[發(fā)明專利]可調(diào)節(jié)不同工況的QCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011561546.6
• 申請(qǐng)日: 2020-12-25
• 公開（公告）號(hào): CN112763368B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 植曉琴;胡虬欽;邱利民;漆映荷;葉恒揚(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N5/02
• 分類號(hào): G01N5/02
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 顏果

本發(fā)明涉及一種可調(diào)節(jié)不同工況的QCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法，屬于風(fēng)洞污染物特性研究技術(shù)領(lǐng)域。包括用于放置石英晶體微天平傳感器的密封腔體、壓力及組分調(diào)節(jié)單元、溫度控制單元；壓力及組分調(diào)節(jié)單元包括高純氣罐、脫附裝置、摻混裝置和氣相色譜分析儀，脫附裝置接收高純氣罐的氣體后脫去其雜質(zhì)，并將其分為三路，第一路進(jìn)入摻混裝置對(duì)所需要的組分濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二路進(jìn)入氣相色譜分析儀分析其氣體組成成分；第三路引入溫度控制單元；溫度控制單元包括自增壓式液氮罐和換熱器，換熱器對(duì)自增壓式液氮罐的液氮與第三路的氣體進(jìn)行換熱，并引至密封腔體底部，用于所述石英晶體微天平傳感器的換熱。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)洞污染物特性研究技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種可調(diào)節(jié)不同工況的QCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)

石英晶體微天平(Quartz Crystal Mircrobalance，QCM)是一種在20世紀(jì)60年代興起的新型的微小質(zhì)量檢測(cè)儀器，其核心部件是QCM質(zhì)量傳感器。QCM質(zhì)量傳感器是一種非常靈敏的質(zhì)量傳感器，它的質(zhì)量測(cè)定可以精確到納克級(jí)，已經(jīng)在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的檢測(cè)問題中得到了應(yīng)用。

在一定的外界條件下，當(dāng)石英晶振表面吸附其它物質(zhì)時(shí)，根據(jù)石英振子的頻率變化與晶體表面的所附物質(zhì)質(zhì)量變化成正比的這一原理，石英晶振的諧振頻率將會(huì)隨著吸附物質(zhì)質(zhì)量的大小而改變。QCM質(zhì)量傳感器其實(shí)就是具有上下電極結(jié)構(gòu)的石英晶體諧振器。石英晶體諧振器因?yàn)閴弘娦?yīng)會(huì)在外界激勵(lì)下以它的諧振頻率振蕩，QCM質(zhì)量傳感器就是利用石英晶體諧振器這一特性，在石英晶體諧振器電極表面吸附一層待測(cè)物質(zhì)，把待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的。

QCM具有很高的靈敏度、優(yōu)良的選擇性、所需成本低廉，而且測(cè)試裝置簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)檢測(cè)等眾多優(yōu)點(diǎn)，所以受到了世界各國科學(xué)家的高度重視，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于質(zhì)量、密度、濃度等的檢測(cè)領(lǐng)域。

目前，運(yùn)用于低溫風(fēng)洞下的污染物沉積測(cè)量方法，需要基于石英晶體微天平的裝置針對(duì)低溫且一定壓力工況條件下進(jìn)行微質(zhì)量污染物的測(cè)量和標(biāo)定。

現(xiàn)有技術(shù)中還沒有針對(duì)該工況下污染物的標(biāo)定，由于低溫風(fēng)洞污染物，特別是水汽結(jié)霜，導(dǎo)致的模型器件表面不均勻性而引起的氣動(dòng)數(shù)據(jù)改變，造成了巨大的實(shí)驗(yàn)成本增加。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種可調(diào)節(jié)不同工況的QCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成傳熱和壓力精準(zhǔn)調(diào)控的技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供的可調(diào)節(jié)不同工況的QCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括用于放置石英晶體微天平傳感器的密封腔體、壓力及組分調(diào)節(jié)單元、溫度控制單元；

所述壓力及組分調(diào)節(jié)單元包括高純氣罐、脫附裝置、摻混裝置和氣相色譜分析儀，所述脫附裝置接收所述高純氣罐的氣體后脫去其雜質(zhì)，并將其分為三路，第一路進(jìn)入所述摻混裝置對(duì)所需要的組分濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二路進(jìn)入所述氣相色譜分析儀分析其氣體組成成分；第三路引入所述溫度控制單元；

所述的溫度控制單元包括自增壓式液氮罐和換熱器，所述換熱器對(duì)所述自增壓式液氮罐的液氮與所述第三路的氣體進(jìn)行換熱，并引至所述密封腔體底部，用于所述石英晶體微天平傳感器的換熱。

上述技術(shù)方案中，利用液氮相變和導(dǎo)熱以及PID溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)可調(diào)，可將溫度區(qū)間降至77K，同時(shí)升溫至313K。通過一個(gè)氣體配置設(shè)備實(shí)現(xiàn)了壓力可調(diào)，主要利用高純氮?dú)廨敵龅臍庠磳?duì)其進(jìn)行均流和污染物控制，之后將其引流到QCM裝置所在的待檢測(cè)區(qū)進(jìn)行沉積，利用起振電路和電腦讀取數(shù)據(jù)標(biāo)定不同溫度和壓力下的沉積變化量，實(shí)現(xiàn)QCM在不同溫度與壓力下的可行使用。

可選地，在一個(gè)實(shí)施例中，所述的自增壓式液氮罐與所述換熱器之間設(shè)有液氮杜瓦，所述自增壓式液氮罐提供制冷劑液氮，所述液氮杜瓦內(nèi)含換熱器，起到一次換熱的作用。

可選地，在一個(gè)實(shí)施例中，所述的第三路設(shè)有加熱裝置，所述加熱裝置將高純氣罐脫附的氣源進(jìn)行引流并加熱后與所述液氮杜瓦出來的制冷劑進(jìn)行二次換熱。