JAMMC 自动化方法和管理在化学杂志》上 1464 - 5068 1463 - 9246 Hindawi出版公司 849704年 10.1155 / 2009/849704 849704年 研究文章 虚拟仪器确定二阶反应的速率常数 p X 基于虚拟仪器8.0 姜垣 《咏怀 斯托克 彼得 化学和化学工程学院 中国西部师范大学 南充637002 中国 admissions.cn/cwnu 2009年 03 08年 2009年 2009年 03 06 2009年 18 06 2009年 2009年 版权©2009 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

8.0基于虚拟仪器的虚拟仪器系统离子分析仪能够测量和分析解决方案开发,由自制的离子浓度调节电路、数据获取董事会和电脑。它可以调整坡度,温度,自动定位。当应用于确定的反应速率常数 p X ,它实现了生活获取、实时显示、测试数据的自动处理,生成报告的结果;和其他功能。这种方法大大简化了实验操作,避免了复杂的手动程序处理数据和个人错误,并提高了实验结果的准确性和可重复性。

1。介绍

虚拟仪器是虚拟仪器工程实验室工作台的缩写,即创新软件产品在美国国家仪器(NIs)。它是首选平台当人们利用虚拟仪器作为目前最实用的图形软件( 1- - - - - - 5]。

离子分析仪是最广泛使用的分析工具之一,在科学研究和实践。这是广泛应用于生物医学、化工、环保等领域。手册阅读和处理数据与传统离子分析仪不仅繁琐的操作过程中也难以避免人为误差。研究离子分析仪连接到电脑近年来报道( 6];然而,数量小,开发的软件主要是基于文本的编程语言(如C、Turbo Pascal, VB,等等)。基于文本的语言的缺点是漫长的发展时期,难维护和扩充。离子分析仪基于虚拟仪器的VI尚未报道。VI离子分析仪由作者开发的图形化编程language-LabVIEW 8.0。它不仅具有界面友好,操作简单,可扩展性,而且可以实现自动斜率,温度,和定位校准。系统已经应用于乙酸乙酯皂化反应速率常数的确定当虚拟仪器程序确定反应速率常数 p X 是嵌入到系统。作者获得令人满意的结果。

2。系统原理和配置

实际上,离子分析仪,高输入阻抗毫伏表,广泛应用于测量电池的电动势是由离子选择性电极,参比电极和解决方案。未知溶液的浓度是通过测量之间的EMF保证金标准溶液在相同的电极系统和测试解决方案。由能斯特方程,作者推断 E x - - - - - - E 年代 = ± 2.303 R T z F ( p X - - - - - - p X 年代 ) , 如果 年代 = 2.303 R T z F , p X = p X 年代 ± ( E x - - - - - - E 年代 ) 年代 , 在哪里 E x 是潜在的, p X p X 测试解决方案的价值。

很明显,之间的关系 p X Δ E ( Δ E = E x - - - - - - E 年代 ) 是线性的。 年代 电极系统的理论坡度;然而,实际的电极斜率也受温度的影响,离子价,制造工艺,表面结构,电极的活化状态,和其他因素。尽管电极是相同类型的, 年代 电极的值可能是不同的。这就是为什么离子分析仪在使用前必须校对标准溶液。传统离子分析仪需要转换开关和可变电阻来完成定位,离子价、极性、电极斜率,和温度校正仪器的校准。在这种情况下,运营商必须阅读和人工处理数据在测量。8.0基于虚拟仪器的虚拟仪器系统离子分析仪带来了虚拟仪器的优势,发挥“软件就是仪器”。它实现了由虚拟仪器自动校对仪器和数据处理程序,所以作者可以很容易地得到实时 p X ~ t mV ~ t 曲线。

虚拟仪器的系统结构如图 1。离子选择电极和参比电极浸入到测试解决方案构成电极系统。潜在的信号进入计算机通过pci - 6014数据采集(采集)阻抗转换和过滤后高输入阻抗调节电路。精确的数字温度测温连接计算机通过rs - 232串口容易使自动温度补偿。

VI的系统结构。

自制的调节电路如图 2。它是由一个高输入阻抗电压跟随器和CA3140与低漂移OP07二阶有源低通滤波器。特别是CA3140用于完成电极系统的阻抗变换,然后低漂移OP07实现输出信号滤波。

条件的电路。

3所示。设计和实现的主要虚拟仪器程序系统

系统软件包括四个主要部分,包括操作面板、数据获取和实时显示、数据存储、数据处理和结果显示。其中,前三个部分的系统软件是必要的,最后一个可以调整根据用户的测量的目的。

3.1。项目操作面板

虚拟仪器操作面板如图 3。来支持用户根据他们的需求,调整采样间隔和通道采样间隔旋钮和渠道选择控制器设置在左边的面板。用户还可以决定是否保存日期同步通过同步内存控制器。在这个虚拟仪器程序事件结构,包括数据获取、数据保存、数据处理、结果打印,并退出5子事件使用。每个子事件对应面板上的控制按钮。当单击控制按钮时,就会调用对应的事件。操作面板采用选项卡控制整个实现之间切换 mV 摊位, p X 失速和连接选项卡控件选择终端结构块面板上。单击 mV 摊位, p X 停止按钮在操作面板可以完成之间切换 mV 摊位, p X 容易失速。

操作面板。

3.2。程序的数据获取和实时显示

程序的数据获取和实时显示 p X 测量是关键程序的系统,可以自动完成温度、斜率、取向和离子价修正。程序由一个堆叠顺序结构,其中包括七个框架。在程序运行时框架结构将逐步执行程序根据标签的顺序选择 0、1、2

4显示了块程序的框架。它执行实时获取anddisplaysthe p X 价值解决方案的测试和数据临时存储,主要由三个结构。至上而结构完成了数据采集卡的驱动和数据获取不断。渠道选择控制器选择频道,AI配置功能设置缓冲区的大小,AI读函数设置采样率,最大值和最小值函数控制滞后量,以避免数据覆盖。提高结果的稳定性和准确性,300年获得的数据将会转向 p X 值后平均,然后实时显示控制仪表和传播,最下面的结构由本地变量来保存。同时,文本框右边的操作面板显示 p X 值,电极斜率,mV,离子的浓度 X 和其他数据。在结构中间实时获得准确的数字温度测温的温度价值由串行通信VI然后传送至上而结构通过本地变量来完成自动温度补偿。溶液的温度实时显示的控制操作面板的温度计。在最下面的结构离散写道 p X 值文件根据用户设定的采样间隔和显示它在表达 X Y 图。因为虚拟仪器程序采用并行运行机制,这三个结构可以独立运行。

块程序的数据获取和实时显示。

mV停滞的项目是类似的和相对简单;唯一的区别是实时显示的潜力 ~ 时间曲线。

3.3。计划日期存储

其块程序如图 5。首先,打开一个文件对话框的函数文件打开为用户提供存储路径。然后将数据保存在临时文件复制到指定文件的函数复制和再加上初始实验条件的文件保存为数据处理在同一时间的使用。如果在数据存储过程中的任何失败,它会弹出无效保存并给用户错误的原因,允许用户保存直到成功。

程序的数据块存储。

4所示。的程序设计和实现数据进展 4.1。基本原则确定速率常数的pX

虚拟仪器的最大的优点是简单的可扩展性,充分发挥计算机的强大的数据处理功能来处理测试数据收集根据编程需要的用户。速率常数的确定的基本原则 p X 是参与反应体系的浓度随着时间的变化与反应进行,跟踪和记录的曲线呢 p X 随着时间的变化 t 由相应的数据处理,然后根据动力学原理可以确定相应的动力学参数。

方便演示,一个典型的二阶反应乙酸乙酯皂化反应为例:

CH 3 COOC 2 H 5 + - - - - - - CH 3 首席运营官 - - - - - - + C 2 H 5

与反应进行, O H - - - - - - 逐渐减少, CH 3 首席运营官 - - - - - - 系统中逐渐增加,所以 PH值 系统的价值逐渐降低。获得的信息的反应当然是确定的 PH值 值的时间。所以可以确定这个反应的速率常数的方法 p X

二阶反应、数据处理公式是不同的平等和不平等的初始反应物的浓度。根据动力学原理,根据( 7- - - - - - 9),当反应物的initialconcentrations是相等的,设置的初始浓度都是 c 0 反应,那么动态公式 1 c = k t + 1 c 0 , 在哪里 c 的浓度是 氢氧化钠 当时 t ; k 速率常数,强碱吗 , ( O H - - - - - - ] c , pOH = - - - - - - 日志 ( O H - - - - - - ] 当浓度 c 106M。集成收益率: 1 c = 1 ( O H - - - - - - ] = 1 1 0 - - - - - - pOH = 1 0 pOH = 1 0 14 - - - - - - pH值 所以我们可以得出系统的pH值公式之间的关系和时间( 5) 1 0 14 - - - - - - pH值 = k t + 1 c 0

这表明,通过绘制 10 14 - - - - - - pH值 t 直线的斜率是速率常数, k

当反应物初始浓度的不平等,设置 一个 , b ( 一个 > b ) 分别是初始浓度的 氢氧化钠 CH 3 COOC 2 H 5 ,然后反应系统的每个组件的浓度在不同反应时间可以表示为 CH 3 COOC 2 H 5 + 氢氧化钠 CH 3 COONa + C 2 H 5 t = 0 b 一个 0 0 t = t b - - - - - - x 一个 t = 一个 - - - - - - x x x t = 0 一个 = 一个 - - - - - - b b b , 在哪里 一个 t , 一个 分别是,的浓度 氢氧化钠 的时候 t t = , x 是产品的浓度 CH 3 COONa C 2 H 5 的时候 t

一个 b 二阶反应的动态公式 ln ( 一个 - - - - - - x ) ( b - - - - - - x ) = ( 一个 - - - - - - b ) k t + ln 一个 b 因为 一个 - - - - - - b = 一个 , 一个 - - - - - - x = 一个 t , b - - - - - - x = 一个 t - - - - - - 一个 , ln 一个 t 一个 t - - - - - - 一个 = 一个 k t + ln 一个 b 设置 ( O H - - - - - - ] t , ( O H - - - - - - ] ( O H - - - - - - ] 的系统的时候 t = t t = ,然后获得 - - - - - - ln ( 1 - - - - - - ( O H - - - - - - ] ( ] t ) = ( O H - - - - - - ] k t + ln 一个 b 也因为 ( O H - - - - - - ] = 10 pH值 - - - - - - 14 ,( 5)可以表示 pH值 值作为 - - - - - - ln ( 1 - - - - - - 10 pH值 - - - - - - 14 10 pH值 t - - - - - - 14 ) = 10 pH值 - - - - - - 14 k t + ln 一个 b 设置 一个 = - - - - - - ln ( 1 - - - - - - ( 1 0 pH值 - - - - - - 14 / 1 0 pH值 t - - - - - - 14 ) ) ,然后 一个 = 10 pH值 - - - - - - 14 k t + ln 一个 b

方程( 11)之间的关系公式 pH值 值和时间,这表明通过绘制 一个 t 得到一条直线,在确定 ( O H - - - - - - ] t , ( O H - - - - - - ] 的系统的时候 t = t t = 速率常数 k 可以从直线的斜率。

这些方法不需要确定准确的初始反应物的浓度,这简化了实验操作。由阿仑尼乌斯方程 ln ( k 1 / k 2 ) = E 一个 ( 1 / T 2 - - - - - - 1 / T 1 ) / R ,活化能可以得到不同温度下的速率常数。

4.2。数据处理和结果显示

块程序如图 6。中相应的项目序列结构左边首先法官初始反应物的浓度是否相等,然后选择相应的数据文件,等待处理。情况下结构的程序执行相应的子程序根据判断的结果。数据处理包括数据的线性转换,改变轴的标签,直线拟合和相关系数 R 计算,等等。一组数据从数据文件读取输入回路结构,通过循环迭代;数据的自动匹配 X 轴和数据 Y 轴。For循环使结果的自动索引数组。这个数组输入子程序直线拟合后,不合格的数据被删除和直线斜率,拦截和其他数据。集群产生的数组函数创建数组数据后“删除”和“数据后安装”,分别捆绑的函数包,和显示的控制 X Y 图。同时,通过使用 X scale.NameLb1。文本和 Y scale.NameLb1。Text in Property Node of graph and condition of initial concentration of reactant, the label of axis is automatically transformed with different beginning condition. Correlation coefficient of straight line fitting is obtained after the data enters subprogram for R 。系统会提醒用户是否继续处理数据处理后一组数据。选择另一个数据文件如果用户继续获得不同温度下的速率常数。的 k 价值在不同的温度可以用来计算表观活化能 E 一个 函数公式节点的情况下结构。结果和必要的参数添加到数组的函数插入数组。然后每个元素的数组索引和转化为精确指定字符的函数部分字符串。字符连接成一个字符串的连接字符串的函数,最后显示的字符串,字符串的指标。

块程序的数据处理和结果显示。

5。应用程序的例子

这个系统是用于确定的乙酸乙酯皂化反应速率常数的温度298 K和308 K时的初始反应物的浓度是平等和不平等。在测量过程中系统会自动收集测试数据和实时显示 pH值 ~ t 曲线,如图 3。它也自动流程测试数据并生成报告的结果。图 7数据处理面板下等于初始反应物浓度,和两个吗 X Y 图两侧分别显示测试数据在298 K和308 K的温度。面板的底部是一个测试条件和结果显示框可以显示反应温度,速率常数,相关系数和表观活化能。相关数据的测试如表所示 1

测试的数据和结果。注: 一个 氢氧化钠的浓度; b CH的浓度吗3COOC2H5

c 0 /摩尔 ·dm3 T / K k / dm3 ·摩尔1 ·最小值1 δ% E 一个 / kJ ·摩尔1 δ%
一个 b 实验 文献[ 10, 11] Experi-mental 文献[ 12]

0.0490 0.0490 298年 6.864 6.85 0.20 33.48 33.39 0.27
0.0490 0.0490 308年 10.643 10.50 1.36
0.0245 0.0196 298年 6.926 6.85 1.11 34.14 2.25
0.0245 0.0196 308年 10.834 10.50 3.18

面板数据处理的 一个 = b

6。结论

虚拟仪器系统基于Labview8.0离子分析仪,具有操作简单,界面友好,可以确定 p X ,实现实时显示和绘制曲线 p X 或mV随着时间的变化 t 、过程数据,并自动生成结果报告。结果的相对误差小于3.5%。对于任何一个二阶反应系统,虚拟仪器系统可以跟踪相应的离子的浓度变化,然后确定它的速率常数,如果使用适当的离子选择性电极。对于其他的一系列反应,系统还可以通过修改数据处理程序确定其速率常数的原则下动力学。以其简单的可扩展性,系统可用于autodetermination研究电位滴定等潜在的分析,通过在切片和潜在的平衡常数测量虚拟仪器的不同数据处理程序。更重要的是,该系统为用户提供了极大的方便跟踪和测量 p X 或潜在的应用研究;作者认为,它可以广泛应用于生产和环境监测。

承认

作者感谢四川省教育部的重要研究项目(2005)198的财政支持。

Beltra 答:P。 伊涅斯塔 J。 l 开发的全自动微波辅助化学需氧量(COD)的测量装置 仪器科学与技术 2003年 31日 3 249年 259年 10.1081 / ci - 120022652 Ballesteros J。 费尔南德斯Palop j . I。 埃尔南德斯 m·A。 虚拟仪器自动等离子体诊断的虚拟仪器 审查的科学仪器 2004年 75年 1 90年 93年 国家仪器公司 虚拟仪器用户手册 2007年 J.-Y。 lijy5649@yahoo.com.cn Y.-W。 D.-P。 导率的设计和应用基于虚拟仪器的虚拟仪器8.0表达 匹配 2008年 60 2 325年 331年 W.-B。 wwellbin@126.com J.-Y。 lijy5649@yahoo.com.cn Q.-J。 wuqijun1977@yahoo.com.cn 化学的设计基于虚拟仪器的虚拟仪器确定温度和压力 自动化方法和管理在化学杂志》上 2007年 2007年 68143年 10.1155 / 2007/68143 K。 y Z。 基于微机智能离子分析仪的设计及其应用 福州大学学报 2005年 33 1 54 57 s Y。 x R。 l . X。 测定乙酸乙酯皂化反应速率常数的酸度计 西安科技大学学报 2004年 24 2 196年 199年 a . C。 简单的测量乙酸乙酯的反应速率常数 化学在线 1983年 9 36 37 s . X。 pH值的测定乙酸乙酯皂化的速率常数 《西南民族大学 1995年 21 2 232年 234年 复旦大学 物理化学实验 2004年 3日 中国,北京 高等教育出版社 l l 乙酸乙酯的皂化反应动力学研究与计算机 大学化学 2004年 19 4 39 42 j . X。 w·J。 l·W。 动力学数据的确定乙酸乙酯的皂化紫外线分光光度法 化学在线 1988年 11 55 56