[發明專利]一種同時測量二元系熱擴散率和互擴散系數的裝置及方法

有效

• 申請號: 201911024938.6
• 申請日: 2019-10-25
• 公開（公告）號: CN110672559B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 張穎;何茂剛;陳俊帥;占濤濤;劉向陽
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/51
• 分類號: G01N21/51;G01N21/01
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

1.一種同時測量二元系熱擴散率和互擴散系數的裝置，包括偏振光路、實驗單元和檢測分析單元，其中，實驗單元具有透光的實驗本體(7)和溫度壓力測控系統，實驗本體(7)內能填充待測量流體；溫度壓力測控系統用于控制和測量待測量流體的溫度和壓力；偏振光路產生偏振光進入實驗本體，透射待測量流體，誘導產生散射光，散射光與透射光形成干涉疊加圖像被檢測分析單元檢測、采集和分析，獲得每個散射矢量下的散射光強度與時間τ的函數圖像，采用包含熱擴散率項和互擴散系數項的時間相關函數擬合處理離散的函數圖像即可獲得衰減時間常數，最后通過衰減時間常數計算得到熱擴散率和互擴散系數，熱擴散率項和互擴散系數項的時間相關函數G(q,τ)

G(q,τ)＝2{A(q)[I_St(q)(1-f_t(q,τ))+I_Sc(q)(1-f_c(q,τ))]+B(q)} (2)

其中，A(q)是與光學布局以及散射矢量q有關的參數；I_St(q)和I_Sc(q)是q處由溫度漲落和濃度漲落分別導致的平均散射光強；f_t(q,τ)和f_c(q,τ)是分別對應于溫度漲落和濃度漲落的中間散射函數；B(q)為背景噪聲。

2.根據權利要求1所述的一種同時測量二元系熱擴散率和互擴散系數的裝置，其特征在于，偏振光路由依次設置的激光器(1)、可調衰減器(2)、起偏器(3)、空間濾波器(4)、準直透鏡(5)、光闌(6)組成。

3.根據權利要求1所述的一種同時測量二元系熱擴散率和互擴散系數的裝置，其特征在于，檢測分析單元包含依次設置的檢偏器(8)、CCD傳感器(9)和計算機(10)，計算機(10)中包含圖像處理程序。

4.根據權利要求1所述的一種同時測量二元系熱擴散率和互擴散系數的裝置，其特征在于，可調衰減器(2)、起偏器(3)、空間濾波器(4)、準直透鏡(5)、光闌(6)都固定在籠式支撐桿上，構成籠式光學系統，方便于調節光路的準直。

5.采用如權利要求1所述裝置的一種同時測量二元系熱擴散率和互擴散系數的方法，包括數據采集過程和數據處理過程，其中，

數據采集過程包括步驟：

1)配置待測量濃度下的二元流體混合物樣品，其中組分的濃度大于0且小于100％，混合物的種類包含鹽溶液、聚合物溶液、氣液混合物溶液以及有機物溶液；

2)向實驗本體內填充步驟1)制備的待測量流體樣品；

3)調節實驗本體內的溫度和壓力至設定值，根據不同的混合物，實現測量的區域有過冷區、飽和液相區、飽和氣相區、近臨界區以及超臨界區；

4)打開激光光源，校準偏振光路；

5)檢測分析單元采集透射光束與散射光束的干涉圖像并記錄每一次采樣的時間；

數據處理過程包括步驟：

檢測分析單元根據采集的干涉圖像，通過圖像處理程序，選取足夠多的圖像對其光強信息取平均并將結果作為零時刻的基準圖像，之后將每一時刻下的圖像都與基準圖像作差，再對獲得的結果過進行傅里葉變換得到散射光頻譜信息，最后將其擬合成時間相關函數，從而計算出二元流體混合物的熱擴散率和互擴散系數；

數據處理過程包括具體步驟：

1)在微觀上，散射光的強度隨著溫度漲落和濃度漲落的變化也在不斷波動，在宏觀上統計平均為零，因此，在采集的干涉圖像中選取足夠多的圖像，對其光強信號取平均即可得到透射光的強度，以此作為零時刻的基準圖像；

2)將零時刻之后每一時刻的圖像都與基準圖像作差，獲得每一時刻每一散射矢量下對應的散射光信息，再對其進行傅里葉變換得到對應的散射光頻譜信息，直到所得散射光頻譜趨于穩定，即表明處理的圖像數量足夠滿足精度要求，

由于二元流體混合物體系中的散射光頻譜信息同時包含由熱擴散率控制的溫度漲落和由互擴散系數控制的濃度漲落，為了同時解出熱擴散率和互擴散系數，給出包含熱擴散率項和互擴散系數項的時間相關函數G(q,τ)

G(q,τ)＝2{A(q)[I_St(q)(1-f_t(q,τ))+I_Sc(q)(1-f_c(q,τ))]+B(q)} (2)

其中，A(q)是與光學布局以及散射矢量q有關的參數；I_St(q)和I_Sc(q)是q處由溫度漲落和濃度漲落分別導致的平均散射光強；f_t(q,τ)和f_c(q,τ)是分別對應于溫度漲落和濃度漲落的中間散射函數；B(q)為背景噪聲；

3)在每一個散射矢量下，采用最小二乘法，以A(q)I_St(q)、A(q)I_Sc(q)和B(q)為擬合參數，將散射光強度擬合成關于時間τ的時間相關函數，根據擬合結果，獲得每個散射矢量下的中間散射函數f_t(q,τ)和f_c(q,τ)，二者都是關于時間τ呈指數衰減形式：

f_t(q,τ)＝exp(τ/τ_Ct(q)) (3)

f_c(q,τ)＝exp(τ/τ_Cc(q)) (4)

其中，τ_Ct(q)和τ_Cc(q)是衰減時間常數，分別表征溫度和濃度漲落弛豫到平衡值所用的平均時間，通過擬合每個散射矢量下的中間散射函數，分別獲取每個散射矢量下的τ_Ct(q)和τ_Cc(q)，時間常數與散射矢量的關系表示為：

τ_Ct(q)＝1/aq² (5)

τ_Cc(q)＝1/D₁₂q² (6)

其中，a為熱擴散率；D₁₂為互擴散系數，根據式(5)和式(6)的擬合結果，即可計算得到熱擴散率和互擴散系數。