现代测量技术在物理化学实验中的应用

1、现代测量技术在物理化学实验中的应用潘红兵 虞致国 王勇 刘先昆 纪圣谋 徐健健（南京大学物理学系 南京，）摘要: 随着计算机技术的高速发展，现代测量技术越来越显示出了它自身强大的功能并在各个领域得到了广泛的应用。本文介绍了现代测量技术在物理化学实验中的几个应用。关键词 数据采集 串行通讯 BZ震荡 溶解热 燃烧热1、 实验原理及改进“溶解热的测定”“燃烧热的测定”“BZ振荡反应”实验是物理化学实验中的几个经典实验。“溶解热的测定”实验方法是采用电热补偿法。实验时先测定体系的起始温度，在样品溶解过程中，温度随溶解的进行而降低（吸热反应），通过电加热方法使体系恢复至起始温度，从而根据所耗电能求出热

2、效应Q=U*I*t。其中I为流过电阻值为R的电阻丝加热器的电流强度（A），V为电阻丝两端电压（V），t为通电时间（s）。此实验设备简单，实验结果较为明显。但此实验也存在一些缺陷：（1）在整个实验过程中需要一个稳定的U*I值，但往往由于电压、电流的波动，难以满足实验的要求；（2）通电时间为秒表人工读数，因而易引入较大的读数误差；（3）实验中观察起始温度的到达和读取加热时间需同时进行，学生单独完成有困难，不利于开设单人实验。在传统物化实验“燃烧热测定”中，大都采用氧弹卡计配贝克曼温度计作精密温差测量，分辨率低、操作复杂、易引入人为误差，并且记录数据及最终数据处理的工作量大。在“BZ震荡反应”实验中

3、，采用数字电压表观察BZ震荡反应电势变化范围，记录仪记录BZ震荡反应波形来求出t诱。由于BZ震荡反应中两电极的输出阻抗远大于一般数字电压表和记录仪的输入阻抗，导致电势和t诱测量精度很低。为解决这一系列问题，我们设计了可与计算机通讯的数据采集接口装置，内置高速多路数据采集系统，并针对不同实验配置不同的前置放大器和外围电路。接口装置实时检测电压、电流、温度等参量，计算机完成对实验过程的控制、实验数据记录及处理。在“溶解热的测定”实验中，要求U和I保持恒定不变，实际实验中很难做到，为解决这一问题，系统在数据处理方法上使用了积分计算的方法，即将电压、电流作为随时间变化的函数U(t)和I(t)，而不是一

4、个恒定不变的值，利用计算式（1）完成积分，为方便计算机数值计算，实际处理时电压、电流取某一小段时间ti内的Ui和Ii。热效应计算式即展化为（2）式，这样就克服了因电压、电流波动而产生的实验误差，使系统的适用范围更为广泛。针对“BZ震荡反应”实验中的问题，在A/D转换前增加跟随器和高输入阻抗的仪表放大器，提高输入阻抗。(1)(2)2、 实验测控系统设计2.1系统硬件设计在原有的化学实验装置上配接一台物理化学实验自动测控装置（替代了原有的数字电压表、记录仪、贝克曼温度计或数字式温差测量仪）和一台计算机即组成了物理化学实验自动测控系统。该自动测控装置硬件设计组成如图1所示。主要由单片机、串行通讯接口

5、、A/D转换器、模拟开关、前置放大器、控制部分等组成。该系统输入部分采用了低漂移、高输入阻抗的仪表放大器，模数转换部分选用了具有自校零技术的14Bit A/D芯片ICL7135，控制部分加入光电耦合，有效隔离了被控设备和保护了测控系统。设计中还采用555振荡电路及74LS123单稳态触发器，构成了一个简易的看门狗电路，使系统具有自恢复功能。即使系统受到干扰程序跑飞，看门狗电路可使单片机复位，系统自动恢复。因为本系统选用89C51单片机，它内部有4KflashROM和256byte RAM。但为了保存矫正参数，选用电擦除可编程只读存储器EEPROM 24C01A作辅助存储器，它能在应用系统中进行

6、在线改写，并能在断电情况下保存数据，此外，它采用串行读写方式，只占用单片机2个I/O口。89C51输出的串行TTL电平信号经MAX202转换为RS-232C信号，来实现仪器和计算机的数据通信。MAX202电平转换芯片内部有DC-DC转换器，能将5V电压转换为12V电压，此芯片只需5V电源就可正常工作。这些设计使本系统具有结构简单、使用方便、稳定性好、以及高测量精度，高可靠性的优点。2.2系统软件设计2.2.1自动测控装置软件设计(下位机)系统单片机软件主要由主程序、中断服务程序和子程序等组成。主程序完成系统初始化、根据PC机发送的命令进行A/D采样和控制并将采样值发送给PC机。中断服务程序有A

7、/D采样中断子程序、串行通讯中断子程序等。软件采用模块化程序设计，各模块源程序用符合ANSI标准的C语言编写，然后由Franklin C51编译器生成一个可重新定位的目标文件。再将目标文件固化入89C51中的ROM中即可。2.2.2系统软件设计(上位机)自动测控系统软件针对不同用户要求开发了DOS版本和win95版本。2.2.2.1 DOS版本因为部分用户用于实验的计算机是科研上淘汰下来档次较低的计算机，我们对每个实验专门开发了适应能力很强的DOS版本应用软件。软件在DOS环境下采用Turbo C+ 2.0编写，系统软件运行最低配置为286 CPU，640K常规内存，MS-DOS 5.0以上版

8、本。软件主要包括：系统初始化文件，系统配置文件，HZK16-16*16点阵汉字库文件。本系统采用汉字界面，能完成实验的全部测控过程，及数据处理，画图，打印。系统软件界面友好，集图形，文字显示于一屏，并具有完善的提示功能，报警功能，实时监控功能和丰富的热键，操作起来简单易行。2.2.2.2 win95版本软件在windows环境下采用Delphi编写，具有更强大的功能，软件结构如图2所示。win95版本应用软件适用于win95版本以上操作系统，分单机版和网络版。网络版有客户端程序和服务器端程序，适用于已将计算机联成局域网的实验室，客户端程序供学生实验使用，服务器端程序供实验指导教师使用，用于查看

9、每个学生的实时实验情况和实验结果。3、 系统应用结果以BZ振荡反应实验为例，以浓度为0.45mol/L丙二酸、浓度为0.25mol/L的溴酸钾、浓度为3.0mol/L的硫酸、浓度为10.0mol/L的硫酸铈铵为样品进行BZ振荡反应自动测定实验，实验结果较为理想，与原先实验相比，不但提高了实验中的BZ振荡反应电势的测定精确度，而且通过计算机自动判断起波时间克服了原来目测引入的误差，所得实验结果重现性好，并能较好地符合文献值。以下为某次实验数据，采用BZ震荡反应自动测控系统测试了30 oC 、35 oC 、40 oC 、45 oC 、50 oC时的的BZ反应曲线，主要数据如下：反应温度30 oC35 oC40 oC45 oC50 oCt诱（秒）28620414910689由表中数据作ln（1/t诱）-1/T图如下：图3 ln（1/t诱）-1/T图经数据处理得表观活化能为：49111（J/mol）从上面所示结果可以看出，由BZ震荡反应自动测控系统实验得到的数据与理论值非常接近。4、 总结实验中引入计算机自动测控系统与传统实验相比，具有使用方便、精度高、重复性好等优点。不仅有利于开设单人实验，锻炼学生的计算机应用能力，而且提高了物理化学实验现代化测试水平。参考文献1 何立民，单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，19902 徐爱钧、彭秀华，单片机高级语言C51应用程序设计，电子