物理实验指导书：气体相对压力系数的测量.doc

海量资料 超值下载气体相对压力系数的测量一、实验目的1.测出空气的相对压力系数,并与标准值比较。2.了解差压传感器的工作原理，并掌握其使用方法。3.学习用逐差法等处理数据。二、实验仪器PT-1气体相对压力系数仪，数显恒温水浴锅，真空泵。三、实验原理 将一定质量的干燥空气，在测出其初压强P1值以后密封于一玻璃泡内，玻璃随温度变化的(线)膨胀系数很小(9.510-6-1)可近似认为0，即体积V不随温度T而变化。则玻璃泡内气体的压强P随温度的变化遵从查理定律： P=P0（1+T） （1）式中P0为该气体在0时的压强值。显然 故称为气体相对压力系数。为了简化实验条件，令其从任一点（T1，P1）态开始，至（T2，P2）态结束。则有： P1=P0（1+T1）、P2=P0（1+T2）在固定T值不变的情况下， P(1/V) V=V0(1+T)当T=(-1/)时,对于理想气体有P=V=0,或者说在绝对温标00K时(即-273.15时)气体将凝结为P=0。空气中含有水蒸气，在0虽然凝结为冰，但仍有部分不凝结，存有部分水气的分压强。且水气分压强在常温段的变化规律复杂，故实验须用干燥空气在所有的气体中氦气(单原子,体积小)最近似于理想气体,而空气虽不如氦,但也比较接近于理想气体,其值与理想的标准值差别不大。对于理想气体，=3.66110-3K-1()-1。根据查理定律制作定容气体温度计是复现热力学温标的重要仪器，用于温度测量。四、实验方法与仪器描述1差压传感器装置 半导体材料(如单晶硅)因受力而产生应变时,由于载流子的浓度和迁移率的变化而导致电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式差压传感器就是得用压阻效应制成的。本实验中所使用的差压传感器的结构示意如图1，图a为外形图，图b为剖面图。1、3为工作电压线（3为正），2、4为输出电压线（2为正），5为硅膜片，6为固定片，7为参考压力腔，8为正压力腔，C、D为接口。它的核心是硅膜片，这种膜片是利用制作集成电路的方法，在单晶体基片上通过硼的扩散形成的，如图2所示的十字形四端应变片。 C D 8 A PPT-1 C UP M N D B 1 2 3 4 5 6 7 E 图1 差压传感器的结构 图 2 十字形四端应变片 当膜片受压力时，将一恒定电压E加在M和N两端上，从A和B两端上输出电压UP与压差P成线性关系： UP=U0+KP-1P （3） 式中，U0为压差等于零的输出电压：系数KP为一常数。由(2)式可知，在测的实验中，KP值终将被消去。当接口C(正压力腔)与三通B、玻璃泡A相通，D腔(参考压力腔)被抽空时，则此时PAB值即为大气的，也就是玻璃泡内的压强P1值，即： P1=KP(U1-U0) （4）水浴锅所示的温度值即为玻璃泡内气体的T1值。然后，将三通活塞转动180，将一定质量的干燥空气密封于体积不变的玻璃泡中。为简化实验条件和节省电力，此时停止真空泵抽气，让D端通大气。当玻璃泡A内温度变至T2时，A、C与D间的压差即为： P2-P1=KP(U2-U1) （5） P2=P1+(P2-P1)=KP(U2-U0) （6）由此可见U值与P值是相应的。注意： 公式(1)、(2)、(4)、(6)中T、P一般取正值。而差值可正、可负，但须注意增、减的方向不能弄错。此传感器可用于非腐蚀性气体和液体的压力或压差的测量。测量范围为0105Pa,综合精度为0.3%。此传感器具有体积小，灵敏度高，稳定性好等优点。为了简易实现空气的干燥化，可以从T190时，将与B相通的泡内空气烘干五分钟后，测出P1（即记下u1、u0），再将玻璃泡A（C）密封，降温测T2，P2。为了减小的实验测量误差，可以从两方面考虑，一方面增大T1，T2间的差值，另一方面，在T1，T2内插入多个测量值(Ti，Pi)， (i=1,2,3,4,N)装置主要部分的示意图如图3所示。被测介质是封装在玻璃泡A内的空气，A泡浸没在恒温水浴锅内的蒸馏水中，恒温水浴锅可自动控制水温。差压传感器的接口D通大气，接口C经过玻璃细管和真空三通活塞与A泡相连。2数显恒温水浴锅将玻璃泡A与毛细玻璃管相连。在管的中段设置三通活塞，（如图3）当丁字形通孔正(丁字)放置，则玻璃泡A仅与C相通，C端接压差传感器。 当丁字形通孔倒(丁字)放置，则玻璃泡A与C、B皆通。B端直通于大气。玻璃泡浸没于可变温、控温的水浴锅内。组成温度T的测控装置。因金属铜丝的电阻随温度作线性变化，所以经校正后，可用电阻值以表示其温度()值和作为测控值。于是所组成的数显恒温水浴锅。 A B 三通活塞数显恒温水浴锅 PT-1气体相对压力系数仪 1 2 差压 V mV 3 传感器 D 工作电压 输出电压 4 C 恒温 升温 温度设定 温度调节 工作电压 输出电压 图3 差压传感器装置 当水浴锅内充满蒸馏水以后，将选择开关拨至“测温”挡时，则数字表显示出的温度值即蒸馏水底部的温度值，当选择开关拨至“设置”挡时，轻轻旋转“温度调节”电位器旋钮，则水浴锅温度即定于所设值，当水温低于所“设置”值时，则加热器自动通电“升温”，达到后即自动停止。于是“恒温”。当水温高于“设置”温度时，它可以被认为仅是一“数显测温装置”。 3气体相对压力系数仪 PT-1气体相对压力系数仪提供差压传感器的工作电压E=3.00V(3位半的数字直流电源)和测量差压传感器的输出电压的199.99mV（4位半数字电压表），组成气体相对压力系数的测试部分。五、实验步骤 1整个装置安装如图3和图4后，在A、C、B相通下，将水浴锅内徐徐充满蒸馏水，然后接通水浴锅电源。将选择开关拔至“测温”挡，则数字表显示的温度即为水温，再将选择开关拨至设定档，转动“调温”旋钮，当数至：例如92.0时停止，再拨至“测温”挡，则水浴锅水温至92.0即自动恒定于该值。2将“气体相对压力系数仪”的E(工作电压)，U(输出电压)与“差压传感器”的E，U相连，在C，D都与大气相通下，接通其电源，调节工作电压至额定值E=3.00V，则数显：例如17.90mV，此即为U0值。3在三通活塞A、C与B相通的情况下，开动真空泵。几秒钟后被抽空间“差压传感器”的D腔内的压强可认为0Mpa，此时压力系数仪显示的U值即为U1值，约为135mV左右。 P1=KP(U1-U0) （1）此时真空表所指示的值为D腔的真空度值,例如-0.091Mpa，它只是表明D腔是否抽空，而不作其与大气相差的压强值。（单位为Mpa）一个标准大气压为0.101325Mpa。（2）当压力系数仪显示的输出电压值稳定后,才读取U1值。因为D腔系统有可能漏气，在测出U1后立即关掉真空泵，则D腔随即通大气(真空表复指于0Mpa)。再转动三通活塞180使AC相通而与大气口B隔绝。4将水浴锅“设定”温度调至环境温度例如室温15以下，再将“选择开关”拨至“测温”挡。然后每降低1记录下相应的U值，即得（Ti，Pi）i=1，2，3，4，2N组，包括（T1，P1）在内共（2N+1）组实验值。H G 真空表 通大气 工作电压 输出电压 1 F阀 PT-1气体相对压力系数仪 2 差 D B 3 压传 A 真空泵 V mV 4感器 C 三通活塞 工作电压 输出电压 图4 差压传感器测量装置 5为检测实验系统的漏气情况，以及大气压强是否变化，测完（Ti，Pi）后可让其复升温至T1，再抽空D看U1（P1）值是否变化，并记录下U1，若U1U1，则实验近乎完备。6建议每变化温度5，记一次Tj和Uj。7实验完后，关掉电源，从水浴锅上附设的橡皮管是否放掉蒸馏水由实验室决定。六、注意事项 1差压传感器和玻璃制品易损坏，操作要小心。转动三通活塞时一定要缓慢，另一只手一定要扶住活塞。需要更换蒸馏水时，用恒温水浴锅的橡胶管放水，不要倾倒水浴锅，以防损坏仪器。 2使用恒温水浴锅时，为了确保安全，请接上地线。注意向锅内加蒸馏水不能使电热管露出水面，以免烧坏电热管，造成漏水。严禁在不加蒸馏水时，通电干烧，损坏水浴锅。 3升温到达“设定”值，断电以后，水温还将上升120C后,方下降,降过设定值后再通电加热.使用时须考虑上此“热惯性”，对实验的影响及采取相应的消除办法。例如每次实验记录都选取温度降至“设定”值时读取数据（“热惯性”是加热系统的温度断电后，高于水温所引起的）。4不工作时，应切断电源，以防发生意外。七、数据处理1. 将（T1，P1）与（TN+1，PN+1）逐差组合，共组合出N组代入公式（2），则：标准值=3.66110-3-1，若超出误差范围，试分析原因。 2. 将(Ui-UO)，Ti作直角坐标图，若近乎线性关系，则用直尺连线，让实验点均匀分布于直线左右，求得其截距为（U-U0）