本发明涉及气体状态过程的数据采集与测试仪器，尤其涉及气体状态过程测试系统，属于热力学技术领域。
背景技术
理想气体状态方程是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量和温度之间关系的状态方程，在高中物理选修课和大学普通物理课程中均有理想气体状态方程的讲解内容及其实验仪器，属于一个比较重要的章节，这方面已有较多的论文发表或专利技术，但现有的理想气体状态方程实验仪器中，大多属于人工记录实验过程的，这对于少量的演示实验或学生分组实验来说其工作量还尚可，但对于批量的不同的理想气体或非理想气体进行状态特性测试若逐个采用人工记录和分析的方法就存在工作量大，测试人员容易疲劳，记录数据容易出错的缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适合于对批量的不同的理想气体或非理想气体进行气体状态特性测试且能自动记录、自动分析和打印的自动化或半自动化的测试系统。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：所述系统由底座(1)、垫脚(2)、玻璃管(3)、容积传感器(4)、顶部温度传感器(5)、带孔活塞(6)、垂直支架(7)、压力传感器(8)、螺丝(9)、芯管(10)、传动轴(11)、托架(12)、红外发射器(13)、砝码(14)、接口(15)、红外发射窗(16)、套筒(17)、横向支架(18)、卡座(19)、ccd位移传感器(20)、耐热电缆(21)、气体(22)、螺旋电热丝(23)、卡扣(24)、进气管(25)、底部温度传感器(26)、电磁阀(27)、涡叶(28)、微型低速电机(29)、密封座(30)、密封圈(31)、锁定栓(32)、传输线(33)、进气口(34)、温控加热器(35)、输出端(36)、红外接收窗(37)、选择键(38)、打印机接口(39)、状态过程记录仪(40)和输入端(41)组成。
垂直支架(7)、横向支架(18)、玻璃管(3)和套筒(17)构成操作台固定机构，带孔活塞(6)、传动轴(11)、托架(12)和砝码(14)构成操作台活动机构，螺旋电热丝(23)和温控加热器(35)构成气体加热机构，红外发射器(13)、红外发射窗(16)和红外接收窗(37)构成压力信号传输机构，容积传感器(4)、压力传感器(8)、顶部温度传感器(5)、底部温度传感器(26)、ccd位移传感器(20)和状态过程记录仪(40)构成数据采集与分析机构。
底座(1)上方设有垂直支架(7)、横向支架(18)、密封圈(31)和玻璃管(3)，横向支架(18)为双层结构，每层横向支架(18)在俯视图上呈三星形，横向支架(18)的横断面为凸字形，横向支架(18)中心设有套筒(17)，横向支架(18)的外端通过螺丝(9)与垂直支架(7)顶端连接，垂直支架(7)底端通过螺丝(9)与底座(1)连接，玻璃管(3)底部嵌入密封圈(31)内，玻璃管(3)底部的内部设有涡叶(28)，底座(1)中心且在底座(1)下方设有微型低速电机(29)，微型低速电机(29)的主轴穿过底座(1)后与涡叶(28)连接，底座(1)下方设有进气管(25)，进气管(25)一端通过弯头垂直向上穿过底座(1)后设为进气口(34)，靠近进气口(34)的进气管(25)上设有电磁阀(27)，底座(1)下方设有盆形密封座(30)，密封座(30)将微型低速电机(29)、电磁阀(27)和进气管(25)的弯头密封于底座(1)下方。
玻璃管(3)内壁浅层嵌有螺旋电热丝(23)、顶部温度传感器(5)和底部温度传感器(26)，玻璃管(3)外侧设有容积传感器(4)，温控加热器(35)包括温度设定旋钮、温度显示模块以及一个测量输入端和两个输出端(36)，两个输出端分别为加热输出端和温度数据输出端，顶部温度传感器(5)和底部温度传感器(26)分别通过耐热电缆(21)与温控加热器(35)的测量输入端连接，螺旋电热丝(23)通过耐热电缆(21)与温控加热器(35)的加热输出端连接；底层的横向支架(18)下方设有卡座(19)，卡座(19)内嵌有ccd位移传感器(20)，ccd位移传感器(20)的镜头朝向传动轴(11)。
套筒(17)上设有锁定栓(32)，套筒(17)内嵌有能够上下活动的传动轴(11)，传动轴(11)的轴中心设有芯管(10)，芯管(10)内嵌有屏蔽线，传动轴(11)底部且在传动轴(11)内嵌有压力传感器(8)，压力传感器(8)通过芯管(10)内的屏蔽线与红外发射器(13)的接口(15)连接，传动轴(11)底端设有中心有圆孔的带孔活塞(6)，带孔活塞(6)使气体(22)的压力直接施加于压力传感器(8)上，传动轴(11)顶端上方设有托架(12)和红外发射器(13)，托架(12)上方放置砝码(14)，红外发射器(13)朝状态过程记录仪(40)一侧设有红外发射窗(16)。
状态过程记录仪(40)顶部设有用于接收红外发射窗(16)信号的红外接收窗(37)，状态过程记录仪(40)面板正面包括一个打印机接口(39)、两个显示模块、三个输入端(41)和五个选择键(38)，两个显示模块分别为压力变化显示模块和体积变化显示模块，三个输入端分别为温度数据输入端、位移测量输入端和容积测量输入端，五个选择键(38)分别为等容过程选择键、等温过程选择键、等压过程选择键、气体常数选择键和打印选择键。
所述系统通过拧紧锁定栓(32)锁住传动轴(11)停止带孔活塞(6)向上或向下移动，使气体(22)的体积保持恒定，通过松开锁定栓(32)使传动轴(11)和带孔活塞(6)能够向上或向下移动，即不影响气体(22)体积的增大或减小；通过温控加热器(35)的设定控制螺旋电热丝(23)的发热与否使气体(22)的温度保持恒定或升高，并由涡叶(28)使螺旋电热丝(23)的温度及时与气体(22)的温度进行交换，且保证玻璃管(3)内的气体(22)各处的温度一致；通过托架(12)上放置砝码(14)的多少及其质量大小控制带孔活塞(6)对气体(22)的压力，砝码(14)越多且每个砝码的质量越大，带孔活塞(6)对气体(22)的压力越大；砝码(14)越少且每个砝码的质量越小，带孔活塞(6)对气体(22)的压力越小。
状态过程记录仪(40)内部包括温度数据接收模块、压力数据接收模块、位移测量转换体积模块、容积测量转其量模块、键盘扫描与键码生成模块、气体状态过程记录与分析模块、气体状态特性图表生成模块和图表打印驱动模块；温度数据接收模块、压力数据接收模块、位移测量转换体积模块和容积测量转其量模块分别与气体状态过程记录与分析模块连接，五个选择键(38)与键盘扫描与键码生成模块连接，键盘扫描与键码生成模块与气体状态过程记录与分析模块连接，气体状态过程记录与分析模块分别与压力变化显示模块、体积变化显示模块和气体状态特性图表生成模块连接，气体状态特性图表生成模块与图表打印驱动模块连接，图表打印驱动模块连接与打印机接口连接；状态过程记录仪(40)的温度数据输入端通过数据线与温控加热器(35)的温度数据输出端连接，状态过程记录仪(40)的位移测量输入端通过传输线(33)与ccd位移传感器(20)连接，状态过程记录仪(40)的容积测量输入端通过传输线(33)与容积传感器(4)连接。
由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：本系统能够对理想气体或非理想气体的等容过程、等温过程和等压过程进行自动记录、自动分析和打印，自动形成相应说明标题的气体状态过程图表曲线，适合于对批量的不同的理想气体或非理想气体进行气体状态特性测试，减轻测试人员的工作量，减小其疲劳程度，提高数据的准确性，适用于高等院校和有关企业的气体状态特性的批量测试。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明有如下5幅附图：
图1是本系统操作台的结构示意图，
图2是本系统操作台的俯视图，
图3是本系统的外部连线图，
图4是本系统横向支架与锁定栓的位置图，
图5是状态过程记录仪内部结构的主体框图。
附图中所标各数字分别表示如下：
1.底座，2.垫脚，3.玻璃管，4.容积传感器，5.顶部温度传感器，6.带孔活塞，7.垂直支架，8.压力传感器，9.螺丝，10.芯管，11.传动轴，12.托架，13.红外发射器，14.砝码，15.接口，16.红外发射窗，17.套筒，18.横向支架，19.卡座，20.ccd位移传感器，21.耐热电缆，22.气体，23.螺旋电热丝，24.卡扣，25.进气管，26.底部温度传感器，27.电磁阀，28.涡叶，29.微型低速电机，30.密封座，31.密封圈，32.锁定栓，33.传输线，34.进气口，35.温控加热器，36.输出端，37.红外接收窗，38.选择键，39.打印机接口，40.状态过程记录仪，41.输入端。
具体实施方式
1.根据图1至图5，所述系统由底座(1)、垫脚(2)、玻璃管(3)、容积传感器(4)、顶部温度传感器(5)、带孔活塞(6)、垂直支架(7)、压力传感器(8)、螺丝(9)、芯管(10)、传动轴(11)、托架(12)、红外发射器(13)、砝码(14)、接口(15)、红外发射窗(16)、套筒(17)、横向支架(18)、卡座(19)、ccd位移传感器(20)、耐热电缆(21)、气体(22)、螺旋电热丝(23)、卡扣(24)、进气管(25)、底部温度传感器(26)、电磁阀(27)、涡叶(28)、微型低速电机(29)、密封座(30)、密封圈(31)、锁定栓(32)、传输线(33)、进气口(34)、温控加热器(35)、输出端(36)、红外接收窗(37)、选择键(38)、打印机接口(39)、状态过程记录仪(40)和输入端(41)组成。
本系统分为两大部分，一部分为机械操作台部分，另一部分为电子测量仪器部分，其中垂直支架(7)、横向支架(18)、玻璃管(3)和套筒(17)构成操作台固定机构，带孔活塞(6)、传动轴(11)、托架(12)和砝码(14)构成操作台活动机构；温控加热器(35)和状态过程记录仪(40)为电子测量仪器部分，螺旋电热丝(23)和温控加热器(35)构成气体加热机构，红外发射器(13)、红外发射窗(16)和红外接收窗(37)构成压力信号传输机构，容积传感器(4)、压力传感器(8)、顶部温度传感器(5)、底部温度传感器(26)、ccd位移传感器(20)和状态过程记录仪(40)构成数据采集与分析机构。
底座(1)上方设有垂直支架(7)、横向支架(18)、密封圈(31)和玻璃管(3)，横向支架(18)为双层结构，每层横向支架(18)在俯视图上呈三星形，横向支架(18)的横断面为凸字形，横向支架(18)中心设有套筒(17)，横向支架(18)的外端通过螺丝(9)与垂直支架(7)顶端连接，垂直支架(7)底端通过螺丝(9)与底座(1)连接，玻璃管(3)底部嵌入密封圈(31)内，玻璃管(3)底部的内部设有涡叶(28)，底座(1)中心且在底座(1)下方设有微型低速电机(29)，微型低速电机(29)的主轴穿过底座(1)后与涡叶(28)连接，底座(1)下方设有进气管(25)，进气管(25)一端通过弯头垂直向上穿过底座(1)后设为进气口(34)，靠近进气口(34)的进气管(25)上设有电磁阀(27)，底座(1)下方设有盆形密封座(30)，密封座(30)将微型低速电机(29)、电磁阀(27)和进气管(25)的弯头密封于底座(1)下方。
玻璃管(3)内壁浅层嵌有螺旋电热丝(23)、顶部温度传感器(5)和底部温度传感器(26)，玻璃管(3)外侧设有容积传感器(4)，温控加热器(35)包括温度设定旋钮、温度显示模块以及一个测量输入端和两个输出端(36)，两个输出端分别为加热输出端和温度数据输出端，顶部温度传感器(5)和底部温度传感器(26)分别通过耐热电缆(21)与温控加热器(35)的测量输入端连接，螺旋电热丝(23)通过耐热电缆(21)与温控加热器(35)的加热输出端连接；底层的横向支架(18)下方设有卡座(19)，卡座(19)内嵌有ccd位移传感器(20)，ccd位移传感器(20)的镜头朝向传动轴(11)。
套筒(17)上设有锁定栓(32)，套筒(17)内嵌有能够上下活动的传动轴(11)，传动轴(11)的轴中心设有芯管(10)，芯管(10)内嵌有屏蔽线，传动轴(11)底部且在传动轴(11)内嵌有压力传感器(8)，压力传感器(8)通过芯管(10)内的屏蔽线与红外发射器(13)的接口(15)连接，传动轴(11)底端设有中心有圆孔的带孔活塞(6)，带孔活塞(6)使气体(22)的压力直接施加于压力传感器(8)上，传动轴(11)顶端上方设有托架(12)和红外发射器(13)，托架(12)上方放置砝码(14)，红外发射器(13)朝状态过程记录仪(40)一侧设有红外发射窗(16)。
状态过程记录仪(40)顶部设有用于接收红外发射窗(16)信号的红外接收窗(37)，状态过程记录仪(40)面板正面包括一个打印机接口(39)、两个显示模块、三个输入端(41)和五个选择键(38)，两个显示模块分别为压力变化显示模块和体积变化显示模块，三个输入端分别为温度数据输入端、位移测量输入端和容积测量输入端，五个选择键(38)分别为等容过程选择键、等温过程选择键、等压过程选择键、气体常数选择键和打印选择键。
所述系统通过拧紧锁定栓(32)锁住传动轴(11)停止带孔活塞(6)向上或向下移动，使气体(22)的体积保持恒定，通过松开锁定栓(32)使传动轴(11)和带孔活塞(6)能够向上或向下移动，即不影响气体(22)体积的增大或减小；通过温控加热器(35)的设定控制螺旋电热丝(23)的发热与否使气体(22)的温度保持恒定或升高，并由涡叶(28)使螺旋电热丝(23)的温度及时与气体(22)的温度进行交换，且保证玻璃管(3)内的气体(22)各处的温度一致；通过托架(12)上放置砝码(14)的多少及其质量大小控制带孔活塞(6)对气体(22)的压力，砝码(14)越多且每个砝码的质量越大，带孔活塞(6)对气体(22)的压力越大；砝码(14)越少且每个砝码的质量越小，带孔活塞(6)对气体(22)的压力越小。
状态过程记录仪(40)内部包括温度数据接收模块、压力数据接收模块、位移测量转换体积模块、容积测量转其量模块、键盘扫描与键码生成模块、气体状态过程记录与分析模块、气体状态特性图表生成模块和图表打印驱动模块；温度数据接收模块、压力数据接收模块、位移测量转换体积模块和容积测量转其量模块分别与气体状态过程记录与分析模块连接，五个选择键(38)与键盘扫描与键码生成模块连接，键盘扫描与键码生成模块与气体状态过程记录与分析模块连接，气体状态过程记录与分析模块分别与压力变化显示模块、体积变化显示模块和气体状态特性图表生成模块连接，气体状态特性图表生成模块与图表打印驱动模块连接，图表打印驱动模块连接与打印机接口连接；状态过程记录仪(40)的温度数据输入端通过数据线与温控加热器(35)的温度数据输出端连接，状态过程记录仪(40)的位移测量输入端通过传输线(33)与ccd位移传感器(20)连接，状态过程记录仪(40)的容积测量输入端通过传输线(33)与容积传感器(4)连接。
玻璃管(3)内壁镀有一层薄的用于减小带孔活塞(6)与玻璃管(3)内壁之间摩擦力的凡士林，垂直支架(7)、横向支架(18)、套筒(17)、传动轴(11)和托架(12)的材质为铝合金，底座(1)的材质为铸铁，垫脚(2)、密封座(30)和密封圈(31)的材质为软橡胶，带孔活塞(6)的材质为耐热硬橡胶。
本系统对于所述的机械操作台、温度设定旋钮和选择键的操作以及后面叙述的灌气和排气操作为人工手动操作，对于数据采集、过程记录和数据分析为电子的自动记录和分析。
根据图1和图3，玻璃管(3)内灌气时，去除托架(12)中的砝码(14)，在进气管(25)右端的入口处加接软管并与测试气体的气瓶出口连接，打开电磁阀(27)，开启气瓶上的阀门，对玻璃管(3)进行适量充气，容积传感器(4)和状态过程记录仪(40)根据玻璃管(3)的直径以及带孔活塞(6)底部与底座(1)之间的高度算出气体物质的量，电磁阀(27)开启的时间越长，进入玻璃管内的气体越多，电磁阀(27)开启时间越短，进入玻璃管内的气体越少；玻璃管(3)内排气时，断开软管与测试气体气瓶的连接，打开电磁阀(27)，用手指下压托架(12)可将玻璃管(3)内的气体放尽，以便玻璃管(3)内更换别的气体；气体更换后，通过状态过程记录仪(40)面板上的气体常数选择键对已充气体进行常数设定。
2.等容变化测试：
按下状态过程记录仪(40)面板上的等容过程选择键，状态过程记录仪(40)中的气体状态过程记录与分析模块在气体状态特性图表生成模块中生成“等容变化过程”的图表说明标题，此时，拧紧锁定栓(32)锁住传动轴(11)停止带孔活塞(6)向上或向下移动，使气体(22)的体积保持恒定，即状态过程记录仪(40)面板上的体积变化显示模块的显示值不变，调整温控加热器(35)面板上的温度设定旋钮，通过逐级加热或逐级降温的方法改变气体(22)的温度，状态过程记录仪(40)自动记录气体(22)的温度值及其对应的压力值并自动生成气体状态特性的等容过程图表，按下打印选择键，通过外置的打印机打印出等容过程测试图表。
3.等温变化测试：
按下状态过程记录仪(40)面板上的等温过程选择键，状态过程记录仪(40)中的气体状态过程记录与分析模块在气体状态特性图表生成模块中生成“等温变化过程”的图表说明标题，此时，松开锁定栓(32)使传动轴(11)和带孔活塞(6)能够向上或向下移动，即不影响气体(22)体积的增大或减小，保持温控加热器(35)面板上的温度设定旋钮不动，即温控加热器(35)面板上的温度显示值不变，在托架(12)中依次逐级放入不同数量或不同质量的砝码(14)，逐级改变对气体的压力大小，状态过程记录仪(40)自动记录气体(22)的压力值及其对应的体积值并自动生成气体状态特性的等温过程图表，按下打印选择键，通过外置的打印机打印出等温过程测试图表。
4.等圧変化测试：
按下状态过程记录仪(40)面板上的等压过程选择键，状态过程记录仪(40)中的气体状态过程记录与分析模块在气体状态特性图表生成模块中生成“等压变化过程”的图表说明标题，此时，保持托架(12)中的砝码(14)数量或质量不变，即状态过程记录仪(40)面板上的压力变化显示模块的显示值不变，调整温控加热器(35)面板上的温度设定旋钮，通过逐级加热或逐级降温的方法改变气体(22)的温度，状态过程记录仪(40)自动记录气体(22)的温度值及其对应的体积值并自动生成气体状态特性的等压过程图表，按下打印选择键，通过外置的打印机打印出等压过程测试图表。