基于信息采集技术的酒精灯火焰温度测量

基于信息采集技术的酒精灯火焰温度测量

酒精灯火焰在燃烧过程中温度关系的认识发生了变化,容易产生燃烧外火焰的充酒精灯是化学实验中经常使用的水源。酒精灯的火焰可以分为3部分:焰心、内焰和外焰。焰心是我们观察到的比较暗的部分;内焰是最明亮的部分,呈黄色;外焰颜色比内焰淡,而且常飘忽不定。一般地认为酒精灯火焰温度在500℃左右,并且焰心、内焰和外焰的温度依次增高,其理论依据是:外焰燃烧充分,温度最高。因此在要用到酒精灯加热的实验中,都强调要用外焰加热。酒精灯3层火焰的温度各有多少度3层火焰的大小关系怎样,是不是像前面叙述的那样?酒精灯可以获得的最高温度又有多大?这些都是定量的研究,在传统的中学化学实验条件下难于开展。中学化学实验对这个问题进行定性研究,通常的做法是用一根火柴梗在酒精灯火焰上加热,根据火柴梗不同部位炭化速度的快慢来判断各层火焰温度的高低。掌上实验室使中学化学实验从定性研究走向定量研究成为可能。掌上实验室是由手持技术(Handheldtechnology)与计算机技术构成的现代科学实验室,其中手持技术包括数据采集器(Datalogger)和各种传感器(Sensor)或探头(Probe),它们能便携地、定量、快速、准确地测量各种实验数据;计算机技术为实验数据的处理提供强大的技术支持。本实验在掌上实验室进行,对上面3个问题进行探究。1实验部分1.1火焰温度的测量酒精灯的3层火焰常有跳动,因此不能直接手持探头测量3层火焰的温度。本实验用如图1所示的装置进行,探头从灯芯位置开始,通过调节灯座的高度,依次测量酒精灯各部分火焰的温度。测量的原则是:每隔50s调整一次探头的位置(用调节灯座的高度的方法)以测量不同部位火焰的温度;每次调整的高度为0.5cm(以直尺为标度);调整的时间为10s,在10s内提前完成调整的,够10s后方重新计时。由于火焰经常跳动,测量火焰各部位瞬时温度,其意义不大。本实验的测量结果是各个部位(每个部位采集50个数据)的平均温度,实验平行地进行3次。1.2温度偏移检测·MutilogPro数据采集器·高温探头(DT025)·直尺·酒精灯及普通灯用酒精·铁架台·升降灯座DT025是一个K型热电偶温度探头,量程范围为0℃~1250℃。探头同时配备一个适配器(TheDT025ThermocoupletypeKadapter),适配器内配备另外一个温度探头,用来校正热电偶的冷端在室温下产生的温度偏移。DT025的工作原理是:热电偶产生感应电压(数量级为10-3V),这个电压经由适配器校正并放大,调节到0~5V(数据采集器接收的电压范围);数据采集器接收相应的电压,将其转换成正确的结果并保存在采集器内存中,以供进一步用计算机处理时调用。DT025探头在出厂时已经充分校正,整个量程范围的最大误差为±0.5%。1.3火焰温度的测定Input1端口连接起来(如图1);⑵开启数据采集器,设置其采样频率为1persec,采集数据总数为2000(足量);⑶调节探头位置,使其与灯芯相贴,记下此时灯座位置刻度,点燃酒精灯,待火焰稳定后,采集灯芯温度数据;⑷每次以0.5cm为单位,调低灯座,连续采集相差0.5cm火焰的温度数据,每次采集50个,时间为50秒;测量时将焰心、内焰、外焰的位置记录下来;⑸将采集到的数据传输到计算机,用Db-Lab软件进行数据分析以及图表绘制并将数据输出到MicrosoftExcel中进行数据统计。2精灯各部分火焰温度曲线图图2,图3,图4是用Db-lab进行数据处理(3次平行实验数据)所得到的酒精灯各部分火焰温度曲线图。火焰每个部位(2个部位之间相差0.5cm)的采集时间为50s,灯座高度的调节时间为10s,因此时间轴上每1min表示火焰高度相差0.5cm,这3个图是用这种方法来表示的火焰不同部位的温度变化曲线。2.1内火焰的测定在本实验中,焰心、内焰和外焰3次出现的位置非常吻合,焰心出现在0~2.5cm高度范围内,内焰出现在3.0cm~4.0cm高度范围内,外焰在4.5cm以外。(以上均以灯芯平面作为高度参考面)。2.2外火焰温度分布分析上面3图,有:⑴焰心、内焰部分的曲线较为平滑,灯芯的温度(见表1)甚至与室温相差无几,而外焰部分曲线则剧烈波动。酒精是极易挥发的燃料,燃烧时在酒精灯灯芯上方形成酒精蒸气,最外层的酒精蒸气与外界大气接触,燃烧时与空气的能量交换剧烈,因此外焰温度极不稳定,在上面3个图中表现为曲线剧烈波动;中层和内层蒸气得到外层蒸气的保护,受外界空气的影响较小,因此内焰和焰心波动较小,温度比较稳定,在上面3个图中表现为曲线比较平滑。⑵最高温度并不是出现在外焰,而是出现在内焰。外焰的酒精蒸气受外界空气影响较大,而且和外界空气的能量交换剧烈,火焰的温度受到很大的影响;焰心部位因空气较稀薄,酒精蒸气燃烧不充分,因此焰心的温度不高。内焰酒精蒸气稳定,与空气接触适中,燃烧较充分,发出的光最明亮,因此最高温度在内焰出现。图5是3个实验的温度曲线的整合图,3条曲线比较接近,因此,3个平行实验得出的数据是合理的,能正确地反映酒精灯火焰的温度变化情况。2.3统计结果分析利用Db-Lab软件的数据输出功能,将实验数据输出到MicrosoftExcel2000中对其进行统计,统计结果如表1。从表1数据中可以看出,酒精灯火焰的内焰温度最高,外焰次之,内焰最小。实验证明“越往外焰酒精燃烧就越充分,放出的热量就越多,温度也就越高”这种说法是不正确的。2.4酒精、酒精灯发酵时产生的温度不同在进行的3次平行实验中,火焰的最高温度都出现在内焰(图2、图3和图4中箭头所示)。最高温度是一个瞬时的数值,受诸多因素的影响,如酒精的纯度、酒精的蒸发情况等,而且不同的酒精灯获得的最高温度也不同。本实验中采用的酒精、酒精灯都是普通的灯用酒精、实验室酒精灯,灯壶的总容量为190mL,约装有110mL的酒精,为总容量的2/3。表2是3次平行实验中出现的最高温度及其出现时间、出现位置等数据。3外火焰温度