CN108489629B - 一种溶液饱和温度自动测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶液饱和温度自动测量装置及测量方法，属于人工晶体生长技术领域，该装置包括照度传感器和双向温控器，光源穿过所述测量槽内待测的不均匀透明介质经透镜和第一遮光板投射至所述照度传感器上，所述照度控制器的信号输出端连接至所述双向控温器，所述双向控温器的信号输出端连接所述电磁搅拌器，用于对溶液升温或降温。本发明通过照度传感器和温度传感器将传统方法中所用的图像信息转化为更方便读取、精度更高的数字信号，从而获取了比肉眼观测更为精准的饱和温度，读数不受人为因素的影响，测量精确、测量效率高、能够自动测量，可靠性更高。

Description

一种溶液饱和温度自动测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种溶液饱和温度自动测量装置及测量方法，属于人工晶体生长技术领域。

背景技术

溶液的饱和状态，即溶质和溶液达成平衡，溶液到达饱和状态时的温度称为溶液的饱和温度。准确地测定溶液的饱和温度是进行晶体生长和工业结晶的前提。通过测定溶液的饱和温度，也可以进行溶解度的测定，并绘制出溶解度曲线。此外，测定溶液的饱和温度还是测定溶液过饱和度的基础。目前，常用的测定饱和温度的方法有以下几种：

(1)平衡法

在接近饱和的溶液中，放入一些溶质固体，在一定温度下不断搅拌，观察溶液状态，当溶液中的固体不再溶解，此时溶液的温度即可看作是溶液的饱和温度。这个方法虽然操作简便，但要达到真正平衡用时较长(约数小时至数天，视溶液的粘度和搅拌强度而定)，并且精确度也较低，约0.5-1℃(与观察者熟练程度有关)。

(2)浓度涡流法

将一小块晶体悬在其接近饱和状态的溶液中，观察晶体及其附近的液流情况.如果溶液是不饱和的，则晶体棱角会由于溶解变得圆滑。靠近晶体表面的溶液，由于晶体的溶解其浓度较周围溶液浓度变大，因而变得较重，向下运动，形成一股向下的液流，并把这股液流称为溶解涡流。如果溶液是过饱和的，则晶体呈现生长现象，即晶面变光滑，棱角“发毛”变白。晶体附近的溶液由于溶质在晶体上析出而密度变小，因此形成一股向上运动的液流，称为生长涡流。涡流是溶液中浓度差造成的对流运动。距饱和温度越远，涡流越明显；离饱和温度越近，涡流就越微弱；而在饱和温度下，涡流则会完全消失，因此，可以通过观察涡流的变化来确定溶液是否饱和。这个方法的精确度约为0.1-0.5℃(与观察者熟练程度有关)。

(3)光学效应法

溶液接近饱和温度时，涡流十分微弱，凭肉眼很难把温度测得很精准，光学效应法可以克服这一缺点。当晶体处于与它不相平衡的母液中时，紧贴晶体有一薄层溶液，晶体溶解和生长时，溶质的扩散输出和输入都通过这一薄层进行，该薄层称为扩散层或结晶区。扩散层存在浓度梯度，扩散层的浓度梯度在溶液温度接近饱和温度的过程中逐渐减弱，直至溶液温度达到饱和温度时彻底消失。扩散层是浓度不均匀的区域，光线通过这一区域时会因折射率梯度方向不同而发生不同的偏折，光学效应法的原理就基于此。常用的光学效应法有以下两种类型。

a)纹影法。

纹影法是根据观察光源发射光线穿过晶体投射在屏幕上的像来进行饱和温度测试的，在光路中的待测生长池中，晶体附近的不均匀扩散层可以在屏幕上清楚地显示出来，在不饱和的溶液中，扩散层的像出现在无遮光板一侧的晶体附近，使该侧亮度增加，在过饱和溶液中则恰好相反即对侧亮度增加，当溶液到达饱和状态时，扩散层消失，屏幕亮度达到最暗。

传统装置如图1所示，这种装置适用于观察透明介质中的局部光学不均匀性。光源1’通第一长聚焦距消色差透镜2’聚焦至第一长聚焦距消色差透镜2’的焦点3’上，光线透过第二长聚焦距消色差透镜4’变成平行光照射到待测的不均匀透明介质上(即待测生长池9’，待生长池9’的底部设置有电磁搅拌器11’)，经第二长聚焦距消色差透镜5’成像于焦点1”，在该处放置一锐边遮光板6’或狭缝，挡住了光源的像因此在白色的屏幕7’上出现黑色的背景，但在1’和1”之间存在光学不均匀区域8’，则光线发生偏折，从锐边遮光板6’的锐边旁通过在屏幕上给出其像8”。偏折方向与不均匀区域的折射率梯度方向有关，这种方法能发现折射率差别很小的不均匀区域。在光路中的测量槽9’中，晶体10’附近的不均匀扩散层可以在屏幕7’上清楚地显示出来。在不饱和的溶液中，扩散层的像出现在无遮光板一侧的晶体附近，在过饱和溶液中则恰好相反。当溶液到达饱和状态时，扩散层消失，此时通过温度计12’测量出饱和温度。

b)狭缝光源法。

该法令一狭缝光源和置于待测溶液中的晶体的一个晶面斜交，在狭缝和晶面的交界处随着溶液状态的变化，会产生不同的偏折现象，这一变化也是由于存在光学上不均匀的区域(扩散层)所引起的。当溶液不饱和时，明亮的狭缝在晶面交界处弯曲成钝角，当溶液为过饱和时，则向相反方向弯曲成锐角，溶液越偏离饱和状态，弯曲现象就越明显，随着溶液逐渐接近饱和，弯曲部分逐渐缩短，当溶液达到饱和时，狭缝光在晶面交界处不发生弯曲。根据这种现象所测定的饱和温度的精确度也可达到0.05℃。

值得注意的是，以上溶液饱和温度测量方法都采用肉眼观测的方式，实际测量精确度与观察者熟练程度密切相关。同时，肉眼观测需要对溶液进行多次升温和降温，以重复测量保证测量准确性，由于肉眼观测的滞后性，在实际操作过程中往往采用缓慢升温和自然降温的方式，升降温速率不可控，测量效率低下。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种测量精确、测量效率高、能够自动测量的溶液饱和温度自动测量装置及测量方法，可实现精准控温和读数。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种溶液饱和温度自动测量装置，包括测量槽和位于所述测量槽内的晶体，所述测量槽底部设置有电磁搅拌器，所述测量槽一侧设置有提供平行光的光源，所述光源穿过所述测量槽内待测的不均匀透明介质经透镜和第一遮光板投射至屏幕上，其中，透镜优选为光学凸透镜(f＝100mm)，该装置还包括照度传感器和双向温控器，光源穿过所述测量槽内待测的不均匀透明介质经透镜和第一遮光板投射至所述照度传感器上，所述照度传感器的信号输出端连接至所述双向控温器，所述双向控温器的信号输出端连接所述电磁搅拌器，用于对溶液升温或降温。

工作时，照度传感器所采集的照度数据作为输入信号，通过双向控温器控制带加热和制冷功能的电磁搅拌器工作，照度传感器控制电磁搅拌器在溶液的饱和温度附近微调溶液温度，实现照度精确控制的同时，使溶液温度稳定在饱和温度，从而可以测量溶液的精确温度，最终获得溶液的饱和温度，并可作为输入信号传入晶体生长系统，实现溶液饱和温度以及过饱和度实时在线测量和自动化控制。

进一步的，本发明的溶液饱和温度自动测量装置还包括温度传感器，所述温度传感器放置于测量槽的中部位置与不均匀透明介质接触，用于测量溶液的饱和温度。温度传感器可精确测量溶液温度，与照度传感器和双向控温器联合作用，采用照度控制和温度控制的方式，可以将传统方法中使用的图像信息转化为更直观的、精度更高的数字信号。测试表明，采用这种方法及装置在测量、控温方面优于现行方法及装置。

进一步的，所述第一遮光板与屏幕之间设置有第二遮光板，用于遮挡一半的像，剩余另一半的像投射至所述照度传感器，其中，第二遮光板优选为HGMAS114单开启遮光板。

本发明中，所述光源优选为柱状激光光源，可采用连续红光激光器Φ17mm，输出功率100mW；

所述温度传感器优选为Pt100温度传感器，其温度的采集范围可以在-200℃～+850℃，且测量精度较高；

所述照度传感器优选采用XH-M124数显照度控制器，其含有光敏传感器；

所述双向温控器优选为日本岛电FP23高精度程序控温器；

所述电磁搅拌器优选采用雷磁磁力搅拌器JB-1B(含四氟搅拌转子)。

另一方面，本发明还提供一种上述的溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，包括：

步骤1：设定标准照度；

步骤2：光源穿过测量槽内待测的不均匀透明介质经透镜和第一遮光板投射至所述照度传感器上；

步骤3：当照度传感器上的照度值高于标准照度时，说明溶液处于不饱和状态，照度传感器的信号传递至双向控温器，双向控温器控制电磁搅拌器对溶液进行降温，直至照度值达到在标准照度；当照度值低于标准照度时，说明溶液处于过饱和状态，照度传感器的信号传递至双向控温器，双向控温器控制电磁搅拌器对溶液进行升温，直至照度值达到在标准照度；

步骤4：测量出此时溶液的饱和温度。

优选的，所述步骤1进一步为：对测量槽中的溶液不断进行升降温操作，记录扩散层消失的照度E，将E₀设置为标准照度，E₀＝E+ΔE，其中，ΔE为允许偏差，ΔE与整体装置参数和需要的测量精度有关，可通过实验具体确定。

优选的，步骤4中通过放置于测量槽的中部位置的温度传感器测量溶液的饱和温度，其中，温度传感器优选为Pt100温度传感器。

优选的，本发明的测量方法可以用于获得溶液的溶解度曲线，具体的，准确称量溶质的质量，配制高饱和温度的溶液，通过步骤1至步骤4测量其饱和温度，依次往测量槽准确注入一定质量的溶剂，使溶液的饱和温度不断下降，每次加注后准备测量溶液的饱和温度，将每次加注后溶液的浓度与相应的饱和温度对应，获得溶液的溶解度曲线。采用这种方法绘制溶液的溶解度曲线具有精度高，省时省力的优点。

进一步的，本发明的测量方法还可以应用于测量当前溶液的过饱和度，具体的，通过步骤1-步骤4测量其饱和温度T₀，若溶液当前温度为T，则当前溶液的过冷度ΔT＝T₀-T，从而测得当前溶液的过饱和度σ＝ΔT/T₀＝(T₀-T)/T₀。

本发明的测量方法还应用于精确控制晶体生长过程中在恒定的过饱和度下进行，具体的，将步骤1至步骤4测量得到的溶液饱和温度T₀作为输入信号输入控制系统，如控温表或电子计算机等，通过控制系统的运算将T＝T₀+ΔT作为目标温度传输至主控温单位，对溶液进行精确控温，其中，ΔT为晶体生长过程所需的过冷度。实现测量槽或生长槽的精确控温，使晶体生长过程或工业结晶过程在恒定的过饱和度下进行，获得更高的晶体质量或工业结晶质量。

本发明的有益效果为：

1)本发明通过照度传感器和温度传感器将传统方法中所用的图像信息转化为更方便读取，精度更高的数字信号，从而获取了比肉眼观测更为精准的饱和温度，读数不受人为因素的影响，可靠性更高。经过大量的对比实验，证明本发明在精准读数方面具有很大的优势。

2)相对传统的纹影法来说，本发明自动测定溶液饱和温度更省时省力，在进行溶解度曲线测定、过饱和度等连续性实验时，可以大大提高工作效率。

3)本发明的溶液饱和温度自动测量装置及方法，在离线状态下可以自动测定溶液的饱和温度和溶解度曲线，在线状态下可以自动测量溶液的过饱和度，与控温系统配合可以实现结晶过程中过饱和度的自动控制，在恒定过饱和度下生长晶体，提高晶体质量。更精准的饱和温度对生长高质量的晶体来说十分重要，因此本发明对生长高质量晶体有重大意义。

4)本发明可以实现溶液过饱和度的在线测量。过饱和度是影响晶体生长速度和质量的重要因素，过饱和度的确定对晶体生长研究具有重要意义。如果在给定温度下，可以测得或已知溶液的浓度，并且相应的平衡饱和浓度是已知的，那么就可以计算溶液的过饱和度。溶液浓度可以进行直接的分析，也可通过测量体系中某些对浓度变化敏感的性质(如密度、粘度、拆射率和电导率等)来间接确定。在实验室的条件下，这些性质都可以测量得很精确。但在晶体培养过程中，要求在不破坏溶液稳定性的条件下，能在生长槽或测量槽中进行连续的测量。如果在生长过程中温度是变化的，还需知道被测量性质对温度的依赖关系，这样，间题就变得复杂了，因此直接应用较少。本发明不需要知道溶液的准确成分和溶解度曲线，也不需改变生长槽的温度，在晶体生长过程中，任何时侯都可测得溶液的真实过饱和度，与控温系统联用可实现过饱和度的精确控制。

附图说明

图1为现有技术中基于纹影法测量溶液饱和温度的示意图；

图2为本发明的溶液饱和温度自动测量装置的结构示意图；

其中：1’-光源，2’-第一长聚焦距消色差透镜，3’-焦点，4’-第一长聚焦距消色差透镜，5’-第三长聚焦距消色差透镜，6’-锐边遮光板，7’-屏幕，8’-光学不均匀区域，9’-测量槽，10’-晶体，11’-电磁搅拌器，12’-温度计，1-透镜，2-第一遮光板，3-照度传感器，4-双向控温器，5-温度传感器，6-第二遮光板。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图2所示，一种溶液饱和温度自动测量装置，包括测量槽9’和位于测量槽9’内的晶体10’，测量槽9’底部设置有电磁搅拌器11’，测量槽9’一侧设置有提供平行光的光源1’，光源1’穿过测量槽9’内待测的不均匀透明介质经透镜1和第一遮光板2投射至屏幕上，其中，透镜1优选为光学凸透镜(f＝100mm)，该装置还包括照度传感器3和双向温控器4，光源1’穿过测量槽9’内待测的不均匀透明介质经透镜1和第一遮光板2投射至照度传感器3上，照度传感器3的信号输出端连接至双向控温器4，双向控温器4的信号输出端连接电磁搅拌器11’，用于对溶液升温或降温。

实施例1在工作时，照度传感器3所采集的照度数据作为输入信号，通过双向控温器4控制带加热和制冷功能的电磁搅拌器11’工作，照度传感器3控制电磁搅拌器11’在溶液的饱和温度附近微调溶液温度，实现照度精确控制的同时，使溶液温度稳定在饱和温度，从而可以测量溶液的精确温度，最终获得溶液的饱和温度，并可作为输入信号传入晶体生长系统，实现溶液饱和温度以及过饱和度实时在线测量和自动化控制。

实施例2：

一种溶液饱和温度自动测量装置，结构如实施例1所示，所不同的是，还包括温度传感器5，温度传感器5放置于测量槽9’的中部位置与不均匀透明介质接触，用于测量溶液的饱和温度。温度传感器5可精确测量溶液温度，与照度传感器3和双向控温器4联合作用，采用照度控制和温度控制的方式，可以将传统方法中使用的图像信息转化为更直观的、精度更高的数字信号。测试表明，采用这种方法及装置在测量、控温方面优于现行方法及装置。

实施例3：

一种溶液饱和温度自动测量装置，结构如实施例1所示，所不同的是，第一遮光板2与屏幕(或照度传感器3)之间设置有第二遮光板6，用于遮挡一半的像，剩余另一半的像投射至照度传感器3，其中，第二遮光板6优选为HGMAS114单开启遮光板。

实施例4：

一种溶液饱和温度自动测量装置，结构如实施例1所示，所不同的是，光源1’优选为柱状激光光源，可采用连续红光激光器Φ17mm，输出功率100mW；

温度传感器5优选为Pt100温度传感器，其温度的采集范围可以在-200℃～+850℃，且测量精度较高；

照度传感器3优选采用XH-M124数显照度控制器，其含有光敏传感器；

双向温控器4优选为日本岛电FP23高精度程序控温器；

电磁搅拌器11’优选采用雷磁磁力搅拌器JB-1B(含四氟搅拌转子)。

实施例5：

一种溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，包括：

步骤1：设定标准照度；

步骤2：光源1’穿过测量槽9’内待测的不均匀透明介质经透镜和第一遮光板2投射至照度传感器3上；

步骤3：当照度传感器3上的照度值高于标准照度时，说明溶液处于不饱和状态，照度传感器3的信号传递至双向控温器4，双向控温器4控制电磁搅拌器11’对溶液进行降温，直至照度值达到在标准照度；当照度值低于标准照度时，说明溶液处于过饱和状态，照度传感器3的信号传递至双向控温器4，双向控温器4控制电磁搅拌器11’对溶液进行升温，直至照度值达到在标准照度；

步骤4：测量出此时溶液的饱和温度。

实施例6：

一种溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，结构如实施例5所示，所不同的是，步骤1进一步为：对测量槽9’中的溶液不断进行升降温操作，记录扩散层消失的照度E，将E₀设置为标准照度，E₀＝E+ΔE，其中，ΔE为允许偏差，ΔE与整体装置参数和需要的测量精度有关，可通过实验具体确定。

实施例7：

一种溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，结构如实施例5所示，所不同的是，步骤4中通过放置于测量槽9’的中部位置的温度传感器5测量溶液的饱和温度，其中，温度传感器5优选为Pt100温度传感器。

实施例8：

一种溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，结构如实施例7所示，所不同的是，本发明的测量方法可以用于获得溶液的溶解度曲线，具体的，准确称量溶质的质量，配制高饱和温度的溶液，通过步骤1至步骤4测量其饱和温度，依次往测量槽9’准确注入一定质量的溶剂，使溶液的饱和温度不断下降，每次加注后准备测量溶液的饱和温度，将每次加注后溶液的浓度与相应的饱和温度对应，获得溶液的溶解度曲线。采用这种方法绘制溶液的溶解度曲线具有精度高，省时省力的优点。

实施例9：

一种溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，结构如实施例7所示，所不同的是，本发明的测量方法还可以应用于测量当前溶液的过饱和度，具体的，通过步骤1-步骤4测量其饱和温度T₀，若溶液当前温度为T，则当前溶液的过冷度ΔT＝T₀-T，从而测得当前溶液的过饱和度σ＝ΔT/T₀＝(T₀-T)/T₀。

实施例10：

一种溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，结构如实施例7所示，所不同的是，本发明的测量方法还应用于精确控制晶体生长过程中在恒定的过饱和度下进行，具体的，将步骤1至步骤4测量得到的溶液饱和温度T₀作为输入信号输入控制系统，如控温表或电子计算机等，通过控制系统的运算将T＝T₀+ΔT作为目标温度传输至主控温单位，对溶液进行精确控温，其中，ΔT为晶体生长过程所需的过冷度。实现测量槽或生长槽的精确控温，使晶体生长过程或工业结晶过程在恒定的过饱和度下进行，获得更高的晶体质量或工业结晶质量。

值得注意的是，实现溶液饱和温度自动化和高精度测量的关键和最大难点在于如何将肉眼观测的图像转换为数字化的数据。其中一种方法是采用机器代替人眼，即基于机器视觉的原理，采用高像素CCD摄像机代替肉眼观测，对视频图像进行一系列分析处理获得溶液的饱和温度数据。但是这种方法需要采用昂贵的高像素CCD摄像机和较为复杂的处理程序，且系统调试维护过于复杂，最终也只能达到与肉眼观测近似的精度，其实用性和性价比不高。

本发明基于纹影法的测量原理，其最大的创新点在于在观测方面利用照度传感器代替肉眼观测。肉眼观测虽然观察对象为屏幕上籽晶的影像，实质上观测的是籽晶影像上边界的明暗变化，边界的明暗变化必然导致籽晶影像的整体亮度变化。本发明创造性地利用照度传感器将籽晶影响的亮度变化转换为数字化的照度数据，以此为基础联合多种装置共同实现溶液饱和温度的精确测量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种溶液饱和温度自动测量装置，包括测量槽和位于所述测量槽内的晶体，所述测量槽底部设置有电磁搅拌器，所述测量槽一侧设置有提供平行光的光源，所述光源穿过所述测量槽内待测的扩散层经透镜和第一遮光板投射至屏幕上，其特征在于，还包括照度传感器和双向温控器，光源穿过所述测量槽内待测的扩散层经透镜和第一遮光板投射至所述照度传感器上，所述照度传感器的信号输出端连接至所述双向控温器，所述双向控温器的信号输出端连接所述电磁搅拌器，用于对溶液升温或降温；

溶液饱和温度自动测量装置的测量方法，包括：

步骤1：设定标准照度；

步骤2：光源穿过测量槽内待测的扩散层经透镜和第一遮光板投射至所述照度传感器上；

步骤3：当照度传感器上的照度值高于标准照度时，照度传感器的信号传递至双向控温器，双向控温器控制电磁搅拌器对溶液进行降温，直至照度值达到在标准照度；当照度值低于标准照度时，照度传感器的信号传递至双向控温器，双向控温器控制电磁搅拌器对溶液进行升温，直至照度值达到在标准照度；

步骤4：测量出此时溶液的饱和温度；

步骤1中，对测量槽中的溶液不断进行升降温操作，记录扩散层消失的照度E，将E₀设置为标准照度，E₀=E+ΔE，其中，ΔE为允许偏差；

应用于精确控制晶体生长过程中在恒定的过饱和度下进行，具体的，将步骤1至步骤4测量得到的溶液饱和温度T₀作为输入信号输入控制系统，通过控制系统的运算将T=T₀+ΔT作为目标温度传输至主控温单位，对溶液进行精确控温，其中，ΔT为晶体生长过程所需的过冷度；

溶液饱和温度自动测量装置还包括温度传感器，所述温度传感器放置于测量槽的中部位置与扩散层接触；

所述第一遮光板与屏幕之间设置有第二遮光板，用于遮挡一半的像，剩余另一半的像投射至所述照度传感器。

2.根据权利要求1所述的溶液饱和温度自动测量装置，其特征在于，所述光源为柱状激光光源；

所述温度传感器为Pt100温度传感器；

所述照度传感器为XH-M124数显照度控制器；

所述双向温控器为日本岛电FP23高精度程序控温器；

所述第二遮光板为HGMAS114单开启遮光板。

3.根据权利要求1所述的溶液饱和温度自动测量装置，其特征在于，步骤4中通过放置于测量槽的中部位置的温度传感器测量溶液的饱和温度。

4.根据权利要求1所述的溶液饱和温度自动测量装置，其特征在于，还用于获得溶液的溶解度曲线，具体的，准确称量溶质的质量，配制高饱和温度的溶液，通过步骤1至步骤4测量其饱和温度，依次往测量槽准确注入一定质量的溶剂，使溶液的饱和温度不断下降，每次加注后准备测量溶液的饱和温度，将每次加注后溶液的浓度与相应的饱和温度对应，获得溶液的溶解度曲线。

5.根据权利要求1所述的溶液饱和温度自动测量装置，其特征在于，还应用于测量当前溶液的过饱和度，具体的，通过步骤1-步骤4测量其饱和温度T₀，若溶液当前温度为T，则当前溶液的过冷度ΔT=T₀-T，从而测得当前溶液的过饱和度σ=ΔT/T₀=(T₀-T)/T₀。