一种测空气相对压力系数的自动实验与分析装置的制作方法

本发明涉及一种测量技术，特别是一种测空气相对压力系数的自动实验与分析装置。

背景技术：

用传感器测空气相对压力系数是大学物理大纲给定的实验，涉及学校和专业相当广。现有实验操作方法使用几十年，基本上通过手工操作来完成实验过程，如图1所示。实验方法是先完成压差传感器的定标，确定扩散硅压阻式传感器压差为零时的输出电压Uo和线性比例系数Kp。结合图9，缓慢转动三通活塞，使差压传感器的C扣与B管相通而A泡断开，这时C通大气。将塑料管G接在接头H上使D口与机械泵相连。将四位半数字电压表接在差压传感器的的输出端3和4上。启动机械泵，从D口抽气。待真空表指针偏转到760mm刻度附近不动时，此时D口气压可视为零，压差⊿P＝Pc，差压传感器的输出电压为Um。然后停止机械泵，从接头H上拔去塑料管G，使D口也通大气。此时⊿P0＝0，数字电压表的读数为U0。然后测量压力传感器信号随温度变换的关系。缓慢转动三通活塞使C口与A泡相通。记录室温下的铜丝电压值Ut和压差传感器的输出电压值Up，调节恒流源对铜丝加热，记录温度升高过程中铜丝电压值Ut和压差传感器的输出电压值Up之间的关系(Ut，Up)。从而绘出反应空气相对压力系数的Ut-Up关系曲线。

以上操作基本上通过手工方式完成实验操作和测量，其存在问题是多次重复操作效率低且容易出错；采用手动调节恒流源对铜丝加热来进行温度控制，这种控温方法，由于采用开环方式控制精度低，无法保证气泡内温度的热平衡；加热时需要使用搅拌器手动进行搅拌，控制好热平衡，以保证读数准确，如果局部升温很快，会导致Ut和Up不断变换，无法记录数据。数据采集与分析由人工完成，操作周期长，效率低，出现问题需要事后处理，实验过程数据不能实时采集、处理、分析和显示，整个实验过程远远落后于现代实验方法和测量技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测空气相对压力系数的自动实验与分析装置，该装置能够自动进行气路切换、测温控温、判定实验状态并完成温度和压力数据采集和分析，可大大提高实验过程的自动化程度和实验数据准确性，简化了操作，显示直观，提高了实验效果。

一种测空气相对压力系数的自动实验与分析装置，包括烧杯、电机、搅拌叶片、气泡、加热棒组件、测温模块、电磁换向阀、压力检测装置、压力检测模块、电磁铁驱动单元、机械泵驱动单元、机械泵、PWM控制单元、搅拌电机驱动单元、MCU单元；其中搅拌叶片设置于盛有液体的烧杯中且通过电机、搅拌电机驱动单元驱动旋转，气泡设置于烧杯内切通过输出管道与电磁换向阀第一端口连接，加热棒组件设置于烧杯内，测温模块分为两路，其中一路为设置于烧杯内的温度计且另一路与加热棒组件连接，压力检测装置与电磁换向阀第二端口连接，压力检测模块与压力检测装置连接，电磁铁驱动单元与电磁换向阀的电磁线圈连接，机械泵与电磁换向阀第三端口连接，机械泵驱动单元与机械泵连接，PWM控制单元与加热棒组件连接，MCU单元分别与测温模块、压力检测模块、电磁铁驱动单元、机械泵驱动单元、PWM控制单元、搅拌电机驱动单元连接；所述电磁换向阀在电磁铁驱动单元的作用下具有两个工作位，其中第一工作位时机械泵与压力检测装置联通，第二工作位时气泡与压力检测装置联通。

采用上述装置，装置还包括与MCU单元连接的声光报警单元、LCD显示单元、USB驱动单元、键盘。

本发明现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明测温模块和压力检测装置，可同步自动完成压力-温度数据的测量，而无需进行手工调节；利用MCU单元对测温模块反馈的温度数据进行分析和处理，然后通过PWM驱动单元对加热棒组件进行闭环控制，对烧杯内水的温度控制更加准确。

(2)本发明通过加热棒组件与测温模块连接，能有效监控温度防止电热丝干烧；利用LCD显示屏能及时显示温度等数据；利用USB驱动单元能实现与上位机的通信，由上位机对其进行控制并对采集数据进行分析处理；利用声光报警器对异常工作装置进行报警提示；利用键盘输入实验参数控制实验的过程。

(3)本发明测空气相对压力系数的自动实验与分析装置能准确、有序地自动进行实验操作并完成数据采集、分析和显示，提高了对温度控制的精度，实验过程更加方便，操作更加简单，极大地提高了实验效率；且由于实验测试任务自动化进行，可以提高实验的准确性，将实验人员从繁琐的工作中解脱出来投入更多精力对实验结果进行分析和研究；保障了每次实验结果和执行内容的一致性，从而达到了实验的可重复性和准确性。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明测空气相对压力系数的自动实验与分析装置的结构示意图。

图2为发明测空气相对压力系数的自动实验与分析装置的系统框图。

图3为图1中加热棒组件的结构示意图。

图4为图1中双路测温模块框图。

图5为温度测量的信号调理电路示意图。

图6为压力测量的信号调理电路示意图。

图7为图2中PWM驱动加热系统的控制框图。

图8为空气相对压力系数的P-t曲线图。

图9为现有技术结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明测空气相对压力系数的自动实验与分析装置包括：搅拌电机1、夹具装置3、烧杯4、搅拌叶片5、支架14、气泡6、加热棒组件7、机械泵17、两位五通电磁换向阀9、压力检测装置10、压力检测模块11、电磁铁驱动单元12、机械泵驱动单元13、PWM控制单元15、测温模块8、搅拌电机驱动单元16。

如图2所示，本发明测空气相对压力系数的自动实验与分析系统包括：MCU单元20、LCD显示单元21、键盘22、声光报警单元23、USB驱动单元24。MCU单元20具有PWM输出、SPI通讯、USB驱动单元及相关功能，且具有数据掉电保护功能。其中PWM输出是一个占空比动态调节的过程，SPI通讯可连续测量多路RTD信号。烧杯4用来存放水。固定支架5用来固定烧杯4、搅拌组件5和RTD传感器2。RTD传感器2竖直插入烧杯中，RTD传感器2的温度信号输出与双路测温模块8的输入相连。加热棒组件7斜插入烧杯底部，加热棒组件7一路温度信号输出与单路测温模块6输入相连，加热棒组件7一路加热输入与PWM驱动单元15输出相连。MCU单元20输入端与双路测温模块8相连，输出端与PWM驱动单元15相连。USB驱动单元24与MCU单元20相连。MCU单元20的输出端分别与LCD显示屏21和声光报警单元23相连。键盘22与MCU单元20的输入端相连。

结合图3，上述加热棒组件7包括：

外管71、电热丝72、导热硅胶73和RTD测温传感器74。电热丝72接收MCU单元20的PWM驱动的输出信号进行数控加热，外管71内腔填充的导热硅胶73将电热丝72的热量传递给液体，RTD测温传感器74模块测量液体的温度并通过SPI接口与MCU单元20通信，实现加热温度的闭环控制。

结合图4，上述双路测温模块8包括：恒流源81、参考电压82、RTD接入端83、RTD接入端84、信号放大与A/D模块85。恒流源81(LM334)产生恒流信号(400uA)输出与参考电压82输入相连并得到2.5V参考电源，参考电压82输出与信号放大与A/D模块86(AD7705)输入相连。恒流源81产生恒流信号输出经参考电压82给RTD接入端83输入偏置电流，RTD接入端83产生温度信号与信号放大与A/D模块85输入(通道1)相连。恒流源81产生恒流信号输出经参考电压82给RTD接入端84输入偏置电流，RTD接入端84产生温度信号与信号放大与A/D模块85输入(通道2)相连。信号放大与A/D模块85对接收温度信号进行放大与A/D变换并通过SPI总线与MCU单元20输入相连。

结合图5和图6，温度信号和压力信号均为微弱信号，可采用高增益、低扰动的测量放大器。

结合图5，设T1为烧杯中水的温度，T2为加热器内腔温度，T3为加热器内外腔度差T3＝T1-T2，温度差T3变化率⊿T3/⊿t，利用PWM进行驱动加热的控制方式为：从伸入水中的加热器(加热棒组件7)进行温度反馈(T3及⊿T3)，将其与干烧判定dmax进行误差比较分析,经过温度D调节单元((对T3信号进行微分数值分析)后产生T3的微分信号⊿T3/⊿t，如

表示加热棒组件7处于异常工作状态，不能使用PWM驱动单元进行加热；如

使用PWM驱动单元进行加热。

从伸入水中的TD传感器中进行温度反馈T1、T2及⊿T3，将其与热平衡状态条件进行误差比较分析，通过温度PI调节单元实现对PWM驱动单元进行控制，其控制电压为

控制条件为u₂(t)＜d_Δ。其中K_p为比例因子，d_△为加热棒内外腔温度差的最大允许误差控制值。

该测空气相对压力系数的自动实验与分析装置在进行实验时，MCU单元20的输出与机械泵驱动13单元的输入相连，机械泵驱动单元13的输出与机械泵17的输入相连；MCU单元20的输出与电磁驱动单元11的输入相连，电磁驱动单元11的输出与电磁换向阀的输入相连，由此构成实验装置的管路切换与真空抽气结构。

MCU单元20输出PWM调制信号与PWM驱动单元15输入相连，PWM驱动单元15输出与加热棒组件7输入相连，使加热棒组件7给水加热，结合图4，加热棒组件7内置的TD测温传感器74采集温度信号输出与双路测温模块8输入相连，双路测温模块8温度数据输出与MCU单元20输入相连，由此构成水的闭环加热与温度控制系统。TD传感器2采集水的温度信号输出与双路测温模块8输入相连，双路测温模块8温度数据输出与MCU单元20输入相连。压力检测装置10的输出与压力检测模块11的输入相连，压力检测模块8的输出与MCU单元20的输入相连。

MCU单元20对数据进行分析、处理和储存，并将输出与LCD显示屏21输入相连，LCD显示屏21显示实验数据和曲线。MCU单元20在检测到实验装置工作状态异常时，输出报警控制信号与声光报警器23输入相连。MCU单元20将采集的数据经USB驱动单元24输出上传至上位机，上位机对数据进行进一步处理，并通过USB驱动单元24控制主控器MCU单元20进行实验操作。键盘22用来控制实验的过程与参数。

开始实验时，首先，MCU单元20输出通过电磁铁驱动单元12控制电磁换向阀9右位工作，此时机械泵17与压力传感器10的一端相连，待机械泵将压力传感器的一端抽成近真空时(真空表读数为760mm)，按下按钮，MCU单元20通过AD采样功能记下压力传感器的一端真空、一端大气压的状态下输出电压Um；然后MCU单元20的输出通过电磁铁驱动单元11使得电磁换向阀9失电，在弹簧弹性恢复力作用下，电磁换向阀9左位工作。气泡6的输出管与压力传感器10的一端相连，MCU单元20通过AD采样功能测得压力传感器在两路输入端压差为零时的输出电压U0。根据Um、U0和Pc计算出算出线性比例系数Kp。从而可以根据所测的电压值U换算成对应的压力值P。同时测得实时的温度值，即可得到P-t曲线。