同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置以及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測量裝置及測量方法，具體涉及一種基于比爾-朗伯定律，在線同步 測量待測液膜濃度、厚度和溫度的測量裝置以及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在各種工業(yè)過程中，液滴撞擊到固體表面形成液膜的現(xiàn)象廣泛存在，如選擇性催 化還原（SCR)系統(tǒng)中汽車尾氣排放管上形成尿素溶液液膜等。對液膜進(jìn)行定量分析不僅能 夠更好地了解液膜的形成和蒸發(fā)這個(gè)極其復(fù)雜的物理過程的本質(zhì)，而且對優(yōu)化液膜所涉及 的各種工業(yè)過程具有非常重要的意義。
[0003] 溶液液膜厚度、溫度以及液膜內(nèi)部的成分濃度是密切相關(guān)的，在對液膜的研宄中 這些參數(shù)往往相互耦合，給模型建立和求解帶來困難。傳統(tǒng)的測量方法只能實(shí)現(xiàn)對液膜的 濃度、厚度和溫度中單個(gè)參數(shù)的測量，無法同時(shí)測量這三個(gè)重要指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對上述問題進(jìn)行的，目的在于提供一種能夠同時(shí)測定出溶液液膜的濃 度、厚度和溫度的裝置以及測量方法。
[0005] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下的技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明提供一種同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置，其特征在于，包括：三個(gè) 激光光源，用于發(fā)出波長不同的激光光束；波分復(fù)用器，與三個(gè)激光光源相連，將三個(gè)激光 光源發(fā)出的三束激光光束親合成一束；第一準(zhǔn)直器，與波分復(fù)用器相連，對波分復(fù)用器親合 的激光光束進(jìn)行聚焦；液膜載體，設(shè)置在第一準(zhǔn)直器正下方，用于承載待測液膜，使第一準(zhǔn) 直器聚焦后發(fā)出的激光光束穿過待測液膜；第二準(zhǔn)直器，設(shè)置在液膜載體正下方，用于收集 穿過液膜載體的激光光束，并對該激光光束進(jìn)行聚焦；分波器，與第二準(zhǔn)直器相連，將第二 準(zhǔn)直器聚焦后發(fā)出的激光光束分成波長不同的三束激光光束；三個(gè)光譜采集構(gòu)件，分別與 分波器相連，接收并測量該分波器分出的每束激光光束的強(qiáng)度；以及計(jì)算機(jī)，分別與三個(gè)光 譜采集構(gòu)件相連，對三個(gè)光譜采集構(gòu)件測得的激光光束的強(qiáng)度進(jìn)行處理，計(jì)算出待測液膜 的濃度、厚度和溫度值。
[0007] 進(jìn)一步，本發(fā)明所涉及的同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置，還可以具有這樣 的特征：其中，激光光源是半導(dǎo)體激光器，光譜采集構(gòu)件是光電探測器。
[0008] 本發(fā)明還提供一種采用上述同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置來測量液膜的 濃度、厚度和溫度的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，采用吸收光譜測量裝置測量 若干不同濃度、不同溫度的溶液液膜的吸收光譜，得到不同濃度、不同溫度的溶液液膜對不 同波數(shù)的光的吸收系數(shù)；步驟二，比較不同濃度、不同溫度的溶液液膜對不同波數(shù)的光的吸 收系數(shù)，選擇三個(gè)波數(shù)Vp ^和V 3，使不同濃度、不同溫度的溶液液膜對波數(shù)為V JP V 2 的光的吸收系數(shù)對濃度的變化率為零，使不同濃度、不同溫度的溶液液膜對波數(shù)為V 3的光 的吸收系數(shù)對溫度的變化率為零；步驟三，分別在兩個(gè)波數(shù)vJP V 2下，對不同濃度、不同 溫度的溶液液膜所對應(yīng)的吸收系數(shù)與溶液液膜的溫度作擬合，得到如下方程式：Ki = f (T)， 式中i = 1，2，1是濃度為C、溫度為T的溶液液膜對波數(shù)為V i的光的吸收系數(shù)，在波數(shù)V 3 下，對不同濃度、不同溫度的溶液液膜所對應(yīng)的吸收系數(shù)與溶液液膜的濃度作擬合，得到如 下方程式：K3= f (c)，式中K 3是濃度為c、溫度為T的溶液液膜所對應(yīng)的吸收系數(shù)；步驟四， 設(shè)置不帶有液膜的液膜載體，調(diào)節(jié)三個(gè)激光光源，使三個(gè)激光光源分別輸出波數(shù)為V n V2 和V 3的激光光束，采用三個(gè)光譜采集構(gòu)件分別測量穿過不帶有液膜的液膜載體后波數(shù)為 Vp ^和V 3的激光光束的強(qiáng)度，作為背景光強(qiáng)Itli (i = 1，2, 3);步驟五，在液膜載體上負(fù) 載待測液膜，采用三個(gè)光譜采集構(gòu)件分別測量穿過負(fù)載待測液膜的液膜載體后波數(shù)為V i、 V 2和V 3的激光光束的強(qiáng)度，作為透射光強(qiáng)Iti (i = 1，2, 3);步驟六，采用計(jì)算機(jī)收集背景 光強(qiáng)Itli (i = 1，2, 3)和透射光強(qiáng)Iti (i = 1，2, 3)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)比爾-朗伯定律， 將透射率表示為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置，其特征在于，包括： 三個(gè)激光光源，用于發(fā)出波長不同的激光光束； 波分復(fù)用器，與三個(gè)所述激光光源相連，將三個(gè)所述激光光源發(fā)出的三束所述激光光 束耦合成一束； 第一準(zhǔn)直器，與所述波分復(fù)用器相連，對所述波分復(fù)用器耦合的激光光束進(jìn)行聚焦； 液膜載體，設(shè)置在所述第一準(zhǔn)直器正下方，用于承載待測液膜，使所述第一準(zhǔn)直器聚焦 后發(fā)出的激光光束穿過所述待測液膜； 第二準(zhǔn)直器，設(shè)置在所述液膜載體正下方，用于收集穿過所述液膜載體的激光光束，并 對該激光光束進(jìn)行聚焦； 分波器，與所述第二準(zhǔn)直器相連，將所述第二準(zhǔn)直器聚焦后發(fā)出的激光光束分成波長 不同的三束激光光束； 三個(gè)光譜采集構(gòu)件，分別與所述分波器相連，接收并測量該分波器分出的每束所述激 光光束的強(qiáng)度；以及 計(jì)算機(jī)，分別與三個(gè)所述光譜采集構(gòu)件相連，對三個(gè)所述光譜采集構(gòu)件測得的所述激 光光束的強(qiáng)度進(jìn)行處理，計(jì)算出所述待測液膜的濃度、厚度和溫度值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置，其特征在于： 其中，所述激光光源是半導(dǎo)體激光器，所述光譜采集構(gòu)件是光電探測器。
3. -種采用如權(quán)利要求1所述的同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置來測量液膜的 濃度、厚度和溫度的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，采用吸收光譜測量裝置測量若干不同濃度、不同溫度的溶液液膜的吸收光譜， 得到所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜對不同波數(shù)的光的吸收系數(shù)； 步驟二，比較所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜對不同波數(shù)的光的吸收系數(shù)，選擇三 個(gè)波數(shù)Vp ^和V 3，使所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜對波數(shù)為V JP V 2的光的吸 收系數(shù)對濃度的變化率為零，使所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜對波數(shù)為V 3的光的吸 收系數(shù)對溫度的變化率為零； 步驟三，分別在兩個(gè)所述波數(shù)vJP V 2下，對所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜所對 應(yīng)的吸收系數(shù)與所述溶液液膜的溫度作擬合，得到如下方程式：Ki= f (T)，式中i = 1，2, Ki 是濃度為c、溫度為T的溶液液膜對波數(shù)為^的光的吸收系數(shù)，在所述波數(shù)V 3下，對所述 不同濃度、不同溫度的溶液液膜所對應(yīng)的吸收系數(shù)與所述溶液液膜的濃度作擬合，得到如 下方程式：K 3= f (c)，式中K 3是濃度為c、溫度為T的溶液液膜所對應(yīng)的吸收系數(shù)； 步驟四，設(shè)置不帶有液膜的所述液膜載體，調(diào)節(jié)三個(gè)所述激光光源，使三個(gè)所述激光光 源分別輸出波數(shù)為VpvjP V 3的激光光束，采用三個(gè)所述光譜采集構(gòu)件分別測量穿過所 述不帶有液膜的液膜載體后所述波數(shù)為Vp ^和V 3的激光光束的強(qiáng)度，作為背景光強(qiáng) I0i (i = 1,2,3)； 步驟五，在所述液膜載體上負(fù)載待測液膜，采用三個(gè)所述光譜采集構(gòu)件分別測量穿過 負(fù)載所述待測液膜的液膜載體后所述波數(shù)為VpvjP V 3的激光光束的強(qiáng)度，作為透射光 強(qiáng) Iti(i = 1，2,3); 步驟六，采用所述計(jì)算機(jī)收集所述背景光強(qiáng)Itli (i = 1，2, 3)和所述透射光強(qiáng)Iti (i = 1，2, 3)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)比爾-朗伯定律，將透射率表示為：In ^ = In Ti = ，式 1Qi 中^是透射率，d是所述待測液膜的厚度， 計(jì)算所述待測液膜對所述波數(shù)為Vp ^和V 3的激光光束的透射率的對數(shù)In τ i，α =1，2, 3)，則： In τ χ = -K xd = -f (T) d (I)， In τ 2= -K 2d = -f (T) d (2)， In τ 3= -K 3d = -f (c) d (3)， 由公式⑴和公式⑵組成方程組可求解出所述待測液膜的溫度T和厚度d，再將求解 出的所述厚度d帶入公式（3)中，即可求得所述待測液膜的濃度c。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置，其特征在于，包括：三個(gè)激光光源，發(fā)出波長不同的激光光束；波分復(fù)用器，與三個(gè)激光光源相連，將三束激光光束耦合成一束；第一準(zhǔn)直器，與波分復(fù)用器相連，對激光光束進(jìn)行聚焦；液膜載體，設(shè)置在第一準(zhǔn)直器正下方；第二準(zhǔn)直器，設(shè)置在液膜載體正下方，用于收集穿過液膜載體的激光光束，并進(jìn)行聚焦；分波器，與第二準(zhǔn)直器相連，將激光光束分成波長不同的三束激光光束；三個(gè)光譜采集構(gòu)件，分別與分波器相連，接收并測量該分波器分出的每束激光光束的強(qiáng)度；以及計(jì)算機(jī)，分別與三個(gè)光譜采集構(gòu)件相連，對三個(gè)光譜采集構(gòu)件測得的激光光束的強(qiáng)度進(jìn)行處理，計(jì)算出待測液膜的濃度、厚度和溫度值。
【IPC分類】G01D21-02
【公開號(hào)】CN104634392
【申請?zhí)枴緾N201510072404
【發(fā)明人】楊薈楠, 石建偉, 郭曉龍, 蔡小舒
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月11日