持功能”方便学生读取实时数据,实验的系统误差明显减小。某学生采用静态法测定四氯化碳饱和蒸气压的实验数据列于表2, 数据的拟合结果见图2。从图中可计算得出四氯化碳的平均摩尔气化热为(31.02±0.02) kJ/mol,平均摩尔气化熵为(88.63±0.10)J/(K·mol),该数值与Trouton 规则中提到的88 J/(K·mol) 十分接近。

表2　静态法测定四氯化碳饱和蒸气压的数据

图2　静态法测定四氯化碳饱和蒸气压的lg(p/ps)-1/T曲线

3　结语

设计和开发的压力-温度测量仪是基于“因地制宜、自主研发、注重成本效益”的理念,根据实验教学要求进行设计的,是教学仪器改革方面的一个成功尝试。该仪器的研制成功也为本实验室自主研发教学仪器开辟了一条新思路,通过密切协作,锻炼了技术队伍,开拓了视野,提高了水平。目前该仪器已经拓展应用于双液系三维相图的绘制实验,并将其推广至实验教学中心的分析化学实验室进行使用。后续还将其应用于有机实验室的减压蒸馏和无水无氧反应装置,进一步提高仪器的普适性。

References)

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[4] 黄燕梅,余在华,周锡波. 液体饱和蒸气压测定实验装置的改进[J]. 实验科学与技术,2007,5(4):145-147.

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[12] 王平,张新东. 基于智能仪表的数据采集系统设计[J]. 自动化与仪表,2009(9):9-10.

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，内蒙古呼和浩特，博士，工程师，主要从事实验技术及实验室管理工作.

E-mail：litian@pku.edu.cn

O6-32

A

1002-4956(2016)1- 0079- 03