同步測量液膜濃度、厚度和溫度的裝置以及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發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】
[0002] 在各種工業過程中，液滴撞擊到固體表面形成液膜的現象廣泛存在，如選擇性催 化還原（SCR)系統中汽車尾氣排放管上形成尿素溶液液膜等。對液膜進行定量分析不僅能 夠更好地了解液膜的形成和蒸發這個極其復雜的物理過程的本質，而且對優化液膜所涉及 的各種工業過程具有非常重要的意義。
[0003] 溶液液膜厚度、溫度以及液膜內部的成分濃度是密切相關的，在對液膜的研宄中 這些參數往往相互耦合，給模型建立和求解帶來困難。傳統的測量方法只能實現對液膜的 濃度、厚度和溫度中單個參數的測量，無法同時測量這三個重要指標。
【發明內容】
[0004] 本發明是針對上述問題進行的，目的在于提供一種能夠同時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] 本發明為實現上述目的，采用了以下的技術方案：
[0006] 本發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 激光光源，用于發出波長不同的激光光束；波分復用器，與三個激光光源相連，將三個激光 光源發出的三束激光光束親合成一束；第一準直器，與波分復用器相連，對波分復用器親合 的激光光束進行聚焦；液膜載體，設置在第一準直器正下方，用于承載待測液膜，使第一準 直器聚焦后發出的激光光束穿過待測液膜；第二準直器，設置在液膜載體正下方，用于收集 穿過液膜載體的激光光束，并對該激光光束進行聚焦；分波器，與第二準直器相連，將第二 準直器聚焦后發出的激光光束分成波長不同的三束激光光束；三個光譜采集構件，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度；以及計算機，分別與三個光 譜采集構件相連，對三個光譜采集構件測得的激光光束的強度進行處理，計算出待測液膜 的濃度、厚度和溫度值。
[0007] 進一步，本發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，激光光源是半導體激光器，光譜采集構件是光電探測器。
[0008] 本發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 同波數的光的吸收系數；步驟二，比較不同濃度、不同溫度的溶液液膜對不同波數的光的吸 收系數，選擇三個波數Vp ^和V 3，使不同濃度、不同溫度的溶液液膜對波數為V JP V 2 的光的吸收系數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為V 3的光 的吸收系數對溫度的變化率為零；步驟三，分別在兩個波數vJP V 2下，對不同濃度、不同 溫度的溶液液膜所對應的吸收系數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的溶液液膜對波數為V i的光的吸收系數，在波數V 3 下，對不同濃度、不同溫度的溶液液膜所對應的吸收系數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的溶液液膜所對應的吸收系數；步驟四， 設置不帶有液膜的液膜載體，調節三個激光光源，使三個激光光源分別輸出波數為V n V2 和V 3的激光光束，采用三個光譜采集構件分別測量穿過不帶有液膜的液膜載體后波數為 Vp ^和V 3的激光光束的強度，作為背景光強Itli (i = 1，2, 3);步驟五，在液膜載體上負 載待測液膜，采用三個光譜采集構件分別測量穿過負載待測液膜的液膜載體后波數為V i、 V 2和V 3的激光光束的強度，作為透射光強Iti (i = 1，2, 3);步驟六，采用計算機收集背景 光強Itli (i = 1，2, 3)和透射光強Iti (i = 1，2, 3)，并進行數據處理，根據比爾-朗伯定律， 將透射率表示為
【主權項】
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： 三個激光光源，用于發出波長不同的激光光束； 波分復用器，與三個所述激光光源相連，將三個所述激光光源發出的三束所述激光光 束耦合成一束； 第一準直器，與所述波分復用器相連，對所述波分復用器耦合的激光光束進行聚焦； 液膜載體，設置在所述第一準直器正下方，用于承載待測液膜，使所述第一準直器聚焦 后發出的激光光束穿過所述待測液膜； 第二準直器，設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 對該激光光束進行聚焦； 分波器，與所述第二準直器相連，將所述第二準直器聚焦后發出的激光光束分成波長 不同的三束激光光束； 三個光譜采集構件，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 光光束的強度；以及 計算機，分別與三個所述光譜采集構件相連，對三個所述光譜采集構件測得的所述激 光光束的強度進行處理，計算出所述待測液膜的濃度、厚度和溫度值。
2. 根據權利要求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體激光器，所述光譜采集構件是光電探測器。
3. -種采用如權利要求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的光的吸收系數； 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的光的吸收系數，選擇三 個波數Vp ^和V 3，使所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜對波數為V JP V 2的光的吸 收系數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為V 3的光的吸 收系數對溫度的變化率為零； 步驟三，分別在兩個所述波數vJP V 2下，對所述不同濃度、不同溫度的溶液液膜所對 應的吸收系數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的溶液液膜對波數為^的光的吸收系數，在所述波數V 3下，對所述 不同濃度、不同溫度的溶液液膜所對應的吸收系數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的溶液液膜所對應的吸收系數； 步驟四，設置不帶有液膜的所述液膜載體，調節三個所述激光光源，使三個所述激光光 源分別輸出波數為VpvjP V 3的激光光束，采用三個所述光譜采集構件分別測量穿過所 述不帶有液膜的液膜載體后所述波數為Vp ^和V 3的激光光束的強度，作為背景光強 I0i (i = 1,2,3)； 步驟五，在所述液膜載體上負載待測液膜，采用三個所述光譜采集構件分別測量穿過 負載所述待測液膜的液膜載體后所述波數為VpvjP V 3的激光光束的強度，作為透射光 強 Iti(i = 1，2,3); 步驟六，采用所述計算機收集所述背景光強Itli (i = 1，2, 3)和所述透射光強Iti (i = 1，2, 3)，并進行數據處理，根據比爾-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， 計算所述待測液膜對所述波數為Vp ^和V 3的激光光束的透射率的對數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：三個激光光源，發出波長不同的激光光束；波分復用器，與三個激光光源相連，將三束激光光束耦合成一束；第一準直器，與波分復用器相連，對激光光束進行聚焦；液膜載體，設置在第一準直器正下方；第二準直器，設置在液膜載體正下方，用于收集穿過液膜載體的激光光束，并進行聚焦；分波器，與第二準直器相連，將激光光束分成波長不同的三束激光光束；三個光譜采集構件，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度；以及計算機，分別與三個光譜采集構件相連，對三個光譜采集構件測得的激光光束的強度進行處理，計算出待測液膜的濃度、厚度和溫度值。
【IPC分類】G01D21-02
【公開號】CN104634392
【申請號】CN201510072404
【發明人】楊薈楠, 石建偉, 郭曉龍, 蔡小舒
【申請人】上海理工大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月11日