[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

说明书

本发明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，本发明即可同时计算获得热扩散率和互扩散系数数据。本发明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。

技术领域

本发明属于流体热物理性质测量技术领域，涉及一种同时测量二元系热扩散率和互扩散系数的装置及方法。

背景技术

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c_p的数据，通过式(1)来计算热扩散率a：

a＝λ/ρc_p (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。