[发明专利]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

权利要求书

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，获得每个散射矢量下的散射光强度与时间τ的函数图像，采用包含热扩散率项和互扩散系数项的时间相关函数拟合处理离散的函数图像即可获得衰减时间常数，最后通过衰减时间常数计算得到热扩散率和互扩散系数，热扩散率项和互扩散系数项的时间相关函数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)是与光学布局以及散射矢量q有关的参数；I_St(q)和I_Sc(q)是q处由温度涨落和浓度涨落分别导致的平均散射光强；f_t(q,τ)和f_c(q,τ)是分别对应于温度涨落和浓度涨落的中间散射函数；B(q)为背景噪声。

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，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信息，最后将其拟合成时间相关函数，从而计算出二元流体混合物的热扩散率和互扩散系数；

数据处理过程包括具体步骤：

1)在微观上，散射光的强度随着温度涨落和浓度涨落的变化也在不断波动，在宏观上统计平均为零，因此，在采集的干涉图像中选取足够多的图像，对其光强信号取平均即可得到透射光的强度，以此作为零时刻的基准图像；

2)将零时刻之后每一时刻的图像都与基准图像作差，获得每一时刻每一散射矢量下对应的散射光信息，再对其进行傅里叶变换得到对应的散射光频谱信息，直到所得散射光频谱趋于稳定，即表明处理的图像数量足够满足精度要求，

由于二元流体混合物体系中的散射光频谱信息同时包含由热扩散率控制的温度涨落和由互扩散系数控制的浓度涨落，为了同时解出热扩散率和互扩散系数，给出包含热扩散率项和互扩散系数项的时间相关函数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)是与光学布局以及散射矢量q有关的参数；I_St(q)和I_Sc(q)是q处由温度涨落和浓度涨落分别导致的平均散射光强；f_t(q,τ)和f_c(q,τ)是分别对应于温度涨落和浓度涨落的中间散射函数；B(q)为背景噪声；

3)在每一个散射矢量下，采用最小二乘法，以A(q)I_St(q)、A(q)I_Sc(q)和B(q)为拟合参数，将散射光强度拟合成关于时间τ的时间相关函数，根据拟合结果，获得每个散射矢量下的中间散射函数f_t(q,τ)和f_c(q,τ)，二者都是关于时间τ呈指数衰减形式：

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)是衰减时间常数，分别表征温度和浓度涨落弛豫到平衡值所用的平均时间，通过拟合每个散射矢量下的中间散射函数，分别获取每个散射矢量下的τ_Ct(q)和τ_Cc(q)，时间常数与散射矢量的关系表示为：

τ_Ct(q)＝1/aq² (5)

τ_Cc(q)＝1/D₁₂q² (6)

其中，a为热扩散率；D₁₂为互扩散系数，根据式(5)和式(6)的拟合结果，即可计算得到热扩散率和互扩散系数。