CN209215268U - 一种智能固体比热容测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能固体比热容测量仪，通过称重器、测温组件、量热器，配合控制显示装置，通过简单的操作，即可自动计算得到待测物的比热容。由于控制显示装置可全程采集实时数据，例如通过单片机定时器进行计时，并通过内温度传感器实时测温，解决由于混合过程中的温度在短时间内变化很大，用停表记录对应时刻的温度变化，难度大，常造成测量误差的问题。本实用新型设置基于电机驱动的搅拌器，利用电机的带动搅拌机构进行搅拌，以替代人工搅拌，进而提高实验的可靠度，提高准确性，方便实用。

Description

一种智能固体比热容测量仪

技术领域

本实用新型涉及量热学领域，更具体地说，涉及一种智能固体比热容测量仪。

背景技术

比热容亦称比热，是指单位质量物质的热容量，也是特定粒子(电子、原子、分子等)结构及其运动特性的宏观表现。比热容是化学家和物理学家共同关心的一个问题。比热容的测量对了解晶格振动、电子能带结构和能态密度、磁性材料中磁性离子的能级、固体中的相变(正常态和超导态转变)等都是有力的工具。不少科学家在测量比热容及有关理论方面作出过贡献。

在日常生活中，混合法测固体比热容是最常用的方法。测量者利用停表、温度计、搅拌棒、量热器、物理天平、待测物进行实验测量。其缺点是：

(1)人工用物理天平测量质量，过程繁琐。

(2)由于混合过程中的温度在短时间内变化很大，用停表记录对应时刻的温度变化，难度大，常造成测量误差的问题，还需要多人配合测量，记录实验数据。

(3)人工利用搅拌棒进行搅拌，难以把握搅拌速度，导致传热不均匀，此外搅拌棒与外界接触，导致量热器内的热量散失，测量误差增大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，减小了实验误差，使实验更加操作简单，方便安全，准确智能化，并且实用性高的智能固体比热容测量仪。

本实用新型的技术方案如下：

一种智能固体比热容测量仪，包括量热器、搅拌器、测温组件、称重器、控制显示装置，搅拌器的搅拌机构设置于量热器内；测温组件包括外温度传感器、内温度传感器，外温度传感器设置于量热器外，内温度传感器设置于量热器内；量热器放置于称重器上；测温组件、称重器与控制显示装置连接，控制显示装置用于接收测温组件、称重器的检测数据，计算得到固体比热容，并进行显示。

作为优选，量热器包括外筒、中间保温层、内筒，内筒的材质与搅拌器的搅拌机构相同。

作为优选，搅拌器还包括电机、电机开关，搅拌机构与电机的输出轴连接，通过电机开关控制电机。

作为优选，量热器开设有顶部开口，顶部开口通过顶盖密封，电机固定于顶盖外，搅拌机构从顶盖穿入至量热器内。

作为优选，测温组件还包括数据线，数据线从顶盖穿入至量热器内，外温度传感器、内温度传感器分别连接于数据线上，分别通过数据线支撑并设置于量热器外与量热器内。

作为优选，称重器包括依次连接载物板、压力传感器、底座，控制显示装置与压力传感器连接。

作为优选，控制显示装置包括显示模块、按键选择模块，按键选择模块包括若干按键开关。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述的智能固体比热容测量仪，通过称重器、测温组件、量热器，配合控制显示装置，通过简单的操作，即可自动计算得到待测物的比热容。由于控制显示装置可全程采集实时数据，例如通过单片机定时器进行计时，并通过内温度传感器实时测温，解决由于混合过程中的温度在短时间内变化很大，用停表记录对应时刻的温度变化，难度大，常造成测量误差的问题。

本实用新型设置基于电机驱动的搅拌器，利用电机的带动搅拌机构进行搅拌，以替代人工搅拌，进而提高实验的可靠度，提高准确性，方便实用。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是量热器的剖视示意图(示出测温组件、搅拌器)；

图3是控制显示装置的单片机的电路图；

图4是控制显示装置的显示模块的电路图；

图5是按键选择模块的电路图；

图6是测温组件的电路图；

图7是称重器的结构示图；

图8是压力传感器的内部电路图；

图9是AD数模转换器HX711的电路图；

图10是本实用新型的操作流程图；

图中：10是量热器，11是顶盖，20是搅拌器，21是搅拌机构，22是电机，23是电机开关，30是外温度传感器，31是内温度传感器，32是数据线，40是载物板，41是底座，42是电阻应变式压力传感器，50是控制显示装置，51是显示模块，52是按键开关。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。

本实用新型为了解决传统的人工操作的方式，基于混合法测量固体比热容的方法所存在的操作复杂、准确性低等不足，提供一种智能固体比热容测量仪，通过控制显示装置结合外部各个功能组件进行实验测量，达到减小实验误差的效果，使实验更加操作简单，方便安全，准确智能化，并且实用性高。

一种智能固体比热容测量仪，如图1、图2所示，包括量热器10、搅拌器20、测温组件、称重器、控制显示装置50，搅拌器20的搅拌机构21设置于量热器10内；测温组件包括外温度传感器30、内温度传感器31，外温度传感器30设置于量热器10外，内温度传感器31设置于量热器10内，分别用于测量室温与量热液(常用的量热液为水)的温度；量热器10放置于称重器上；测温组件、称重器与控制显示装置50连接，控制显示装置50用于接收测温组件、称重器的检测数据，计算得到固体比热容，并进行显示。使用时，本实用新型可读取测温组件、称重器的数据，并基于对应的计算思路与计算公式进行自动运算，即可得到待测物的比热容，并进行数值显示，方便直观。

本实用新型中的控制显示装置50实现接收测温组件、称重器的检测数据，计算得到固体比热容，并进行显示所涉及的软件方法步骤，如单片机的汇编程序、显示代码等，均可采用现有技术进行实现，本实用新型不对实现所述技术效果涉及的相关软件方法步骤进行保护。本实用新型的目的是提供一种全新的组件结构，基于现有技术的软件方法步骤，即可实现所述的技术效果。

为了防止测量过程中的温度流失，并且为了保证测量结果的准确度，即对量热液直接接触的部位有材质要求，则本实用新型的量热器10设置为三层结构，包括外筒、中间保温层、内筒，内筒的材质与搅拌器20的搅拌机构21相同。不同层分别采用不同材质制成，可充分满足不同技术要求。

搅拌器20包括搅拌机构21、电机22、电机开关23，搅拌机构21与电机22的输出轴连接，通过电机开关23控制电机22。为了方便流入量热液，也方便搅拌器20和测温组件的设置，量热器10开设有顶部开口，顶部开口通过顶盖11密封，电机22固定于顶盖11外，搅拌机构21从顶盖11穿入至量热器10内。本实施例中，电机22通过微型螺丝固定在顶盖11上，输出轴穿过顶盖11，与搅拌机构21连接；电机开关23可以用固体胶固定在顶盖11上。

控制显示装置50具备运算与显示的功能，可基于单片机或其他MCU进行实现，包括显示模块51、按键选择模块，按键选择模块包括若干按键开关52，分别对应开始功能、复位功能、称重功能、测温功能、显示功能。

本实施例中，控制显示装置50的运算功能基于单片机进行实现，采用型号为STC89C52的51单片机，但不局限于此，例如，也可以采用型号为STC89C51、AT89S52、AT89S51等51系列的单片机。传统的8位单片机STC89C52内有256字节内部数据存储器RAM、8K片内程序存储器(ROM)32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和6个中断源，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。经典51单片机具有价格低廉，且具有内部构造和编程方面，都相对简单，容易掌握和使用等特点，其运算速度可以满足要求，功能较强，RAM、ROM空间及稳定性也较好等特点，完全能够满足本实用新型的性能要求，既实现控制功能，又具有较高的性价比，适合本实用新型的推广。

外围电路包括复位电路和晶振电路，复位电路的输出连接51单片机的复位输入端，晶振电路连接51单片机的XTAL1管脚和XTAL2管脚。具体，如图3所示，复位电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和按键开关52S0，电阻R2和按键开关52S0串联，并与电容C1并联在电源VCC和51单片机的复位输入端之间，电阻R1一端接地，另一端连接51单片机的复位输入端。晶振电路包括电容C2、电容C3、晶体振荡器Y1，晶体振荡器Y1连接在51单片机的XTAL2管脚和XTAL1管脚之间，电容C2一端连接51单片机的XTAL1管脚，电容C3一端连接51单片机的XTAL2管脚，电容C2另一端、电容C3另一端，以及51单片机的GND管脚均接地，51单片机的VCC管脚和EA/VPP管脚均连接电源VCC。

本实施例中，显示模块51采用LCD12864液晶显示器，其电路如图4所示。12864液晶显示器不但具有1602液晶的全部优点，并且在1602的基础上可以显示汉字，可使实验的显示部分有更好的可读性，同时可以显示更多的内容。

液晶显示器的RS管脚连接51单片机的AD0管脚，液晶显示器的R/W管脚连接51单片机的AD1管脚，液晶显示器的E管脚连接51单片机的AD2管脚；液晶显示器的GND管脚、PSB管脚、LED-B管脚均接地，VCC管脚和LED-A管脚均连接电源VCC；液晶显示器还包括可调电阻R19，可调电阻R19连接在液晶显示器的GND管脚和VCC管脚之间。

本实施例中，如图5所示，按键选择模块包括8个按键开关52S1-S8，具有8个输出端K1-K8，该8个输出端K1-K8分别连接51单片机相应的I/O口。8个按键开关52对应如下，功能键，对应S1(开始键)，S2(复位键)；测重键，对应S3，S4键；测温键，对应S5，S6键；显示键，对应S7，S8键。

外围电路包括K1接51单片机的接口P0.0，K2接51单片机的接口P0.1，K3接51单片机的接口P0.2，K4接51单片机的接口P1.4，K5接51单片机的接口P1.5，K6接51单片机的接口P1.6，K7接51单片机的接口P1.7，K8接51单片机的I/O接口P3.7。

测温组件还包括数据线32，数据线32从顶盖11穿入至量热器10内，外温度传感器30、内温度传感器31分别连接于数据线32上，分别通过数据线32支撑并设置于量热器10外与量热器10内，分别用于测量室温与量热液的温度。按照混合法测固体比热容的原理，根据热传递原理，待测物的温度近似等于室温。具体实施时，可选用具有一定挠性或支撑力的数据线32，可用于定位外温度传感器30、内温度传感器31；外温度传感器30可选用普通型，内温度传感器31选用防水型。

本实施例中，内温度传感器31选用防水型单总线通信的数字温度传感器DS18B20，外温度传感器30选用普通型数字温度传感器DS18B20，其使用电路均如图6所示。数字温度传感器DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配位处理器等优点，测温范围从-55度到+125度，能满足测量要求，在-10度到85度时的测量精度为±0.5℃，而且具有负压特性，不会因急性结反而发热烧毁。

外围电路中，VCC端口接电源的+5V，GND端口接地，数据输出端口通过接+5V的10K上拉电阻与51单片机的I/O口连接，其中，作为内温度传感器31的数字温度传感器DS18B20接51单片机的P1.2，作为外温度传感器30的数字温度传感器DS18B20接51单片机的P1.3。

为了方便控制显示装置50读取数据，称重器采用传感器进行实现，具体地，如图7所示，称重器包括依次连接载物板40、压力传感器、底座41，控制显示装置50接收压力传感器的检测数据。称重器不与量热器10设置为一体，则待测物在放入量热器10之前，可以先用称重器称量出质量，并存储于控制显示装置50内进行记录与显示。

本实施例中，采用电阻应变式压力传感器42，内部电路如图8所示。电阻应变式压力传感器42具有稳定性好，精度和灵敏度高，且对测量的环境要求不太严格等特点。电阻应变式压力传感器42主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片(转换元件)受到拉伸或压缩应变片变形后，阻值将发生变化(增大或减小)，从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，经过放大和模数转换电路既得出所需物理量。此传感器电路简单，体积小，结构紧凑，工作性能稳定。

此外，采用高精度HX711与电阻应变式压力传感器42搭配，HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片，HX711电路结构如图9所示。外围电路主要由四个电阻应变片组成，黑、白、绿、红接口分别接HX711高精度AD模数转换器的E-、A-、A+、E+接口，E-接地，E+接VCC。HX711高精度AD模数转换器CLK端口，接51单片机的P1.0，输出端DOUT接口接51单片机的P1.1。

温度不同的物体混合之后，热量从高温物体传给低温物体，如果在混合过程中与外界无热量交换，最后将达到一均匀稳定的平衡温度，在这个过程中，高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量，此称为热平衡原理。本实用新型可以利用热平衡原理用混合法测定固体的比热容，即本实用新型计算固体比热容的原理如下：

已知量热器10与伸入量热器10内的部分测温组件的总热容为C，量热液的比热容为c₀，测得量热器10中的量热液的质量为m₀，待测物的质量为m，初始温度为t₂(本实用新型中，待测物的初始温度t₂等于外温度传感器30测得的室温)，量热液的初始温度为t₁，待测物投入量热液后，混合温度为θ；

忽略量热器10与外界的热交换，则，mc(t₂-θ)＝(m₀c₀+C)(θ-t₁)；

即，

其中，c为待测物的比热容。

总热容C＝m₁c₁+C'；

其中，m₁为量热器10的内筒的质量，c₁为量热器10的内筒的比热容，C'为伸入量热器10内的部分测温组件的热容；

具体地，

其中，V为伸入量热器10内的部分测温组件的体积，为C'以J.℃^-1为单位时的数值，而表示V以cm³为单位时的数值。

从数据流的层面上看，获取需要测量的数据如下：

(1)待测物质量m，将待测物放在载物板40上，压力传感器的输出端产生电压的变化，将信号送给AD数模转换器HX711，将电压信号转换成数字信号，输出端接51单片机的I/O接口P1.1，51单片机接收到信号以后经过相应的运算，计算出质量，将测量的温度值显示在液晶显示器上。

(2)量热液的质量m₀，量热器10放在载物板40上，原理同(1)，测量出量热器10的质量m_k，在量热器10中加入一定温度的量热液后，再次测量质量m_h，此时，根据两次测量结果可以计算出量热液的质量m₀，m₀＝m_h-m_k，将测量的温度值显示在液晶显示器上。

(3)温度值t₁、t₂、θ，由温度传感器测得数据，输出端接51单片机的I/O接口，51单片机接收到数据后进行处理，将测量的温度值显示在液晶显示器上。

(4)伸入量热器10内的部分测温组件的体积V，根据量热器10中的水的质量通过单片机的相应的计算间接计算得到。

如图10所示，具体操作步骤如下：

(1)接通电源。

(2)按下按键选择模块的S1，开启测量按键。

(3)按下按键选择模块的S3，打开测量质量开关。

(4)把待测物放到载物板40上，液晶显示器上实时显示待测物的质量值。

(5)按动按键选择模块的S4一下，测量出待测物的质量m，将其值显示在液晶显示器上。

(6)取下待测物，把量热器10放在载物板40上，此时，液晶显示器上实时显示量热器10质量值。

(7)按动按键选择模块的S4一下，测量出量热器10质量m_k，将其值显示在液晶显示器上。

(8)往量热器10中加入一定温度的量热液，按动按键选择模块的S4一下，测量出加入一定温度水的量热器10质量m_h，此时根据两次测量结果可以计算出量热液的质量m₀＝m_h-m_k。其中，伸入量热器10内的部分测温组件的体积V，可以通过m₀，求得体积，间接算出V。

(9)按动按键选择模块的S5一下，测出室温，也就是待测物的温度t₂，因为待测物置于室内，根据热平衡原理，其温度等于室温，并将其显示在液晶显示器上。

(10)按动按键选择模块的S6一下，测量此时的水温t₁，并将其值显示在液晶显示器上，并将待测物放入到量热器10中，进行一段时间后，再次按动按键选择模块的S6一下，记录下最后混合温度θ。

(11)此时，数据全部测量完毕，按动按键选择模块的S7一下，液晶显示器上将会显示出测量的数据m、m₀、V、t₂、t₁、θ。51单片机根据所述计算固体比热容的方法涉及的公式，计算得到待测物的比热容c。

(12)最后，按动按键选择模块的S8一下，最终测量结果，即待测物的比热容c将会显示在液晶显示器上。

本实用新型的实施，测量结果如下：

待测物名称	比热容(J/(kg*℃))
		小铜块	380
小铁块	452
		小铝块	871

上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定。只要是依据本实用新型的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种智能固体比热容测量仪，其特征在于，包括量热器、搅拌器、测温组件、称重器、控制显示装置，搅拌器的搅拌机构设置于量热器内；测温组件包括外温度传感器、内温度传感器，外温度传感器设置于量热器外，内温度传感器设置于量热器内；量热器放置于称重器上；测温组件、称重器与控制显示装置连接，控制显示装置用于接收测温组件、称重器的检测数据，计算得到固体比热容，并进行显示。

2.根据权利要求1所述的智能固体比热容测量仪，其特征在于，量热器包括外筒、中间保温层、内筒，内筒的材质与搅拌器的搅拌机构相同。

3.根据权利要求1所述的智能固体比热容测量仪，其特征在于，搅拌器还包括电机、电机开关，搅拌机构与电机的输出轴连接，通过电机开关控制电机。

4.根据权利要求3所述的智能固体比热容测量仪，其特征在于，量热器开设有顶部开口，顶部开口通过顶盖密封，电机固定于顶盖外，搅拌机构从顶盖穿入至量热器内。

5.根据权利要求4所述的智能固体比热容测量仪，其特征在于，测温组件还包括数据线，数据线从顶盖穿入至量热器内，外温度传感器、内温度传感器分别连接于数据线上，分别通过数据线支撑并设置于量热器外与量热器内。

6.根据权利要求1所述的智能固体比热容测量仪，其特征在于，称重器包括依次连接载物板、压力传感器、底座，控制显示装置与压力传感器连接。

7.根据权利要求1所述的智能固体比热容测量仪，其特征在于，控制显示装置包括显示模块、按键选择模块，按键选择模块包括若干按键开关。