[发明专利]一种适用于测量二元溶液互扩散系数的装置及方法

说明书

本发明提供了一种适用于测量二元溶液互扩散系数的装置和方法，该装置的实验本体可以形成良好的不同液体的分界面，改善了现有技术在制备扩散本体方面的不足，提高了测量精度。本发明提供的用于测量二元溶液互扩散系数的方法，即通过物光相位曲线的拟合确定互扩散系数与时间的乘积，并利用该乘积和扩散时间的线性关系确定互扩散系数。该方法可有效的避免现有干涉图像处理方法中存在的问题，如：极值点位置、扩散前溶液分界面位置难以准确确定，利用多条浓度曲线同时拟合得到互扩散系数和初始扩散时刻导致的数据处理过程复杂，等等。显著的提高了互扩散系数的测量精度，降低了实验强度。

技术领域

本发明属于流体热物理性质测量技术领域，涉及一种适用于测量二元溶液互扩散系数的装置及方法。

背景技术

扩散现象是分子的热运动，在一定势差(如浓度差、温度差、压力差等)的作用下，导致的宏观质量移动。扩散现象不仅存在日常的生活中，还存在于能源、化工、工业安全、医疗等诸多领域中。如：电解质在溶液中的扩散、萃取剂与目标物质间的扩散、有毒气体的泄漏扩散、蛋白质分子和微量元素在人体血液中的扩散等等。扩散现象的研究有助于更好地利用扩散从而优化工业过程的设计和解决工程实际的问题。扩散系数作为三大输运性质之一，体现了质量传递，该过程是分子无规则热运动在一定势差作用下的宏观体现，如压力差、温度差、浓度差等。

液体互扩散系数的实验测量方法分为两类：一类是接触法，具有代表性的有膜池法和Taylor分散法；另一类是非接触法，最具代表性的是光学干涉法。膜池法的待测物理量是浓度差，该浓度差随时间逐渐减小，然而浓度差的测量精度相对浓度测量而言要低很多，因此该方法需要借助精度更高的化学分析手段。该方法是一种较为传统的互扩散系数测量方法，具有造价低、实验设备简单、操作方便等特点；Taylor分散法基于层流流动模型，目前已实现实验设备的模块化，在实际应用中，只需要根据实验测量的要求，购买相应型号的元器件，然后再进行组装即可搭建完整的实验台。在已有的互扩散系数测量方法中，该方法的压力和温度适用范围较广且测量速度较快，在需要获得大批量实验数据的时候具有一定的优势；光学干涉法是一种基于测量浓度变化引起的折射率变化进而获得互扩散系数的光学实验方法。三种经典的用于互扩散系数测量的光干涉方法为：Gouy干涉法、Rayleigh干涉法和Mach–Zehnder干涉法。激光干涉法对于光学元器件以及光路调整具有相对较高的要求，图像处理过程也相对复杂。光干涉法的特点是可以对干涉图像进行实时的采集和处理，且激光干涉法基于光波的相位分析，实验精度高。

随着激光技术、数字摄像技术以及计算机辅助处理技术的发展，激光干涉法测量互扩散系数得到了迅速发展，已成为目前的主流测量方法。然而现有的激光干涉互扩散系数测量方法在扩散本体、充注流程、全息干涉图像处理等方面还存在不足之处，测量精度有待进一步提升。

鉴于此，本发明的主旨就在于借助激光干涉法的基本实验理论，建立一种适用于测量二元溶液互扩散系数的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量二元溶液互扩散系数的装置，该装置能够简单、方便地形成两种液体的分界面，使得测量二元溶液互扩散系数的充注流程更加方便。

本发明的目的还在于提供一种用于测量二元溶液互扩散系数的方法，该方法采集多组相干图像和相应的时间，通过拟合的方式计算出二元溶液互扩散系数，能够有效地提高测量精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种适用于测量二元溶液互扩散系数的装置，包括干涉光路、实验单元和检测分析单元，实验单元具有透光的实验本体和温度压力测控系统，实验本体内填充待测量液体；温度压力测控系统用于测量和控制待测量液体的温度和压力；干涉光路具有同一光束分光而成的物光和参考光，物光透射实验本体内待测量液体后与参考光合束产生干涉图像，干涉图像被检测分析单元检测和分析；