CN102478505B - 用于测定流体光学参数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测定流体光学参数的装置，该装置包括：暗箱；待测试组件，位于暗箱内，包括待测试溶液容器、容器入口和容器出口，容器入口和容器出口分别通过导管连接到待测试溶液供给单元；第一驱动泵，连接于容器入口与待测试溶液供给单元之间，或连接于容器出口与待测试溶液供给单元之间，用于驱动待测试溶液在待测试溶液容器与待测试溶液供给单元之间流动；测试组件，包括光源、光感应器和分光光度计，光源和光感应器位于暗箱内。本发明的用于测定流体光学参数的装置中，由于不需要从被测试溶液供给单元中抽取溶液，因此待测试溶液体积始终不变，从而提高了测试结果的准确性。

Description

用于测定流体光学参数的装置

技术领域

本发明涉及储能电池测试技术领域，尤其是一种用于测定流体光学参数的装置。

背景技术

全钒液流储能电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一，以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为电池充放电时正负极电极反应的活性物质，具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电，充电迅速，比能量高，价格低廉，在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。因此，全钒液流储能电池的推广应用符合目前政府所提倡的节能减排的重要国家战略。

质子交换膜作为全钒氧化还原液流电池关键材料之一，其性能的优劣直接影响电池的性能。适用于全钒液流电池的离子交换膜必须抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的互串，因为钒离子渗透后会与其他不同价态的钒离子发生化学反应，产生自放电现象，最终使电池的容量发生衰减。围绕质子交换膜的开发和研究，相关的性能测试设备和技术日益显得重要。

目前在质子交换膜钒离子渗透率测试过程，通常使用离子渗透率测试模拟池，膜一侧流动钒离子溶液，另一侧流动无钒离子溶液，钒离子将通过质子交换膜从有钒离子溶液的一侧渗透到无钒离子溶液的一侧，然后定时从本来无钒离子溶液的一侧手动取得溶液，并采用紫外分光光度计对取得的溶液中的钒离子浓度进行测试，进而计算质子交换膜钒离子的渗透率。

该过程需要手动从钒离子溶液罐长期、定时间隔取样，长时间多次取样会明显减少测试对象一侧溶液的总体积，从而破坏离子渗透率测试模拟池两测的溶液体积相同的技术要求，偏离了实验要求，使得测试结果出现误差；同时，定时手工取样也会造成取样计量的误差。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：在测试钒离子浓度过程中，由于需要待测试溶液的不断消耗，导致对离子渗透率的测试结果不够准确。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于测定流体光学参数的装置，以减少实验误差，提高对离子渗透率测试结果的准确度。

(二)技术方案

本发明用于测定流体光学参数的装置包括：暗箱；待测试组件，位于所述暗箱内，包括待测试溶液容器、容器入口和容器出口，所述容器入口和容器出口分别通过导管连接到待测试溶液供给单元；第一驱动泵，连接于所述容器入口与所述待测试溶液供给单元之间，或连接于所述容器出口与所述待测试溶液供给单元之间，用于驱动待测试溶液在所述待测试溶液容器与所述待测试溶液供给单元之间流动；测试组件，包括光源、光感应器和分光光度计，光源和光感应器位于暗箱内。

优选地，本技术方案中，所述光源为紫外光源，所述光感应器为紫外光感应器；所述分光光度计为紫外光分光光度计。所述待测试组件为测试比色皿，用于测定流体光学参数的装置还可以包括：参照比色皿，位于暗箱内，用于测试组件进行校零；位置调节装置，位于暗箱内，用于调节光源和光感应器在测试位置和校零位置之间移动。

优选地，本技术方案中，待测试溶液供给单元位于暗箱外，包括：离子渗透率测试模拟池，包括以质子交换膜隔开的第一腔室和第二腔室；离子溶液罐，与第二腔室相连接，用于放置具有预设离子浓度的溶液；第二驱动泵，位于离子溶液罐和第二腔室之间，用于驱动具有预设离子浓度的溶液在离子溶液罐和第二腔室之间流动；待测试溶液罐，与第一腔室相连接，用于放置待测试的溶液，待测试溶液罐、第一腔室、第一驱动泵，待测试组件构成待测试溶液的循环通路。

(三)有益效果

本发明的用于测定流体光学参数的装置中，由于不需要从被测试溶液供给单元中抽取溶液，因此模拟电池两侧溶液的体积始终是相等的，从而提高了测试结果的准确性，同时实现了自动测样。

附图说明

图1为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置的示意图；

图2为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置中测试比色皿的示意图；

图3为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置中伸缩杆装置的示意图；

图4为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置的示意图。

【主要元件符号说明】

暗箱10；

测试比色皿20；

第一驱动泵30；

测试组件40；

光源41；

光感应器42；

分光光度计43；

待测试溶液供给单元50；

离子渗透率测试模拟池51；

质子交换膜511；

离子溶液罐52；

第二驱动泵53；

待测试溶液罐54；

参照比色皿60。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明用于测定流体光学参数的装置包括暗箱；待测试组件，位于暗箱内，包括待测试溶液容器、容器入口和容器出口，容器入口和容器出口分别通过导管连接到待测试溶液供给单元；第一驱动泵，连接于容器入口与待测试溶液供给单元之间，或连接于容器出口与待测试溶液供给单元之间，用于驱动待测试溶液在待测试溶液容器与待测试溶液供给单元之间流动；测试组件，包括光源、光感应器和分光光度计，光源和光感应器位于暗箱内。

在上述本发明实施例的装置中，由于不需要从被测试溶液供给单元中抽取溶液，因此待测试溶液的体积始终不变，从而提高了测试结果的准确性。

图1为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置的示意图。图2为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置中测试比色皿的示意图。如图1和图2所示，根据本发明的一种示例性实施例用于测定流体光学参数的装置包括：暗箱10；待测试溶液供给单元50；测试比色皿20，位于暗箱10内，包括皿体、比色皿入口和比色皿出口，比色皿入口和出口均通过导管连接到待测试溶液供给单元50；第一驱动泵30，第一驱动泵30连接于比色皿入口与待测试溶液供给单元50之间，或连接于比色皿出口与待测试溶液供给单元50之间，用于驱动待测试溶液在测试比色皿20与待测试溶液供给单元50之间流动；测试组件40，包括光源41、光感应器42和分光光度计43，光源和光感应器位于暗箱内。

优选地，该第一驱动泵为恒流泵。该恒流泵驱动待测试溶液以10～50毫升/分钟的流速在测试比色皿与待测试溶液供给单元之间流动。通过设置恒流泵，促使待测试溶液在测试比色皿20和待测试溶液供给单元50间流动确保测试比色皿20和待测试溶液供给单元50中离子浓度相同，从而实现实时测试。。

本发明中可以通过手动控制测试组件40进行溶液测试，也可以通过计算机程序设定测试频率，从而在一天或较长时间内，由测试组件自动工作。通过上述设计，本发明避免了手工取样的计量误差，节省了人力成本。

在一种示例性实施例中，测试组件40的光源41，与分光光度计43的一端口相连接，用于产生或引导光线照射装有待测试溶液的测试比色皿20的皿体的采光面；光感应器42，与分光光度计43的另一端口相连接，用于感应采光面的光线，并将感应的数据传输至分光光度计43。进一步地，光源41为紫外光源，光感应器42为紫外光感应器；分光光度计43为紫外光分光光度计。

测试比色皿20由石英材料制成，石英材料的厚度为0.5毫米。第一驱动泵30为第一恒流泵。该恒流泵驱动待测试溶液以10～50毫升/分钟的流速在测试比色皿20、待测试溶液供给单元50之间流动。

本实施例中，紫外光光源可直接采用适当功率的紫外灯或从光源用光纤引入，紫外光光源外部要适当采取包裹措施，确保发射出的光线只直接照射到比色皿的采光面，而不会发生散射、衍射等影响测试的现象。同样暗箱10的外壳也需要经过适当的闭光、防风处理。

本实施例将紫外光分光光度计的紫外光源及紫外光感应器设置到暗箱10中，将测试比色皿20和待取样溶液直接相连接，通过控制溶液流速，使得测试比色皿内溶液相对静止，借助计算机程序控制紫外光分光光度计定时自动测试溶液的吸光度，通过Lambert-Beer定律和Fick定律得出的公式计算离子渗透率并自动产生曲线。其中，通过比色皿的双开口设计，使液体样品可以一直保持缓慢流入及流出测试比色皿，实现样品溶液在测试比色皿中自动、连续更换。

在进一步的实施例中，参见图1，测定流体光学参数的装置还可以包括：参照比色皿60，位于暗箱10内，用于测试组件进行校零；位置调节装置70，位于暗箱10内，用于调节光源41和光感应器42在测试位置和校零位置之间移动。位置调节装置70为伸缩杆装置或旋盘装置。图3为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置中伸缩杆装置的示意图。如图3所示，一控距电机带动一个带有固定滑轨的传动臂，电机根据程序的要求，带动传动臂在滑轨上移动，从而带动相连的紫外光源或是紫外光感应器在参考比色皿60与测试比色皿20之间切换位置。通过将参照比色皿60固定在暗箱10中，设计伸缩杆，通过程序控制其在每次测样前自动测试参考比色皿60中空白溶液(不含待测试离子且对待测试离子紫外吸收无影响的溶液)进行校零，完全实现无手动操作，自动测样。

图4为根据本发明实施例用于测定流体光学参数的装置的示意图。进一步地，待测试溶液供给单元50包括：离子渗透率测试模拟池51，包括以质子交换膜511隔开的第一腔室和第二腔室；离子溶液罐52，与第二腔室相连接，用于放置具有预设离子浓度的溶液；第二驱动泵53，位于离子溶液罐和第二腔室之间，用于驱动具有预设离子浓度的溶液在离子溶液罐和第二腔室之间流动；待测试溶液罐54，与第一腔室相连接，用于放置待测试的溶液，待测试溶液罐54、第一腔室、第一驱动泵30，测试比色皿20构成待测试溶液的循环通路。优选地，离子溶液罐52，包括第一搅拌器；和待测试溶液罐54，包括第二搅拌器。待测试溶液为随着测试时间延长待测试离子浓度发生变化的溶液。

优选地，该第二驱动泵53为恒流泵，该恒流泵驱动预设离子浓度的溶液以10～50毫升/分钟的流速在离子溶液罐52和第二腔室之间流动，更优选地，第二驱动泵与第一驱动泵以相同的流体流速驱动，以消除质子交换膜511隔开的第一腔室和第二腔室内流体流速差可能带来的测量误差；

以下结合具体的实施例，对上述测定流体光学参数的装置的工作流程进行详细说明：

(1)离子渗透率测试模拟池51的装配

将待测质子交换膜511，以及有机玻璃端板组装成带有两个独立腔室的离子渗透率测试模拟池结构。然后分别连接两个溶液罐-待测试溶液罐54和离子溶液罐52。两溶液罐均带搅拌装置，可采用恒流泵或外加磁力搅拌，达到混合的目的。连接测试装置一侧的待测溶液罐54中初始加入一定体积的1M MgSO₄/2.5MH₂SO₄，另一侧的离子溶液罐52中初始加入相同体积的1M VOSO₄/2.5MH₂SO₄。第二驱动泵53将钒离子溶液泵入模拟电池，恒流泵30将初始空白待测溶液泵入暗箱进行钒离子渗透率的测试。此外，测试比色皿材质为石英，比色皿光程长度0.5～2厘米；比色皿外型尺寸：长度2～5厘米，高度2～5厘米；石英厚度为0.5～1毫米。

第一驱动泵30以及第二驱动泵53控制溶液流速10～50毫升/分钟(该流速与溶液罐容积无关，考虑一般恒流泵的工作范围)，从而控制在测量时，溶液在比色皿中稳定流动，无气泡和湍流等干扰因素产生(可直接采取停止恒流泵工作的办法)。

(2)钒离子渗透率测试

从将两种液体被泵入离子渗透率测试模拟池51开始计时，随时间延长，有机玻璃端板一侧离子渗透率测试模拟池51第一腔室内钒离子的浓度从零开始，不断增加。这种浓度变化，通过第一驱动泵实时传递到待测试溶液罐54中，经搅拌装置均匀，再由第一驱动泵30随时泵入暗箱的测试比色皿20中。通过控制系统，设定每2～6小时紫外分光光度计测试比色皿20中溶液测试一次。每次测样之前，通过位置调节装置70伸缩杆或旋转盘70测试参考比色皿60中空白溶液(1M MgSO₄/2.5MH₂SO₄)进行校零。暗箱中的参考比色皿60固定不动，并且使用适当的遮光部件与样品完全隔离。紫外光光源可直接采用适当波长，优选的波长范围200到900纳米，的紫外灯或从光源用光纤引入，器件外部要适当采取包裹措施，确保发射出的光线只直接照射到比色皿的采光面，而不会发生散射、衍射等影响测试的现象。同样暗箱的外壳也需要经过适当的处理。一般取样时，上述搅拌装置可以暂时停止工作，不影响测试数据。

(3)数据控制系统

针对钒离子浓度测试，采集样品在275纳米波长的吸光度数值Y_A(t)。同样方法取得Y_B。数值。

采用文献提供计算公式处理吸光度数据，得到公式等式左边的数值，作为纵坐标；借助OriginPro软件划出对应时间t(横坐标)的曲线并进行拟合，依据拟合斜率数值，参照公式计算得到被测质子交换膜的渗透率(Ks)。

$\ln \{\mathrm{abs}{Y}_{B_0}-2\mathrm{abs}{Y}_{A_{\left(t\right)}}\}=\ln Y_{B_0}-2K_s\mathrm{St}/V_A$

其中，Y_B。为钒离子溶液一侧初始紫外吸光度(275nm)；Y_A(t)为某一时刻待测试溶液一侧紫外吸光度；S为离子膜有效渗透面积(cm²)；V_A为膜一侧有效体积(cm³)；Ks为钒离子渗透率(cm/s)；t为时间(秒)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测定流体光学参数的装置，包括：

暗箱；

待测试组件，位于所述暗箱内；

测试组件，包括光源、光感应器和分光光度计，所述光源和所述光感应器位于所述暗箱内；其特征在于：

所述待测试组件包括待测试溶液容器、容器入口和容器出口，所述容器入口和容器出口分别通过导管连接到待测试溶液供给单元；

第一驱动泵，连接于所述容器入口与所述待测试溶液供给单元之间，或连接于所述容器出口与所述待测试溶液供给单元之间，用于驱动待测试溶液在所述待测试溶液容器与所述待测试溶液供给单元之间流动。

2.根据权利要求1所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，所述第一驱动泵为恒流泵。

3.根据权利要求2所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，所述恒流泵，用于驱动所述待测试溶液以10～50毫升/分钟的流速在所述待测试组件与所述待测试溶液供给单元之间流动。

4.根据权利要求1所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，

所述光源，与所述分光光度计的一端口相连接，用于产生或引导光线照射装有待测试溶液的所述待测试组件的待测试溶液容器的采光面；

所述光感应器，与所述分光光度计的另一端口相连接，用于感应透过所述待测试溶液容器的光线强度，并将感应的数据传输至所述分光光度计。

5.根据权利要求4所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，所述待测试溶液为离子浓度持续发生变化的溶液，光源为紫外光源，所述光感应器为紫外光感应器；所述分光光度计为紫外光分光光度计。

6.根据权利要求1所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于：所述待测试组件为测试比色皿，所述待测试溶液容器为皿体，所述容器入口为比色皿入口，所述容器出口为比色皿出口。

7.根据权利要求6所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，还包括：

参照比色皿，位于所述暗箱内，用于所述测试组件进行校零；

位置调节装置，位于所述暗箱内，用于调节所述光源和光感应器在测试位置和校零位置之间移动。

8.根据权利要求7所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，所述位置调节装置为伸缩杆装置或旋盘装置。

9.根据权利要求1所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，所述待测试溶液供给单元位于所述暗箱外，包括：

离子渗透率测试模拟池，包括以质子交换膜隔开的第一腔室和第二腔室；

离子溶液罐，与所述第二腔室相连接，用于放置具有预设离子浓度的溶液；

第二驱动泵，位于所述离子溶液罐和所述第二腔室之间，用于驱动具有预设离子浓度的溶液在所述离子溶液罐和所述第二腔室之间流动；

待测试溶液罐，与所述第一腔室相连接，用于放置待测试的溶液，所述待测试溶液罐、第一腔室、第一驱动泵，待测试组件构成待测试溶液的循环通路。

10.根据权利要求9所述的用于测定流体光学参数的装置，其特征在于，

所述离子溶液罐，包括第一搅拌器，用于放置具有预设离子浓度的溶液；

所述待测试溶液罐，包括第二搅拌器，用于放置离子浓度持续发生变化的溶液。