二組分固液系統(tǒng)相圖的測定

1、二組分固液系統(tǒng)相圖的測定一、實驗目的1、利用步冷曲線建立二組分鉛-錫固液系統(tǒng)相圖的方法。2、介紹PID溫度控制技術和熱電阻的使用。二、實驗原理本實驗的目的是通過熱分析法獲得的數據來構建一個相圖，用于表示不同溫度、組成下的固相、液相平衡。不同組成的二組分溶液在冷卻過程中析出固相的溫度可以通過觀察溫度-時間曲線的斜率變化進行檢測。當固相析出時，冷卻速率會變得比較慢，這可歸因于固化B%t（a）（b）圖8.1二元簡單低共熔物相圖（a）及其步冷曲線（b）圖8.1（a）是典型的二元簡單低共熔物相圖。圖中A、B表示二個組分的名稱，縱軸是物理量溫度T橫軸是組分B的百分含量B%。在acb線的上方，系統(tǒng)只有一個相

2、（液相）存在；在ecf線以下，系統(tǒng)有兩個相（固相A和固相B）存在；在ace所包圍的區(qū)域內，一個固相（固體A）和一個液相（A在B中的飽和熔化物）共存；在bcf所包圍的區(qū)域內，一個固相（固體B）和一個液相（B在A中的飽和熔化物）共存。c點有三相（互不相溶的固體A和固體B，以及A、B的飽和熔化物液相）共存，根據相律，在壓力確定的情況下，三相共存時系統(tǒng)的自由度為零，即三相共存的溫度為一定值，在相圖上表現為一條通過c點的水平線，處于這個平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)溫度Tc、系統(tǒng)組成A、B和B（c）%均不可改變,Tc和B（c）%構成的這一點稱為低共熔點。熱分析法是繪制相圖的常用實驗方法，將系統(tǒng)加熱熔融成一個均勻的液相

3、，然后讓系統(tǒng)緩慢冷卻，以系統(tǒng)溫度對時間作圖得到一條曲線，稱為步冷曲線或冷卻曲線。曲線的轉折點表征了某一溫度下發(fā)生相變的信息，由系統(tǒng)組成和相變點溫度可以確定相圖上的一個點，多個實驗點的合理連接就形成了相圖上的相線，并構成若干相區(qū)。圖1（b）是與相圖對應的不同組成系統(tǒng)的步冷曲線。三、儀器與藥品SWKY-1型數字控溫儀、KWL09可控升降溫電爐、Pt-100熱電阻溫度傳感器、配套軟件、樣品管（南京桑力電子設備廠）錫（化學純），鉛（化學純），鉍（化學純），苯甲酸（化學純）本實驗裝置由三部分組成：SWKY-1型數字控溫儀、KWL09可控升降溫電爐和數據采集計算機系統(tǒng)（圖8.2）。圖8.2合金相圖測定實驗

4、裝置圖實驗樣品熔融爐管樣品管降溫爐管降溫風扇功率控制旋鈕降溫爐管加熱補償功率控制旋鈕圖8.3是SWKY-1型數字控溫儀的前面板示意圖，各按鈕的功能如下：1、電源開關。2、定時設置增、減按鈕：從099秒之間按增、減按鈕設置。3、工作/置數轉換按鈕：在加熱控溫和設定溫度兩種狀態(tài)之間進行切換。在置數狀態(tài)，控溫儀不對加熱器進行控制。4、5、6、7、設定溫度調節(jié)按鈕：分別設定百位、十位、個位及小數點位的溫度，從09依次遞增設置。8、工作狀態(tài)指示燈：燈亮，表示儀器對加熱系統(tǒng)進行控制的工作狀態(tài)，控制對象是KWL09可控升降溫電爐上的樣品熔融爐管。9、置數狀態(tài)指示燈：燈亮，表示系統(tǒng)處于設定溫度狀態(tài)，其設定的穩(wěn)

5、度是可控升降溫電爐上的樣品熔融爐管的溫度。10、溫度顯示II：顯示被測物體的實際溫度，與溫度傳感器II連接。11、溫度顯示I:在置數狀態(tài)時，顯示被控溫對象的設定溫度；在工作狀態(tài)，顯示的是可控升降溫電爐上的樣品熔融爐管內樣品的實際溫度，與溫度傳感器I連接。12、定時顯示窗口：顯示所設定的時間間隔。121110981234567圖8.3SWKY-1型數字控溫儀的前面板示意圖本實驗的樣品管是不銹鋼管，圖8.4是樣品管的剖面圖。金屬顆粒置于樣品管底部，搖勻，上面覆蓋一薄層石墨粉，以防止加熱過程中金屬氧化。插入溫度計套管并蓋緊蓋子，記錄樣品管編號及內裝樣品的組成比例。新配制的樣品必須經預先熔融混合均勻后

6、，方能進行實驗測定。樣品管石墨粉合金樣品圖8.4樣品管剖面圖四、實驗步驟安全警告本實驗開啟電源后，電爐外表面和樣品管可能處于高溫狀態(tài)，不得用身體各部位直接接觸，以免人體燙傷和損壞衣物。1、打開SWKY-1型數字控溫儀、KWL09可控升降溫電爐的電源開關。啟動數據采集計算機系統(tǒng)“金屬相圖數據處理系統(tǒng)V3.00”，點擊“設置-通訊口”設置通訊端口，點擊“設置-設置坐標系”設置采樣時間長短（約60分鐘）和采樣溫度區(qū)間（約50350）。2、稱取10份鉛、錫混合樣品，每份重量約100克，含錫重量百分數分別為為0、10%、15%、20%、35%、50%、62%、80%、95%、100%，精確到0.1克。將

7、樣品依次放入編號為1#10#的樣品管中，搖勻。在樣品表面覆蓋一薄層石墨粉，加蓋，在加熱熔融并加以攪拌，使兩組分完全混合均勻后，冷卻至室溫備用。3、打開SWKY-1型數字控溫儀電源開關，儀表顯示初始狀態(tài)，如00320.0。C20.0oC|°工作置數其中溫度顯示I顯示的廠二I為設定溫度，溫度顯示II顯示的二J為實時溫度，“置數”指示燈亮。4、設置控制溫度：按“工作/置數”鍵，使置數燈亮。依次按“xlOO”、“xio”、“xi”、“xo.i”鍵設置溫度顯示I的百、十、個位和小數點位的數字，每按動一次，顯示數碼按09依次遞增。將控制溫度設定為門二I。5、設置完成后，將溫度傳感器I插入熔融爐管

8、旁的溫度計插孔中（注意：實驗中溫度傳感器I必須始終與熔融爐管接觸，不得拔出，否則將導致爐溫失控，后果嚴重!）。6、選取一根預熔融過的樣品管插入KWL09可控升降溫電爐的實驗樣品熔融爐管（左邊）中，再按一下“工作/置數”鍵，控溫儀轉換到工作狀態(tài)，工作指示燈亮，溫度顯示I顯示為溫度傳感器I測定的實時溫度。7、待溫度顯示I顯示的溫度達到設定值門二I后，再恒溫放置10分鐘。同時，將溫度傳感器II插入KWL09可控升降溫電爐的降溫爐管（右邊）的花瓣形空隙中，用降溫爐管加熱補償功率控制旋鈕調節(jié)輸出電壓至合適的值，使得降溫爐管的溫度穩(wěn)定在比熔融爐管溫度低約二I。8、將溫度傳感器II從降溫爐管中拔出，插入樣品

9、管的溫度計套管中。待溫度顯示II的溫度顯示值達到以上后，用樣品管鉗將樣品管（連同溫度傳感器II）移入降溫爐管中。9、將降溫爐管加熱補償功率控制旋鈕調節(jié)至0輸出，調節(jié)降溫風扇功率控制旋鈕至3V（注意觀察電爐后面板上的風扇是否轉動），點擊“金屬相圖數據處理系統(tǒng)V3.00”軟件界面上的“數據通訊-清屏-開始通訊”，系統(tǒng)開始采集樣品步冷曲線。將樣品信息填寫在軟件界面相應的方框內。10、測量完成后，點擊“數據通訊-停止通訊”，將文件以“*.BLX”和“*.TXT”形式保存。測量完成的樣品管取出后放置在樣品架上，將降溫風扇功率控制旋鈕調節(jié)至0。11、換一個樣品，重復實驗步驟610，直至測完全部樣品。12、

10、如有必要，可對溫度傳感器進行校正：用兩支空白樣品管各裝100克鉍和50克苯甲酸，分別測定它們的步冷曲線，從步冷曲線上得到兩者的熔點。將所測得的鉛、鉍、苯甲酸的熔點與標準值對照，以校正溫度傳感器。13、實驗完成后，上傳實驗數據至實驗中心網絡。關閉所有儀器電源，清理實驗臺面及清掃實驗室。五、數據記錄與處理用“金屬相圖數據處理系統(tǒng)V3.00”軟件處理實驗數據并繪制Sn-Pb二元合金相圖，具體方法如下：1. 點擊“窗口-數據處理”，切換到數據處理窗口。2. 打開已繪制好的步冷曲線，用鼠標在該曲線上找到平臺溫度（或拐點溫度，或最低共熔點），然后把該數據輸入到“步冷曲線屬性”表格對應的位置。3. 執(zhí)行“數

11、據處理”數據映射”命令，軟件自動把曲線拐點/平臺、最低共熔點和百分比自動填到二組分合金相圖數據表格中。4. 執(zhí)行“數據處理”繪制相圖”命令，彈出“繪制相圖方式”窗口，按窗口的標示設置繪制相圖的相關參數，點擊確定"按鈕。5. 執(zhí)行“設置”>“襯托線”命令，軟件繪制襯托線。6. 執(zhí)行“設置”>“顯示標注”命令，軟件標出步冷曲線的屬性值。7. 執(zhí)行“設置”>“保存”、“打印”命令，對相圖進行保存和打印。也可以將實驗數據（*.TXT形式）用EXCEL或ORIGIN數據軟件進行處理和作圖，獲得步冷曲線和相圖。從所得的Sn-Pb合金相圖確定最低共熔點的溫度和組成。附錄一PID溫

12、度調控系統(tǒng)：在物理化學實驗中，為了達到更高的溫度控制精度，以應對各種特殊的實驗體系、多變的實驗條件和偶發(fā)性的外界干擾，在溫度調節(jié)規(guī)律上要做到比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。本實驗使用的SWKY-1型數字控溫儀即采用了自整定的PID技術。圖5是典型的精密溫度自動控制系統(tǒng)的原理方框圖，實驗對象的溫度經過熱電偶變換為一個毫伏級的溫差電動勢，而毫伏定值器給出一個設定溫度時該熱電偶溫差電動勢對應的毫伏值，并使兩者反向串接以進行比較。當熱電偶輸出的溫差電勢小于設定值時，就會產生一個偏差信號，經微伏放大器放大，再輸入到PID調節(jié)器中進行比例、積分、微分的模擬運算，從而輸出一個電壓信號耦合到可控硅觸發(fā)器

13、，可控硅觸發(fā)器便輸出一串受控觸發(fā)脈沖去觸發(fā)后級的可控硅，控制實驗對象的加熱電流，使其溫度升高到設定值，此時偏差電壓就會變?yōu)榱?，實驗體系進入恒溫狀態(tài)。圖8.5典型的精密溫度自動控制系統(tǒng)的原理方框圖微伏放大器采用調制型直流放大器進行放大。PID調節(jié)器由運算放大器及若干阻容元件構成，其核心是一個帶有負反饋的放大器，兼有比例、積分、微分規(guī)律的調節(jié)功能。1、運算放大器運算放大器實質上是一種高增益的直流放大器，其特點是：（1）輸入阻抗很高，輸入電流可以忽略；（2）開環(huán)增益很高；（3）輸出阻抗很低，輸出信號受負載影響很小。運算放大器常用一個三角形的圖形符號表示（圖6），輸入端在三角形的底邊上，輸出端在三角形

14、的頂點上，電源端和頻率補償或零點校正的其他引線則畫在三角形的上方和下方，這些引線在線路圖上不一定標出來。頻率補償辛或調零端O+"頻率補償或調零端OU圖8.6運算放大器的圖形符號運算放大器的多功能運用主要表現為它的閉環(huán)模式，也就是外接元件，使一部分輸出電壓反饋給輸入端，使得輸出值在0最大值之間，且能反映出輸出端信號與輸入端信號的某種關系。2、比例放大電路運算放大器具有以下兩個特性：（1）運算放大器兩個輸入端之間的電壓總是零，即“虛地”，或者“虛短路”；（2）運算放大器的兩輸入端之間的阻抗非常大，接近無窮大，即輸入運算放大器輸入端的電流為零，稱為“零輸入電流”特性。利用這些特性可以很方便

15、地計算運放電路的工作特性。圖8.7簡單反相直流放大線路示意圖圖8.7是簡單反相直流放大電路示意圖。由于運放的輸入端為“虛短路”，因此。電阻珀右邊電位為0因此兩端的電壓為：，故流過的電流為:由此可得：耳=兒X珀根據運算放大器輸入阻抗非常大的特性，輸入電流二°,因此電流J全部流過電阻己，在己兩端的電壓為：。已知，則己左端的電位也是0按照電流流過的方向，毎右邊的電位（即輸出端）的電位是:。運算放大器的電壓增益（或放大倍數）定義為輸出電壓與輸入電壓之比則在反相放大線路中，電壓增益為：而輸出電壓與輸入電壓之間的關系是：可見輸出電壓信號與輸入電壓信號成簡單的比例關系，其比例系數可以通過改變和己的

16、值進行調整。圖8.8是同相放大器的示意圖，輸入電壓加在同相輸入端，反饋電路接在反相輸入端。圖8.8同相放大器示意圖根據運算放大器的“虛地”特性，反相輸入端與同相輸入端的電位可以認為相等，即二二。運放的增益為：根據運放的“零輸入電流”特性，二由珀和忌對丄的分壓確定，即因此輸出電壓信號仍然與輸入電壓信號成比例關系。3、積分電路用電容器取代電阻兀作為反饋元件，就構成了積分電路。圖8.9是有源積分電路的示意圖。根據運放輸入阻抗接近無窮大的特性，反饋電流與輸入電流相等。在該電路中，輸入電流為：則電容C就以這樣的電流進行充電，其兩端的電壓可以表示為:Ua說明輸出電壓信號是輸入電壓信號對時間的積分。Ui圖8

17、.9有源積分電路示意圖根據運放輸入阻抗接近無窮大的特性，反饋電流與輸入電流相等。在該電路中，輸入電流為:則電容C就以這樣的電流進行充電，其兩端的電壓可以表示為:說明輸出電壓信號是輸入電壓信號對時間的積分。圖8.10有源積分電路的波形當輸入電壓信號為如圖8.10所示的階躍電壓時，電容將以恒電流的方式進行充電，而輸出電壓與時間t近似成線性關系：乩乩其中=匚，稱為積分電路的積分常數。由波形可見，當輸入信號降低為0后，輸出信號并不立即變?yōu)?，而是通過電容放電緩慢地變?yōu)?。這與比例放大電路是不同的。圖8.11有源微分電路示意圖U圖8.12微分電路的波形圖4、微分電路用電容器取代電阻作為反饋元件，就構成了

18、微分電路。圖8.11是有源微分電路的示意圖。假定初始狀態(tài)時電容上的電壓為零，當輸入信號丁突然接入后，就有電流通過電容,電流值為：由運放特性可知，=：2，且（“虛地”原理，-：二0）因此dUfUq12XR-IRC出可見輸出電壓信號與輸入電壓信號的變化率成正比。圖8.12是微分電路的信號波形。當輸入信號是一個階躍信號時，電容上的電壓二將按指數函數形式從0增加到??；當階躍信號消失后，電容上的電壓二將按指數函數形式逐步降低至0。相應地，輸出信號0就表現為一對正負尖脈沖信號。這種輸出的尖脈沖波反映了輸入矩形脈沖微分的結果，故稱這種電路為微分電路。微分電路的特點就是能突出反映輸入信號的跳變部分，所產生的尖

19、脈沖信號的用途十分廣泛常用作觸發(fā)器的觸發(fā)信號，如可控硅的觸發(fā)信號等。5、比例-積分-微分電路（PID調節(jié)器）從前面的三種電路特點分析，積分電路的輸出信號始終滯后于輸入信號，因此有一種始終拖住輸出功率的效應；而微分電路則正相反，其對于輸入信號的變化及其敏感，在信號發(fā)生的初期輸出最大，而又能比輸出信號提前衰減。圖8.13PID調節(jié)電路和PID輸入-輸出關系在比例調節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定后，其實際溫度值與設定溫度值之間有時會有一個偏差，即調節(jié)的結果值與設置的目標值之間有一差值，專業(yè)上稱之為“靜差”，靜差一般為數攝氏度，可正可負。靜差的大小和方向取決于全輸出時加熱功率的高低、環(huán)境溫度或電網電壓的改變和放大器電壓

20、增益的大小等多種原因。在一個自動調節(jié)系統(tǒng)中，靜態(tài)精度要求越高，所需要的放大倍數也越大，即偏差一旦產生，放大器應立即作出強烈的調節(jié)以消除偏差。但是，放大倍數越大，越有可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，引起系統(tǒng)的振蕩，為解決這個矛盾，可以在比例放大電路中引入積分電路共同調節(jié)；但是，積分電路本身有滯后性，為了克服這一點，可以再加入一個微分電路以加速控制過程的進程。圖8.13是一個PID放大器的電路，將比例、積分、微分這三部分的控制常數調節(jié)到合適的數值，就能對系統(tǒng)實現最迅速、最穩(wěn)定的控制。附錄二熱電阻溫度傳感器：利用金屬或半導體的電阻值隨溫度變化的原理制成的傳感器，是溫度測量儀表中常用的一種溫度測溫元件。金屬熱電阻

21、的電阻值隨溫度上升而增大，常用的有鉑熱電阻(測溫范圍為-200+850°C)、銅熱電阻(-50+150°C)和鎳熱電阻(-60+180°C)3種。熱電阻大多是用直徑0.040.1毫米的純金屬絲繞在片狀或棒狀的云母、玻璃、陶瓷或膠木骨架上制成的。在工業(yè)應用中它一般裝在金屬保護套管內，以防止損壞；也有做成鎧裝的。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它

22、二次儀表上，因此熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響。常見的接線方式有：RTD4絞1F._1-R|_£=|V.匚m；匚注誥日_1=乩*堆丁到町口的導蛻電IS1、二線制：=馭-屯刮RTU的導坎電齟在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制。這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r,r大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。2、三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的3、四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I,把R轉換成電壓信號U,再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。本實驗采用的熱電阻分度號為pt-loo,在二時的電阻值為弋=二-丄n-1時的電阻值與二時的電阻值之比為：=1.391+0.001鉑電阻溫度計在13.81K至903.89K溫度范圍內可以作為體現國際實用溫標的標準溫度計。與溫度測量中運用得最廣泛的元件：熱電偶