同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置以及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量装置及测量方法，具体涉及一种基于比尔-朗伯定律，在线同步 测量待测液膜浓度、厚度和温度的测量装置以及测量方法。
【背景技术】
[0002] 在各种工业过程中，液滴撞击到固体表面形成液膜的现象广泛存在，如选择性催 化还原（SCR)系统中汽车尾气排放管上形成尿素溶液液膜等。对液膜进行定量分析不仅能 够更好地了解液膜的形成和蒸发这个极其复杂的物理过程的本质，而且对优化液膜所涉及 的各种工业过程具有非常重要的意义。
[0003] 溶液液膜厚度、温度以及液膜内部的成分浓度是密切相关的，在对液膜的研宄中 这些参数往往相互耦合，给模型建立和求解带来困难。传统的测量方法只能实现对液膜的 浓度、厚度和温度中单个参数的测量，无法同时测量这三个重要指标。
【发明内容】
[0004] 本发明是针对上述问题进行的，目的在于提供一种能够同时测定出溶液液膜的浓 度、厚度和温度的装置以及测量方法。
[0005] 本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案：
[0006] 本发明提供一种同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置，其特征在于，包括：三个 激光光源，用于发出波长不同的激光光束；波分复用器，与三个激光光源相连，将三个激光 光源发出的三束激光光束親合成一束；第一准直器，与波分复用器相连，对波分复用器親合 的激光光束进行聚焦；液膜载体，设置在第一准直器正下方，用于承载待测液膜，使第一准 直器聚焦后发出的激光光束穿过待测液膜；第二准直器，设置在液膜载体正下方，用于收集 穿过液膜载体的激光光束，并对该激光光束进行聚焦；分波器，与第二准直器相连，将第二 准直器聚焦后发出的激光光束分成波长不同的三束激光光束；三个光谱采集构件，分别与 分波器相连，接收并测量该分波器分出的每束激光光束的强度；以及计算机，分别与三个光 谱采集构件相连，对三个光谱采集构件测得的激光光束的强度进行处理，计算出待测液膜 的浓度、厚度和温度值。
[0007] 进一步，本发明所涉及的同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置，还可以具有这样 的特征：其中，激光光源是半导体激光器，光谱采集构件是光电探测器。
[0008] 本发明还提供一种采用上述同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置来测量液膜的 浓度、厚度和温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，采用吸收光谱测量装置测量 若干不同浓度、不同温度的溶液液膜的吸收光谱，得到不同浓度、不同温度的溶液液膜对不 同波数的光的吸收系数；步骤二，比较不同浓度、不同温度的溶液液膜对不同波数的光的吸 收系数，选择三个波数Vp ^和V 3，使不同浓度、不同温度的溶液液膜对波数为V JP V 2 的光的吸收系数对浓度的变化率为零，使不同浓度、不同温度的溶液液膜对波数为V 3的光 的吸收系数对温度的变化率为零；步骤三，分别在两个波数vJP V 2下，对不同浓度、不同 温度的溶液液膜所对应的吸收系数与溶液液膜的温度作拟合，得到如下方程式：Ki = f (T)， 式中i = 1，2，1是浓度为C、温度为T的溶液液膜对波数为V i的光的吸收系数，在波数V 3 下，对不同浓度、不同温度的溶液液膜所对应的吸收系数与溶液液膜的浓度作拟合，得到如 下方程式：K3= f (c)，式中K 3是浓度为c、温度为T的溶液液膜所对应的吸收系数；步骤四， 设置不带有液膜的液膜载体，调节三个激光光源，使三个激光光源分别输出波数为V n V2 和V 3的激光光束，采用三个光谱采集构件分别测量穿过不带有液膜的液膜载体后波数为 Vp ^和V 3的激光光束的强度，作为背景光强Itli (i = 1，2, 3);步骤五，在液膜载体上负 载待测液膜，采用三个光谱采集构件分别测量穿过负载待测液膜的液膜载体后波数为V i、 V 2和V 3的激光光束的强度，作为透射光强Iti (i = 1，2, 3);步骤六，采用计算机收集背景 光强Itli (i = 1，2, 3)和透射光强Iti (i = 1，2, 3)，并进行数据处理，根据比尔-朗伯定律， 将透射率表示为
【主权项】
1. 一种同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置，其特征在于，包括： 三个激光光源，用于发出波长不同的激光光束； 波分复用器，与三个所述激光光源相连，将三个所述激光光源发出的三束所述激光光 束耦合成一束； 第一准直器，与所述波分复用器相连，对所述波分复用器耦合的激光光束进行聚焦； 液膜载体，设置在所述第一准直器正下方，用于承载待测液膜，使所述第一准直器聚焦 后发出的激光光束穿过所述待测液膜； 第二准直器，设置在所述液膜载体正下方，用于收集穿过所述液膜载体的激光光束，并 对该激光光束进行聚焦； 分波器，与所述第二准直器相连，将所述第二准直器聚焦后发出的激光光束分成波长 不同的三束激光光束； 三个光谱采集构件，分别与所述分波器相连，接收并测量该分波器分出的每束所述激 光光束的强度；以及 计算机，分别与三个所述光谱采集构件相连，对三个所述光谱采集构件测得的所述激 光光束的强度进行处理，计算出所述待测液膜的浓度、厚度和温度值。
2. 根据权利要求1所述的同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置，其特征在于： 其中，所述激光光源是半导体激光器，所述光谱采集构件是光电探测器。
3. -种采用如权利要求1所述的同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置来测量液膜的 浓度、厚度和温度的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，采用吸收光谱测量装置测量若干不同浓度、不同温度的溶液液膜的吸收光谱， 得到所述不同浓度、不同温度的溶液液膜对不同波数的光的吸收系数； 步骤二，比较所述不同浓度、不同温度的溶液液膜对不同波数的光的吸收系数，选择三 个波数Vp ^和V 3，使所述不同浓度、不同温度的溶液液膜对波数为V JP V 2的光的吸 收系数对浓度的变化率为零，使所述不同浓度、不同温度的溶液液膜对波数为V 3的光的吸 收系数对温度的变化率为零； 步骤三，分别在两个所述波数vJP V 2下，对所述不同浓度、不同温度的溶液液膜所对 应的吸收系数与所述溶液液膜的温度作拟合，得到如下方程式：Ki= f (T)，式中i = 1，2, Ki 是浓度为c、温度为T的溶液液膜对波数为^的光的吸收系数，在所述波数V 3下，对所述 不同浓度、不同温度的溶液液膜所对应的吸收系数与所述溶液液膜的浓度作拟合，得到如 下方程式：K 3= f (c)，式中K 3是浓度为c、温度为T的溶液液膜所对应的吸收系数； 步骤四，设置不带有液膜的所述液膜载体，调节三个所述激光光源，使三个所述激光光 源分别输出波数为VpvjP V 3的激光光束，采用三个所述光谱采集构件分别测量穿过所 述不带有液膜的液膜载体后所述波数为Vp ^和V 3的激光光束的强度，作为背景光强 I0i (i = 1,2,3)； 步骤五，在所述液膜载体上负载待测液膜，采用三个所述光谱采集构件分别测量穿过 负载所述待测液膜的液膜载体后所述波数为VpvjP V 3的激光光束的强度，作为透射光 强 Iti(i = 1，2,3); 步骤六，采用所述计算机收集所述背景光强Itli (i = 1，2, 3)和所述透射光强Iti (i = 1，2, 3)，并进行数据处理，根据比尔-朗伯定律，将透射率表示为：In ^ = In Ti = ，式 1Qi 中^是透射率，d是所述待测液膜的厚度， 计算所述待测液膜对所述波数为Vp ^和V 3的激光光束的透射率的对数In τ i，α =1，2, 3)，则： 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组成方程组可求解出所述待测液膜的温度T和厚度d，再将求解 出的所述厚度d带入公式（3)中，即可求得所述待测液膜的浓度c。
【专利摘要】本发明提供一种同步测量液膜浓度、厚度和温度的装置，其特征在于，包括：三个激光光源，发出波长不同的激光光束；波分复用器，与三个激光光源相连，将三束激光光束耦合成一束；第一准直器，与波分复用器相连，对激光光束进行聚焦；液膜载体，设置在第一准直器正下方；第二准直器，设置在液膜载体正下方，用于收集穿过液膜载体的激光光束，并进行聚焦；分波器，与第二准直器相连，将激光光束分成波长不同的三束激光光束；三个光谱采集构件，分别与分波器相连，接收并测量该分波器分出的每束激光光束的强度；以及计算机，分别与三个光谱采集构件相连，对三个光谱采集构件测得的激光光束的强度进行处理，计算出待测液膜的浓度、厚度和温度值。
【IPC分类】G01D21-02
【公开号】CN104634392
【申请号】CN201510072404
【发明人】杨荟楠, 石建伟, 郭晓龙, 蔡小舒
【申请人】上海理工大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月11日