CN105136606B

CN105136606B - 气体比热容比测量方法及其系统

Info

Publication number: CN105136606B
Application number: CN201510573404.4A
Authority: CN
Inventors: 张开骁; 马爱斌; 江静华; 胡立群; 陈敦军; 雷撼
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: CN105136606A

Abstract

本发明公开了一种气体比热容比测量方法及其系统，系统包括气体比热容比测量装置、控制器，还包括有其输出端分别与所述的控制器测量模块的输入端相联接的温度传感和湿度传感器；其方法步骤：(1)在测量气体比热容比之前，通过测量获取气体体积值并写入控制器的数据记录模块：(2)测量模块的输入端接大气压强传感器、温度、湿度传感器、光电门、压差传感器，并将测量数据写入控制器的数据测量模块：(3)运算模块对数据进行处理；(4)结果输出。本发明可实现对压强和体积的同时测量且瞬时压强测量的误差小，能够对实验中的温度和湿度环境影响进行修正，实验测量精度高。

Description

气体比热容比测量方法及其系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种气体比热容比测量方法及其系统。

技术背景

目前通用的测量气体比热容比实验仪，是通过测量钢珠简谐振动周期来间接测量气体比热容比。一般是在烧瓶上方插一根精密玻璃管，精密玻璃管中放一钢珠，钢珠的直径比精密玻璃管的内径约小0.01mm，它能在精密玻璃管中上下自由运动，烧瓶侧面开有一个小孔，并插入一根细嘴玻璃管，通过它可以把待测气体注入到烧瓶中。为补偿气体阻尼引起的钢珠振幅的衰减，通过细嘴玻璃管连续注入一个小压力气流。在精密玻璃管的管壁上开有一小孔，钢珠可在小孔附近上下振动。当钢珠处于小孔下方半个振动周期时，注入的气体使烧瓶内压力增大，引起钢珠向上移动，而当钢珠处于小孔上方半个振动周期时，气体通过小孔流出，烧瓶内压力减小，钢珠向下移动。只要控制注入气体流量的大小，钢珠就可以在小孔上下做简谐振动，振动周期可利用光电计时装置来测得。在上述测量方案中，假定钢珠振动过程中烧瓶内气体经历绝热过程，但是由于通过细嘴玻璃管连续注入一个小压力气流，小孔有间歇气体流出，钢珠与精密玻璃管间也存在一定的空气间隙，使得烧瓶内气体不是处于一个封闭系统之中，而实际的分析绝热过程通常是针对封闭系统而言的，所以，这种测量方法无法真实地反映实际的气体比热容比情况。

专利申请(申请号：200910232770.8)“一种气体比热容比的测定装置及其测量方法”，公开了一种封闭式的气体比热容比的测量系统和方法。该方法存在以下缺陷：1.难以实现对压强和体积的同时测量，而且在测量瞬时压强时容易产生较大的测量误差。2.无法对实验中的温度和湿度环境影响进行修正。3.实验测量精度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种气体比热容比测量方法及其系统，能够在进行气体比热容比实验测量时，可实现对压强和体积的同时测量且瞬时压强测量的误差小，能够对实验中的温度和湿度环境影响进行修正，实验测量精度高。

为解决上述现有技术的技术问题，本发明采取以下技术方案。

一种气体比热容比测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在测量气体比热容比之前，通过测量获取气体体积值V_i并写入控制器的数据记录模块；

步骤二、测量模块的输入端接大气压强传感器、温度、湿度传感器、光电门、压差传感器，开始实验测量，并将测量数据写入控制器的数据测量模块；

步骤三、运算模块对数据进行处理；

步骤四、结果输出：运算处理模块的输出端接显示模块的输入端，显示输出测量环境参数：温度T₀、湿度、大气压强P₀，以及此环境条件下的气体比热容比的测量值γ_C与干燥气体的比热容比理想值γ。

在所述的步骤一中，所述的通过测量获取气体体积值V_i并写入控制器的数据记录模块，其具体过程为：

(1)测量出烧瓶至U形管刻度HP处的气体容积V₀；

(2)用游标卡尺测量出U形管内径R以及用米尺测量U形管内水柱长度L；

(3)挤压气囊，使U形管右侧液面到达刻度H₀上方位置H_S，松开气囊阀门，U形管右侧液面迅速下降经过刻度H₀并触发光电门，通过快速相机记录下在不同时刻的T_i-1，其中，T₀＝0、T₀＝t、T₀＝2t、T₀＝3t、T₀＝4t、T₀＝5t、T₀＝6t、T₀＝7t、T₀＝8t、T₀＝9t,i＝1,2,3…,10；时间间隔m值为水柱质量，P值取1个标准大气压强，γ值取1.4；对应的液面位置为H_i-1，其中，H_i-1＝H₀、H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆、H₇、H₈、H₉,i＝1,2,3…,10；

(4)将对应的容积V₀、内径R、水柱长度L，将时刻T_i-1以及对应的气体体积V_i写入控制器的数据记录模块，其中i＝1,2,3…,10。

在所述的步骤二中，所述的开始实验测量，并将测量数据写入控制器的数据测量模块，其过程为：

(1)挤压气囊，使得U形管右侧液面到达刻度H₀上方位置H_S，关闭气囊阀门，打开光电门开关；

(2)松开气囊阀门，U形管右侧液面迅速下降，液面下降至光电门H₀时触发光电门，控制器按照时刻T_i-1自动读取烧瓶内外压差计的压强差值△P_i，所述的压强差值△P_i设定为△P₁、△P₂、△P₃、△P₄、△P₅、△P₆、△P₇、△P₈、△P₉、△P₁₀，其中，i＝1,2,3…,10。

在所述的步骤三中，所述的运算模块对数据进行处理，其过程是：

(1)控制器读取由气压计得到的大气压强测量值P₀、由温度计得到的温度测量值T₀、由湿度计得到的湿度测量值S₀，由压强差值△P_i得到了同一时刻压强和体积的瞬时值P_i、V_i，其中P_i＝P₀+△P_i，i＝1,2,3…,10，得到该气体比热容比的测量值γ_C：

(2)气体比热容比测量值γ_C的湿度修正：设原待测气体为M，对应的气体比热容比的值为γ，水分子H₂O对应的气体比热容比的理论值为1.33；由压强P₀、湿度S₀和温度T₀可以得到气体中原待测气体分子与水蒸气的组成比例，其具体步骤为：

通过温度(T₀)查找水在不同温度下的饱和蒸汽气压表，得到对应温度下的饱和蒸气压P_b，湿度S₀与饱和蒸气压P_b的乘积即为此温度下待测系统中水分子的分压S₀P_b，可以得到气体中原待测气体分子与水蒸气的组成比例为：气体比热容比值γ与气体比热容比测量值γ_C满足下面的关系：

运算模块调用上述关系式(1)、(2)，即可得到γ值。

一种气体比热容比测量系统，包括气体比热容比测量装置、控制器；所述的气体比热容比测量装置包括气压计、烧瓶、烧瓶塞、压差计、U形管刻度尺、水柱、玻璃细管、气囊、支架；所述的控制器包括数据记录模块、测量模块、运算模块和显示模块；所述的数据记录模块、测量模块的输出端分别联接运算模块的输入端；所述运算模块的输出端分别联接显示模块、数据记录模块的输入端；

其特征在于：所述的气体比热容比测量装置还包括有温度传感和湿度传感器，设置于所述的烧瓶内；所述的湿度传感器和温度传感器的输出端与所述的控制器测量模块的输入端相联接；

还包括光电门和快速相机，所述的光电门通过支架水平固定在U行管的右侧刻度尺位置处，所述的快速相机通过相机三脚架固定在与刻度尺具有一定距离且水平等高的位置以保证能清晰拍摄到液面所处位置的刻度；所述的光电门和快速相机的输出端与所述控制器测量模块的输入端相联接。

所述的温度传感器和湿度传感器采用分体式温湿度传感器CEMDT-615，其温度测量范围0℃～40℃，湿度测量范围0.1％RH～100.0％RH。

所述的控制器采用Atmega16L单片机。

所述的光电门为快速响应槽形光电开关。

与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

1.在进行实验测量之前，本发明通过控制器预先控制快速相机测定水柱触发光电门后在固定时间的位置，得到特定时间对应的烧瓶内气体的瞬时体积数据。在实验测量时，只要测量对应时刻的瞬时压强数据，就可以得到多组瞬时压强与体积的数据，不但实现了同时准确测量气体体积与压强的目的，还实现了采用1个压差计和1个光电门可以测量多个对应位置(即一定体积下)的瞬时压强值，即满足了实验测量次数的要求，降低了实验测量误差，又降低了仪器成本。而常规方法是，一是要测量6组以上数据，二是需要10个光电门才能测量到10个对应的数据。

2.有效提高了实验精度。本发明测量体积与压强时都是用同一个光电门与测量控制系统，光电门与电路的延时时间是一样的，即体积与压强的测量是同步的，而且由于预先高精度测量好体积物理量，在实验测量过程中只需要测量压强这一组物理量，从而增加了测量系统的稳定性，从而有效提高了实验精度。

3.本发明由于增设温度与湿度修正，不仅可以大大提高实验测量的精度，使得实验值与理论值符合度大大提高，还可以研究温度与湿度对气体比热容比的影响，丰富了实验内容。

附图说明

图1为本发明的一个气体比热容比测量系统实施例的结构示意图。

图2为本发明的气体比热容比测量方法流程图。

图3为本发明一个系统实施例的控制器的结构框图。

其中，100比热容比测量装置，900控制器，102气压计，104烧瓶，105烧瓶塞，106压差计，111U形管，112刻度尺，113水柱，114玻璃细管，115气囊，116支架，108温度传感器，107湿度传感器，110光电门，101快速相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

图1所示为本发明的一个气体比热容比测量系统实施例的结构示意图。该气体比热容比测量系统包括：气体比热容比测量装置(100)、控制器(900)；所述的气体比热容比测量装置(100)包括气压计(102)、烧瓶(104)、烧瓶塞(105)、压差计(106)、U形管(111)、刻度尺(112)、水柱(113)、玻璃细管(114)、气囊(115)、支架(116)；其中，U形管为等直径(R＝1.598cm)圆柱形U形管，水柱(113)为自来水与染料混合的非透明液体，气囊(115)为具有放气阀门的手持式充气球，烧瓶(104)为气体玻璃烧瓶(有效容积V₀＝2348cm³)；；气压计(102)采用MS5540C微型气压计。压差计采用SM5651-001-D型微压差压力传感器，测量范围0.15psi/1kpa。所述的烧瓶(105)与U形管(111)通过玻璃细管(114)相连。U形管(111)另一端连接气囊(115)，U形管(111)内封有一段长度为L的水柱(113)，使得烧瓶(104)内的气体处于封闭状态。U形管(111)内水柱(113)右侧液面对应刻度尺(112)中间标度为0的位置；刻度尺(112)采用透明刻度尺，尺寸为20CM长*1.5CM宽，中间刻度为0，竖直贴在U行管(111)右侧，U行管(111)固定在支架(116)上，气压计(102)设置在控制器面板上。

其控制器(900)包括数据记录模块、测量模块、运算模块和显示模块，其结构如图3所示。所述的数据记录模块、测量模块的输出端分别联接运算模块的输入端；所述运算模块的输出端分别联接显示模块、数据记录模块的输入端。

在本实施例中，测量模块是由温度传感器、湿度传感器、气压计、压差计组成，可以精确地测量环境变量，并实时传输给控制器核心Atmega16L微处理器，运算模块是利用Atmega16L微处理器自身运算功能，对采集到的变量进行运算。以24c02为核心的数据记录模块，可以存储测量模块和运算模块的数据。显示模块采用128*64点阵模块液晶显示屏。控制器工作时，测量模块将采集到温度、湿度、气压和压差数据输送给运算模块，运算模块对数据进行调用处理将运算结果通过显示模块显示。

所述的气体比热容比测量装置(100)还包括有温度传感器(108)和湿度传感器(107)，和压差计(106)一起设置于所述的烧瓶(104)内的烧瓶塞(105)内侧；所述的湿度传感器(107)和温度传感器(108)的输出端与所述的控制器(900)测量模块的输入端相联接；

还包括光电门(110)和快速相机(101)，所述的光电门(110)通过支架(116)水平固定在U行管(111)的右侧刻度尺(112)位置处，所述的快速相机(101)通过相机三脚架固定在与刻度尺(112)具有一定距离且水平等高的位置以保证能清晰拍摄到液面所处位置的刻度；所述的光电门(110)和快速相机(101)的输出端与所述控制器(900)测量模块的输入端相联接。其快速相机采用美国Vision Research公司的高速摄像机Phantom V640，最高拍摄速率30万帧/秒，带外触发功能。

其温度传感器(108)和湿度传感器(107)采用分体式温湿度传感器CEMDT-615，其温度测量范围0℃～40℃，湿度测量范围0.1％RH～100.0％RH。

其控制器(900)采用Atmega16L单片机。

其光电门(110)采用台湾RIKO槽形光电开关SU30-N。

本发明的一种气体比热容比测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、在测量气体比热容比之前，通过测量获取气体体积值V_i并写入控制器的数据记录模块。其过程是：

首先，在测量气体比热容比之前，预先测量以下数据并写入控制器的数据记录模块：

(1)测量出烧瓶至U形管刻度HP处的气体容积V₀＝2348cm³；

(2)用游标卡尺测量出U形管内径R＝1.598cm以及用米尺测量U形管内水柱长度L＝68.56cm；

(3)挤压气囊，使得U形管右侧液面到达刻度H₀(H₀处，刻度为9cm)上方位置H_S(H_S处，刻度为10cm)，松开气囊阀门，U形管右侧液面迅速下降经过刻度H₀并触发光电门，通过快速相机记录下在不同时刻T_i-1(T₀＝0、T₁＝t、T₂＝2t、T₃＝3t、T₄＝4t、T₅＝5t、T₆＝6t、T₇＝7t、T₈＝8t、T₉＝9t,i＝1,2,3…,10；时间间隔m值为水柱质量＝137.78g，P值取1个大气压强＝101200Pa，γ值取1.4)对应的液面位置H_i-1(H₀、H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆、H₇、H₈、H₉,i＝1,2,3…,10)；

(4)将对应的容积V₀、内径R、水柱长度L，将时刻T_i-1以及对应的气体体积写入控制器的数据记录模块。

步骤二、测量模块的输入端接大气压强传感器、温度、湿度传感器、光电门、压差传感器，开始实验测量，并将测量数据写入控制器的数据测量模块。其过程是：

(1)挤压气囊，使得U形管右侧液面到达刻度H₀(H₀处，刻度为9cm)上方位置H_S，(H_S处，刻度为10cm)关闭气囊阀门，打开光电门开关；

(1)控制器读取由气压计得到的大气压强测量值P₀＝101250Pa、由温度计得到的温度测量值T₀＝25.0℃、由湿度计得到的湿度测量值S₀＝45％，由压强差值△P_i得到了同一时刻压强和体积的瞬时值P_i、V_i，其中P_i＝P₀+△P_i，i＝1,2,3…,10，得到该气体比热容比的测量值γ_C＝1.3915：

(2)气体比热容比测量值γ_C的湿度修正：设原待测气体为M，对应的气体比热容比的值为γ，水分子H₂O对应的气体比热容比的理论值为1.33；由压强P₀、湿度S₀和温度T₀可以得到气体中原待测气体分子与水蒸气的组成比例，具体过程为：

通过温度T₀查找水在不同温度下的饱和蒸气压表，得到对应温度下的饱和蒸气压P_b＝3169Pa，湿度S₀与饱和蒸气压P_b的乘积即为此温度下待测系统中水分子的分压S₀P_b，可以得到气体中原待测气体分子与水蒸气的组成比例为(P₀-S₀P_b)：S₀P_b。气体比热容比值γ与气体比热容比测量值γ_C满足关系：

运算模块调用上述关系式(1)、(2)，即可得到25℃下干燥空气的比热容比γ值为1.3924。

步骤四、结果输出：

运算处理模块的输出端接显示模块的输入端，显示输出测量环境参数：温度T₀＝25.0℃、湿度S₀＝45％、大气压强P₀＝101250Pa，以及此环境条件下的气体比热容比的测量值γ_C＝1.3915与干燥空气的比热容比理想值γ＝1.3924。

总之，本发明可实现压强与体积的实际意义上的同步测量，减小了系统测量误差，提高了实验测量精度；可测量多组压强与体积数据，减小了随机测量误差，提高了实验测量精度；而且，可对于温度和湿度进行修正，有效降低了环境对测量系统的影响，进一步提高了实验测量精度。

Claims

1.一种气体比热容比测量方法，采用气体比热容比测量系统，包括气压计、烧瓶、压差计、U形管、刻度尺、水柱、玻璃细管、气囊、支架，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在测量气体比热容比之前，通过测量获取气体体积值V_i，并写入控制器的数据记录模块：

步骤二、测量模块的输入端接大气压强传感器、温度传感器、湿度传感器、光电门、压差传感器，开始实验测量，并将测量数据写入控制器的数据测量模块：

步骤三、运算模块对所述的测量数据进行处理；

步骤四、结果输出：运算处理模块的输出端接显示模块的输入端，显示输出测量环境参数：温度T₀、湿度、大气压强P₀，以及此环境条件下的气体比热容比的测量值γ_C与干燥空气的比热容比理想值γ；

(1)测量出烧瓶至U形管刻度HP处的气体容积V₀；

(3)挤压气囊，使U形管右侧液面到达刻度H₀上方位置H_S；松开气囊阀门，U形管右侧液面迅速下降经过刻度H₀并触发光电门，通过快速相机记录下在不同时刻的T_i-1，其中，T₀＝0、T₁＝t、T₂＝2t、T₃＝3t、T₄＝4t、T₅＝5t、T₆＝6t、T₇＝7t、T₈＝8t、T₉＝9t,i＝1,2,3…,10；时间间隔m值为水柱质量，P值取1个大气压强，γ值取1.4；对应的液面位置为H_i-1，其中，H_i-1具体为：H₀、H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆、H₇、H₈、H₉,i＝1,2,3…,10；

(4)将对应的容积V₀、内径R、水柱长度L，将时刻T_i-1以及对应的气体体积V_i写入控制器的数据记录模块，其中i＝1,2,3…,10；

(1)挤压气囊，使得U形管右侧液面到达刻度H₀上方位置H_S；关闭气囊阀门，打开光电门开关；

(2)松开气囊阀门，U形管右侧液面迅速下降，液面下降至光电门H₀时触发光电门，控制器按照时刻T_i-1自动读取烧瓶内外压差传感器的压强差值△P_i；所述的压强差值△P_i设定为△P₁、△P₂、△P₃、△P₄、△P₅、△P₆、△P₇、△P₈、△P₉、△P₁₀，其中，i＝1,2,3…,10。

2.根据权利要求1所述的一种气体比热容比测量方法，其特征在于：在所述的步骤三中，所述的运算模块对所述的测量数据进行处理，其过程是：

(1)控制器读取由大气压强传感器得到的大气压强测量值P₀、由温度传感器得到的温度测量值T₀、由湿度传感器得到的湿度测量值S₀，由压强差值△P_i得到了同一时刻压强和体积的瞬时值P_i、V_i，其中P_i＝P₀+△P_i，i＝1,2,3…,10，得到该气体比热容比的测量值γ_C：

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通过温度T₀查找水在不同温度下的饱和蒸汽气压表，得到对应温度下的饱和蒸气压P_b，湿度S₀与饱和蒸气压P_b的乘积即为此温度下待测系统中水分子的分压S₀P_b，可以得到气体中原待测气体分子与水蒸气的组成比例为：气体比热容比值γ与气体比热容比测量值γ_C满足下面的关系：

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运算模块调用上述关系式(1)、(2)，即可得到γ值。