一种三元混合溶液Soret系数测量装置与方法

摘要

一种三元混合溶液Soret系数测量装置与方法，属于传热传质技术领域。所述三元混合溶液Soret系数测量装置包括第一波长激光发射单元、第二波长激光发射单元、光路调整单元、干涉仪单元，第一波长激光发射单元包括第一激光发射器、第一电子快门、第一密度过滤器和第一空间过滤器；第二波长激光发射单元包括第二激光发射器、第二电子快门、第二密度过滤器和第二空间过滤器，光路调整单元包括第一反光镜和第一分光镜；干涉仪单元包括第二分光镜、第二反光镜、第三反光镜和第三分光镜。第二分光镜和第三反光镜之间设置Soret系数测量单元，第三分光镜的右侧设置CCD相机。所述三元混合溶液Soret系数测量装置与方法能够准确测量三元混合溶液的Soret系数。

说明书

技术领域

本发明涉及传热传质技术领域，特别涉及一种三元混合溶液Soret系数测量装置与方法。

背景技术

Soret效应是指在不等温的温度场作用下，均匀液体混合物中的组分发生迁移，向不等温的冷热两壁移动浓缩，形成浓度梯度。Soret效应在岩石学，石油存储，多孔介质，气溶胶，聚合物分离，铀浓缩等众多领域有着不可忽视的作用。因此，准确可靠的Soret系数具体数值十分重要。上世纪的前几十年中，开发出了许多实验技术，绝大部分实验技术都集中研究了二元混合溶液的Soret系数，而现实生活中多是三元及以上混合物。因此，有必要获得三元混合溶液的Soret系数，为热致扩散效应理论研究提供重要参考依据。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种三元混合溶液Soret系数测量装置与方法，其能够准确测量三元混合溶液的Soret系数。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种三元混合溶液Soret系数测量装置，包括第一波长激光发射单元、第二波长激光发射单元、光路调整单元、干涉仪单元、Soret系数测量单元和CCD相机；

所述第一波长激光发射单元包括从左至右依次设置的第一激光发射器、第一电子快门、第一密度过滤器和第一空间过滤器，所述第一空间过滤器内从左至右依次设置有第一非球面透镜、第一针孔和第一准直透镜；

所述第二波长激光发射单元包括从左至右依次设置的第二激光发射器、第二电子快门、第二密度过滤器和第二空间过滤器，所述第二空间过滤器内从左至右依次设置有第二非球面透镜、第二针孔和第二准直透镜；

所述光路调整单元包括倾斜设置于第一空间过滤器右侧的第一反光镜和设置于第二空间过滤器右侧并与第一反光镜倾斜角度相同的第一分光镜；

所述干涉仪单元包括设置于第一分光镜右侧并与第一分光镜呈镜像角度设置的第二分光镜、设置于第二分光镜正前方并与第二分光镜倾斜角度相同的第二反光镜、设置于第二分光镜右侧并与第二分光镜倾斜角度相同的第三反光镜、以及设置于设置于第三反光镜正前方并与第三反光镜倾斜角度相同的第三分光镜，同时，所述第三分光镜位于第二反光镜的右侧并与第二反光镜位于同一水平线上；

所述Soret系数测量单元设置于第二分光镜和第三反光镜之间，Soret系数测量单元内设置有待测混合溶液；

所述CCD相机设置于第三分光镜的右侧，用于记录第一激光发射器和第二激光发射器发射的激光经光路调整单元、干涉仪单元以及Soret系数测量单元后形成的衍射图像。

进一步的，所述第二波长激光发射单元与第一波长激光发射单元位于同一水平面相同高度位置并且平行设置。

进一步的，所述Soret系数测量单元包括依次设置的第一钢板、中间层和第二钢板；所述第一钢板、中间层和第二钢板的中部均设置有矩形通孔，所述第一钢板的矩形通孔远离中间层的一侧、中间层的矩形通孔的两侧、以及第二钢板的矩形通孔远离中间层的一侧均设置有玻璃板；所述第一钢板和第二钢板均分别设置有两个位置对称的注水孔；所述中间层的矩形通孔内设置有带有开口的玻璃柱，所述玻璃柱装有待测混合溶液，所述玻璃柱的开口设置有塞子。

进一步的，所述第一钢板的两个注水孔与第一循环水箱相连，所述第二钢板的两个注水孔与第二循环水箱相连。

进一步的，所述第一钢板的矩形通孔靠近中间层的一侧和第二钢板的矩形通孔靠近中间层的一侧均设置有矩形凹槽，所述中间层的矩形通孔的两侧均设置有与矩形凹槽对应的U型凸条，以保证密封。

进一步的，所述中间层的一侧设置有与其矩形通孔连通的连通孔，所述中间层的连通孔和矩形通孔的两侧侧面均设置有交错凹槽，所述玻璃柱和塞子的两侧也设置有对应的交错凹槽，使玻璃柱通过对应的交错凹槽插入到中间层的连通孔和矩形通孔中，使塞子通过对应的交错凹槽插入到中间层的连通孔中塞住玻璃柱。

一种三元混合溶液Soret系数测量方法，包括如下步骤：

S1、组装第一波长激光发射单元、第二波长激光发射单元、光路调整单元、干涉仪单元和CCD相机：首先在水平实验台上安装第一波长激光发射单元和第二波长激光发射单元，然后安装光路调整单元、干涉仪单元和CCD相机；组装完成后，首先打开第一波长激光发射单元的第一激光发射器，根据激光光线调整各设备的位置，使CCD相机接收到第一激光发射器发射的激光，然后关闭第一激光发射器，打开第二激光发射器，根据激光光线调整相关设备的位置，使CCD相机接收到第二激光发射器发射的激光；

S2、组装Soret系数测量单元：首先将待测混合溶液装入带开口的玻璃柱中，将玻璃柱沿着交错凹槽插入中间层，然后将塞子沿着交错凹槽插入中间层，接着将第一钢板的第一矩形凹槽、中间层的U型凸条、第二钢板的第二矩形凹槽对齐叠放并使用螺帽和螺杆固定，然后将第一循环水箱与第一注水孔连接，第二循环水箱与第二注水孔连接，并将第一循环水箱和第二循环水箱设置成不同的温度，维持设定的温度差，组装好Soret系数测量单元后将其放置在第二分光镜和第三反光镜之间，使第一激光发射器和第二激光发射器发出的激光穿过Soret系数测量单元中间的玻璃板，放置1小时后开始测量；

S3、进行测量，同时打开第一激光发射器和第二激光发射器，不同时开启第一电子快门与第二电子快门；开启第一电子快门，关闭第二电子快门，第一激光发射器发射的激光经第一电子快门、第一密度过滤器、第一非球面透镜、第一针孔、第一准直透镜、第一反光镜和第一分光镜到第二分光镜，激光经过第二分光镜分为强度相等两部分光线，其中一部分光线经过第二反光镜和第三分光镜进入CCD相机，另一部分光线经过Soret系数测量单元、第三反光镜和和第三分光镜进入CCD相机，CCD相机记录这两部分光线形成的衍射图像；开启第二电子快门，关闭第一电子快门，第二激光发射器发射的激光经第二电子快门、第二密度过滤器、第二非球面透镜、第二针孔、第二准直透镜、第一分光镜到第二分光镜，激光经过第二分光镜分为强度相等两部分光线，其中一部分光线经过第二反光镜和第三分光镜进入CCD相机，另一部分光线经过Soret系数测量单元、第三反光镜和和第三分光镜进入CCD相机，CCD相机记录这两部分光线形成的衍射图像；第一电子快门与第二电子快门交替开启，直到CCD相机记录的第一激光发射器发射的激光形成的衍射图像无变化，并且第二激光发射器发射的激光形成的衍射图像无变化时，停止测量。

本发明的有益效果：

1)本发明的测量范围很大，可适用于大部分的三元混合溶液，通过本发明测量得到三元混合溶液的Soret系数，测量得出的数值可以为理论研究提供参考依据，对理论研究的发展十分重要。

2)本发明使用光学测量技术，不对Soret系数测量单元内的混合溶液产生干扰。因此，测量得出的Soret系数数值更加准确，大大提高了测量的精度，最大程度的接近现实。

3)本发明的Soret系数测量单元中间层设计成装配的形式，便于拆卸和维护，延长装置使用寿命的同时简化了操作步骤。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三元混合溶液Soret系数测量装置的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的Soret系数测量单元的立体图；

图3是本发明实施例提供的Soret系数测量单元的立体剖面图；

图4是本发明实施例提供的玻璃柱的立体图；

图5是本发明实施例提供的塞子的立体图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-第一激光发射器，2-第一电子快门，3-第一密度过滤器，4-第一非球面透镜，5-第一针孔，6-第一准直透镜，7-第一空间过滤器，8-第一反光镜，9-第二激光发射器，10-第二电子快门，11-第二密度过滤器，12-第二非球面透镜，13-第二针孔，14-第二空间过滤器，15-第二准直透镜，16-第一分光镜，17-第二分光镜，18-第三反光镜，19-第二反光镜，20-第三分光镜，21-CCD相机，22-Soret系数测量单元，23-第一循环水箱，24-第二循环水箱，25-第一钢板，26-中间层，27-第二钢板，28-第二注水孔，29-塞子，30-第一注水孔，31-螺帽，32-螺杆，33-第一玻璃板，34-第二玻璃板，35-第三玻璃板，36-第四玻璃板，37-带螺纹固定孔，38-交错凹槽，39-玻璃柱，40-第一矩形凹槽，41-U型凸条，42-第二矩形凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明提供了一种三元混合溶液Soret系数测量装置，包括第一波长激光发射单元、第二波长激光发射单元、光路调整单元、干涉仪单元、Soret系数测量单元22和CCD相机21；

第一波长激光发射单元包括从左至右依次设置的第一激光发射器1、第一电子快门2、第一密度过滤器3和第一空间过滤器7，第一空间过滤器7内从左至右依次设置有第一非球面透镜4、第一针孔5和第一准直透镜6；

第二波长激光发射单元包括从左至右依次设置的第二激光发射器9、第二电子快门10、第二密度过滤器11和第二空间过滤器14，第二空间过滤器14内从左至右依次设置有第二非球面透镜12、第二针孔13和第二准直透镜15；第二波长激光发射单元与第一波长激光发射单元位于同一水平面相同高度位置并且平行设置；

光路调整单元包括倾斜设置于第一空间过滤器7右侧的第一反光镜8和设置于第二空间过滤器14右侧并与第一反光镜8倾斜角度相同的第一分光镜16；

干涉仪单元包括设置于第一分光镜16右侧并与第一分光镜16呈镜像角度设置的第二分光镜17、设置于第二分光镜17正前方并与第二分光镜17倾斜角度相同的第二反光镜19、设置于第二分光镜17右侧并与第二分光镜17倾斜角度相同的第三反光镜18、以及设置于设置于第三反光镜18正前方并与第三反光镜18倾斜角度相同的第三分光镜20，同时，第三分光镜20位于第二反光镜19的右侧并与第二反光镜19位于同一水平线上；

Soret系数测量单元22设置于第二分光镜17和第三反光镜18之间，Soret系数测量单元22内设置有待测混合溶液；

CCD相机21设置于第三分光镜20的右侧，用于记录第一激光发射器1和第二激光发射器9发射的激光经光路调整单元、干涉仪单元以及Soret系数测量单元22后形成的衍射图像。

如图1所示，第一波长激光发射单元包括第一激光发射器1、第一电子快门2、第一密度过滤器3、第一非球面透镜4、第一针孔5、第一准直透镜6和第一空间过滤器7，第一激光发射器1位于装置的最左端，第一电子快门2、第一密度过滤器3和第一空间过滤器7依次位于第一激光发射器1的右端，第一非球面透镜4、第一针孔5、第一准直透镜6依次位于第一空间过滤器7中；第二波长激光发射单元包括第二激光发射器9、第二电子快门10、第二密度过滤器11、第二非球面透镜12、第二针孔13、第二准直透镜15、第二空间过滤器14，第二激光发射器9位于装置的最左端，第二电子快门10、第二密度过滤器11和第二空间过滤器14依次位于第二激光发射器9的右端，第二非球面透镜12、第二针孔13、第二准直透镜15依次位于第二空间过滤器14中；第一反光镜8位于第一波长激光发射单元的右端成设定角度放置，保证从第一准直透镜6出来的光线从第一反光镜8垂直反射出，第一分光镜16与第一反光镜8相对成相同角度放置，第二分光镜17与第一分光镜16处于同一水平位置成镜像放置，第二反光镜19位于第二分光镜17正前方并与第二分光镜17相对成相同角度放置，第三分光镜20与第二反光镜19处于同一水平线成相同角度放置，第三反光镜18位于第三分光镜20的正后方并与第三分光镜20成相同角度放置，CCD相机21位于第三分光镜20右侧并处于同一水平位置。

本发明中，Soret系数测量单元22包括依次设置的第一钢板25、中间层26和第二钢板27；第一钢板25、中间层26和第二钢板27的中部均设置有矩形通孔，第一钢板25的矩形通孔远离中间层26的一侧、中间层26的矩形通孔的两侧、以及第二钢板27的矩形通孔远离中间层26的一侧均设置有玻璃板；第一钢板25和第二钢板27均分别设置有两个位置对称的注水孔；中间层26的矩形通孔内设置有带有开口的玻璃柱39，玻璃柱39装有待测混合溶液，玻璃柱39的开口设置有塞子29。第一钢板25的两个注水孔与第一循环水箱23相连，第二钢板27的两个注水孔与第二循环水箱24相连。

作为优选，第一钢板25的矩形通孔靠近中间层26的一侧和第二钢板27的矩形通孔靠近中间层26的一侧均设置有矩形凹槽，中间层26的矩形通孔的两侧均设置有与矩形凹槽对应的U型凸条41，以保证密封。

作为优选，中间层26的一侧设置有与其矩形通孔连通的连通孔，中间层26的连通孔和矩形通孔的两侧侧面均设置有交错凹槽38，玻璃柱39和塞子29的两侧也设置有对应的交错凹槽38，使玻璃柱39通过对应的交错凹槽38插入到中间层26的连通孔和矩形通孔中，使塞子29通过对应的交错凹槽38插入到中间层26的连通孔中塞住玻璃柱39。当然，在实际使用时，也可以不设置交错凹槽38，比如在玻璃柱39与中间层26的连通孔和矩形通孔之间设置粘条，塞子29也对应的设置有粘条，以实现将塞子29和玻璃柱39固定到中间层26内，由于Soret系数测量单元22在使用时塞子29位于上方。所以塞子29和玻璃柱39平面接触即可实现密封，也可以根据需要将塞子29的端部设置成凸起结构，凸起结构插入玻璃柱39中，提高密封效果，也方便更换待测混合溶液。

如图2至图5所示，以下根据第一钢板25、中间层26和第二钢板27在附图中放置角度进行描述，这个放置角度与最后试验时的放置角度不同。实际试验时，Soret系数测量单元22的放置位置要使第二分光镜17出来的光线穿过玻璃板和待测混合溶液进入第三反光镜18。并且为了区分描述，将第一钢板25的矩形凹槽描述为第一矩形凹槽40，将第二钢板27的矩形凹槽描述为第二矩形凹槽42，将第一钢板25的玻璃板描述为第一玻璃板33，将中间层26的玻璃板描述为第二玻璃板34和第三玻璃板35，将第二钢板27的玻璃板描述为第四玻璃板36，将第一钢板25的注水孔描述为第一注水孔30，将第二钢板27的注水孔描述为第二注水孔28。第一钢板25位于最上层，第一钢板25沿纵向方向对称设置有8个带螺纹固定孔37，两个第一注水孔30对称设置在第一钢板25的横向位置，第一钢板25的中间开设有矩形通孔，第一玻璃板33固定在第一钢板25矩形通孔的上方，第一钢板25矩形通孔下方的四周设置有第一矩形凹槽40；第二钢板27位于最下层，第二钢板27沿纵向方向对称设置有8个带螺纹固定孔37，两个第二注水孔28对称设置在第二钢板27的横向位置，第二钢板27的中间开设有矩形通孔，第四玻璃板36固定在第二钢板27矩形通孔的下方，第二钢板27矩形通孔上方的四周有设置第二矩形凹槽42；中间层26包括带开口的玻璃柱39、带螺纹固定孔37、塞子29、第二玻璃板34和第三玻璃板35，8个带螺纹固定孔37对称分布在中间层26纵向位置，第二玻璃板34固定在中间层26矩形通孔的上方，第三玻璃板35固定在中间层26矩形通孔的下方，中间层26中部的连通孔和矩形通孔侧面对称分布交错凹槽38，带开口的玻璃柱39沿着交错凹槽38插在第二玻璃板34和第三玻璃板35的中间，塞子29沿着交错凹槽38插如中间层26堵住玻璃柱39的开口位置，中间层26的上方和下方皆有突出的U型凸条41，位置与第一钢板25和第二钢板27的矩形凹槽相对。

一种三元混合溶液Soret系数测量方法，包括如下步骤：

S1、组装第一波长激光发射单元、第二波长激光发射单元、光路调整单元、干涉仪单元和CCD相机21：首先在水平实验台上安装第一波长激光发射单元和第二波长激光发射单元，然后安装光路调整单元、干涉仪单元和CCD相机21；组装完成后，首先打开第一波长激光发射单元的第一激光发射器1，根据激光光线调整各设备的位置，使CCD相机21接收到第一激光发射器1发射的激光，然后关闭第一激光发射器1，打开第二激光发射器9，根据激光光线调整相关设备的位置，使CCD相机21接收到第二激光发射器9发射的激光；

具体的，第一波长激光发射单元中的第一激光发射器1、第一电子快门2、第一密度过滤器3、第一非球面透镜4、第一针孔5、第一准直透镜6、第一空间过滤器7按照原理示意图从左到右依次安装，第二波长激光发射单元中的第二激光发射器9、第二电子快门10、第二密度过滤器11、第二非球面透镜12、第二针孔13、第二准直透镜15、第二空间过滤器14按照原理示意图从左到右依次安装，然后安装光路调整单元和干涉仪单元，将第一反光镜8安装在第一空间过滤器7的正右方呈设定角度放置，第一分光镜16安装在第二密度过滤器11的正右方并与第一反光镜8在同一水平位置呈相同角度相对设置，第二反光镜19、第二分光镜17、第三反光镜18、第三分光镜20安装在同一水平位置呈相同角度矩形放置，其中第二分光镜17、第三反光镜18安装在同一平面位置，第二反光镜19、第三分光镜20安装在同一平面位置，CCD相机21安装在第三分光镜20的正右方，组装完成后，首先打开第一激光发射器1，根据激光光线调整各设备的位置，保证CCD相机21能接收到第一激光发射器1发射的激光，然后关闭第一激光发射器1，打开第二激光发射器9，根据激光光线调整相关设备的位置，保证CCD相机21能接收到第二激光发射器9发射的激光。

S2、组装Soret系数测量单元22：首先将待测混合溶液装入带开口的玻璃柱39中，将玻璃柱39沿着交错凹槽38插入中间层26，然后将塞子29沿着交错凹槽38插入中间层26，接着将第一钢板25的第一矩形凹槽40、中间层26的U型凸条41、第二钢板27的第二矩形凹槽42对齐叠放并使用螺帽31和螺杆32固定，然后将第一循环水箱23与第一注水孔30连接，第二循环水箱24与第二注水孔28连接，并将第一循环水箱23和第二循环水箱24设置成不同的温度，维持设定的温度差，组装好Soret系数测量单元22后将其放置在第二分光镜17和第三反光镜18之间，使第一激光发射器1和第二激光发射器9发出的激光穿过Soret系数测量单元22中间的玻璃板，放置1小时后开始测量；

S3、进行测量，同时打开第一激光发射器1和第二激光发射器9，不同时开启第一电子快门2与第二电子快门10；开启第一电子快门2，关闭第二电子快门10，第一激光发射器1发射的激光经第一电子快门2、第一密度过滤器3、第一非球面透镜4、第一针孔5、第一准直透镜6、第一反光镜8和第一分光镜16到第二分光镜17，激光经过第二分光镜17分为强度相等两部分光线，其中一部分光线经过第二反光镜19和第三分光镜20进入CCD相机21，另一部分光线经过Soret系数测量单元22、第三反光镜18和和第三分光镜20进入CCD相机21，CCD相机21记录这两部分光线形成的衍射图像；开启第二电子快门10，关闭第一电子快门2，第二激光发射器9发射的激光经第二电子快门10、第二密度过滤器11、第二非球面透镜12、第二针孔13、第二准直透镜15、第一分光镜16到第二分光镜17，激光经过第二分光镜17分为强度相等两部分光线，其中一部分光线经过第二反光镜19和第三分光镜20进入CCD相机21，另一部分光线经过Soret系数测量单元22、第三反光镜18和和第三分光镜20进入CCD相机21，CCD相机21记录这两部分光线形成的衍射图像；第一电子快门2与第二电子快门10交替开启，直到CCD相机21记录的第一激光发射器1发射的激光形成的衍射图像无变化，并且第二激光发射器9发射的激光形成的衍射图像无变化时，停止测量。具体的，测量过程中可以通过程序设置电子快门的开启时间，保证与CCD相机21的拍摄时间一致。

本发明三元混合溶液Soret系数测量的后续处理中，通过分析CCD相机21记录的每个激光发射器发射的激光形成的衍射图像获得相位差，由相位差可以计算得出折射率，具体如下：CCD相机21记录的衍射图像无变化说明系统已达到稳态，得到两种波长对三元混合溶液的折射率，再利用工作方程求解组分一和组分二的浓度梯度：

式中，T

ΔC

Δn

联立工作方程(1)和(2)能够得到组分一的浓度梯度和组分二的浓度梯度，由于温度梯度是实验中设定的值，因此，温度梯度已知，运用Soret系数求解公式：

式中，S

得到三元混合溶液中组分一和组分二的Soret系数后，由于组分一、组分二和组分三的Soret系数之和为1，因此，组分三的Soret系数也可以求出。

本发明装置测量不同组分三元混合溶液时，只需将第一激光发射器1和第二激光发射器9更换为合适波长的激光发射器即可。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。