現代測量技術在物理化學試驗中應用潘紅兵虞致國王勇劉先昆紀圣謀徐健健（南京大學物理學系 南京,210093）摘要:伴隨計算機技術高速發展,現代測量技術越來越顯示出了它本身強大功效并在各個領域得到了廣泛應用。本文介紹了現代測量技術在物理化學試驗中多個應用。關鍵詞數據采集串行通訊BZ震蕩溶解熱燃燒熱試驗原理及改善“溶解熱測定”“燃燒熱測定”“BZ振蕩反應”試驗是物理化學試驗中多個經典試驗。“溶解熱測定”試驗方法是采取電熱賠償法。試驗時先測定體系起始溫度,在樣品溶解過程中,溫度隨溶解進行而降低（吸熱反應）,經過電加熱方法使體系恢復至起始溫度,從而依據所耗電能求出熱效應Q=U*I*t。其中I為流過電阻值為R電阻絲加熱器電流強度（A）,V為電阻絲兩端電壓（V）,t為通電時間（s）。此試驗設備簡單,試驗結果較為顯著。但此試驗也存在部分缺點:（1）在整個試驗過程中需要一個穩定U*I值,但往往因為電壓、電流波動,難以滿足試驗要求;（2）通電時間為秒表人工讀數,所以易引入較大讀數誤差;（3）試驗中觀察起始溫度抵達和讀取加熱時間需同時進行,學生單獨完成有困難,不利于開設單人試驗。在傳統物化試驗“燃燒熱測定”中,大都采取氧彈卡計配貝克曼溫度計作精密溫差測量,分辨率低、操作復雜、易引入人為誤差,而且統計數據及最終數據處理工作量大。在“BZ震蕩反應”試驗中,采取數字電壓表觀察BZ震蕩反應電勢改變范圍,統計儀統計BZ震蕩反應波形來求出t誘。因為BZ震蕩反應中兩電極輸出阻抗遠大于通常數字電壓表和統計儀輸入阻抗,造成電勢和t誘測量精度很低。為處理這一系列問題,我們設計了可與計算機通訊數據采集接口裝置,內置高速多路數據采集系統,并針對不一樣試驗配置不一樣前置放大器和外圍電路。接口裝置實時檢測電壓、電流、溫度等參量,計算機完成對試驗過程控制、試驗數據統計及處理。在“溶解熱測定”試驗中,要求U和I保持恒定不變,實際試驗中極難做到,為處理這一問題,系統在數據處理方法上使用了積分計算方法,立即電壓、電流作為隨時間改變函數U(t)和I(t),而不是一個恒定不變值,利用計算式（1）完成積分,為方便計算機數值計算,實際處理時電壓、電流取某一小段時間△ti內Ui和Ii。熱效應計算式即展化為（2）式,這么就克服了因電壓、電流波動而產生試驗誤差,使系統適用范圍更為廣泛。針對“BZ震蕩反應”試驗中問題,在A/D轉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)試驗測控系統設計2.1系統硬件設計在原有化學試驗裝置上配接一臺物理化學試驗自動測控裝置（替換了原有數字電壓表、統計儀、貝克曼溫度計或數字式溫差測量儀）和一臺計算機即組成了物理化學試驗自動測控系統。該自動測控裝置硬件設計組成如圖1所表示。關鍵由單片機、串行通訊接口、A/D轉換器、模擬開關、前置放大器、控制部分等組成。 該系統輸入部分采取了低漂移、高輸入阻抗儀表放大器,模數轉換部分選擇了含有自校零技術14BitA/D芯片ICL7135,控制部分加入光電耦合,有效隔離了被控設備和保護了測控系統。設計中還采取555振蕩電路及74LS123單穩態觸發器,組成了一個簡易看門狗電路,使系統含有自恢復功效。即使系統受到干擾程序跑飛,看門狗電路可使單片機復位,系統自動恢復。因為本系統選擇89C51單片機,它內部有4KflashROM和256byteRAM。但為了保留矯正參數,選擇電擦除可編程只讀存放器EEPROM24C01A作輔助存放器,它能在應用系統中進行在線改寫,并能在斷電情況下保留數據,另外,它采取串行讀寫方法,只占用單片機2個I/O口。89C51輸出串行TTL電平信號經MAX202轉換為RS-232C信號,來實現儀器和計算機數據通信。MAX202電平轉換芯片內部有DC-DC轉換器,能將5V電壓轉換為±12V電壓,此芯片只需5V電源就可正常工作。這些設計使本系統含有結構簡單、使用方便、穩定性好、以及高測量精度,高可靠性優點。2.2系統軟件設計2.2.1自動測控裝置軟件設計(下位機) 系統單片機軟件關鍵由主程序、中止服務程序和子程序等組成。主程序完成系統初始化、依據PC機發送命令進行A/D采樣和控制并將采樣值發送給PC機。中止服務程序有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計,各模塊源程序用符合ANSI標準C語言編寫,然后由FranklinC51編譯器生成一個可重新定位目標文件。再將目標文件固化入89C51中ROM中即可。2.2.2系統軟件設計(上位機)自動測控系統軟件針對不一樣用戶要求開發了DOS版本和win95版本。2.2.2.1DOS版本因為部分用戶用于試驗計算機是科研上淘汰下來檔次較低計算機,我們對每個試驗專門開發了適應能力很強DOS版本應用軟件。軟件在DOS環境下采取TurboC++2.0編寫,系統軟件運行最低配置為286CPU,640K常規內存,MS-DOS5.0以上版本。軟件關鍵包含:系統初始化文件,系統配置文件,HZK16-16*16點陣漢字庫文件。本系統采取漢字界面,能完成試驗全部測控過程,及數據處理,畫圖,打印。系統軟件界面友好,集圖形,文字顯示于一屏,并含有完善提醒功效,報警功效,實時監控功效和豐富熱鍵,操作起來簡單易行。2.2.2.2win95版本 軟件在windows環境下采取Delphi編寫,含有更強大功效,軟件結構如圖2所表示。 win95版本應用軟件適適用于win95版本以上操作系統,分單機版和網絡版。網絡版有用戶端程序和服務器端程序,適適用于已將計算機聯成局域網試驗室,用戶端程序供學生試驗使用,服務器端程序供試驗指導老師使用,用于查看每個學生實時試驗情況和試驗結果。系統應用結果以BZ振蕩反應試驗為例,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硫酸鈰銨為樣品進行BZ振蕩反應自動測定試驗,試驗結果較為理想,與原先試驗相比,不僅提升了試驗中BZ振蕩反應電勢測定正確度,而且經過計算機自動判定起波時間克服了原來目測引入誤差,所得試驗結果重現性好,并能很好地符合文件值。以下為某次試驗數據,采取BZ震蕩反應自動測控系統測試了30oC、35oC、40oC、45oC、50oC時BZ反應曲線,關鍵數據以下:反應溫度30oC35oC40oC45oC50oCt誘（秒）28620414910689由表中數據作ln（1/t誘）-1/T圖以下: 圖3ln（1/t誘）-1/T圖經數據處理得表觀活化能為:49111（J/mol）從上面所表示結果能夠看出,由BZ震蕩反應自動測控系統試驗得到數據與理論值非常靠近。總結試驗中引入計算機自動測控系統與傳統試驗相比,含有使用方便、精度高、反復性好等優點。不僅有利于開設單人試驗,鍛煉學生計算機應用能力,而且提升了物理化學試驗現代化測試水平。參考文件1何立民,單片機應用系統設計,北京航空航天大學出版社,19902徐愛鈞、彭秀華,單片機高級語言C51應用程序設計,電子