Computer Data Acquisition System of Accurate Pressure Difference And Its application

Ye Zhixiang, Li Jiangyuan, Wang Duocai, Cai Duochang

Abstract This paper reports computer data acquisition system of accurate pressure difference,which is composed of accurate pressure difference sensor,differential direct current amplifier,A/D adapter and computer etc,the advantage of the system is that the variation of instantaneous pressure differrnce can be measured. By this system,the surface tension of alcohol solution with various concentration has been determined and its result is satisfactory.
Key words Accurate pressure difference, Computer data acquisition system, Surface tension
摘要 报道了由精密压差传感器、差动直流放大器、模/数转换器、计算机等组成的精密压差计算机数据采集系统，该系统具有测量瞬间压差变化的优点，用此系统测定了不同浓度的乙醇溶液的表面张力，其结果令人满意。
关键词 精密压差 计算机数据采集系统 表面张力

        最大气泡压力法测定溶液的表面张力作为一个典型的表面化学实验被选为国内外物理化学的基础实验^[1-2]。由于当气泡的半径达到毛细管的半径时，气泡瞬间就破裂，它是一个动态过程，所以无论使用Ｕ型压力计还是使用数字式微压差测量仪都很难准确获得系统的最大压差^[2]。为了准确获得系统的最大压差，选用精密压差传感器将压差信号转化为电压信号，通过模数转换，每隔一定时间采集一次数据，最后以文件形式存盘。用精密压差数据采集系统测定了不同浓度的乙醇溶液的表面张力，用多项式对实验数据进行处理获得的乙醇分子截面积与文献值基本一致。
1 精密压差计算机数据采集系统
    本系统由自制恒流源、CYG21型压差传感器、自制差动直流放大器、ZF-10数据采集存贮器、IBM-PC兼容机组成，如图1所示。
   
    图1 精密压差计算机数据采集系统组成示意图
    压差传感器是利用单晶硅的压阻效应，用四个等值应变电阻组成惠斯登电桥，当不受压力作用时电桥处于平衡状态，当受到压力作用时电桥失去平衡。若对电桥加一恒定电流，便输出对应于压差的电压信号，从而达到测量压差的目的。CYG21型压差传感器需要2mA悬浮式恒流工作电源，我们自制的恒流源工作原理如图2所示，图中A为mA741等通用型集成运算放大器， 与外围元件R₁、W₁、W₂、R₃、RF等组成负载不接地的恒流源。D为精密稳压二极管， R₂为其提供工作电流，调节W1可为A的反相端提供基准电压，当其它元件固定时，精确调节W₂，在a、b两端就可得到2mA电流恒流输出。a、b两端接压差传感器的输入端，当W₂ >>R_F 时，通过压差传感器桥路的工作电流， 调节W₂或E_s即可获得不同的I_L，I_L与传感器输入电阻无关，从而使传感器的工作电流恒定。压差传感器将压差信号转换成电压信号，并以线性直流信号输出。CYG21型压差传感器输出直流电压为0～75mV，由于ZF-10的输入分辨值为1mV，采集电压范围是-4V～+4V，若将压差传感器的电压信号直接输入ZF-10数据采集存贮器，会因电压变化幅度太小，造成的误差太大，使得测量结果误差很大。为此我们研制了差动直流放大器，其原理如图3所示， 图中A₁和A₂为通用型集成运算放大器，A₁与外围元件R₁～R₄组成差动比例放大器，当R₁=R₂ 、R₃=R₄时，其差模增益为R₃ /R₁，其输入端c、d与传感器输出端连接，根据需要调节R₃ 、R₄与R₂ 、R₁之比，可获得不同的放大倍数。A₂ 与R₅ 、R₆组成反相比例放大器，W为该放大器的调零电位器，在压差为零时，调节W使放大器输出为零。调节R₅ 、R₆之比，可进一步修正放大器的增益。由ZF-10数据采集存贮器定时采集信号，进行模数转换后输入计算机，所采集的数据以文件形式存盘。

	图2 2mA恒流源原理图		图3 差动直流放大器原理图

2 实验结果与讨论
    用精密压差数据采集系统测定了30°C不同浓度的乙醇溶液的表面张力，具体实验操作及装置见文献^[3]，在其支管和U型压力计间接上三通管与压差传感器连接，由ZF-10数据采集存贮器每隔0.05s采集1次数据，采集完后将数据传输给计算机，以文件形式将所采集的数据存盘。图4是U型压差计的液柱最大高度差为72.0mm时，所采集的电压～时间图，从图可知电压变化最大值为288mV，即当U型压差计的液柱高度差变化0.25mm时，CYG21型压差传感器产生经差动直流放大器放大后1.0mV电压的变化，因此计算机采集数据的精度高。图中A点是指毛细管内气泡半径达到毛细管的半径时，大气与系统的压差达到最大；AB段是气泡瞬间破裂，有一定量的空气进入系统，大气与系统的压差减小(B点)；BC段是由于U型压力计中液体重力的作用，液体上下振动，造成压差也在变化，随着漏斗中水的放出，振动慢慢减弱，直至停止振动(C点)；CD段是随着漏斗中水的继续放出，毛细管内气泡慢慢增大直至气泡半径再次达到毛细管的半径，大气与系统的压差又达到最大(D点)，以后又重复上述过程。图4清晰地显示出了系统压差变化的真实情况，表明用本系统不但能准确记录瞬间微压差变化，而且重现性很好。
   
        图4 计算机采集的电压～时间图
   
        图5 30°C乙醇溶液表面张力～浓度图
    作30°C乙醇溶液表面张力～浓度图，如图5所示。研究发现溶液表面张力与浓度的关系适合如下数学模型：
   
    对上式求导：
   
    将不同浓度C下的代入Gibbs吸附公式：
   
    求出不同浓度时的吸附量，利用Langmuir吸附等温式：
   
    作图，如图6，由直线斜率获得饱和吸附量，通过饱和吸附计算出乙醇分子的截面积：
   
    该值与文献值^[4] 2.89×10^-19m²基本一致，相对误差为5.9％。
   
        图6 图
    我们将精密压差计算机数据采集系统应用于最大气泡法测量乙醇溶液的表面张力，通过多项式处理实验数据获得的乙醇分子截面积与文献值基本一致，表明我们研制的精密压差计算机数据采集系统准确性高、灵敏度高，特别适用于微小压差变化过程的动态跟踪测量。
3 参考文献
[1] Wilson J M,Newcombe R J,Denaro A R et al.Experiment In Physical Chemistry. New York:Pergamon press,1962:200-201.
[2] 孙尔康，徐维清，邱金恒编.物理化学实验.江苏南京:南京大学出版社,1998:87-90.
[3] 广西师范大学等合编.基础物理化学实验.广西桂林:广西师范大学出版社,1991:192-194.
[4] 陈宗淇，戴闽光编.胶体化学.北京:高等教育出版社,1984:140.

叶芝祥 男，36岁，副教授，主要从事物理化学教学和科研工作。四川省教委资助项目