[传感器测量空气相对压力系数与真空度的关系] 用传感器测空气相对压力系数

　　摘要:真空泵抽真空程度对实验室测量空气相对压力系数有很大的影响。实验采用控制变量法,对真空泵抽真空度与空气相对压力系数测量值之间的关系进行了研究。分析结果得出,当真空泵抽真空度大于50%时,空气相对压力系数测量值与真空度值之间基本符合线性关系,可以通过将空气相对压力系数标准值与测量值做比的方法得到对应的真空度值。同时,实验过程中出现真空泵抽真空度不够的情况时,可通过将最终测得的空气相对压力系数值乘以其对应真空度值的方法对实验结果进行修正。
　　关键词:差压传感器 空气相对压力系数 真空度
　　中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
　　
　　1引言
　　 真空泵抽真空程度可以通过真空表上数值直观的读出,真空表上“0”表示正一个大气压,“-0.1”表示绝对真空。然而,真空表的显示值只能表示出真空度的相对值,并不能精确的反映出真实的真空度值。
　　实验室利用传感器测量空气相对压力系数的实验中,真空度对传感器定标有很大影响,进而影响到测量所得空气相对压力系数值。如果能找到真空度与空气相对压力系数测量值之间的关系,那么可以通过测量空气相对压力系数值得到对应的真空度值,从而找到一种测量真空度值的新方法。
　　
　　2仪器介绍与实验过程
　　实验所用仪器由四部分组成:定容圆玻璃泡及与其相连的三通阀;热电偶、搅拌器及温度传感器,用来加热玻璃杯中的水并将温度值传递到数显装置中;差压传感器,定标后测量空气相对压力系数;真空泵。其中,差压传感器的型号为Honeywell 24PCCFA6D,量程0~100KPa,工作电压为5V~12V,具有高稳定性、重复性和一致性。
　　实验过程:调整传感器输入电压,将三通阀旋转至传感器与大气相通而与玻璃泡隔开的位置,将传感器一端与真空泵连接,抽真空,读出传感器输出电压 (传感器两端压力差为大气压时所对应的电压值);断开真空泵,读出输出电压 (传感器两端压力差为零时所对应的电压值)。将 与 相减,差值与大气压值做比,得到 (电压值与对应气压值之间的比例系数)。调整三通阀使传感器与玻璃泡相通,与大气隔开,记录此时温度及对应输出电压,打开加热装置和搅拌器,每升高三摄氏度,记录温度值及其对应输出电压,共记录十组数据;利用 将输出电压值转换为相应的压力值,将温度与压力对应数据描点作图,最小二乘法直线拟合计算斜率,斜率除以直线在Y轴上的截距 ,即得到空气相对压力系数 。
　　
　　3真空度与空气相对压力系数测量值之间的关系
　　真空度对传感器定标影响很大。真空度不同,测得的空气相对压力系数值不同。在绝对真空下测得的系数值为标准值。分析测量原理得,真空度与空气相对压力系数测量值在真空度较高时(大于50%)基本符合线性规律。以真空度为95%为例说明:真空度直接影响的是 ,当真空度为95%时, 应除以95%才能达到真空度为100%时的测量结果,而 ,其中, 很小,当真空度较高时, 较大,此时, 相对于 可以忽略,因此, 除以95%可以转化为 乘以95%。又因为 , 乘以95%可以进而转变为 *95%= *95%+ , 实验最后作P-T图求斜率的过程中,由于斜率=△ /△T,因此斜率与 呈线性关系, *95%就可以转化为直接在斜率上乘以95%。空气相对压力系数值为斜率值除以直线在Y轴上的截距 , 变化很小,因此,可以直接在测量所得的空气相对压力系数值上乘以95%得到更为准确的空气相对压力系数测量值。从以上分析可得,真空度值较高时,空气相对压力系数值与真空度值之间基本符合线性关系。
　　实验采用控制变量法,对以上关于真空度与空气相对压力系数测量值之间关系的分析进行了验证。
　　实验过程如下:
　　(1) 任意选择实验室内一台仪器。固定输入电压为2V左右,改变真空度(从真空度为100%到20%,5%为一个变化单位),记录每个真空度下差压传感器对应的输出电压值 ,测量不同真空度下的空气相对压力系数值,记录每次实验结果并将真空度与对应空气相对压力系数值作图分析变化趋势;
　　(2) 对于同一台仪器,改变初始输入电压(从2V到8V,以1V为一个变化单位),在每个输入电压下重复步骤“1”中的实验过程,作图分析实验结果,以验证是否在不同输入电压下真空度与空气相对压力系数值的变化关系都呈现相同的趋势;
　　(3) 对实验室中其它仪器进行相同的系列实验。
　　上述系列实验得出的结果显示,真空度越小,实验测得的空气相对压力系数值越大,且越偏离其真实值0.00366,二者之间呈现出一条斜率渐渐减小的曲线关系。真空度在50%以上时,二者之间基本符合线性关系。无论是对于同一台仪器改变初始输入电压,还是对于实验室内的其它仪器,真空度对空气相对压力系数测量值的影响均呈现出相同的趋势。
　　以初始输入电压为5.011V为例,具体说明真空度对测量空气相对压力系数的影响。
　　如表一所示:输入电压为5.011V,真空度从100%变化至20%,以5%为一个改变单位。测量每个真空度下对应的空气相对压力系数值。从表格中数据可以看出,空气相对压力系数测量值随真空度的减小而不断增大,并且越来越偏离其真实值。二者之间的变化关系如图一所示,从图上可以看到,当真空度大于50%时,二者之间基本符合线性关系。
　　输入电压从2V改变至9V,真空度对空气相对压力系数测量值的影响情况均呈现出相同的趋势。对实验室内其他仪器进行同样的实验,均得出相同的结果。
　　综上所述,在真空度大于50%时,空气相对压力系数测量值与真空度之间基本符合线性关系,可以通过测量空气相对压力系数值,并将标准值与测量值作比,得到的比例系数即为真空泵抽真空度。如,输入电压为8.005V,若测得的空气相对压力系数值为0.0038545,将标准值与测量值作比得到:0.00366/0.0038545=0.9495,即此时的真空度值为94.95%,对比输入电压为8.005V的实验数据可知,测量结果为0.0038545时对应的真空度值为95%,可见,由空气相对压力系数标准值与测量值之间作比得到的真空度值能较好的符合实际情况。这一结论在真空度大于50%时符合的比较好,真空度太低时, 值不够大,忽略 的做法会造成较大误差,且真空度太低,影响传感器工作的各项因素对实验结果的影响非常明显,因此,此结论在真空度大于50%时符合的较好。
　　同时,当实验室真空泵抽真空度不足时,可以将测量得到的空气相对压力系数值乘以其对应的真空度值的方法来修正由于真空度不够带来的误差。如,输入电压为5.011V,真空度为95%,测得的空气相对压力系数值为0.0038899,这一数值与真实值的相对误差为6.28%,若在此基础上乘以其真空度,即0.0038899 0.95=0.0036954,修正后的数值与真实值之间的相对误差减小为0.97%。这一误差修正方式在教学上很有意义。
　　
　　4实验结论
　　 通过以上讨论,可以得出:空气相对压力系数测量值的改变量随真空度的增大而不断减小,二者之间呈现出一条斜率不断减小的曲线关系,当真空泵抽真空度大于50%时,空气相对压力系数测量值与真空度值之间基本符合线性关系,可以通过将空气相对压力系数标准值与测量值作比的方法得到对应的真空度值。同时,实验过程中出现真空泵抽真空度不够的情况时,可通过将测得的空气相对压力系数值乘以其对应真空度值的方法对实验结果进行修正。
　　
　　参考文献
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　　第一作者简介:李晓宇,1989年6月,女,本科在读,专业方向:材料化学。
　　本实验研究得到中国地质大学(北京)物理教学示范中心开放基金的支持。
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