[發(fā)明專利]一種適用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711425090.9
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN107894377B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張穎;何茂剛;劉向陽;張詩;鄭宇
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

本發(fā)明提供了一種適用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的裝置和方法，該裝置的實(shí)驗(yàn)本體可以形成良好的不同液體的分界面，改善了現(xiàn)有技術(shù)在制備擴(kuò)散本體方面的不足，提高了測量精度。本發(fā)明提供的用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的方法，即通過物光相位曲線的擬合確定互擴(kuò)散系數(shù)與時間的乘積，并利用該乘積和擴(kuò)散時間的線性關(guān)系確定互擴(kuò)散系數(shù)。該方法可有效的避免現(xiàn)有干涉圖像處理方法中存在的問題，如：極值點(diǎn)位置、擴(kuò)散前溶液分界面位置難以準(zhǔn)確確定，利用多條濃度曲線同時擬合得到互擴(kuò)散系數(shù)和初始擴(kuò)散時刻導(dǎo)致的數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，等等。顯著的提高了互擴(kuò)散系數(shù)的測量精度，降低了實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流體熱物理性質(zhì)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法。

背景技術(shù)

擴(kuò)散現(xiàn)象是分子的熱運(yùn)動，在一定勢差(如濃度差、溫度差、壓力差等)的作用下，導(dǎo)致的宏觀質(zhì)量移動。擴(kuò)散現(xiàn)象不僅存在日常的生活中，還存在于能源、化工、工業(yè)安全、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域中。如：電解質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散、萃取劑與目標(biāo)物質(zhì)間的擴(kuò)散、有毒氣體的泄漏擴(kuò)散、蛋白質(zhì)分子和微量元素在人體血液中的擴(kuò)散等等。擴(kuò)散現(xiàn)象的研究有助于更好地利用擴(kuò)散從而優(yōu)化工業(yè)過程的設(shè)計和解決工程實(shí)際的問題。擴(kuò)散系數(shù)作為三大輸運(yùn)性質(zhì)之一，體現(xiàn)了質(zhì)量傳遞，該過程是分子無規(guī)則熱運(yùn)動在一定勢差作用下的宏觀體現(xiàn)，如壓力差、溫度差、濃度差等。

液體互擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量方法分為兩類：一類是接觸法，具有代表性的有膜池法和Taylor分散法；另一類是非接觸法，最具代表性的是光學(xué)干涉法。膜池法的待測物理量是濃度差，該濃度差隨時間逐漸減小，然而濃度差的測量精度相對濃度測量而言要低很多，因此該方法需要借助精度更高的化學(xué)分析手段。該方法是一種較為傳統(tǒng)的互擴(kuò)散系數(shù)測量方法，具有造價低、實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單、操作方便等特點(diǎn)；Taylor分散法基于層流流動模型，目前已實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的模塊化，在實(shí)際應(yīng)用中，只需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的要求，購買相應(yīng)型號的元器件，然后再進(jìn)行組裝即可搭建完整的實(shí)驗(yàn)臺。在已有的互擴(kuò)散系數(shù)測量方法中，該方法的壓力和溫度適用范圍較廣且測量速度較快，在需要獲得大批量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時候具有一定的優(yōu)勢；光學(xué)干涉法是一種基于測量濃度變化引起的折射率變化進(jìn)而獲得互擴(kuò)散系數(shù)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。三種經(jīng)典的用于互擴(kuò)散系數(shù)測量的光干涉方法為：Gouy干涉法、Rayleigh干涉法和Mach–Zehnder干涉法。激光干涉法對于光學(xué)元器件以及光路調(diào)整具有相對較高的要求，圖像處理過程也相對復(fù)雜。光干涉法的特點(diǎn)是可以對干涉圖像進(jìn)行實(shí)時的采集和處理，且激光干涉法基于光波的相位分析，實(shí)驗(yàn)精度高。

隨著激光技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)以及計算機(jī)輔助處理技術(shù)的發(fā)展，激光干涉法測量互擴(kuò)散系數(shù)得到了迅速發(fā)展，已成為目前的主流測量方法。然而現(xiàn)有的激光干涉互擴(kuò)散系數(shù)測量方法在擴(kuò)散本體、充注流程、全息干涉圖像處理等方面還存在不足之處，測量精度有待進(jìn)一步提升。

鑒于此，本發(fā)明的主旨就在于借助激光干涉法的基本實(shí)驗(yàn)理論，建立一種適用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的裝置，該裝置能夠簡單、方便地形成兩種液體的分界面，使得測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的充注流程更加方便。

本發(fā)明的目的還在于提供一種用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的方法，該方法采集多組相干圖像和相應(yīng)的時間，通過擬合的方式計算出二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)，能夠有效地提高測量精度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種適用于測量二元溶液互擴(kuò)散系數(shù)的裝置，包括干涉光路、實(shí)驗(yàn)單元和檢測分析單元，實(shí)驗(yàn)單元具有透光的實(shí)驗(yàn)本體和溫度壓力測控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)填充待測量液體；溫度壓力測控系統(tǒng)用于測量和控制待測量液體的溫度和壓力；干涉光路具有同一光束分光而成的物光和參考光，物光透射實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)待測量液體后與參考光合束產(chǎn)生干涉圖像，干涉圖像被檢測分析單元檢測和分析；