CN106198304A - 饱和蒸汽压力和温度关系测定装置 - Google Patents

Abstract

一种饱和蒸汽压力和温度关系测定装置。主要目的在于提供一种实验装置，利用该实验装置可以在实验室内实现对饱和蒸汽压力和温度关系的精准测定。其特征在于：所述装置还包括一块数字电压表、数字电流表、压力测量控制器、温度测量控制器、主副加热器、A/D转换器、微电脑智能微型打印机、压力变送器、温度传感器以及安全阀；饱和蒸汽发生器的形状为圆筒状，由外至内分别为饱和蒸汽发生器壳体、保温层和管状压力瓶；管状压力瓶的内腔为压力容器饱和蒸汽空腔，在管状压力瓶外，在保温层的内侧置有双芯U形加热器，由主加热器和副加热器的发热元件分别嵌入两根互相不连通的不锈钢管中构成双芯，双芯U形加热器沿着管状压力瓶的外壁蛇形分布。

Description

饱和蒸汽压力和温度关系测定装置

技术领域

本发明涉及一种应用于工程热力学实践教学领域中对饱和蒸汽压力和温度关系进行测定的实验装置。

背景技术

当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，并和容器壁以及液面发生碰撞，在和液面碰撞时，有的分子则被液体分子所吸引，而重新返回液体中成为液体分子。开始蒸发时，进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目，随着蒸发的继续进行，空间蒸汽分子的密度不断增大，因而返回液体中的分子数目也增多。当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时，则蒸发与凝结处于动平衡状态，这时虽然蒸发和凝结仍在进行，但空间中蒸汽分子的密度不再增大，此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体，其对应的蒸汽是饱和蒸汽，饱和蒸汽产生的压力就是饱和压力，其对应的温度是饱和温度。饱和蒸汽压力和温度关系的测定是《工程热力学》实践教学中非常重要的一个实验，通过观察饱和蒸汽压力和温度的变化关系，可以加深学生对饱和状态的理解。但是，现有的实验装置过于老旧，不能给学生以直观的实验结果显示，而且也不能实现数据的直接输出。同时，当达到饱和状态时不能实现有效调节，难以控制饱和状态的现象被长时间维持。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种饱和蒸汽压力和温度关系测定装置，该种饱和蒸汽压力和温度关系测定装置结构简单，利用了现有的电子技术仪表构建了一个构思精巧的实验装置，可以实现直接测试结果的输出，同时在该装置中设有两个加热器，当饱和蒸汽发生器温度达到设定控制值时，主加热器断电停止加热，由副加热器继续维持饱和状态不变。

本发明的技术方案是：该种饱和蒸汽压力和温度关系测定装置，包括电路启停控制单元、加热器调压电路以及饱和蒸汽发生器，在这些常规单元的基础上，本发明独特之处在于：

所述装置还包括一块数字电压表、一块数字电流表、一台压力测量控制器、一台温度测量控制器、主加热器、副加热器、A/D转换器、微电脑智能微型打印机、压力变送器、温度传感器以及安全阀；

所述饱和蒸汽发生器的形状为圆筒状，由外至内分别为饱和蒸汽发生器壳体、保温层和管状压力瓶；所述管状压力瓶的内腔为压力容器饱和蒸汽空腔，在所述管状压力瓶外，在所述保温层的内侧置有双芯U形加热器，所述双芯U形加热器由不锈钢材料制成，由所述主加热器和副加热器的发热元件分别嵌入两根互相不连通的不锈钢管中构成双芯，所述双芯U形加热器沿着所述管状压力瓶的外壁蛇形分布；所述饱和蒸汽发生器壳体的左右两端分别通过两个结构相同的密闭单元与所述饱和蒸汽发生器壳体通过锁紧螺栓连接后实现密封锁紧，所述密闭单元由內至外分别由高温高压密封垫圈、观察窗高压玻璃、观察窗法兰盘压板、观察孔外壳挡圈以及观察窗安全保护罩构成；观察窗高压玻璃和观察窗安全保护罩均为耐高温高压的透明材质制成，观察窗高压玻璃被观察窗法兰盘压板压紧在所述管状压力瓶两端的台阶面上，通过小螺丝紧固，观察窗安全保护罩被紧固螺栓锁紧在所述饱和蒸汽发生器的端部台阶面上；

由导热材料制成的导热管贯穿所述饱和蒸汽发生器壳体、保温层和管状压力瓶的一侧壁，导热管的底部位于压力容器饱和蒸汽空腔内的中段，在所述导热管中置入温度传感器，所述温度传感器采用片状形微型铂电阻制成，为所述温度测量控制器中测温惠斯登电桥的一个臂；

内置有压力感应弹性元件的压力表管路接头贯穿所述饱和蒸汽发生器壳体和保温层，与所述管状压力瓶的侧壁相触；所述压力表管路接头上端依次连接安全阀、管路缓冲器、放气阀和压力变送器；

在所述饱和蒸汽发生器壳体上固定有加热电源输入插座、饱和压力信号输出插孔和饱和温度信号输出插孔；所述加热电源输入插座的输出端分别与所述主加热器、副加热器的工作电源输入端相连接，所述饱和压力信号输出插孔的信号输入端与所述压力变送器的信号输出端相连接，所述饱和温度信号输出插孔的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端相连接；

所述压力测量控制器和温度测量控制器内部均设有自动控制继电器以实现对饱和蒸汽压力和温度的自动控制；饱和温度控制由温度测量控制器完成，压力测量控制器内的J2自动控制继电器被设定最高值，饱和压力控制由压力测量控制器完成，温度测量控制器内的J1自动控制继电器触点被设定为最高值；

由所述加热器调压电路加热电源输出端输出的电源信号经过导线连接引入至所述加热电源输入插座；由所述饱和压力信号输出插孔引出的信号线连接至所述压力测量控制器的压力信号输入端，由所述饱和温度信号输出插孔引出的信号线连接至所述温度测量控制器的温度信号输入端；

所述数字电压表和数字电流表接入电路中用来监控饱和蒸汽发生器加热功率大小；所述压力测量控制器和温度测量控制器输出的模拟量信号，被送入所述A/D转换器，经A/D转换的模拟量信号转变成数字量信号，经由所述A/D转换器中的数据采集电路把信号送至所述微电脑智能微型打印机，以实现饱和蒸汽P-T关系曲线的打印。

所述主加热器和副加热器发热元件的加热丝采用耐高温的合金电阻丝，在此合金电阻丝外套有高强度耐高温的微型瓷管，主加热电阻丝和副加热电阻丝被共同装入矩形不锈钢管内，在所述矩形不锈钢管内加入高密度石英砂，经过模具加压处理成型。

本发明具有如下有益效果：本种饱和蒸汽压力和温度关系的测定装置，利用了原有部分实验装置的结构并结合现有的电子技术仪表构建，包括数字电压表、数字电流表以及上润仪表有限公司生产的智能数字显示控制仪，结合了A/D转换器、打印机等，构思精巧，可以实现直接测试结果的输出。同时在该装置中设有两个加热器，由电子技术仪表根据采集到的信号控制这两个加热器，当饱和蒸汽发生器温度达到设定控制值时，主加热器断电停止加热，由副加热器继续维持饱和状态不变。

附图说明：

图1是本发明所述饱和蒸汽压力和温度关系测定装置的系统结构图。

图2是本发明所述饱和蒸汽发生器的结构示意图。

图中1-数字电压表，2-数字电流表，3-压力测量控制仪表，4-温度测量控制仪表，5-加热器电源输入插座，6-饱和压力信号输出插座，7-饱和温度信号输出插座，8-饱和发生器箱体，9-饱和发生器管状压力容器，10-双芯U盘形不锈钢特别加热器，11-耐高温保温材料，12-压力表管路接头，13-管路缓冲器，14-饱和蒸汽压力变送器，15-放气阀，16-饱和蒸汽温度传导器，17-饱和蒸汽温度测量导热管，18-压力容器饱和蒸汽空腔，19-压力容器管壳体，20-观察窗法兰盘压板，21-观察窗紧固密封压紧螺丝，22-高温高压密封垫圈，23-观察窗高压玻璃，24-观察孔外壳挡圈，25-观察窗安全保护屏，26-液体，27-安全阀，28-饱和蒸汽发生器箱体支脚。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1结合图2所示，该种饱和蒸汽压力和温度关系测定装置，包括电路启停控制单元、加热器调压电路以及饱和蒸汽发生器，其特征在于：

所述装置还包括一块数字电压表1、一块数字电流表2、一台压力测量控制器3、一台温度测量控制器4、主加热器、副加热器、A/D转换器、微电脑智能微型打印机、压力变送器14、温度传感器16以及安全阀27；

所述饱和蒸汽发生器的形状为圆筒状，由外至内分别为饱和蒸汽发生器壳体8、保温层11和管状压力瓶9；所述管状压力瓶的内腔为压力容器饱和蒸汽空腔18，在所述管状压力瓶外，在所述保温层的内侧置有双芯U形加热器10，所述双芯U形加热器由不锈钢材料制成，由所述主加热器和副加热器的发热元件分别嵌入两根互相不连通的不锈钢管中构成双芯，所述双芯U形加热器沿着所述管状压力瓶的外壁呈蛇形分布；所述饱和蒸汽发生器壳体的左右两端分别通过两个结构相同的密闭单元与所述饱和蒸汽发生器壳体通过锁紧螺栓连接后实现密封锁紧，所述密闭单元由內至外分别由高温高压密封垫圈22、观察窗高压玻璃23、观察窗法兰盘压板21、观察孔外壳挡圈24以及观察窗安全保护罩25构成，液体26置于压力容器饱和蒸汽空腔中；观察窗高压玻璃和观察窗安全保护罩均为耐高温高压的透明材质制成，观察窗高压玻璃被观察窗法兰盘压板压紧在所述管状压力瓶两端的台阶面上，通过小螺丝紧固，观察窗安全保护罩被紧固螺栓锁紧在所述饱和蒸汽发生器的端部台阶面上；

由导热材料制成的导热管17贯穿所述饱和蒸汽发生器壳体、保温层和管状压力瓶的一侧壁，导热管的底部位于压力容器饱和蒸汽空腔内的中段，在所述导热管中置入温度传感器16，所述温度传感器采用片状形微型铂电阻制成，为所述温度测量控制器中测温惠斯登电桥的一个臂；

内置有压力感应弹性元件的压力表管路接头12贯穿所述饱和蒸汽发生器壳体和保温层，与所述管状压力瓶的侧壁相触；所述压力表管路接头上端依次连接安全阀27、管路缓冲器13、放气阀15和压力变送器14；

在所述饱和蒸汽发生器壳体上固定有加热电源输入插座5、饱和压力信号输出插孔6和饱和温度信号输出插孔7；所述加热电源输入插座的输出端分别与所述主加热器、副加热器的工作电源输入端相连接，所述饱和压力信号输出插孔的信号输入端与所述压力变送器的信号输出端相连接，所述饱和温度信号输出插孔的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端相连接；

所述压力测量控制器和温度测量控制器内部均设有自动控制继电器以实现对饱和蒸汽压力和温度的自动控制；饱和温度控制由温度测量控制器完成，压力测量控制器内的J2自动控制继电器被设定最高值，饱和压力控制由压力测量控制器完成，温度测量控制器内的J1自动控制继电器触点被设定为最高值；

由所述加热器调压电路加热电源输出端输出的电源信号经过导线连接引入至所述加热电源输入插座；由所述饱和压力信号输出插孔引出的信号线连接至所述压力测量控制器的压力信号输入端，由所述饱和温度信号输出插孔引出的信号线连接至所述温度测量控制器的温度信号输入端；

所述数字电压表和数字电流表接入电路中用来监控饱和蒸汽发生器加热功率大小；所述压力测量控制器和温度测量控制器输出的模拟量信号，被送入所述A/D转换器，经A/D转换的模拟量信号转变成数字量信号，经由所述A/D转换器中的数据采集电路把信号送至所述微电脑智能微型打印机，以实现饱和蒸汽P-T关系曲线的打印。

具体实施时，所述主加热器和副加热器发热元件的加热丝可采用耐高温的合金电阻丝，在此合金电阻丝外套有高强度耐高温的微型瓷管，主加热电阻丝和副加热电阻丝被共同装入矩形不锈钢管内，在所述矩形不锈钢管内加入高密度石英砂，经过模具加压处理成型。

本方案进行验证实验时，选用的压力测量控制器和温度测量控制器分别为上润仪表有限公司生产的WP-C403-17-18-HL型智能数字显示控制仪和WP-C403-17-08-HL型智能数字显示控制仪。

本发明的工作过程如下：

如图1所示，交流电源220V经保险KD输入XD红色指示灯亮启，表示电路输入端电源有电。这时按启动按钮QA使C线圈通电，C1触点吸合，输入控制电路工作。这时按TA按钮C线圈断电C1触点不吸合，输入控制电路停止工作，控制电路工作时XD绿色指示灯亮启。智能数字仪表电源接通，仪表处于待命工作状态。

加热器调压电路是调节饱和蒸汽发生器电加热器电阻丝电功率大小设定，由W可调电位器调节，来实现电加热器功率大小调节。电加热器设定两个加热器，RL2主加热器600W，RL1副加热器100W。

饱和蒸汽控制状态有两种方法：第一种是饱和温度控制方法，第二种是饱和压力控制方法。两种控制方法均由压力测量控制器和温度测量控制器配合实现。本例中选用的压力测量控制器和温度测量控制器分别为上润仪表有限公司生产的WP-C403-17-18-HL型智能数字显示控制仪和WP-C403-17-08-HL型智能数字显示控制仪。利用智能控制仪表内部设有自动控制继电器来实现自动控制。利用智能控制仪表内部继电器常闭触点把主加热器用串联方法实现两种方法控制。第一种方法是饱和温度控制由智能控制仪表3完成，此时智能控制仪表4继电器触点J2设定最高值，第二种方法是饱和压力控制由智能控制仪表4完成，此时智能控制仪表3继电器触点J1设定最高值。

饱和温度控制，当饱和蒸汽发生器温度达到设定控制值时，由温度传感器把温度信号送入控制仪表3，温度控制如下：温度传感器采用片状形微型铂电阻为测温惠斯登电桥的一个臂，当温度升高或降低时，测温惠斯登电桥失去平衡，且输出一个与温度变化成线性的失衡电压，送入高输入阻抗高精度自回零点，载波运算放大器进行小信号处理，将被测量的直流信号用载波原理调制成随时间变化的交流信号，然后用不存在直流成份的交流载波放大器加以放大，当信号放大到足够大后，通过解调，得到放大后直流信号分量输出，送入控制仪表进行温度控制和显示，继电器触点J1常闭变常开，RL2主加热器断电停止加热，RL1副加热器维持饱和状态温度不变。如需改变饱和状态温度需改变J1触点对应温度值。

饱和压力控制，当饱和压力达到设定控制值时，由压力变送器把压力信号送入控制仪表4，压力控制原理是利用单晶硅的压阻效应，以单晶硅为基体按特定晶向，用先进的机械加工技术形成弹性元件，在其适当位置用集成电路工艺形成四个等值应变电阻组成惠斯登电桥，对电桥施加一个恒压，当有压力（压差）作用到弹性元件时，输出与对应压力成比例的直流电压信号，经由载波运算放大器调制成控制仪表所需的信号源，送入压力控制仪表进行压力控制和显示，继电器触点J2常闭变常开，RL2主加热器由通变断，停止加热，RL1副加热器维持加热，饱和压力状态维持不变。要想改变饱和状态压力时需改变J2触点对应的饱和状态压力值，实现饱和状态压力值的改变。

数字电压表1和数字电流表2用来监控饱和蒸汽发生器加热功率大小。电压表1并联在加热器两端，电流表2串联在加热器电路中，饱和蒸汽状态改变取决于加热器功率大小，功率大小取决于电压与电流大小。饱和蒸汽P-T关系曲线制作，由智能控制仪表3、表4输出模拟量信号，再把模拟量信号送入A/D转换器，经A/D转换的模拟量信号转变成数字量信号，经由数据采集电路把信号送微电脑智能微型打印机，完成饱和蒸汽P-T关系曲线打印制作。

为保证本实验装置安全，除在构造上设置安全屏，并在系统上设定安全阀，当饱和蒸汽发生器内压力超出安全压力时安全阀自动开启减压，确保实验人员人身安全。

表1为使用本实验装置获得的蒸馏水的饱和蒸气压力和温度关系的实验数据。

表1。

Claims (2)

1.一种饱和蒸汽压力和温度关系测定装置，包括电路启停控制单元、加热器调压电路以及饱和蒸汽发生器，其特征在于：

所述装置还包括一块数字电压表、一块数字电流表、一台压力测量控制器、一台温度测量控制器、主加热器、副加热器、A/D转换器、微电脑智能微型打印机、压力变送器、温度传感器以及安全阀；

所述饱和蒸汽发生器的形状为圆筒状，由外至内分别为饱和蒸汽发生器壳体、保温层和管状压力瓶；所述管状压力瓶的内腔为压力容器饱和蒸汽空腔，在所述管状压力瓶外，在所述保温层的内侧置有双芯U形加热器，所述双芯U形加热器由不锈钢材料制成，由所述主加热器和副加热器的发热元件分别嵌入两根互相不连通的不锈钢管中构成双芯，所述双芯U形加热器沿着所述管状压力瓶的外壁蛇形分布；所述饱和蒸汽发生器壳体的左右两端分别通过两个结构相同的密闭单元与所述饱和蒸汽发生器壳体通过锁紧螺栓连接后实现密封锁紧，所述密闭单元由內至外分别由高温高压密封垫圈、观察窗高压玻璃、观察窗法兰盘压板、观察孔外壳挡圈以及观察窗安全保护罩构成；观察窗高压玻璃和观察窗安全保护罩均为耐高温高压的透明材质制成，观察窗高压玻璃被观察窗法兰盘压板压紧在所述管状压力瓶两端的台阶面上，通过小螺丝紧固，观察窗安全保护罩被紧固螺栓锁紧在所述饱和蒸汽发生器的端部台阶面上；

由导热材料制成的导热管贯穿所述饱和蒸汽发生器壳体、保温层和管状压力瓶的一侧壁，导热管的底部位于压力容器饱和蒸汽空腔内的中段，在所述导热管中置入温度传感器，所述温度传感器采用片状形微型铂电阻制成，为所述温度测量控制器中测温惠斯登电桥的一个臂；

内置有压力感应弹性元件的压力表管路接头贯穿所述饱和蒸汽发生器壳体和保温层，与所述管状压力瓶的侧壁相触；所述压力表管路接头上端依次连接安全阀、管路缓冲器、放气阀和压力变送器；

在所述饱和蒸汽发生器壳体上固定有加热电源输入插座、饱和压力信号输出插孔和饱和温度信号输出插孔；所述加热电源输入插座的输出端分别与所述主加热器、副加热器的工作电源输入端相连接，所述饱和压力信号输出插孔的信号输入端与所述压力变送器的信号输出端相连接，所述饱和温度信号输出插孔的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端相连接；

所述压力测量控制器和温度测量控制器内部均设有自动控制继电器以实现对饱和蒸汽压力和温度的自动控制；饱和温度控制由温度测量控制器完成，压力测量控制器内的J2自动控制继电器被设定最高值，饱和压力控制由压力测量控制器完成，温度测量控制器内的J1自动控制继电器触点被设定为最高值；

由所述加热器调压电路加热电源输出端输出的电源信号经过导线连接引入至所述加热电源输入插座；由所述饱和压力信号输出插孔引出的信号线连接至所述压力测量控制器的压力信号输入端，由所述饱和温度信号输出插孔引出的信号线连接至所述温度测量控制器的温度信号输入端；

所述数字电压表和数字电流表接入电路中用来监控饱和蒸汽发生器加热功率大小；所述压力测量控制器和温度测量控制器输出的模拟量信号，被送入所述A/D转换器，经A/D转换的模拟量信号转变成数字量信号，经由所述A/D转换器中的数据采集电路把信号送至所述微电脑智能微型打印机，以实现饱和蒸汽P-T关系曲线的打印。

2.根据权利要求1所述的饱和蒸汽压力和温度关系测定装置，其特征在于：所述主加热器和副加热器发热元件的加热丝采用耐高温的合金电阻丝，在此合金电阻丝外套有高强度耐高温的微型瓷管，主加热电阻丝和副加热电阻丝被共同装入矩形不锈钢管内，在所述矩形不锈钢管内加入高密度石英砂，经过模具加压处理成型。