DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.039
单波长溶液液膜厚度测量方法
刘畅，田井辉，丁家琦，郭晓龙，石建伟，杨荟楠，蔡小舒
(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海，200093)
摘要：提出基于朗伯-比尔定律的未知质量分数尿素水溶液液膜厚度测量方法，选取尿素水溶液吸收率对质量分数的变化率为0的波数位置(6 613.25 cm-1)，研制单波长半导体激光吸收光谱(DLAS)尿素水溶液液膜厚度测量系统。通过溶液液膜厚度可调(0~1 mm)的标准具对该方法测量精度进行验证。利用研制的单波长DLAS液膜测量系统对常温下水平透明石英玻璃板上的尿素水溶液液膜蒸发过程进行研究。研究结果表明：尿素水溶液液膜厚度测量平均相对误差约为1.50%，3次重复性实验厚度标准偏差小于24.68 μm。在液膜蒸发初期，液膜厚度随时间的变化率很大；在蒸发阶段中期，液膜蒸发速率趋于稳定；但在蒸发阶段后期，剧烈的光束转向现象造成了强烈的数据波动。
关键词：溶液液膜；测量；厚度；吸收光谱；蒸发
中图分类号：TK31 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)01-0286-04
Film thickness measurement of aqueous solution based on single diode laser absorption spectroscopy
LIU Chang, 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 at 6 613.25 cm-1 was chosen, where the derivative of the absorption coefficient of urea-water solutions with respect to mass concentration 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 a calibration tool with which liquid film thickness can be adjusted from 0 to 1 mm. 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 about 1.50%，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 keeps constant 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
液膜在热能工程、空调制冷、航空航天、石油化工等工业中有着广泛的应用[1-5]，例如液膜流动(膜式流动)，因其具有流量小、温差小、传热传质系数高、热流密度高、气液接触面积大、表面更新快、结构简单且动力消耗小等优点在化学工业过程中应用广泛[6]，如膜式蒸发、膜式气液反应等。但在某些工业过程中，须避免液膜的形成。例如汽车尾气脱硝的选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)系统[7]中汽车尾气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响催化反应效率，造成安全隐患[9]，因此，应尽可能控制尿素溶液液膜的形成。总之，对液膜厚度进行研究对优化所涉及的各种工业过程具有重要的意义。近年来，国内外科研人员通过数值模拟和无干扰的测量方法对溶液液膜进行了研究，如：BIRKHOLD等[9]采用数值模拟法研究了尿素水溶液液膜的厚度以及质量分数；邱庆刚等[10-11]通过数值模拟的方法分别对水平管外降膜流动的厚度和水平管降膜蒸发液膜厚度及传热系数进行了研究。溶液液膜厚度的无干扰测量方法主要包括电学法和光学法。电学法测量膜厚是基于不同厚度液膜的电学性质(例如电阻[12]、电容[13])不同，通过建立这些电学性质与液膜厚度的关系来获取液膜厚度信息，电学法也须对测量结果进行标定且测量精度及其测量范围易受到液膜导电性、液膜形态等因素的影 响[14]。而光学法测量液膜厚度则主要具有无干扰、测量结果无需标定等优点，如：GRESZIK等[15-16]利用激光诱导荧光技术和拉曼散射法获得了透明石英片上纯水水膜的二维分布信息，但测量结果须进行标定且设备昂贵；YANG等[17-19]分别利用吸收光谱法测量了液膜厚度。本文作者对不同质量分数(10%~50%)的尿素水溶液吸收光谱特性进行研究，选取吸收率对质量分数的变化率(dK/dc)为0的波数，建立基于朗伯-比尔定律的液膜厚度反演模型，研制单波长半导体激光吸收光谱(DLAS)尿素水溶液液膜厚度测量系统。利用液膜厚度可调的标准具对该系统进行验证，通过比较液膜厚度测量值与真实值获得该系统的测量误差。在此基础上，利用该系统对常温下水平透明石英玻璃板上的尿素水溶液液膜蒸发过程进行研究。
1 理论方法
尿素水溶液的光谱吸收率与溶液质量分数相关，图1所示为通过傅里叶变换红外光谱仪获得的质量分数为10%~50%的尿素水溶液在近红外区域(6 000~ 8 000 cm-1)的吸收率K(v,c)[20]。由图1可见：随着尿素水溶液质量分数的增加，吸收峰向着波数减小的方向偏移。通过求取吸收率对质量分数的导数(dK/dc)可知：当波数为6 613.25 cm-1时，吸收率随质量分数的变化率为0(这里变化率近似为0)，即质量分数变化对吸收率无影响。因此，本文选取该波长，建立不同质量分数下的尿素水溶液液膜厚度反演模型。即基于朗伯-比尔定律，假设波长为v时，液膜厚度L可表示为
式中：It和I0分别为透射光强和入射光强；K为尿素水溶液在6 613.25 cm-1时的吸收率，该值为8.03 cm-1。
图1 质量分数为10%~50%的尿素水溶液的FT-IR谱
Fig. 1 FT-IR spectra of urea-water solutions for mass fractions of 10%-50%
2 实验研究
2.1 实验验证
本文利用液膜厚度可调(0~1 mm)的标准具对单波长尿素水溶液液膜测量方法的精度进行验证。标准具内含有2块平行的石英玻璃板，通过调节石英玻璃板之间的距离可以改变溶液液膜的厚度。实验装置图如图2所示。利用激光控制器将分布反馈式半导体激光器的温度和电流控制在恒定值，以确保输出激光波数为6613.25 cm-1。激光通过准直器聚焦后穿过标准具内的尿素水溶液液膜，之后被铟砷化镓探测器(Thorlabs, PDA10CS-EC)接收。实验数据的采集(采样频率为1 kHz)和处理过程均在LabVIEW中进行。
图2 实验装置示意图
Fig. 2 Schematic drawing of experimental setup
分别对室温下质量分数为10%~50%的尿素水溶液液膜进行3次重复测量，其测量结果如图3所示。由图3可以看出：随着石英玻璃板间距的增加，不同质量分数的尿素水溶液液膜厚度的测量值与真实值的相对偏差均减小，尿素水溶液液膜厚度测量平均相对误差约为1.50%，3次重复性实验厚度标准偏差小于24.68 μm。
图3 标准具验证实验结果
Fig. 3 Validation results measured in calibration tool
2.2 水平石英玻璃板上液膜蒸发研究
利用研制的单波长尿素水溶液液膜测量系统对常温下水平透明石英玻璃板上的初始质量浓度为20%的尿素水溶液液膜蒸发过程进行研究。在实验数据开始采集前，将透明石英玻璃板上无液膜时的激光光强记录为入射光强。在开始采集实验数据后，利用注射器喷射尿素水溶液，从而在透明石英玻璃板上形成液膜。图4所示为测得的液膜厚度随时间的变化趋势。由图4可知：由于喷射过程中(数据采集后0~11.88 s)剧烈的光束转向现象导致穿过液膜后的激光光束不能被接收光纤接收，从而造成了强烈的数据波动；在液膜蒸发初期(数据采集后11.88~606.82 s)，液膜厚度随时间的变化率很大，此时的液膜厚度减小可能是由液膜蒸发和液膜向外扩散共同引起；在蒸发阶段中期(数据采集后606.82~5 754.40 s)，液膜蒸发速率基本趋于稳定(0.104 μm/s)，测量厚度的浮动可能是不均匀蒸发引起液膜重组所致；在蒸发阶段后期(数据采集后5 754.40~ 6 000.00 s)，液膜蒸发速率较大(约0.520 μm/s )。大约在数据采集后6 000.00 s，激光测量区域附近尿素已基本结晶析出，因此，剧烈的光束转向现象再次造成强烈的测量厚度波动，这种剧烈的光束转向现象可以在进一步工作中通过在探测器前放置积分球来消除。
图4 水平透明石英板上尿素水溶液液厚度随时间的变化
Fig. 4 Liquid film thickness variation of urea-water solutions on transparent quartz plate
3 结论
1) 提出了基于朗伯-比尔定律的不同质量分数的尿素水溶液液膜厚度测量方法，选取尿素水溶液吸收率对质量分数的变化率为0的波数位置(6 613.25 cm-1)，研制了单波长半导体激光吸收光谱(DLAS)尿素水溶液液膜厚度测量系统。
2) 利用液膜厚度可调(0~1 mm)的标准具对该系统进行验证可知，随着标准具内液膜厚度的增加，不同质量分数的尿素水溶液液膜厚度的测量值与真实值的相对偏差均减小，测量平均相对误差约为1.50%。
3) 剧烈的光束转向造成了液膜形成和蒸发后期强烈的数据波动，但是这种剧烈的光束转向现象可以在进一步工作中通过在探测器前放置积分球来消除。
4) 不同温度下尿素水溶液在近红外区域的吸收光谱会出现偏移，下一步工作中将对本文提出新方法进行优化，以实现非常温下的液膜多参数研究。
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(编辑 刘锦伟)
收稿日期：2015-01-31；修回日期：2015-03-20
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51306123)；博士点基金联合资助课题(20133120120008) (Project(51306123) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20133120120008) supported by the Joint Specialized Research Found for the Doctoral Program of Higher Education)
通信作者：杨荟楠，博士，副教授，从事激光光谱测量方法与应用的研究；E-mail: yanghuinan@usst.edu.cn
