一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置及方法，该装置通过偏振光路将光束扩展成直径较大的均匀平行光束，进入实验本体后可以实现全域扫描测量，通过检测分析单元即可获取透射光与散射光干涉叠加的图像，其中包含各个散射体积下对应的散射光信息。本发明专利技术提供的同时测量二元流体混合物热扩散率和互扩散系数的方法，通过图像作差分析可以得到与时间相关的散射光强度信息，本发明专利技术即可同时计算获得热扩散率和互扩散系数数据。本发明专利技术除了可以实现热扩散率和互扩散系数全域测量以及同时测量外，无需机械控制角度，即可实现大量独立散射矢量下散射光信号的同时采集，显著提高了测量精度。

A device and method for measuring thermal diffusivity and mutual diffusivity of binary system at the same time

【技术实现步骤摘要】
一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置及方法
本专利技术属于流体热物理性质测量
，涉及一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置及方法。
技术介绍
热扩散率和互扩散系数在科学研究和工程实践等相关领域都是重要的热物理性质。热扩散率是用来表征物体加热或冷却过程各部分温度趋于一致的能力；互扩散系数表征的是浓度差引起的质量传递行为的快慢。因此展开对热扩散率以及互扩散系数的实验测量和理论研究具有重要的现实意义。热扩散率测量的主要方法有平板法、同轴圆柱法、瞬态热线法和光散射法。前三种方法的基本原理类似，都是基于傅里叶导热定律建立，实验过程中需要保持稳定的温度梯度，这就导致对流换热和辐射换热的影响不可忽略。而且这三种方法直接测量的物理量是导热系数λ，再结合密度ρ和比定压热容cp的数据，通过式(1)来计算热扩散率a：a＝λ/ρcp(1)相比前三种方法，光散射法作为一种测量热扩散率的新兴方法，可以在宏观热力学平衡状态下，通过分析样品内部由于温度涨落导致的散射光信号来获取热扩散率，可以有效地避免对流换热与辐射换热的影响，也有利于某些特殊样品(腐蚀，有毒)的测量。二元流体混合物互扩散系数常用的测量方法有膜池法、泰勒分散法、光干涉法和光散射法。膜池法是基于Fick第一定律建立，所需测量的物理量是浓度差，因此该方法需要非常精确的化学分析手段；泰勒分散法主要应用于模块化的测量，根据测量要求购买相应型号的元器件即可实现批量测量；光干涉法具有非接触式测量、敏感度高等优点，是基于浓度差会引起透射光束折射的原理建立，因此每次测量都需要营造上下具有合适浓度差的扩散液面，工作强度高，而且受窗口漏热对干涉条纹的影响，该方法温度适用范围较小；光散射法也可实现互扩散系数的测量，且适用于非常宽的温度压力范围，在二元系中，该方法探测的散射光信号由温度涨落以及浓度涨落共同产生，通常将衰减较快的温度涨落对应的散射光信号忽略，结果只用于计算互扩散系数，因此存在一定误差。可见，上述的这些方法中，光散射法，作为一种高灵敏度的非接触式测量方法，可以在热力学平衡状态下实现热扩散率以及互扩散系数的测量。该方法无需营造温度梯度或者浓度梯度，使得温度压力的控制和测量都十分简便，具备较大的温度压力适用范围，是一种极具潜力的热扩散率和互扩散系数测量方法。然而，现有的光散射测量方法也存在一些问题：(1)热扩散率通常比互扩散系数大一到两个数量级，二者存在于不同的时间尺度上，想要实现二者的测量需要高配置的数字相关器，也就意味着高昂的成本。而且一般测量中，需要调整数字相关器的设置，将二元系的热扩散率和互扩散系数分开测量，无法同时进行。(2)传统的光散射法是在一个固定角度以及固定散射体积下进行，对角度控制的精度要求非常高。当需要改变角度和散射体积重复测量时，通常要对整个光路进行重新校准，而光路的准直对结果影响极大，这个过程需要耗费大量时间和精力。(3)理论上说，设置的散射角度越小，测量范围越大且精度越高，但在实际条件下，由于传统方法采用光子计数器或者光电倍增管接收散射光，这些装置对光信号十分敏感，在小角度下，由于杂散光、色散效应等的影响，使得采集的散射光信号的信噪比较低。通常为获取足够高的信噪比，角度设置不宜太小。鉴于此，本专利技术的主旨就在于建立一种可以实现二元流体混合物热扩散率和互扩散系数同时测量的装置和方法。本专利技术将像素化传感器CCD(ChargeCoupledDevice)图像采集技术引入光散射法，对散射光和入射光的干涉图像进行实时采集；提出了包含热扩散率项和互扩散系数项的时间相关函数，用于拟合散射光信息，可以实现与热扩散率和互扩散系数相关的散射光信息的同时提取进而实现了热扩散率和互扩散系数的同时测量。相比于传统方法通过机械装置来调整角度和散射体积，本装置一旦调整好准直，无需其它任何调整即可实现全域测量，即可以将光束透射的任意部分作为散射体积，而且根据CCD传感器接收平面上各像素与散射体积以及透射光束之间的位置关系即可确定散射角，计算出散射矢量，无需机械控制，精度更高也更方便。而且该装置下，由于散射光各向同性，可以实现大量模相等的散射矢量下散射光信号的同时采集，其中也包含了极小角度下的光信号，即实现了激光束探测区域的全域采集，具备非常显著的统计优势，降低了偶尔误差，从而显著提升测量精度。数据处理过程也变为利用计算机程序处理散射光和入射光的干涉图像，相比于传统光散射实验装置中的昂贵的硬件数字相关器，其适用范围更广且极大地降低了成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置及方法，可以同时采集包含热扩散率和互扩散系数信息的散射光信号，并首次提出了包含热扩散率项和互扩散系数项的时间相关函数。该方法采用全域测量，可以实现各散射体积对应的大量散射矢量下的散射光信号的同时获取，其中包含极小角度下的散射信号，结果处理也不再依赖于硬件数字相关器的计算，适用于二元流体混合物热扩散率和互扩散系数的同时测量。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置，包括偏振光路、实验单元和检测分析单元，其中，实验单元具有透光的实验本体和温度压力测控系统，实验本体内能填充待测量流体；温度压力测控系统用于控制和测量待测量流体的温度和压力；偏振光路产生偏振光进入实验本体诱导产生散射光，散射光与透射光形成干涉叠加图像被检测分析单元检测、采集和分析。优选地，其中，偏振光路由依次设置的激光器、可调衰减器、起偏器、空间滤波器、准直透镜、光阑组成，激光器发出的激光通过可调衰减器调整光强，温度较低时由于散射光较弱，需用可调衰减器将激光光强调高，而高温下，散射光较强，可将光强调低以减少杂散光影响；再通过起偏器调节激光偏振态并提高偏振比；最后通过空间滤波器、准直透镜和光阑扩展激光束的直径，获得较大且均匀的光斑，之后进入实验本体实现全域扫描测量。优选地，检测分析单元包含检偏器、CCD传感器和计算机，其中检偏器可以减小环境、本体壁面以及玻璃窗口等造成的杂散光的影响，从而提高获取信号的信噪比；CCD传感器用以接收散射光与透射光干涉叠加的图像信息，并将图像信息传输到计算机；计算机显示干涉图像信息并计算二元流体混合物热扩散率和互扩散系数。近一步优选地，可调衰减器、起偏器、空间滤波器、准直透镜、光阑都可以固定在笼式支撑杆上，构成笼式光学系统，方便于调节光路的准直。一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的方法，包括数据采集过程和数据处理过程，其中，数据采集过程包括步骤：1)配置待测量浓度下的二元流体混合物样品，其中组分的浓度大于0且小于100％，混合物的种类包含盐溶液、聚合物溶液、气液混合物溶液以及有机物溶液；2)向实验本体内填充步骤1)制备的待测量流体样品；3)调节实验本体内的温度和压力至设定值，根据不同的混合物，可以实现测量的区域有过冷区、饱和液相区、饱和气相区、近临界区以及超临界区；4)打开激光光源，校准偏振光路；5)检测分析单元采集透射光束与散射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置，包括偏振光路、实验单元和检测分析单元，其中，实验单元具有透光的实验本体(7)和温度压力测控系统，实验本体(7)内能填充待测量流体；温度压力测控系统用于控制和测量待测量流体的温度和压力；偏振光路产生偏振光进入实验本体，透射待测量流体，诱导产生散射光，散射光与透射光形成干涉叠加图像被检测分析单元检测、采集和分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置，包括偏振光路、实验单元和检测分析单元，其中，实验单元具有透光的实验本体(7)和温度压力测控系统，实验本体(7)内能填充待测量流体；温度压力测控系统用于控制和测量待测量流体的温度和压力；偏振光路产生偏振光进入实验本体，透射待测量流体，诱导产生散射光，散射光与透射光形成干涉叠加图像被检测分析单元检测、采集和分析。


2.根据权利要求1所述的一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置，其特征在于，偏振光路由依次设置的激光器(1)、可调衰减器(2)、起偏器(3)、空间滤波器(4)、准直透镜(5)、光阑(6)组成。


3.根据权利要求1所述的一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置，其特征在于，检测分析单元包含依次设置的检偏器(8)、CCD传感器(9)和计算机(10)，计算机(10)中包含图像处理程序。


4.根据权利要求1所述的一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置，其特征在于，可调衰减器(2)、起偏器(3)、空间滤波器(4)、准直透镜(5)、光阑(6)都可以固定在笼式支撑杆上，构成笼式光学系统，方便于调节光路的准直。


5.采用如权利要求1所述装置的一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的方法，包括数据采集过程和数据处理过程，其中，
数据采集过程包括步骤：
1)配置待测量浓度下的二元流体混合物样品，其中组分的浓度大于0且小于100％，混合物的种类包含盐溶液、聚合物溶液、气液混合物溶液以及有机物溶液；
2)向实验本体内填充步骤1)制备的待测量流体样品；
3)调节实验本体内的温度和压力至设定值，根据不同的混合物，可以实现测量的区域有过冷区、饱和液相区、饱和气相区、近临界区以及超临界区；
4)打开激光光源，校准偏振光路；
5)检测分析单元采集透射光束与散射光束的干涉图像并记录每一次采样的时间；
数据处理过程包括步骤：
检测分析单元根据采集的干涉图像，通过图像处理程序，选取足够多的图像对其光强信息取平均并将结果作为零时刻的基准图像，之后将每一时刻下的图像都与基准图像作差，再对获得的结果过进行傅里叶变换得到散射光频谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，何茂刚，陈俊帅，占涛涛，刘向阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61