現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在物理化學(xué)試驗(yàn)中應(yīng)用潘紅兵虞致國王勇劉先昆紀(jì)圣謀徐健?。暇┐髮W(xué)物理學(xué)系 南京,210093）摘要:伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展,現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)越來越顯示出了它本身強(qiáng)大功效并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在物理化學(xué)試驗(yàn)中多個(gè)應(yīng)用。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集串行通訊BZ震蕩溶解熱燃燒熱試驗(yàn)原理及改善“溶解熱測(cè)定”“燃燒熱測(cè)定”“BZ振蕩反應(yīng)”試驗(yàn)是物理化學(xué)試驗(yàn)中多個(gè)經(jīng)典試驗(yàn)。“溶解熱測(cè)定”試驗(yàn)方法是采取電熱賠償法。試驗(yàn)時(shí)先測(cè)定體系起始溫度,在樣品溶解過程中,溫度隨溶解進(jìn)行而降低（吸熱反應(yīng)）,經(jīng)過電加熱方法使體系恢復(fù)至起始溫度,從而依據(jù)所耗電能求出熱效應(yīng)Q=U*I*t。其中I為流過電阻值為R電阻絲加熱器電流強(qiáng)度（A）,V為電阻絲兩端電壓（V）,t為通電時(shí)間（s）。此試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單,試驗(yàn)結(jié)果較為顯著。但此試驗(yàn)也存在部分缺點(diǎn):（1）在整個(gè)試驗(yàn)過程中需要一個(gè)穩(wěn)定U*I值,但往往因?yàn)殡妷骸㈦娏鞑▌?dòng),難以滿足試驗(yàn)要求;（2）通電時(shí)間為秒表人工讀數(shù),所以易引入較大讀數(shù)誤差;（3）試驗(yàn)中觀察起始溫度抵達(dá)和讀取加熱時(shí)間需同時(shí)進(jìn)行,學(xué)生單獨(dú)完成有困難,不利于開設(shè)單人試驗(yàn)。在傳統(tǒng)物化試驗(yàn)“燃燒熱測(cè)定”中,大都采取氧彈卡計(jì)配貝克曼溫度計(jì)作精密溫差測(cè)量,分辨率低、操作復(fù)雜、易引入人為誤差,而且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及最終數(shù)據(jù)處理工作量大。在“BZ震蕩反應(yīng)”試驗(yàn)中,采取數(shù)字電壓表觀察BZ震蕩反應(yīng)電勢(shì)改變范圍,統(tǒng)計(jì)儀統(tǒng)計(jì)BZ震蕩反應(yīng)波形來求出t誘。因?yàn)锽Z震蕩反應(yīng)中兩電極輸出阻抗遠(yuǎn)大于通常數(shù)字電壓表和統(tǒng)計(jì)儀輸入阻抗,造成電勢(shì)和t誘測(cè)量精度很低。為處理這一系列問題,我們?cè)O(shè)計(jì)了可與計(jì)算機(jī)通訊數(shù)據(jù)采集接口裝置,內(nèi)置高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并針對(duì)不一樣試驗(yàn)配置不一樣前置放大器和外圍電路。接口裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流、溫度等參量,計(jì)算機(jī)完成對(duì)試驗(yàn)過程控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理。在“溶解熱測(cè)定”試驗(yàn)中,要求U和I保持恒定不變,實(shí)際試驗(yàn)中極難做到,為處理這一問題,系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方法上使用了積分計(jì)算方法,立即電壓、電流作為隨時(shí)間改變函數(shù)U(t)和I(t),而不是一個(gè)恒定不變值,利用計(jì)算式（1）完成積分,為方便計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算,實(shí)際處理時(shí)電壓、電流取某一小段時(shí)間△ti內(nèi)Ui和Ii。熱效應(yīng)計(jì)算式即展化為（2）式,這么就克服了因電壓、電流波動(dòng)而產(chǎn)生試驗(yàn)誤差,使系統(tǒng)適用范圍更為廣泛。針對(duì)“BZ震蕩反應(yīng)”試驗(yàn)中問題,在A/D轉(zhuǎn)換前增加跟隨器和高輸入阻抗儀表放大器,提升輸入阻抗。 (1) (2)試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在原有化學(xué)試驗(yàn)裝置上配接一臺(tái)物理化學(xué)試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)控裝置（替換了原有數(shù)字電壓表、統(tǒng)計(jì)儀、貝克曼溫度計(jì)或數(shù)字式溫差測(cè)量?jī)x）和一臺(tái)計(jì)算機(jī)即組成了物理化學(xué)試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。該自動(dòng)測(cè)控裝置硬件設(shè)計(jì)組成如圖1所表示。關(guān)鍵由單片機(jī)、串行通訊接口、A/D轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、前置放大器、控制部分等組成。 該系統(tǒng)輸入部分采取了低漂移、高輸入阻抗儀表放大器,模數(shù)轉(zhuǎn)換部分選擇了含有自校零技術(shù)14BitA/D芯片ICL7135,控制部分加入光電耦合,有效隔離了被控設(shè)備和保護(hù)了測(cè)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中還采取555振蕩電路及74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,組成了一個(gè)簡(jiǎn)易看門狗電路,使系統(tǒng)含有自恢復(fù)功效。即使系統(tǒng)受到干擾程序跑飛,看門狗電路可使單片機(jī)復(fù)位,系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)選擇89C51單片機(jī),它內(nèi)部有4KflashROM和256byteRAM。但為了保留矯正參數(shù),選擇電擦除可編程只讀存放器EEPROM24C01A作輔助存放器,它能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線改寫,并能在斷電情況下保留數(shù)據(jù),另外,它采取串行讀寫方法,只占用單片機(jī)2個(gè)I/O口。89C51輸出串行TTL電平信號(hào)經(jīng)MAX202轉(zhuǎn)換為RS-232C信號(hào),來實(shí)現(xiàn)儀器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信。MAX202電平轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部有DC-DC轉(zhuǎn)換器,能將5V電壓轉(zhuǎn)換為±12V電壓,此芯片只需5V電源就可正常工作。這些設(shè)計(jì)使本系統(tǒng)含有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、穩(wěn)定性好、以及高測(cè)量精度,高可靠性優(yōu)點(diǎn)。2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.2.1自動(dòng)測(cè)控裝置軟件設(shè)計(jì)(下位機(jī)) 系統(tǒng)單片機(jī)軟件關(guān)鍵由主程序、中止服務(wù)程序和子程序等組成。主程序完成系統(tǒng)初始化、依據(jù)PC機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行A/D采樣和控制并將采樣值發(fā)送給PC機(jī)。中止服務(wù)程序有A/D采樣中止子程序、串行通訊中止子程序等。軟件采取模塊化程序設(shè)計(jì),各模塊源程序用符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,然后由FranklinC51編譯器生成一個(gè)可重新定位目標(biāo)文件。再將目標(biāo)文件固化入89C51中ROM中即可。2.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(上位機(jī))自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)軟件針對(duì)不一樣用戶要求開發(fā)了DOS版本和win95版本。2.2.2.1DOS版本因?yàn)椴糠钟脩粲糜谠囼?yàn)計(jì)算機(jī)是科研上淘汰下來檔次較低計(jì)算機(jī),我們對(duì)每個(gè)試驗(yàn)專門開發(fā)了適應(yīng)能力很強(qiáng)DOS版本應(yīng)用軟件。軟件在DOS環(huán)境下采取TurboC++2.0編寫,系統(tǒng)軟件運(yùn)行最低配置為286CPU,640K常規(guī)內(nèi)存,MS-DOS5.0以上版本。軟件關(guān)鍵包含:系統(tǒng)初始化文件,系統(tǒng)配置文件,HZK16-16*16點(diǎn)陣漢字庫文件。本系統(tǒng)采取漢字界面,能完成試驗(yàn)全部測(cè)控過程,及數(shù)據(jù)處理,畫圖,打印。系統(tǒng)軟件界面友好,集圖形,文字顯示于一屏,并含有完善提醒功效,報(bào)警功效,實(shí)時(shí)監(jiān)控功效和豐富熱鍵,操作起來簡(jiǎn)單易行。2.2.2.2win95版本 軟件在windows環(huán)境下采取Delphi編寫,含有更強(qiáng)大功效,軟件結(jié)構(gòu)如圖2所表示。 win95版本應(yīng)用軟件適適用于win95版本以上操作系統(tǒng),分單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版。網(wǎng)絡(luò)版有用戶端程序和服務(wù)器端程序,適適用于已將計(jì)算機(jī)聯(lián)成局域網(wǎng)試驗(yàn)室,用戶端程序供學(xué)生試驗(yàn)使用,服務(wù)器端程序供試驗(yàn)指導(dǎo)老師使用,用于查看每個(gè)學(xué)生實(shí)時(shí)試驗(yàn)情況和試驗(yàn)結(jié)果。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果以BZ振蕩反應(yīng)試驗(yàn)為例,以濃度為0.45mol/L丙二酸、濃度為0.25mol/L溴酸鉀、濃度為3.0mol/L硫酸、濃度為10.0mol/L硫酸鈰銨為樣品進(jìn)行BZ振蕩反應(yīng)自動(dòng)測(cè)定試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果較為理想,與原先試驗(yàn)相比,不僅提升了試驗(yàn)中BZ振蕩反應(yīng)電勢(shì)測(cè)定正確度,而且經(jīng)過計(jì)算機(jī)自動(dòng)判定起波時(shí)間克服了原來目測(cè)引入誤差,所得試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好,并能很好地符合文件值。以下為某次試驗(yàn)數(shù)據(jù),采取BZ震蕩反應(yīng)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試了30oC、35oC、40oC、45oC、50oC時(shí)BZ反應(yīng)曲線,關(guān)鍵數(shù)據(jù)以下:反應(yīng)溫度30oC35oC40oC45oC50oCt誘（秒）28620414910689由表中數(shù)據(jù)作ln（1/t誘）-1/T圖以下: 圖3ln（1/t誘）-1/T圖經(jīng)數(shù)據(jù)處理得表觀活化能為:49111（J/mol）從上面所表示結(jié)果能夠看出,由BZ震蕩反應(yīng)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)與理論值非?？拷？偨Y(jié)試驗(yàn)中引入計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比,含有使用方便、精度高、反復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。不僅有利于開設(shè)單人試驗(yàn),鍛煉學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力,而且提升了物理化學(xué)試驗(yàn)現(xiàn)代化測(cè)試水平。參考文件1何立民,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),北京航空航天大學(xué)出版社,19902徐愛鈞、彭秀華,單片機(jī)高級(jí)語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì),電子