[發明專利]一種測量液相擴散系數的方法及裝置

有效

• 申請號: 201110283339.3
• 申請日: 2011-09-22
• 公開（公告）號: CN102445406B
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 李強;李宇;孫麗存;普小云
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00;G01N21/41
• 代理公司: 昆明科陽知識產權代理事務所 53111
• 代理人: 孫山明

技術領域

本發明屬于光學測量技術領域，用LED作光源通過毛細管光學成像原理測量液相擴散系數的方法。

背景技術

液相擴散系數是研究傳質過程，計算傳質速率及化工設計與開發的重要基礎數據。已廣泛應用在生物、化工、醫學及環保等新興行業中。由于液體分子的平均間距遠比氣體分子小，又不及固體那樣有規則排列，所以液相擴散系數的理論描述和實驗測量遠比氣體及固體困難，不同體系的液相擴散數據相當缺乏。目前，液相擴散系數主要依靠實驗方法獲得，通過間接地測量溶液由于擴散過程形成的濃度隨空間和時間的分布，根據描述擴散過程的Fick定律計算出液相擴散系數。

從測量擴散過程中溶液濃度分布的實驗方法來看，目前存在折射率測量、動態光散射測量、熒光分子示蹤測量和放射性元素示蹤測量等方法。由于散射測量法和示蹤測量法實驗操作和測量較為復雜，所以廣泛采用的是折射率測量的方法，尤其以折射率測量中的全息干涉法的使用最為普遍。全息干涉法是普通干涉法與全息術結合的實驗方法，測量精度高，但對實驗裝置的穩定性要求高，測量時間較長，對實驗相關儀器設備要求較高。

目前，在液相擴散系數的測量方法上一直沒有新的突破，沒有一種既能精確又能快速測量液相擴散系數且能擺脫過多的對儀器要求的一種方法。本發明在已有的透明液體折射率測量新方法[用玻璃毛細管精確測量微量液體的折射率，中國發明專利，200710066016.2[P]；精確測量微量液體折射率的新方法[J]，《光學?精密工程》，2008,16(7),1196-1202）]基礎之上，根據液相擴散過程沿玻璃毛細管軸向形成的溶液折射率梯度分布特點，利用毛細管成像原理實現了一種測量液相擴散系數的新方法，較好地解決了原有測量方法中測量速度慢、抗環境干擾能力弱等問題。

發明內容

為了尋求一種精度高、速度快、抗環境干擾能力強、系統穩定性好的一種全新的測量方法及裝置。本發明旨在提供一種用透明毛細管構成液相擴散池，利用毛細管成像法特有的折射率空間分辨測量能力，通過直接觀察和記錄擴散介質的等折射率薄層在毛細管中的擴散規律，基于液相擴散過程遵循的Fick第二定律計算出液相擴散系數的方法。

本發明通過以下方式實現：

一種測量液相擴散系數的方法：

該方法通過測量等折射率薄層沿玻璃毛細管軸向擴散的位置和時間，利用以下公式或該公式的變形式計算液體的擴散系數；

???????????????（1）

式（1）中：

D?是擴散系數；

C₁和C₂分別為擴散開始前?(t?<0)?兩種擴散溶液在界面(Z=?0)兩邊的初始濃度；

n_c為擴散過程穩定10分鐘后所選定的一個溶液的等折射率，n_c值介于第一種擴散溶液和第二種擴散溶液的折射率之間，由n_c值確定的毛細管焦點位置被電子顯微鏡系統清晰成像，且n_c值為不變量；

規定沿毛細管管軸方向為Z方向，，t_i，（i=1,2）是等折射率n_c薄層溶液在毛細管中擴散所形成的焦點沿管軸方向的兩次清晰成像位置和時間；

refive(u)是誤差函數的反函數，表示為：

????????（2）

式（2）中，C(Z,?t)?表示t?時刻沿毛細管管軸方向在位置Z處的溶液濃度，C(Z,?t)是用液體折射率測量儀測量的不同濃度溶液的折射率所確定的濃度C(Z,?t)和折射率n(Z,?t)的線性關系：

C(Z,?t)=?mn(Z,?t)+C_0???????????其中，m和C₀為常數??????????（3）。