CN105067536A - 一种基于激光折射的物质溶解度高精度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光折射的物质溶解度高精度测量装置，该装置包括溶解系统、溶解平衡点判断系统，可在不同恒温条件下基于激光折射判断溶液的溶解平衡点进而测量物质溶解度，其主要优点是基于激光折射灵敏的检查溶液均匀性来提高溶液达到溶解平衡点的准确性，操作简单，适用性广，稳定性好，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于测试装置技术领域，特别涉及一种基于激光折射的物质溶解度高精度测量装置。
背景技术
物质溶解度是化学热力学的重要研究内容。工程中的软岩遇水软化和矿物溶解度有密切关系，研究二者的关系对于深刻理解软岩软化的本质，了解软岩遇水损伤破坏过程具有重大意义。固液平衡时软岩矿物溶解度一般很低，判断溶解平衡点的极小误差也会对其溶解度测量结果可产生巨大的影响，而常规方法难以准确确定溶解平衡点。因此，有必要开发一种高精度测量装置，专门针对软岩矿物这类物质的溶解度进行测定。
传统的测量物质溶解度方法主要有平衡法和动态法两种。平衡法中固定测量温度，将过量的溶质与适量的溶剂混合，经过搅拌、长时间静置后取溶液上层清液进行化学分析或重量法分析，得到其浓度，循环几次测得的浓度值保持一致时，即认为该浓度值为相应温度下物质溶解度。平衡法的不足有：分析上层清液浓度时，溶剂容易挥发可造成较大误差；化学分析操作较为繁琐；“循环几次测得的浓度值保持一致”时没有检查溶液是否均匀，因此不能确定所测溶液此时是否真正达到溶解平衡点。动态法又可以分为变温法和恒温法。变温法中逐渐升温，当定量的溶质刚好全部溶解于定量的溶剂中，此时直接计算出该温度下物质溶解度。恒温法中固定温度，在过量的溶质中逐渐添加溶剂，当全部溶质刚好溶解时，也可计算出该温度下物质溶解度。动态法不足之处在于需要肉眼判断溶解平衡点，具有较大的人为误差。激光由于速度快、抗光及抗电干扰能力强等特点越来越被广泛应用。近年来激光光强监控系统逐渐用于溶解度动态法测量中，其原理是随着溶剂的加入，固体溶质逐渐溶解，溶液中悬浮固体溶质逐渐减少，激光接收器接收激光的光强逐渐增大，接收激光光强最大时即溶解平衡点。相比肉眼判断溶解平衡点，用激光光强监控系统判断溶解平衡点有了较大进步，减少了人为误差，但仍存在不足：要求测量对象是固体；只对单一激光传播路径上激光光强进行监控，“接收激光光强最大”即溶解平衡时没有检查溶液是否均匀，因此不能确定所测溶液此时是否真正达到溶解平衡点。
综上所述，亟需一种操作简单、适用性广(溶质既可以是固体也可以是液体)的物质溶解度高精度测量装置，该装置能够通过检查溶液均匀性来提高溶液达到溶解平衡点的准确性。
发明内容
为了克服上述已有技术中存在的不足，本发明目的在于提供一种操作简单、适用性广、稳定性好、精度高的基于激光折射的物质溶解度高精度测量装置。
本发明涉及一种基于激光折射的物质溶解度高精度测量装置，可在不同恒温条件下基于激光折射判断溶液的溶解平衡点，高精度测量物质溶解度，该装置包括溶解系统、溶解平衡点判断系统。
1、溶解系统
溶解系统由恒温水箱(1)、方形玻璃夹套外瓶(10)、方形玻璃夹套内瓶(13)、磁力搅拌器(3)、磁力搅拌转子(9)、精密温度计(15)、溶质进样管(16)、溶剂进样管(17)组成，所述的方形玻璃夹套外瓶(10)开设有循环出水孔(14)和循环进水孔(8)，可使溶质在不同恒温条件的溶剂中溶解，同时可向方形玻璃夹套内瓶(13)溶液添加溶剂或溶质。
2、溶解平衡点判断系统
所述的溶解平衡点判断系统由固定支座I(2)、同步同位移移动支座I(11)、激光发射器(12)、固定支座II(4)、同步同位移移动支座II(6)、面阵CCD(7)、计算机(5)组成，可基于激光折射灵敏的检查溶液均匀性来提高溶液达到溶解平衡点的准确性。
本发明具有以下优点：
1、无需取样进行化学分析或重量法分析，操作简单，大大减少测量误差；
2、基于激光折射判断溶解平衡点，测量对象可为固体溶质或液体溶质，适用性广；
3、基于激光折射灵敏的检查溶液均匀性来提高溶液达到溶解平衡点的准确性，稳定性好，精度高。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明中激光传播路径示意图(俯视图)。
图3是本发明中面阵CCD正面像素点接收激光示意图。
其中，1.恒温水箱，2.固定支座I，3.磁力搅拌器，4.固定支座II，5.计算机，6.同步同位移移动支座II，7.面阵CCD，8.循环进水孔，9.磁力搅拌转子，10.方形玻璃夹套外瓶，11.同步同位移移动支座I，12.激光发射器，13.方形玻璃夹套内瓶，14.循环出水孔，15.精密温度计，16.溶质进样管，17.溶剂进样管。
具体实施方式
现结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，本发明包括溶解系统、溶解平衡点判断系统。
1、溶解系统
如图1所示，溶解系统由恒温水箱(1)、方形玻璃夹套外瓶(10)、方形玻璃夹套内瓶(13)、磁力搅拌器(3)、磁力搅拌转子(9)、精密温度计(15)、溶质进样管(16)、溶剂进样管(17)组成，所述的方形玻璃夹套外瓶(10)开设有循环出水孔(14)和循环进水孔(8)，方形玻璃夹套外瓶(10)的循环出水孔(14)和循环进水孔(8)分别通过导管与恒温水箱(1)相连，精密温度计(15)、溶质进样管(16)和溶剂进样管(17)分别插入到方形玻璃夹套内瓶(13)溶液中，方形玻璃夹套内瓶(13)置于方形玻璃夹套外瓶(10)内，方形玻璃夹套外瓶(10)置于磁力搅拌器上(3)，方形玻璃夹套内瓶(13)装有磁力搅拌转子(9)，可使溶质在不同恒温条件的溶剂中溶解，同时可向溶液添加溶剂或溶质。
2、溶解平衡点判断系统
如图1所示，溶解平衡点判断系统由固定支座I(2)、同步同位移移动支座I(11)、激光发射器(12)、固定支座II(4)、同步同位移移动支座II(6)、面阵CCD(7)、计算机(5)组成。同步同位移移动支座I(11)安装于固定支座I(2)顶部，同步同位移移动支座I(11)顶部安装有激光发射器(12)，同步同位移移动支座II(6)安装于固定支座II(4)顶部，同步同位移移动支座II(6)顶部安装有面阵CCD(7)，激光发射器(12)中心与面阵CCD(7)中心在同一高度，方形玻璃夹套外瓶(10)位于激光发射器(12)与面阵CCD(7)两者之间，面阵CCD(7)通过导线与计算机(5)相连。溶解平衡点判断系统可基于激光折射灵敏的检查溶液均匀性来提高溶液达到溶解平衡点的准确性。
本发明工作原理如下：
步骤一，如图1所示，通过溶剂进样管(17)向方形玻璃套管内瓶(13)添加质量为m1(g)(括号中g表示质量单位“克”，下同)溶剂，同时启动恒温水箱(1)，方形玻璃套管内瓶(13)外壁与方形玻璃夹套外瓶(10)内壁间形成循环水通道，可为玻璃套管内瓶(13)溶液提供温度为t的恒温条件。开启激光发射器(12)，如图2中带箭头实线激光光路所示(方形玻璃夹套外瓶(10)与方形玻璃夹套内瓶(13)瓶壁均较薄，对激光传播路径影响不大，所以图2中没画出激光通过方形玻璃夹套外瓶(10)与方形玻璃夹套内瓶(13)瓶壁时发生的折射，下同)，令激光以一定角度(如45度)水平斜射向方形玻璃夹套外瓶(10)，激光先后通过方形玻璃夹套外瓶(10)瓶壁、恒温水箱(1)循环水、方形玻璃夹套内瓶(13)瓶壁、方形玻璃夹套内瓶(13)溶液、方形玻璃夹套内瓶(13)瓶壁、恒温水箱(1)循环水、方形玻璃夹套外瓶(10)瓶壁，并在各界面发生折射，最终激光落点位于面阵CCD(7)上。如图3所示的面阵CCD(7)包含一系列微小光敏物质即像素(图3中每一个小方格表示一个像素)，受到激光照射的像素通过光电转换生成电信号并储存在与面阵CCD(7)相连的计算机(5)中。相同尺寸的面阵CCD(7)含有像素越多，识别激光落点位置变化的精度越高。调整固定支座I(2)和固定支座II(4)使激光最终垂直射入至如图3所示的面阵CCD(7)正面中心处像素点A，并由计算机(5)记录面阵CCD(7)接收激光像素点位置随时问变化的过程。
步骤二，通过溶质进样管(16)向玻璃套管内瓶(13)添加适度过量的质量为m2(g)的溶质，同时启动磁力搅拌器(3)令磁力搅拌转子(9)工作，使玻璃套管内瓶(13)中溶质加速溶解，溶液浓度增大的同时其折射率也增大，激光传播路径因此发生偏移(如图2带箭头虚线光路所示)，该偏移最终反映在面阵CCD(7)接收激光像素点位置的变化上。当面阵CCD(7)接收激光像素点(这里用图3中像素点B1表示)的位置不再变化，意味着方形玻璃夹套内瓶(13)溶液趋于溶解平衡。
步骤三，同步同位移移动支座I(11)和同步同位移移动支座II(6)向图1所示的z方向或图2所示的y方向同步同位移移动，则激光发射器(12)与面阵CCD(7)相对位置不变，同时激光通过方形玻璃夹套内瓶(13)溶液不同位置，如果面阵CCD(7)接收激光像素点B1位置未发生变化，说明溶液已均匀，达到溶解平衡点，像素点B1的位置数据储存在计算机(5)内；如果面阵CCD(7)接收激光像素点B1的位置发生变化，说明溶液未均匀，未达到溶解平衡点，需要继续搅拌，直到面阵CCD(7)接收激光像素点(这里用图3中像素点B2表示)的位置保持不变，说明溶液已均匀，达到溶解平衡点，此时像素点B2的位置数据储存在计算机(5)内。同时同步同位移移动支座I(11)和同步同位移移动支座II(6)停止移动。
步骤四，t1时刻开始通过溶剂进样管(17)向方形玻璃夹套内瓶(13)持续添加溶剂，添加速率为单位时间内添加质量为m0(g)的溶剂。方形玻璃夹套内瓶(13)溶质尚未完全溶解前，溶液仍饱和，一直处于溶解平衡状态，计算机(5)记录的面阵CCD(7)接收激光像素点位置B1或B2不会发生变化。当溶质完全溶解，而阵CCD(7)接收激光像素点位置B1或B2即将发生变化那一刻t2，可能仍对应着溶解平衡点，同时停止添加溶剂。重复步骤三检查溶液是否均匀，如果随着同步同位移移动支座I(11)和同步同位移移动支座II(6)同步同位移移动，面阵CCD(7)接收激光像素点B1或B2的位置不发生变化，说明溶液均匀，时刻t2对应着溶解平衡点，则t温度下所述的溶质在所述的溶剂中溶解度为如果随着同步同位移移动支座I(11)和同步同位移移动支座II(6)同步同位移移动，面阵CCD(7)接收激光像素点位置B1或B2发生变化，说明溶液不均匀，是因为加入过多溶剂，致溶液处于非饱和状态，时刻t2对应着接近溶解平衡点，需加入溶质使溶液重新达到溶解平衡状态。设所测物质溶解度精度为δ(g)，通过溶质进样管(16)向方形玻璃套管内瓶(13)溶液添加溶质，每次添加的质量为δ×[m1+m0×(t2-t1)]/100(g)。每次添加溶质后，通过步骤三检查激光通过溶液不同位置时面阵CCD(7)接收激光像素点是否均为B1或B2来判断溶液是否重新达到溶解平衡点。设第n次添加溶质后首次重新达到溶解平衡点，则t温度下所述的溶质在所述的溶剂中溶解度为
Claims (1)
1.一种基于激光折射的物质溶解度高精度测量装置，包括溶解系统、溶解平衡点判断系统；其特征在于：所述的溶解系统由恒温水箱(1)、方形玻璃夹套外瓶(10)、方形玻璃夹套内瓶(13)、磁力搅拌器(3)、磁力搅拌转子(9)、精密温度计(15)、溶质进样管(16)、溶剂进样管(17)组成，所述的方形玻璃夹套外瓶(10)开设有循环出水孔(14)和循环进水孔(8)，可使溶质在不同恒温条件的溶剂中溶解，同时可向方形玻璃夹套内瓶(13)溶液添加溶剂或溶质；所述的溶解平衡点判断系统由固定支座I(2)、同步同位移移动支座I(11)、激光发射器(12)、固定支座II(4)、同步同位移移动支座II(6)、面阵CCD(7)、计算机(5)组成，可基于激光折射灵敏的检查溶液均匀性来提高溶液达到溶解平衡点的准确性；该装置可在不同恒温条件下基于激光折射判断溶液的溶解平衡点，高精度测量物质溶解度。
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