單波長溶液液膜厚度測量方法

劉暢，田井輝，丁家琦，郭曉龍，石建偉，楊薈楠，蔡小舒(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海，200093)

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單波長溶液液膜厚度測量方法

劉暢，田井輝，丁家琦，郭曉龍，石建偉，楊薈楠，蔡小舒
(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海，200093)

摘要：提出基于朗伯?比爾定律的未知質量分數尿素水溶液液膜厚度測量方法，選取尿素水溶液吸收率對質量分數的變化率為0的波數位置(6 613.25Cm?1)，研制單波長半導體激光吸收光譜(DLAS)尿素水溶液液膜厚度測量系統。通過溶液液膜厚度可調(0～1mm)的標準具對該方法測量精度進行驗證。利用研制的單波長DLAS液膜測量系統對常溫下水平透明石英玻璃板上的尿素水溶液液膜蒸發過程進行研究。研究結果表明：尿素水溶液液膜厚度測量平均相對誤差約為1.50%，3次重復性實驗厚度標準偏差小于24.68 μm。在液膜蒸發初期，液膜厚度隨時間的變化率很大；在蒸發階段中期，液膜蒸發速率趨于穩定；但在蒸發階段后期，劇烈的光束轉向現象造成了強烈的數據波動。

關鍵詞：溶液液膜；測量；厚度；吸收光譜；蒸發

液膜在熱能工程、空調制冷、航空航天、石油化工等工業中有著廣泛的應用[1?5]，例如液膜流動(膜式流動)，因其具有流量小、溫差小、傳熱傳質系數高、熱流密度高、氣液接觸面積大、表面更新快、結構簡單且動力消耗小等優點在化學工業過程中應用廣泛[6]，如膜式蒸發、膜式氣液反應等。但在某些工業過程中，須避免液膜的形成。例如汽車尾氣脫硝的選擇性催化還原(selectiveCatalytic reduction，SCR)系統[7]中汽車尾氣排放管上形成的尿素水溶液液膜[8]，其形成的三聚氰胺等混合物容易堵塞管路和影響催化反應效率，造成安全隱患[9]，因此，應盡可能控制尿素溶液液膜的形成。總之，對液膜厚度進行研究對優化所涉及的各種工業過程具有重要的意義。近年來，國內外科研人員通過數值模擬和無干擾的測量方法對溶液液膜進行了研究，如：BIRKHOLD等[9]采用數值模擬法研究了尿素水溶液液膜的厚度以及質量分數；邱慶剛等[10?11]通過數值模擬的方法分別對水平管外降膜流動的厚度和水平管降膜蒸發液膜厚度及傳熱系數進行了研究。溶液液膜厚度的無干擾測量方法主要包括電學法和光學法。電學法測量膜厚是基于不同厚度液膜的電學性質(例如電阻[12]、電容[13])不同，通過建立這些電學性質與液膜厚度的關系來獲取液膜厚度信息，電學法也須對測量結果進行標定且測量精度及其測量范圍易受到液膜導電性、液膜形態等因素的影響[14]。而光學法測量液膜厚度則主要具有無干擾、測量結果無需標定等優點，如：GRESZIK 等[15?16]利用激光誘導熒光技術和拉曼散射法獲得了透明石英片上純水水膜的二維分布信息，但測量結果須進行標定且設備昂貴；YANG等[17?19]分別利用吸收光譜法測量了液膜厚度。本文作者對不同質量分數(10%～50%)的尿素水溶液吸收光譜特性進行研究，選取吸收率對質量分數的變化率(dK/dc)為0的波數，建立基于朗伯?比爾定律的液膜厚度反演模型，研制單波長半導體激光吸收光譜(DLAS)尿素水溶液液膜厚度測量系統。利用液膜厚度可調的標準具對該系統進行驗證，通過比較液膜厚度測量值與真實值獲得該系統的測量誤差。在此基礎上，利用該系統對常溫下水平透明石英玻璃板上的尿素水溶液液膜蒸發過程進行研究。

1　理論方法

尿素水溶液的光譜吸收率與溶液質量分數相關，圖1所示為通過傅里葉變換紅外光譜儀獲得的質量分數為10%～50%的尿素水溶液在近紅外區域(6 000～8000Cm?1)的吸收率K(v,c)[20]。由圖1可見：隨著尿素水溶液質量分數的增加，吸收峰向著波數減小的方向偏移。通過求取吸收率對質量分數的導數(dK/dc)可知：當波數為6 613.25Cm?1時，吸收率隨質量分數的變化率為0(這里變化率近似為0)，即質量分數變化對吸收率無影響。因此，本文選取該波長，建立不同質量分數下的尿素水溶液液膜厚度反演模型。即基于朗伯?比爾定律，假設波長為v時，液膜厚度L可表示為

式中：It和 I0分別為透射光強和入射光強；K 為尿素水溶液在6 613.25Cm?1時的吸收率，該值為8.03Cm?1。

圖1　質量分數為10%～50%的尿素水溶液的FT?IR譜Fig.1　FT?IR spectra of urea-water solutions for mass fractions of10%?50%

2 實驗研究

2.1實驗驗證

本文利用液膜厚度可調(0～1mm)的標準具對單波長尿素水溶液液膜測量方法的精度進行驗證。標準具內含有2塊平行的石英玻璃板，通過調節石英玻璃板之間的距離可以改變溶液液膜的厚度。實驗裝置圖如圖2所示。利用激光控制器將分布反饋式半導體激光器的溫度和電流控制在恒定值，以確保輸出激光波數為 6613.25Cm?1。激光通過準直器聚焦后穿過標準具內的尿素水溶液液膜，之后被銦砷化鎵探測器(Thorlabs,PDA10CS?EC)接收。實驗數據的采集(采樣頻率為1kHz)和處理過程均在LabVIEW中進行。

圖2實驗裝置示意圖Fig.2Schematic drawing of experimental setup

分別對室溫下質量分數為10%～50%的尿素水溶液液膜進行 3次重復測量，其測量結果如圖 3所示。由圖3可以看出：隨著石英玻璃板間距的增加，不同質量分數的尿素水溶液液膜厚度的測量值與真實值的相對偏差均減小，尿素水溶液液膜厚度測量平均相對誤差約為1.50%，3 次重復性實驗厚度標準偏差小于24.68 μm。

圖3　標準具驗證實驗結果Fig.3　Validation results measured inCalibration tool

2.2水平石英玻璃板上液膜蒸發研究

利用研制的單波長尿素水溶液液膜測量系統對常溫下水平透明石英玻璃板上的初始質量濃度為20%的尿素水溶液液膜蒸發過程進行研究。在實驗數據開始采集前，將透明石英玻璃板上無液膜時的激光光強記錄為入射光強。在開始采集實驗數據后，利用注射器噴射尿素水溶液，從而在透明石英玻璃板上形成液膜。圖4所示為測得的液膜厚度隨時間的變化趨勢。由圖4 可知：由于噴射過程中(數據采集后 0～11.88 s)劇烈的光束轉向現象導致穿過液膜后的激光光束不能被接收光纖接收，從而造成了強烈的數據波動；在液膜蒸發初期(數據采集后11.88～606.82 s)，液膜厚度隨時間的變化率很大，此時的液膜厚度減小可能是由液膜蒸發和液膜向外擴散共同引起；在蒸發階段中期(數據采集后606.82～5 754.40 s)，液膜蒸發速率基本趨于穩定(0.104 μm/s)，測量厚度的浮動可能是不均勻蒸發引起液膜重組所致；在蒸發階段后期(數據采集后5 754.40～6000.00 s)，液膜蒸發速率較大(約0.520 μm/s)。大約在數據采集后6 000.00 s，激光測量區域附近尿素已基本結晶析出，因此，劇烈的光束轉向現象再次造成強烈的測量厚度波動，這種劇烈的光束轉向現象可以在進一步工作中通過在探測器前放置積分球來消除。

圖4水平透明石英板上尿素水溶液液厚度隨時間的變化Fig.4Liquid film thickness variation of urea?water solutions on transparent quartz plate

3 結論

1)提出了基于朗伯?比爾定律的不同質量分數的尿素水溶液液膜厚度測量方法，選取尿素水溶液吸收率對質量分數的變化率為0的波數位置(6 613.25Cm?1)，研制了單波長半導體激光吸收光譜(DLAS)尿素水溶液液膜厚度測量系統。

2)利用液膜厚度可調(0～1mm)的標準具對該系統進行驗證可知，隨著標準具內液膜厚度的增加，不同質量分數的尿素水溶液液膜厚度的測量值與真實值的相對偏差均減小，測量平均相對誤差約為1.50%。

3)劇烈的光束轉向造成了液膜形成和蒸發后期強烈的數據波動，但是這種劇烈的光束轉向現象可以在進一步工作中通過在探測器前放置積分球來消除。

4)不同溫度下尿素水溶液在近紅外區域的吸收光譜會出現偏移，下一步工作中將對本文提出新方法進行優化，以實現非常溫下的液膜多參數研究。

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(編輯 劉錦偉)

Film thickness measurement of aqueous solution based on single diode laser absorption spectroscopy

LIUChang,TIAN Jinghui,DING Jiaqi,GUO Xiaolong,SHI Jianwei,YANG Huinan,CAI Xiaoshu
(Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering,School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract:A novel method was proposed to determine liquid film thickness of urea-water solutions at different mass fractions.The wavenumber position at6613.25Cm?1wasChosen,where the derivative of the absorptionCoefficient of urea-water solutions with respect to massConcentration was zero.A single diode laser absorption spectroscopy(DLAS)sensor was developed to obtain liquid film thickness of urea-water solutions.The measurement accuracy of this method was validated with aCalibration tool with which liquid film thicknessCan be adjusted from0to1mm.Furthermore,the evaporation process of liquid film of urea-water solutions on transparent quartz plate at room temperature was also studied.The results show that average relative error between the measured thickness and known liquid film thickness is about1.50%，and the standard deviation of film thickness is less than 24.68 μm for three repeated experiments.The evaporation rate of film thickness is large at the beginning of film evaporation process,and it keepsConstant in the middle of the film evaporation process.However,at the end of the evaporation process,strong fluctuation of the film thickness occurs because of the serious beam steering effect.

Key words:liquid film of aqueous solution? measurement? thickness? absorption spectroscopy? evaporation

中圖分類號：TK31

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0286?04

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.039

收稿日期：2015?01?31；修回日期：2015?03?20

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金資助項目(51306123)；博士點基金聯合資助課題(20133120120008)(Project(51306123)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(20133120120008)supported by the Joint Specialized Research Found for the Doctoral Program of Higher Education)

通信作者：楊薈楠，博士，副教授，從事激光光譜測量方法與應用的研究；E-mail: yanghuinan@usst.edu.cn