一种智能液体汽化热测量实验装置的制作方法

本发明涉及物理实验装置与电子信息技术领域，具体地说是一种自动记录并处理在液体汽化热测量实验中相关数据的装置。

背景技术：

汽化热是物质的一种物理性质。物质由液态向气态转化的过程称为汽化。单位质量的液体汽化为同温度的蒸汽时所吸收的热量叫做液体的汽化热。汽化热的测量大部分采用电热混合冷凝法。混合冷凝法在实验时将汽化了的液体蒸气通过导管输入冷凝器中，蒸汽在冷凝器中凝结，测出冷凝液体的质量和冷凝过程中放出的热量，就可以测出液体的汽化热。用这种装置测量液体的汽化热不仅设备复杂，操作也不方便，而且测量结果的不确定度也比较大。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单片机控制，不需要冷凝器，能够自动记录液体汽化热测量中相关数据的实验装置，具体技术方案为：

一种智能液体汽化热测量实验装置，包括控制处理装置、机箱和保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)；所述控制处理装置位于所述机箱内部，所述保温加热装置位于机箱上面。

所述控制处理装置包括微处理器、A/D转换器、压力传感器、电压互感器、桥式整流器、舵机和可控硅模块；所述可控硅模块、所述电压互感器、所述桥式整流器、所述A/D转换器、所述微处理器依次相连接，所述压力传感器与所述微处理器相连；所述舵机的输入端连接所述微处理器，所述舵机的输出端连接所述可控硅模块。

进一步，所述微处理器采用飞思卡尔MK60DN512ZVLQ10单片机；所述A/D转换器采用HX711模块；所述压力传感器采用CZL-A；所述电压互感器型号为SPT205B；所述桥式整流器采用GBJ2510整流桥模块；所述舵机的型号为FUTABA3010；所述可控硅模块的型号为BTA41600B。

所述控制处理装置一方面通过闭环实时控制可控硅模块的输出电压，另一方面实时测量由于汽化而散失的液体的质量，通过所述微处理器的内部时钟记录实验时间，计算(计算可以手动完成，也可自动完成)液体汽化热的数值，并和外围设备之间进行信息传输。

所述控制处理装置包含电压控制电路和质量测量电路。所述电压控制电路如图3所示，包括依次相连的交流电源、断路器K、可控硅模块、加热电阻丝R、限流电阻R₁、电压互感器、桥式整流器、采样电阻R₂、A/D转换器、微处理器和舵机，其中舵机的输出连接所述可控硅模块，构成闭环控制回路。所述交流电源的火线通过所述断路器K连接所述可控硅模块输入接口1；所述交流电源的零线连接所述可控硅模块输入接口2；所述可控硅模块输出接口1、所述加热电阻丝R、所述可控硅模块输出接口2顺次相连接；所述可控硅模块输出接口1通过所述限流电阻R₁连接所述电压互感器一次侧节点1；所述可控硅模块输出接口2连接所述电压互感器一次侧节点2；所述电压互感器二次侧节点1连接所述桥式整流器交流输入接口1；所述电压互感器二次侧节点2连接所述桥式整流器交流输入接口2；所述桥式整流器的2个输出接口之间串接所述采样电阻R₂；所述采样电阻R₂两端分别连接所述微处理器的A/D采样引脚PTC1和接地引脚GND；所述舵机输入端连接所述微处理器的输出控制信号PTA10；所述舵机的输出与所述可控硅模块的旋钮机械连接。

所述质量测量电路如图4所示，包括直流电源、压力传感器、A/D转换器和微处理器。所述压力传感器的输入连接所述直流电源，输出通过A/D转换器转换后连接微处理器；其中，所述A/D转换器数据线连接所述微处理器引脚PTD6；所述A/D转换器时钟线连接所述微处理器引脚PTD7。

所述加热电阻丝R为保温加热装置的发热元件，阻值为40.1Ω；所述限流电阻R₁的阻值为180KΩ，功率为1W；所述电压互感器变比为1:3；所述采样电阻R₂的阻值为5.1KΩ，功率为0.125W。

所述可控硅模块将交流电转换后给加热电阻丝R供电以实现加热，所述限流电阻R₁用于将所述加热电阻丝R两端的大电压信号U转化成小电流信号i；所述桥式整流器的作用是将所述电压互感器二次侧的波形在时间轴上下两侧的交流小电流信号转化成波形均在时间轴上方的交流小电流信号；所述采样电阻R₂的作用是将所述桥式整流器整流后的小电流信号转化成采样电阻R₂两端的小电压信号；所述微处理器的A/D采集运用PIT定时中断，中断周期为40ms；每次中断期间进行40次A/D采集，然后对采集到的40个值取平均，得到电压的平均值。所述微处理器采用PID控制实现可控硅模块的采集电压与其理论电压保持一致，并通过控制舵机的旋转来实时调节可控硅模块的输出电压，克服了可控硅模块输出电压的波动，对加热电阻丝进行恒压加热。

所述限流电阻R₁和所述采样电阻R₂的设置能够适应所述交流电源电压的峰值以及电压波动，保证所述微处理器采集到的电压值低于3.3V；所述微处理器的PIT定时中断周期的设置能够满足所述交流电源频率的波动和PID控制对于时间响应的要求；所述微处理器在中断期间的A/D采集次数能够适应整流后每个周期的时长以及在该周期内采集次数对测量精度的影响。

所述限流电阻R₁、所述采样电阻R₂、所述微处理器I/O口采集的电压V_cc和所述可控硅模块输出电压的平均值U_平均满足以下关系所述可控硅模块输出电压的有效值U_有效和所述可控硅模块输出电压的平均值U_平均满足以下关系根据此关系合理选择限流电阻R₁和采样电阻R₂便可实时测量此时可控硅模块输出的电压值U；所述微处理器的定时中断PIT可以达到1微秒的精度，在这样的误差下，微处理器由于中断延时引起的误差完全可以忽略不计；所述微处理器的PIT定时中断周期为40ms，这样的相响时间能够满足PID控制算法的要求；所述微处理器40次A/D采集的时长通过示波器测量约为10ms，即整流后的一个周期。

所述微处理器40次A/D采集的测量值和理论值的误差通过MATLAB仿真来估算。对于这样的交流电压，在t∈[0,0.01]的区间内，其有效值为1V，40次等步长取样测得的值为0.9995，误差δ为0.05％，完全可以忽略不计。

所述质量测量电路中的A/D转换器采集所述压力传感器电桥左右两端的差分电压信号，采集完成并将信号放大后，所述A/D转换器会与所述微处理器进行信息交换，所述微处理器根据接收的信号计算出此时的质量。

所述外围设备设置在所述机箱箱体上，包括电源指示灯、电源开关、状态指示灯、状态控制按键、液晶屏和参数设置按键；所述交流电源、所述电源开关和所述电源指示灯顺次相连接；所述状态指示灯、所述状态控制按键、所述液晶屏和所述参数设置按键均与所述微处理器相连接。

所述参数设置按键的0～9分别连接所述微处理器PTB0～PTB9引脚，小数点键连接所述微处理器PTB10引脚，校准键连接所述微处理器PTB11引脚，模式键连接所述微处理器PTB16引脚，去皮键连接所述微处理器PTB17引脚，清除键连接所述微处理器PTB18引脚，确认键连接所述微处理器PTB19引脚；所述参数设置按键0～9以及小数点键用于实验参数的设定，所述校准键用于对实验装置的自动校准，一般在实验前对设备进行初始化时要用到该按键，所述模式键用于实验模式的选择，分为自动测量和人工读数两种模式，所述去皮键用于临时将当前质量数值置零，便于在实验中记录Δm，所述清除键用于对上一步参数误设置的更正，所述确认键用于对当前设定的参数值的确认或者用于对当前选择的模式的确认。

所述液晶屏连接所述微处理器PTE1～PTE4引脚；所述液晶屏用于显示实验过程中的相关数据以及实验装置当前的状态。

所述状态控制按键的启动键、停止键和记录键分别连接所述微处理器PTB20～PTB22引脚；所述状态控制按键用于控制实验的开始与结束。

所述状态指示灯分别连接微处理器PTC0、PTC2和PTC3引脚；所述状态指示灯与所述状态控制按键保持一致，用于指示当前工作状态，当所述状态控制按键中的某个被按下时，相应的状态指示灯便会被点亮。

所述压力传感器设置在机箱内的上部；所述压力传感器对应的机箱上面设有压力传感器托盘、并且水平放置。

所述电源指示灯用于指示整个装置的供电状态；所述电源开关用于控制整个装置的供电通断。

所述保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)采用电水壶原理实现，包括加热器电源接口、加热器通电指示灯、保温杯壁、带有排气口的杯盖、杯把、加热器电源托盘、加热器底座。所述加热器电源托盘固定在所述压力传感器托盘上面、并且水平放置，所述加热器电源接口固定在所述加热器电源托盘上面；所述加热器底座底部中心设有凹槽；所述加热器底座放置在所述加热器电源托盘上面、所述加热器电源接口与所述加热器底座底部中心的凹槽完全啮合；所述保温杯壁固定在所述加热器底座上面；所述加热器通电指示灯固定在所述保温杯壁侧面；所述杯把固定在所述保温杯壁侧面，所述带有排气口的杯盖放置在所述保温杯壁上面。

所述加热器通电指示灯表明保温加装置(加热电阻丝阻值为R)的供电状态。

上述装置的工作原理包括如下步骤：

步骤1：打开电源开关，装置初始化后进行压力传感器校准，使液晶屏上质量的读数为零；

步骤2：在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)内注入适量的待测液体，然后轻轻放置在加热器电源托盘上；

步骤3：调节可控硅模块的输出电压为U₁，待液体沸腾并稳定后开始计时同时读出质量示数为m₁，经过时间t后，再次读出质量示数为m₂，待测液体向外界散发的热量为Q₁；

步骤4：调节可控硅模块的输出电压为U₂，重复步骤3，得到质量数据m₃、m₄和待测液体散发的热量Q₂；

步骤5：关闭电源，清洗保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)，整理实验装置。

步骤6：根据能量守恒定律建立电源做功表达式(1)(2)，其中A₁、A₂表示电源做功：

由于步骤3、4中两次加热时间相同且外界环境变化不明显时，可把两次散热近似看作相同，即：

Q₁＝Q₂ (3)

步骤7：由步骤6的式子(1)-(2)得到液体的汽化热的表达式(4)，由步骤3、4测得的数据，利用所述汽化热表达式能够计算得到液体汽化热的值：

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

传统的液体汽化热测量装置需要冷凝器，冷凝器的工作需要消耗大量的水资源，且实验设备复杂，操作不方便，测量结果的不确定度也比较大；本发明提出的智能液体汽化热测量实验装置成本低、操作简单、精度高；操作者既可以根据液晶屏的读数记录实验数据，计算汽化热，也可以在实验结束时直接读出由单片机计算出的汽化热数值。

附图说明

图1为本发明智能液体汽化热测量实验装置的正面图；

图2为本发明智能液体汽化热测量实验装置的立体图；

图3为本发明智能液体汽化热测量实验装置中的可控硅输出电压控制电路框图；

图4为本发明智能液体汽化热测量实验装置中的保温加热装置质量测量电路框图。

图中标记，1-加热器电源，2-加热器通电指示灯，3-保温杯壁，4-带有排气口的杯盖，5-杯把，6-加热器底座，7-加热器电源托盘，8-压力传感器托盘，9-状态指示灯，10-状态控制按键，11-电源指示灯，12-电源开关，13-机箱，14-液晶屏，15-参数设置按键。

具体实施方式

首先声明：在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明提出了一种智能液体汽化热测量实验装置如图1、2所示，包括位于机箱上面的保温加热装置、机箱内部的电控装置。整个实验装置的电控装置以微处理器为核心，结合A/D转换器、压力传感器、电压互感器、桥式整流器、舵机、可控硅模块和温度检测模块、状态指示灯9、状态控制按键10、电源指示灯11、电源开关12、液晶屏14和参数设置按键15等组成(如图3所示)。

微处理器向A/D转换器发送A/D采集指令，A/D转换器检测压力传感器左右两端的差分电压，采集完成后，将数据传输给微处理器，微处理器会根据差分电压的数值计算出此时物体的质量。微处理器还会不断对保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两侧经电压互感器等比例缩小后，再经过桥式整流电路整流后的实时电压值进行A/D采集，然后根据公式：以及电压的缩小倍数，将采集电压值折算成真实电压值，将此时的真实值电压与设定的目标值进行比较，运用PID算法，控制舵机的打角，从而控制可控硅的接入电阻，最终实现控制输出电压的目的。可控硅模块、电压互感器、桥式整流器、微处理器和舵机实现了对电压的闭环控制，使得电压控制更加稳定、精准、快速。

状态指示灯9用于指示实验过程中的状态。状态控制按键10包括启动键、停止键、记录键，按键用于控制实验的开始与结束。电源指示灯11用于指示整个装置的供电状态。电源开关12用于控制整个装置的供电状态。液晶屏14用于显示实验过程中的相关数据。参数设置按键15包括数字键0～9、小数点键、校准键、模式键、去皮键、清除键、确认键，按键用于参数的设置和切换实验模式。

如图1、图2所示，实验装置的保温加热装置位于机箱13上面，包括加热器电源1、加热器通电指示灯2、保温杯壁3、带有排气口的杯盖4、杯把5、加热器底座6、加热器电源托盘7。加热器电源1由三个金属片构成，每个金属片连接一根导线，导线穿过加热器电源托盘7分别连接机箱13内的火线、地线和零线，将加热器电源1固定在加热器电源托盘7的凹槽内，三根导线放置在加热器电源托盘7的空隙中；加热器通电指示灯2固定在保温杯壁3的偏下侧位置，内部通过导线与加热器底座6相连；保温杯壁3与加热器底座6过盈配合，并用螺栓固定；带有排气口的杯盖4内有螺纹，可与保温杯壁3螺旋配合；杯把5安装在加热器通电指示灯2关于保温杯壁3轴对称的位置，杯把5两端放置在保温杯壁3的凹槽内，并用螺栓固定；加热器底座6下方中心处设有凹槽，可与加热器电源1的三个金属片相配合；加热器电源托盘7放置在机箱13上部压力传感器托盘8的凹槽中，并用螺栓固定。实验装置的外围控制设备位于机箱的正面、上面以及右侧面，包括压力传感器托盘8、状态指示灯9、状态控制按键10、电源指示灯11、电源开关12、液晶屏14、参数设置按键15。压力传感器托盘8架设在压力传感器上面，托盘四周有4个凹槽，与压力传感器的四个支点相配合；状态指示灯9嵌入到机箱13前面的三个小孔中，内部通过导线与微处理器相连；状态控制按键10固定在机箱13的前面，内部与微处理器相连；电源指示灯11嵌入到机箱13右侧的小孔中，内部通过导线与电源开关12相连；电源开关12固定在机箱13的右侧面，连接装置的电源线；液晶屏14用强力胶粘贴在机箱13前面预留的凹槽内，内部通过导线与微处理器相连；参数设置按键15用螺栓从内部固定在机箱13的前面。

在实施液体汽化热测量实验前需将保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)从压力传感器托盘8上取下；打开电源开关12，观察此时液晶屏14上质量的读数是否为零，若不为零，则长按“校准”按键，使读数置零；将500g标准砝码放置在压力传感器托盘8上面，待质量读数稳定后按下“校准”按键，装置会自动进行质量校准；等待数秒后，将500g砝码取下，放入砝码盒；将保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)轻轻放置在压力传感器托盘8上，待读数稳定后读出此时的质量m₀即为保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)的质量；再次将保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)从压力传感器托盘8上取下，并在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)内注入适量的待测液体，然后将保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)轻轻放置在压力传感器托盘8上；按数下“模式”按键，可在液晶屏14上看到两种模式：自动测量、人工读数，交替显示，按下“确认”按键即可进入对应的模式；

本装置提供自动测量和人工读数两种模式测量液体汽化热。

实施范例1：自动测量

校准完成后，在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)内注入适量的待测液体，然后轻轻放置在加热器电源托盘上，再按数下“模式”按键选择模式，选中自动测量后按下“确认”按键即进入自动测量模式进行液体汽化热测量实验。

进入自动模式后微处理器会按照以下步骤进行实验：

1.微处理器调节加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压为最大值，加热10分钟；

2.微处理器调节加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压为U₁，加热5分钟；

3.微处理器记录此时的质量为m₁并开始倒计时，t时刻后再次记录质量m₂；

4.微处理器调节加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压为零，等待1分钟；

5.微处理器调节加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压为U₂，加热5分钟；

6.微处理器记录此时的质量为m₃并开始倒计时，t时刻后再次记录质量m₄。

7.微处理器控制实验停止，切断保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)的电源，根据公式：计算出该液体的汽化热，并将测量结果显示在液晶屏上。

实施范例2：人工读数

校准完成后，将保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)轻轻放置在加热器电源托盘上，待质量读数稳定后按下“去皮”按键，取下保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)，在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)内注入适量的待测液体，然后轻轻放置在加热器电源托盘上，再按数下“模式”按键选择模式，选中人工读数后按下“确认”按键即进入人工读数模式进行液体汽化热测量实验。

进入人工读数后可按以下步骤进行实验：

1.设置两个电压值U₁和U₂，以及实验时间t；

2.按下“启动”按键，微处理器会将加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压调节为U₁；

3.等待数分钟，待液体蒸汽均匀从排气口排出时按下“记录”按键，并读出此时的质量m₁；

4.微处理器开始倒计时，并在液晶屏上显示相应的时间，紧盯液晶屏，并在t时刻后，再次读出质量m₂；

5.微处理器会将加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压调节为零，进入等待状态；

6.待液体不再沸腾后再次按下“启动”按键，此时微处理器会将加在保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)两端的电压调节为U₂；

7.等待数分钟，待液体蒸汽均匀从排气口排出时按下“记录”按键，并读出此时的质量m₃；

8.微处理器开始倒计时，并在液晶屏上显示相应的时间，紧盯液晶屏，并在t时刻后，再次读出质量m₄；

9.倒计时结束后，微处理器会切断保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)的电源；

10.实验完成后，切断电源，并对保温加热装置(加热电阻丝阻值为R)进行清洗；

11.根据公式：计算出该液体的汽化热。

以水为例，经过反复测试，可控硅模块的输出电压U在60～75V(视加热器的保温性能而定)范围内，效果是最佳的，此时水可以既保持沸腾，又不会因为沸腾太剧烈而溅出而产生危险。设定电压U₁＝70V，U₂＝65V，时间t＝120s；实验中记录数据：m₁＝2031.5g，m₂＝2025.7g，m₃＝2014.2g，m₄＝2009.3g；由惠斯通电桥法测得加热电阻丝电阻值R为40.1Ω；将实验数据代入(4)式可求得水的汽化热为2244J/g。由此可见，本发明实验装置精度较高。

以上所述仅用于描述本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明的实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进和等同替换等都将落入本发明的保护范围内。