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1、第 nullnull 卷 第null 期增刊nullnull null 年null 月仪 器 仪 表 学 报nullnullnull nullnullnull nullnull null nullnull null null nullnullnullnullnull null nullnullnull null nullnull nullnull 切null nullnull从nullnull null null null null null nullnull null nullnull null迈克尔逊干涉法测量流体质扩散系数的实验研究null郭盈 何茂刚 张颖 钟秋null西安交通大学动力
2、工程多相流国家重点实验室 西安 null null null nullnull摘 要 本文自行设计并搭建了迈克尔逊激光全息干涉法测量流体质扩散系数的实验系统, 包括null nullnull nullnull null null 光学干涉系统、 适用于液一液扩散系的扩散装置、 恒温水浴系统和图像采集及处理系统。 测量了温度null null null null null 下 null null null null null一, 的null null 溶液一水扩散系的质扩散系数, 测量结果与文献值比较相对偏差为 null null null null , 验证了实验系统的准确性。 同时还测量了
3、null 个温度点下nullnull nullnull null null 一, 的蔗糖溶液一水扩散系的质扩散系数, 测量结果与文献值比较最大相对偏差在nullnull内, 进一步验证了实验台的可靠性。关键词 质扩散系数 迈克尔逊干涉法 实验系统nullnullnull null null null null null null null null null null nullnullnull null null null nullnull nullnullnull null null null nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnull n
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11、fi eient s of o.lm ol L- 1 s a e e hams ew i小 water at 5 di价renttemPeratureweremeasure d,an d the resu l ts h o w s th at t h e b ige st re lativ e dev i at ions 15 w i t h i n s % w h l e h v e ri fi e dthere l i ab i l i tyof t h e s ystem 九rther.Keyword m as sdifl七sion eoefi eieni M iehelson Int
12、e成rometry experimentalsystem法5,6 。1 引 言 激光全息干涉法是目前测量质扩散系数精度较高的方法, 它是采用分波前的方法来获取相干光质扩散系数是由Flck 第二定律引入的表示物质 源的, 物光与参考光干涉形成干涉条纹, 反映出物扩散能力的物理量, 是实验测量和理论推算质扩散 光中记录的物场的变化信息。 在流体质扩散系数的行为的基础。 近年来随着替代燃料、 生物化工、 环 测量实验过程中, 随着溶液扩散的进行, 存在于扩境污染控制及同位素分离等研究的兴起, 质扩散系 散方向上的浓度梯度不断变化, 导致溶液中的折射数的理论预测及实验研究显得愈来愈重要。 目前, 率梯
13、度也随之变化, 反映在全息图上就是干涉条纹质扩散系数实验测量的方法主要包括:膜池法l 、 形状不断变化。 因此可以根据任意两个不同时刻拍Tay for分散12 、 自旋回波核磁共振3l 、 动态光散射I4 摄的全息干涉条纹图像得到溶液的浓度变化信息,以及由传统的光干涉法演变而来的激光全息干涉 从而得到质扩散系数的值。本文设计、 搭建了迈克尔逊激光全息干涉系统*基金项目:国家自然科学基金资助项目(N 。.5 06 76 069 , 并且设计、加工制作了适用于液一液扩散系的扩散槽50521的4);新世纪人才基金资助项目(N 0.NeE下。今。咒5). 主体结构。测量了259.15K 温度下o.33
14、molL ,的Kel364第4期增刊 郭 盈 等:迈克尔逊干涉法测量流体质扩散系数的实验研究溶液一水的扩散体系的质扩散系数值, 通过与文献数据的比较验证了实验系统的可靠性。 测量了不同温度0.1mol. L- ,的蔗糖溶液一水扩散系的质扩散系数并与文献数据做了比较, 进一步验证了该实验系统的准确性。 最终建立起一套精度达标、 运行可靠的迈克尔逊激光全息干涉法测量流体质扩散系数的实验系统。3 实验系统迈克尔逊干涉法测量液相流体质扩散系数实验系统主要由四个部分组成:迈克尔逊干涉光路、扩散槽主体结构、 恒温水浴系统和图像采集及图像处理部分。3.1 迈克尔逊干涉光路2 测量原理对于一维扩散, 由费克第
15、二定律可得:(g)一气幽 (l)口了 口之一式中:刀八B为A 、 B 两种物质间的质扩散系数, z 为扩散方向。.、一二, 、 , , 、fc= q , z qr =01二 、 _ , 。 , 、 一二。枪钊烦佘什凡 , r甲八力柱LI) , 水拼二马,z 认t=uJ图1迈克尔逊干涉法测量流体质扩散系数实验系统图可以得到:心t) cl+场 Cl 一价=-二- - - 二十-二- -二 2亡几下= f, 切eXP 日一州r (2)V汀 司式中:cl和处分别为实验前物质A在扩散方向上的初始浓度。求解方程(2), 得到溶液浓度梯度曲线上两个极值点之间的垂直距离山m可表示为:Azm一卜黔 (3)式中:
16、 tl、 几为拍摄两张全息图像的时间。由式 3 可以推导出液相扩散系A一B 的质扩散系数D油的最终计算公式为:图1为迈克尔逊激光全息干涉法测量液相流体质扩散系数的实验系统示意图。 实验中迈克尔逊光学干涉部分所用激光由632 .8nm 的He召e激光器提供。 由He一N e 激光器发射出的激光通过空间滤波器和准直透镜被扩束为直径40 左右的平行光。 该平行光随后通过孔径20m m 左右的孔板, 使光斑中心亮度均匀的部分得以保留。 然后由分光棱镜将该平行光分为物光和参考光两束光, 其中物光光束通过扩散主体结构 (扩散槽主体结构置于迈克尔逊干涉光路的一支臂中)后与参考光光束发生干涉, 干涉光束通过大口径的定焦镜头投射至 CCD 传感器上, 由图像自动采集存储程序对条纹进行自动采集及监控。 这里需要说明的是, 上述实验系统中, 各部件需安放于防振平台上, 减小外界振动对测量精度的影响。3.2 扩散槽主体结构气一峨扩箭台 ()从式(4)可以看出, 只要得到tl、 赶以及山m的值即可得到质扩散系数的值。
