一种快速测量随溶液浓度变化的液相扩散系数的平台及方法技术

本发明专利技术涉及一种快速测量随浓度(C)变化的液相扩散系数D(C)的平台及方法。该平台核心元件为液芯柱透镜，其液芯区为扩散池；选择透镜参数以减小球差并提高液体浓度的检测灵敏度；单色准直光束经此液芯柱透镜后在其焦面上形成动态扩散图像。该方法包括由t0时刻的扩散图像获得沿扩散方向的实验浓度分布函数C

【技术实现步骤摘要】
一种快速测量随溶液浓度变化的液相扩散系数的平台及方法
本专利技术属于液相传质技术中测量随浓度变化的液相扩散系数的方法。
技术介绍
液相扩散系数是研究传质过程，计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据，广泛应用在生物、化工、医学及环保等新兴行业中。一般而言，液相扩散系数是溶液浓度的函数，随扩散溶液浓度的变化而变化。液相扩散系数存在多种测量方法，其中，膜池法(StokeR.H.,Animproveddiaphragm-cellfordiffusionstudies,andsometestsofthemethod,J.Am.Chem.Soc.,72:763-767(1950))、光的干涉法(赵长伟,李继定，马沛生，夏淑倩,MeasurementofLiquidDiffusionCoefficientsofAqueousSolutionsofGlycine,L-Alanine,L-ValineandL-IsoleucinebyHolographicInterferometry,ChineseJournalofChemicalEngineering,13(2):285-290(2005))和“泰勒分散法”(CottetH.,BironJ.P.,MartinM.,Taylordispersionanalysisofmixtures,Anal.Chem.,79(23):9066-9073(2007))是三种主要的传统测量方法。采用传统方法测量随浓度变化的液相扩散系数时，需要配制大量不同浓度，且浓度相近的“溶液对”，通过测量这些“溶液对”的液相扩散系数，获得随溶液浓度变化的液相扩散系数，进而求出扩散系数与溶液浓度的关联式。显然，传统测量方法分别存在装置复杂、稳定性不足、结果精度差等问题；测量随浓度变化的液相扩散系数，则存在耗时长、工作量大的问题。为了解决传统测量方法存在的问题，基于单色准直光束经过玻璃毛细管后可以测量液体折射率沿管轴方向分布的特点，我们专利技术了“一种测量液相扩散系数的方法及装置”(李强，普小云，孙丽存，李宇)，中国专利技术专利ZL201110283339.3[P]，并发表了“用毛细管成像法测量液相扩散系数—等折射率薄层测量方法”(物理学报，62(9):094206，2013)的学术论文；为了提高液体折射率测量的分辨能力，并减小系统成像的球差，我们专利技术了“基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的方法”(孙丽存，普小云，孟伟东，李强)，中国专利技术专利201310412166.X[P]，并发表了“Asymmetricliquid-corecylindricallensusedtomeasureliquiddiffusioncoefficient”(AppliedOptics,55(8):2011-2017,2016)的学术论文；为了缩短测量时间，提高测量效率，我们专利技术了只需用一幅扩散图像即可快速测量不随浓度变化的液相扩散系数的方法“用液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法”(孟伟东，普小云，孙丽存，杨瑞芬，翟影)，中国专利技术专利201410440938.5[P]，并发表了“Newmethodtomeasureliquiddiffusivitybyanalyzinganinstantaneousdiffusionimage”，(OpticsExpress,，2015，23(18)，23155～23166)的学术论文；为了获得一副高质量的扩散图像，需要在一个特定的液芯折射率位置处完全消除球差并在这个折射率附近减小球差，我们专利技术了含有两个液芯区域的“测量液相扩散系数的消球差可变焦双液芯柱透镜”(普小云，孟伟东，夏燕，宋芳嬉)中国专利技术专利ZL201610436334.2[P]，并发表了“Doubleliquid-corecylindricallensutilizedtomeasureliquiddiffusioncoefficient”，(OpticsExpress,25(5):5626,2017)的学术论文。如上专利技术专利以及相关论文，虽然解决了液相扩散系数传统测量方法中存在的一部分问题，但是在测量随浓度变化的液相扩散系数时，仍然需要配制大量不同浓度的扩散溶液，通过分别测量这些不同溶液浓度的液相扩散系数，获得扩散系数与溶液浓度的关联式。液相传质过程的研究与应用具有显著价值的是：一种能够快速测量随浓度变化的液相扩散系数的新方法。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种能够快速测量随浓度变化的液相扩散系数的平台及方法。为此，本专利技术由硬件平台和软件程序两个部分组成。其中，硬件用于采集清晰扩散图像；软件包括获取实验浓度分布函数Ce(xj，t0)、计算浓度分布函数Cn(xj，t0)、获得随浓度分布的液相扩散系数D(C)以及模拟计算扩散图像，通过仿真图像与实验图像的对比验证D(C)关系。(一)扩散图像采集平台该平台为光学及光电元器件组成，包括：作为工作光源的低功率半导体激光器(1)；位于所述工作光源之后由显微物镜、针孔滤波器以及大口径的球面透镜组成准直扩束装置(2)，对单色激光束实现准直扩束；位于所述准直扩束装置之后可调宽度的矩形狭缝作为准直光束的限宽元件(3)；位于所述限宽元件之后作为成像元件和液相扩散池的液芯柱透镜(4)；以及位于所述液芯柱透镜之后基于CMOS或CCD芯片的成像系统(5)。进一步，所述的平台其液芯柱透镜(4)是：(1)由两片曲率半径不同的球面柱透镜胶合起来构成的液芯柱透镜，既用作成像元件，其液芯区域又用作液相扩散池；(2)通过选择液芯柱透镜的尺寸常数R1、R2、R3、R4，以及d1、d2、d3、d4,使得由液芯柱透镜、单色准直光源、CMOS或CCD相机构成的成像测量系统，具有较小的最小可分辨折射率改变量以及成像的球差。进一步，所述的平台其液芯柱透镜(4)焦面成像特点是：液相扩散造成扩散池内的溶液沿扩散方向形成折射率的梯度分布，单色准直光束通过非对称液芯柱透镜后，在CMOS或CCD成面上形成束腰形状的动态扩散图像。进一步，所述的平台，其液芯柱透镜(4)采集到的液相扩散图像宽度(Wj)与芯区液体折射率(nj)满足以下关系：当nj＝nc时，单色准直光束通过其对应的溶液薄层后在CMOS或CCD面上成清晰点像，焦距fc；当nj＜nc或nj＞nc时，单色准直光束通过其对应的溶液薄层后在CMOS或CCD面上成一弥散像，弥散斑宽度即扩散图像宽度Wj、光束半宽度h与焦距fj(nj)之间满足公式h/fj＝(Wj/2)/ABS(fj-fc)，式中，“ABS”表示绝对值。(二)基于(一)平台的快速测量随溶液浓度变化的液相扩散系数的方法包括：A.在t0时刻采集一幅液相扩散图像；B.对所述图像进行灰度二值化处理；C.提取图像宽度作为特征参数，转换图像宽度为扩散溶液折射率；D.转换扩散溶液折射率为扩散溶液浓度；E.获得沿扩散方向(x)的实验浓度分布函数Ce(xj，t0)；F.用瞬态扩散图像分析方法，基于所述的实验浓度分布函数Ce(xj，t0)获得无限稀(C→0)条件下扩散体系的液相扩散系数D0＝D(C＝0)，并以D0作为求解一般扩散方程的边界条件。进一步，所述方法采用离散数学中的有限差分方法求解如下一般扩散方程：式中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速测量随溶液浓度变化的液相扩散系数的平台，该平台为光学及光电元器件组成，包括：作为工作光源的低功率半导体激光器(1)；位于所述工作光源之后由显微物镜、针孔滤波器以及大口径的球面透镜组成准直扩束装置(2)，对单色激光束实现准直扩束；位于所述准直扩束装置之后可调宽度的矩形狭缝作为准直光束的限宽元件(3)；位于所述限宽元件之后作为成像元件和液相扩散池的液芯柱透镜(4)；以及位于所述液芯柱透镜之后基于CMOS或CCD芯片的成像系统(5)。

【技术特征摘要】
1.一种快速测量随溶液浓度变化的液相扩散系数的平台，该平台为光学及光电元器件组成，包括：作为工作光源的低功率半导体激光器(1)；位于所述工作光源之后由显微物镜、针孔滤波器以及大口径的球面透镜组成准直扩束装置(2)，对单色激光束实现准直扩束；位于所述准直扩束装置之后可调宽度的矩形狭缝作为准直光束的限宽元件(3)；位于所述限宽元件之后作为成像元件和液相扩散池的液芯柱透镜(4)；以及位于所述液芯柱透镜之后基于CMOS或CCD芯片的成像系统(5)。2.根据权利要求1所述的平台，其液芯柱透镜(4)是：(1)由两片曲率半径不同的球面柱透镜胶合起来构成的液芯柱透镜，既用作成像元件，其液芯区域又用作液相扩散池；(2)通过选择液芯柱透镜的尺寸常数R1、R2、R3、R4，以及d1、d2、d3、d4,使得由液芯柱透镜、单色准直光源、CMOS或CCD相机构成的成像测量系统，具有较小的最小可分辨折射率改变量以及成像的球差。3.根据权利要求1或2所述的平台，其液芯柱透镜(4)焦面成像特点是：液相扩散造成扩散池内的溶液沿扩散方向形成折射率的梯度分布，单色准直光束通过非对称液芯柱透镜后，在CMOS或CCD成面上形成束腰形状的动态扩散图像。4.根据权利要求3所述的平台，其液芯柱透镜(4)采集到的液相扩散图像宽度(Wj)与芯区液体折射率(nj)满足以下关系：当nj＝nc时，单色准直光束通过其对应的溶液薄层后在CMOS或CCD面上成清晰点像，焦距fc；当nj＜nc或nj＞nc时，单色准直光束通过其对应的溶液薄层后在CMOS或CCD面上成一弥散像，弥散斑宽度即扩散图像宽度Wj、光束半宽度h与焦距fj(nj)之间满足公式h/fj＝(Wj/2)/ABS(fj-fc)，式中，“ABS”表示绝对值。5.基于权利要求1、2、3、4所述之一种快速测量随溶液浓度变化的液相扩散系数的方法，包括：A.在t0时刻采集一幅液相扩散图像；B.对所述图像进行灰度二值化处理；C.提取图像宽度作为特征参数，转换图像宽度为扩散溶液折射率；D.转换扩散溶液折射率为扩散溶液浓度；E.获得沿扩散方向(x)的实验浓度分布函数Ce(xj，t0)；F.用瞬态扩散图像分析方法，基于所述的实验浓度分布函数Ce(xj，t0)获得无限稀(C→0)条件下扩散体...

【专利技术属性】
技术研发人员：普小云，魏利，孟伟东，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53