CN104849309B - 气体比热容比智能测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体比热容比智能测试仪及测试方法，该测试仪包括贮气单元，控制单元和注气单元，其中贮气单元包括贮气瓶，密封塞和导气管；控制单元包括差压传感器，温度传感器，数据采集单元，工控终端，触摸屏，电磁阀及电磁阀控制电路和电源模块；密封塞安装在贮气瓶上口，差压传感器和温度传感器的信号采集端分别插装于贮气瓶中，信号输出端分别与数据采集单元连接，数据采集单元与工控终端连接，该贮气瓶的密封塞上设置电磁阀，电磁阀经电磁阀控制电路与数据采集卡连接。本发明结合传感器测量技术对传统的绝热膨胀法进行改进，进行值的测量。可以有效避免人为判断所带来的误差，时刻记录数据能够更直观的反映出热学过程，加深实验者的理解。

Description

气体比热容比智能测试仪及测试方法

技术领域：

本发明涉及一种气体比热容比的测试方法，该方法可用于实验室进行气体比热容比测定，该方法可以有效避免人为判断所带来的误差，并便于时刻记录数据能够更直观的反映出热学过程，加深实验者的理解。

背景技术：

空气的比热容比γ又称气体的绝热指数，是空气的定压比热容与定容比热容的比值。它是一个重要的热力学常量，在热力学理论及工程技术的实际应用中起着重要的作用，例如声音在空气中的传播速度以及热机的循环效率都与γ有关。此外，测定γ值在研究气体系统的内能，气体分子的热运动以及分子内部的运动等方面都有着重大的作用。目前在普通物理实验中常用测量γ的方法有振动法和绝热膨胀法，这些传统的测量方法在实验过程中操作较为繁琐，而且不利于学生对于物理现象的直观理解。

发明内容：

本发明提供一种气体比热容比智能测试仪。

本发明另一目的是提供一种采用上述测试仪进行气体比热容比的测试方法。

本发明的具体技术方案如下：

气体比热容比智能测试仪，包括贮气单元，控制单元和注气单元(注射器)，其中贮气单元包括贮气瓶(玻璃瓶)，密封塞(橡皮塞)和导气管；控制单元包括差压传感器(风压变送器)，温度传感器(PT1000温度传感器)，数据采集单元(NET0724以太网数据采集卡)，工控终端(集成有以太网控制器，串口，SD卡控制器，USB Host控制器)，触摸屏，电磁阀及电磁阀控制电路和电源模块；密封塞安装在贮气瓶上口，差压传感器和温度传感器的信号采集端分别插装于贮气瓶中，信号输出端分别与数据采集单元连接，数据采集单元与工控终端连接，该贮气瓶的密封塞上设有电磁阀(用于控制进出气)，电磁阀经电磁阀控制电路与数据采集卡DO输出口连接。

电磁阀控制电路包括继电器、三级管、电阻、电容和二极管。

本发明中：

数据采集单元：选取NET0724以太网数据采集卡。该数据采集卡配置有8个光电隔离DI(数字输入开关量),8个光电隔离DO(数字输出开关量)；24位AD转换器；量程0-5V。

工控终端：集成有以太网控制器，串口，SD卡控制器，USB Host控制器，内建Windows CE操作系统；

触摸屏采用电容式触摸屏(ZCC-1943V1)，定点触摸不抖动，精度高；物理分辨率：800×480，6.5万色。

温度传感器选用的是PT1000铂电阻温度传感器，它的温度测量灵敏度高，线性好，测量范围0～50℃。

差压传感器选用风压变送器(CYH-130)，其灵敏度高、精度高、抗过载能力强，长期稳定可靠。

电源模块包括自制24V直流稳压源和24/5V开关电源(R1D-50B)，其中24V直流稳压源为差压传感器和温度传感器供电；24/5V开关电源为电磁阀和继电器供电。

电磁阀控制电路如图4，数据采集卡DO输出端输出一个3.3V的高电平后，经电阻R1、二极管D1、电容C1后使三极管Q1导通，继电器RL1上电吸合，导通电磁阀回路，电磁阀打开。当DO输出端输出低电平时，三极管无压降不导通，继电器不通电，处于常闭状态，电磁阀回路断开，电磁阀关闭。

本发明气体比热容比的测试方法，测试过程步骤如下：

1)、系统上电，启动气体比热容比测试仪；

2)、在工控终端上运行实验程序，电磁阀打开，贮气瓶内气体与外界大气相通，由注气单元将常温常压下的待测气体(P₀，T₀)通过电磁阀上导气管注入至容积为V₁的贮气瓶内；如果待测气体不为空气，需抽真空后注气；注入完毕后电磁阀将自动关闭，此时贮气瓶内气体状态为I(P₁，T₁，V₁)，断开注气单元与导气管，准备放气；；

3)、然后，贮气瓶内气体开始经历等容放热过程，采样贮气瓶内气体温度与外界大气的差压，待贮气瓶内气体温度降至室温T₀并稳定后，记录贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₂，此时贮气内气体为等容放热到状态II(P₂，T₀，V₁)；

4)、电磁阀打开，贮气瓶与外界大气相通经历绝热膨胀过程，随后电磁阀瞬间迅速关闭，此时贮气内气体为绝热膨胀到状态III(P₀，T₂，V₂)；

5)、贮气瓶内气体进入等容升温过程，采样贮气瓶内温度和与外界大气压的差压，待贮气瓶内气体温度回升至室温T₀并稳定后，记录贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₃，此时贮气内气体为等容升温到状态IV(P₃，T₀，V₂)；

6)、由以下公式计算待测气体的比热容比γ，

绝热膨胀过程，满足理想气体绝热方程：

等容吸热过程，满足理想气体状态方程：

所以

两边取对数后整理得：

令ΔP₂＝P₂-P₀,ΔP₃＝P₃-P₀,

当ΔP₂＜＜P₀,ΔP₂-ΔP₃＜＜P₀时，

整理可得γ＝ΔP₂/(ΔP₂-ΔP₃)

由此测出贮气瓶内气体在绝热膨胀前与大气压的差压ΔP₂，及放气后经等容吸热回升至室温时的差压ΔP₃，即而计算出待测气体的比热容比γ。

该方法还包括以下步骤：

测试过程中，温度和压力的采样周期均为0.5-2.0次/秒，采样得到的温度和压差值，实时显示在液晶屏上；

以采样时间为横作标，采样温度为纵作标，生成温度曲线图；以采样时间为横作标，采样差压为纵作标，生成差压曲线图；以及由采样温度为横作标，采样差压为纵作标，生成温度与差压合成图；

对于步骤3时段生成的温度曲线，对采样时间连续求导，当导数值连续多次为0时，表示此时温度达到环境温度；并将其后1-5分钟内所采集的差压取平均值，作为当前状态的差压值，并显示的液晶屏上；

步骤3)结束后，系统向数据采集单元的DO输出端输出一个高电平；控制电路中三极管导通，继电器通电吸合打开电磁阀(持续时间0.4-3S)，然后自动关闭电磁阀。

实验结束后，仪器将自动与外界通气一段时间，方便下次使用。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明结合传感器测量技术对传统的绝热膨胀法进行改进，进行γ值的测量。可以有效避免人为判断所带来的误差，时刻记录数据能够更直观的反映出热学过程，加深实验者的理解。

1、本发明的测试仪设计巧妙，可以减小实验误差，而且生成相关数据由液晶屏显示，直观清楚，方便学生观察理解，并且重复性好。

2、本发明的测试方法，采用自动控制，自动生成相关图表，并实时显示实验过程中瓶内气体的温度以及与外界大气压的差压数值。在提高测试精确度的同时，方便了学生直观地观测实验数据，提高了实验的操作性。

本发明的工作原理，如图3所示：

该仪器的功能为测定空气比热容比，也可以测试其他各种气体的比热容比。下面介绍运用本实验仪器测定空气比热容比方法的实验原理：

实验时我们让常温常压即(P₀，T₀)下的一定质量的气体压入玻璃瓶内，此时瓶内气体到达状态I(P₁，T₁，V₁)，然后气体等容放热到状态II(P₂，T₀，V₁)，再从此状态绝热膨胀到状态III(P₀，T₂，V₂)，因为是绝热膨胀，所以此时温度降低了，最后让气体等容升温到状态IV(P₃，T₀，V₂)。

其中绝热压缩和等容吸热过程对测量值γ没有直接影响，这两个过程的目的是获取温度等于环境温度T₀的压缩空气，同时可以观察气体在绝热压缩过程及等容放热过程中的状态变化。对测量结果有直接影响的是后两个过程。

绝热膨胀过程，满足理想气体绝热方程：

等容吸热过程，满足理想气体状态方程：

所以

两边取对数后整理得：

令ΔP₂＝P₂-P₀，ΔP₃＝P₃-P₀，

当ΔP₂＜＜P₀，ΔP₂-ΔP₃＜＜P₀时，

整理可得γ＝ΔP₂/(ΔP₂-ΔP₃)

所以只要测出瓶内气体在绝热膨胀前与大气压的差压及放气后经等容吸热回升至室温时的差压，即可计算出空气的比热容比γ。

附图说明:

图1为本发明的硬件连接图。

图2为本发明方法的主控流程图。

图3为本发明原理图。

图4为本发明电磁阀控制电路图。

图5为应用实例一的测试过程生成的温度曲线图。

图6为应用实例一的测试过程生成的差压曲线图。

图7为应用实例一的测试过程生成的温度差压曲线图。

具体实施方式：

实施例一：

如图1所示，本发明气体比热容比智能测试仪包括贮气单元，控制单元和注气单元(注射器)，其中贮气单元包括贮气瓶(玻璃瓶)，密封塞(橡皮塞)和导气管；控制单元包括差压传感器(风压变送器)，温度传感器(PT1000温度传感器)，数据采集单元(NET0724以太网数据采集卡)，工控终端(集成有以太网控制器，串口，SD卡控制器，USBHost控制器)，触摸屏，电磁阀及电磁阀控制电路和电源模块；密封塞安装在贮气瓶上口，差压传感器和温度传感器的信号采集端分别插装于贮气瓶中，信号输出端分别与数据采集单元连接，数据采集单元与工控终端连接，该贮气瓶的密封塞上设置所述电磁阀(用于控制进出气)，该电磁阀经电磁阀控制电路与数据采集卡连接。电磁阀控制电路如图4所示。电磁阀控制电路包括电继电器、三级管、电阻、电容和二极管。

实施例二：

本发明气体比热容比的测试方法，测试过程步骤如下，如图2所示：

1)、系统上电，启动气体比热容比测试仪；

2)、在工控终端上运行实验程序，电磁阀打开，贮气瓶内气体与外界大气相通，由注气单元将常温常压下的待测气体(P₀，T₀)通过电磁阀上导气管注入至容积为V₁的贮气瓶内；如果待测气体不为空气，需抽真空后注气；注入完毕后电磁阀将自动关闭，此时贮气瓶内气体状态为I(P₁，T₁，V₁)，断开注气单元与导气管，准备放气；；

3)、等容放热过程:上步后,贮气瓶内气体开始经历等容放热过程，采样贮气瓶内气体温度与外界大气的差压，待贮气瓶内气体温度降至室温T₀并稳定后，记录贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₂，此时贮气内气体为等容放热到状态II(P₂，T₀，V₁)；

4)、绝热膨胀过程:上步后,电磁阀打开，贮气瓶与外界大气相通经历绝热膨胀过程，随后电磁阀瞬间迅速关闭，此时贮气内气体为绝热膨胀到状态III(P₀，T₂，V₂)；

5)、等容升温过程:上步后,贮气瓶内气体进入等容升温过程，采样贮气瓶内温度和与外界大气压的差压，待贮气瓶内气体温度回升至室温T₀并稳定后，记录贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₃，此时贮气内气体为等容升温到状态IV(P₃，T₀，V₂)；

6)、由以下公式计算待测气体的比热容比γ，

绝热膨胀过程，满足理想气体绝热方程：

等容吸热过程，满足理想气体状态方程：

所以

两边取对数后整理得：

令ΔP₂＝P₂-P₀，ΔP₃＝P₃-P₀，

当ΔP₂＜＜P₀，ΔP₂-ΔP₃＜＜P₀时，

整理可得γ＝ΔP₂/(ΔP₂-ΔP₃)

由此测出贮气瓶内气体在绝热膨胀前与大气压的差压ΔP₂，及放气后经等容吸热回升至室温时的差压ΔP₃，即而计算出待测气体的比热容比γ。

该方法还包括以下步骤：

测试过程中，温度和压力的采样周期均为0.5-2.0次/秒，采样得到的温度和压差值，实时显示在液晶屏上；

测试过程中，以采样时间为横作标，采样温度为纵作标，生成温度曲线图；以采样时间为横作标，采样差压为纵作标，生成差压曲线图；以及由采样温度为横作标，采样差压为纵作标，生成温度与差压合成图；

对于步骤3)时段生成的温度曲线，对采样时间连续求导，当导数值连续多次为0时，表示此时温度达到环境温度；并将其后1-5分钟内所采集的差压取平均值，作为当前状态的差压值，并显示的液晶屏上；

步骤3)结束后，系统向数据采集单元的DO输出端输出一个高电平；控制电路中三极管导通，继电器通电吸合打开电磁阀(持续时间0.4-3S)，然后自动关闭电磁阀。

实验结束后，仪器将自动与外界通气一段时间，方便下次使用。

应用实例一：

采用本发明测试仪，按实施例2的步骤进行空气比热容比的测定,测定数据如下：

本次测量所得差压ΔP₂为1252.525pa，差压ΔP₃为296.988pa，ΔP₂-ΔP₃＝1252.525-296.988＝955.537pa，所以空气比热容比值γ＝1.3108。下面对以上图表作简要说明以及相关解释。

测定过程中，以采样时间为横作标，采样差压为纵作标，生成贮气瓶内气压与外界大气压的差压曲线图,如图6所示；

测定过程中，以采样时间为横作标，采样温度为纵作标，生成贮气瓶内气体温度曲线图，如图5所示；

图6与图5分别为贮气瓶内气压与外界大气压的差压曲线图和贮气瓶内气体温度曲线图。

两图表的横坐标都为时间，两图中第一急剧上升段为绝热压缩过程，第二缓慢下降至平缓段(如BC段)为等容放热过程，第三急剧下降段(如CD段)为绝热膨胀过程，第四缓慢上升段(如DE段)为等容吸热过程，所以对应的四个热力学过程清晰可见。

图7为测试过程的温度与差压的合成图，通过此图能对热力学过程及实验结果进行大致的检验，并且由此分析实验数据，可得知实验误差来源，从而对实验进行改进完善。

图7中，温度和差压图有两个环，环ABC出现于绝热压缩过程后，环DEF出现于绝热膨胀过程后，其中BC段和DE段出现了温度与差压反向变化的反常情况。由PV＝νRT可知温度和压强必定是同向变化的，所以这里考虑是测温铂电阻的反应时间问题。绝热压缩过程中瓶内气体实际温度迅速升高，打气结束后实际气体压强和温度便会马上降低。而实际测温的铂丝是绕在骨架上的，外围还包有其他材料，铂丝感应到瓶内温度的变化需要一定时间，因此出现压强读数减小，而温度却仍在上升的现象。同理，在绝热膨胀结束后，出现压强增大，温度继续降低的现象，也是由于这个原因。如果温度不升高，压强绝对不会无缘故的上升，因而此时实际气体温度已处于上升阶段，但测量值滞后了。如下表，记录的贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₂组别；记录的贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₃组别，空气的比热容比值γ，该热力学过程更直观、清晰。

Claims (4)

1.一种气体比热容比的测试方法，该方法包括如下步骤：

该方法采用气体比热容比智能测试仪进行测量，它包括贮气单元，控制单元和注气单元，其中贮气单元包括贮气瓶，密封塞和导气管；控制单元包括差压传感器，温度传感器，数据采集单元，工控终端，触摸屏，继电器，三极管和电源模块；密封塞安装在贮气瓶上口，差压传感器和温度传感器的信号采集端分别插装于贮气瓶中，信号输出端分别与数据采集单元连接，数据采集单元与工控终端连接，该贮气瓶的密封塞上设有电磁阀，电磁阀经继电器、三极管与工控终端连接；

1)、系统上电，启动气体比热容比测试仪；

2)、在工控终端上运行实验程序，电磁阀打开，贮气瓶内气体与外界大气相通，由注气单元将常温常压下的待测气体(P₀,T₀)通过电磁阀上导气管注入至容积为V₁的贮气瓶内；如果待测气体不为空气，需抽真空后注气；注入完毕后电磁阀将自动关闭，此时贮气瓶内气体状态I(P₁,T₁,V₁)；

3)、然后，贮气瓶内气体开始经历等容放热过程，采样贮气瓶内气体温度与外界大气的差压，待贮气瓶内气体温度降至室温T₀并稳定后，记录贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₂，此时贮气内气体为等容放热到状态II(P₂,T₀,V₁)；

4)、电磁阀打开，贮气瓶与外界大气相通经历绝热膨胀过程，随后电磁阀瞬间迅速关闭，此时贮气内气体为绝热膨胀到状态III(P₀,T₂,V₂)；

5)、贮气瓶内气体进入等容升温过程，采样贮气瓶内温度和与外界大气压的差压，待贮气瓶内气体温度回升至室温T₀并稳定后，记录贮气瓶内气体压力与外界大气压的差值ΔP₃，此时贮气内气体为等容升温到状态IV(P₃,T₀,V₂)；

6)、由以下公式计算待测气体的比热容比γ，

绝热膨胀过程，满足理想气体绝热方程：

等容吸热过程，满足理想气体状态方程：

所以

两边取对数后整理得：

令ΔP₂＝P₂-P₀,ΔP₃＝P₃-P₀,

当ΔP₂＜＜P₀,ΔP₂-ΔP₃＜＜P₀时，

整理可得γ＝ΔP₂/(ΔP₂-ΔP₃)

由此测出贮气瓶内气体在绝热膨胀前与大气压的差压ΔP₂，及放气后经等容吸热回升至室温时的差压ΔP₃，即而计算出待测气体的比热容比γ。

2.根据权利要求1所述测试方法，其特征是：该方法还包括以下步骤：测试过程中，温度和压力的采样周期均为0.5-2.0次/秒，采样得到的温度和压差值，实时显示在液晶屏上。

3.根据权利要求1所述测试方法，其特征是：该方法还包括以下步骤：步骤3)和步骤5)中，以采样时间为横作标，采样温度为纵作标，生成温度曲线图；以采样时间为横作标，采样差压为纵作标，生成差压曲线图；以及由采样温度为横作标，采样差压为纵作标，生成温度与差压合成图；步骤3)中，利用生成的温度曲线，对采样时间连续求导，当导数值连续多次为0时，表示此时温度达到环境温度；并将其后1-5分钟内所采集的差压取平均值，作为当前状态的差压值，并显示的液晶屏上。

4.根据权利要求1所述测试方法，其特征是：该方法还包括以下步骤：步骤3)结束后，系统向数据采集单元的DO输出端输出一个高电平；控制电路中三极管导通，继电器通电吸合打开电磁阀，然后自动关闭电磁阀；实验结束后，仪器将自动与外界通气一段时间，方便下次使用。