CN109060625A - 一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置及其测试方法。测试装置包括渗透腔和水蒸气检测系统。渗透腔包括湿腔与干腔；湿腔与干腔之间用于装夹检测薄膜，检测薄膜将湿腔与干腔隔开；湿腔顶部设有样气入口和样气出口；干腔底部设有载气入口和载气出口。水蒸气浓度检测系统包括安装在干腔内的多次反射池、激光器、光电探测器和激光器驱动及处理单元。激光器的输入端与激光器驱动及处理单元的输出端相连，输出端与多次反射池相连。光电探测器的输入端与多次反射池相连，光电探测器的输出端与激光器驱动及处理单元的输入端相连。本发明能够实现薄膜水蒸气透过率的免标定、快速、无扰和较大线性区间的准确测量，且能简化薄膜水蒸气透气率测试程序，提高测试效率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜水蒸气透过率测试技术领域，具体涉及一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置及其测试方法。
背景技术
薄膜材料广泛应用于食品，药品的包裹等用途，薄膜材料的水蒸气透过率直接影响包装对象的保质期和新鲜程度。因此对包装薄膜材料水蒸气透过率检测是必要的。
目前，现有检测薄膜水蒸透过率的方法有杯式法和电解分析法。杯式法是将试样固定在特制的透湿杯上，通过测定透湿杯的重量增量来计算药用薄膜、薄片及药用铝箔的水蒸气透过量的分析方法，杯式法是该领域的标准的方法，但其测试周期太长一个膜需要几天的时间测试，而且一般适用于水蒸气透过量不低于2 g/（m2•24 h）的薄膜、薄片。电解分析法是利用水蒸气遇电极电解为氢气和氧气，通过电解电流计算出单位时间内水蒸气透过总量的水蒸气透过量分析方法。该方法适用于透湿数据较小的药用薄膜、薄片及药用铝箔的水蒸气透过量的测定，对于大透过量的薄膜检测准确度降低，且需要多个标准薄膜进行校准，无法实现无源、无损检测。
发明内容
为了克服传统薄膜水蒸气透气率测试方法存在的测试周期长、测量线性区间小、需标定和准确度低等不足，本发明提供一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置及其测试方法，该测试装置及测试方法能够实现薄膜水蒸气透过率的免标定、快速、无扰和较大线性区间的准确测量，且能够简化薄膜水蒸气透气率测试程序，提高测试效率。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，包括渗透腔和水蒸气检测系统。
具体地说，所述渗透腔包括自上向下依次设置的湿腔与干腔；所述湿腔与干腔之间用于装夹检测薄膜，检测薄膜将湿腔与干腔隔开；所述湿腔顶部设有样气入口和样气出口；所述干腔底部设有载气入口和载气出口。
所述水蒸气浓度检测系统包括多次反射池、DFB激光器、光电探测器和激光器驱动及处理单元；所述多次反射池安装在干腔内；所述DFB激光器的输入端与激光器驱动及处理单元的输出端相连，DFB激光器的输出端通过入射光纤与多次反射池相连；所述光电探测器的输入端通过出射光纤与多次反射池相连，光电探测器的输出端与激光器驱动及处理单元的输入端相连。
进一步的，所述湿腔与干腔之间设有O型密封圈。
进一步的，所述激光器驱动及数据处理单元分别通过信号电缆与DFB激光器、光电探测器相连。
进一步的，所述DFB激光器和光电探测器的封装结构均采用了无水密封处理。
进一步的，所述DFB激光器的输出波长为1368.5±0.5nm。
进一步的，所述多次反射池包括固定轴和分别设置在固定轴左右两端的两面镜子；所述干腔内壁上开设有固定槽，多次反射池的端部通过紫外胶固定在固定槽内。所述多次反射池是本发明所述测试装置的主要传感部件。
进一步的，所述干腔侧壁上开设有两条光纤通道。
本发明还涉及一种上述测试装置的测试方法，该方法包括以下步骤：
（1）恒定温度恒定水蒸气饱和度的高湿气体以固定的流速由样气入口进入湿腔，高湿气体中的一部分水蒸气透过检测薄膜进入干腔，剩余的水蒸气随高湿气体由样气出口排出到空气中。
（2）干燥载气以恒定的流速由载气入口进入干腔内，与通过检测薄膜渗透过来的高湿气体中的水蒸气进行混合后，由载气出口排出到空气中。
（3）在固定温度和电流的驱动下，DFB激光器扫描输出波长为1368.5±0.5 nm的激光，激光由入射光纤进入到干腔中的多次反射池，激光与干腔中的气体相互作用后，经出射光纤传输到光电探测器中。
（4）光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，并将该电信号通过信号信号电缆传输给激光器驱动及数据处理单元，激光器驱动及数据处理单元对信号进行采集、计算，最终解调得到测量区域的水蒸气浓度，并将该浓度信息通过串口发送给上位机。
由以上技术方案可知，本发明能够实现薄膜水蒸气透过率的免标定、快速、无扰和较大线性区间的准确测量，且能够简化薄膜水蒸气透气率测试程序，提高测试效率。
附图说明
图1是检测薄膜水蒸气透过率的测试装置的结构示意图；
图2是检测薄膜水蒸气透过率的测试装置中干腔的横截面示意图。
其中：
1、湿腔，2、干腔，3、O型密封圈，4、检测薄膜，5、样气入口，6、样气出口，7、载气入口，8、载气出口，9、多次反射池，10、光纤通道，11、激光器驱动及数据处理单元，12、DFB激光器，13、光电探测器，14、信号电缆，15、入射光纤，16、出射光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图2 所示的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，包括渗透腔和水蒸气检测系统。本发明利用激光吸收光谱的无源、快速和对测试介质无扰等特点实现干腔内水蒸气浓度的原位在线检测。本发明将干腔和传感器合并省去了对传感器的封装和密封工艺，简化了结果，同时能够避免载气由干腔到传感器之间的长距离管道传输所造成的响应慢和管路吸附等对测量结果的影响。
具体地说，所述渗透腔包括自上向下依次设置的湿腔1与干腔2。所述湿腔1与干腔2之间用于装夹检测薄膜4，检测薄膜将湿腔1与干腔2隔开。所述湿腔1顶部设有样气入口5和样气出口6。所述干腔2底部设有载气入口7和载气出口8。
所述水蒸气浓度检测系统包括多次反射池9、DFB激光器（Distributed FeedbackLaser）12、光电探测器13和激光器驱动及处理单元11。所述多次反射池9安装在干腔2内。所述DFB激光器12的输入端与激光器驱动及处理单元11的输出端相连，DFB激光器12的输出端通过入射光纤15与多次反射池9相连。所述光电探测器13的输入端通过出射光纤16与多次反射池9相连，光电探测器13的输出端与激光器驱动及处理单元11的输入端相连。
进一步的，所述湿腔1与干腔2之间设有O型密封圈3。O型密封圈3起到密封作用，使湿腔1与干腔2形成一个密闭腔体。
进一步的，所述激光器驱动及数据处理单元11分别通过信号电缆14与DFB激光器12、光电探测器13相连。
进一步的，所述DFB激光器12和光电探测器13的封装结构均采用了无水密封处理。
进一步的，所述DFB激光器12的输出波长为1368.5±0.5nm。本发明采用的DFB激光器为窄线宽、可调谐的激光器，通过控制温度和电流能够获得合适的激光输出波长，当激光穿过对该波长有吸收的气体介质时，能量被吸收。根据Beer-Lambert吸收定律，可通过测量透射光谱信号，得到光束路径上的气体吸收强度，进而反演得到气体浓度参数。
进一步的，所述多次反射池9包括固定轴和分别设置在固定轴左右两端的两面镜子。所述干腔2内壁上开设有固定槽，多次反射池9的端部通过紫外胶固定在固定槽内。所述多次反射池9的入射光和出射光都由光纤传输，多次反射池9安装完成后的光纤通道10由密封胶密封。
进一步的，所述干腔2侧壁上开设有两条光纤通道10。入射光纤和出射光纤分别通过一条光纤通道贯穿安装在干腔中。
进一步的，所述激光器驱动及数据处理单元11，能够稳定控制DFB激光器12的温度和扫描电流范围，同时能够在线进行数据处理，获得干腔2内的平均水蒸气浓度，并将浓度数据通过串口传输给上位机。
本发明还涉及一种上述测试装置的测试方法，该方法包括以下步骤：
（1）恒定温度恒定水蒸气饱和度的高湿气体以固定的流速由样气入口5进入湿腔1，高湿气体中的一部分水蒸气透过检测薄膜4进入干腔，剩余的水蒸气随高湿气体由样气出口6排出到空气中。
（2）干燥载气以恒定的流速由载气入口7进入干腔2内，与通过检测薄膜4渗透过来的高湿气体中的水蒸气进行混合后，由载气出口8排出到空气中。
（3）在固定温度和电流的驱动下，DFB激光器12扫描输出波长为1368.5±0.5 nm的激光，激光由入射光纤15进入到干腔2中的多次反射池9，激光与干腔2中的气体相互作用后，经出射光纤16传输到光电探测器13中。
（4）光电探测器13将接收到的光信号转化为电信号，并将该电信号通过信号电缆14传输给激光器驱动及数据处理单元11，激光器驱动及数据处理单元11对信号进行采集、计算，最终解调得到测量区域的水蒸气浓度，并将该浓度信息通过串口发送给上位机。
本发明的工作原理为：
本发明将可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy, TDLAS）技术应用于测试薄膜水蒸气透过率，达到简化薄膜水蒸气透过率测试程序，提高测试效率。本发明采用窄线宽可调谐的激光器作为光源，通过控制温度和电流来获得合适的激光输出波长，当激光穿过对该波长有吸收的气体介质时，能量被吸收。根据Beer-Lambert吸收定律，可通过测量透射光谱信号，得到光束路径上的气体吸收强度，进而反演得到气体浓度参数。TDLAS技术所测得的吸收强度是光束路径上的积分值，计算得到的浓度值是光束路径上的平均值，因此，本发明将多次反射池安装在干腔内的合适方向，便可得到干腔内的平均水蒸气浓度，这也是可将传感器和干腔合并的主要特征。TDLAS技术以其响应快、可实现在线、原位测量等优点，结合多次反射池和波长调制技术可实现水蒸气浓度的高灵敏度及较大线性区间的准确测量，可很好的补充传统方法的效率低和测量区间小的不足。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：包括渗透腔和水蒸气检测系统；
所述渗透腔包括自上向下依次设置的湿腔与干腔；所述湿腔与干腔之间用于装夹检测薄膜，检测薄膜将湿腔与干腔隔开；所述湿腔顶部设有样气入口和样气出口；所述干腔底部设有载气入口和载气出口；
所述水蒸气浓度检测系统包括多次反射池、DFB激光器、光电探测器和激光器驱动及处理单元；所述多次反射池安装在干腔内；所述DFB激光器的输入端与激光器驱动及处理单元的输出端相连，DFB激光器的输出端通过入射光纤与多次反射池相连；所述光电探测器的输入端通过出射光纤与多次反射池相连，光电探测器的输出端与激光器驱动及处理单元的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：所述湿腔与干腔之间设有O型密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：所述激光器驱动及数据处理单元分别通过信号电缆与DFB激光器、光电探测器相连。
4.根据权利要求1所述的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：所述DFB激光器和光电探测器的封装结构均采用了无水密封处理。
5.根据权利要求1所述的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：所述DFB激光器的输出波长为1368.5±0.5nm。
6.根据权利要求1所述的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：所述多次反射池包括固定轴和分别设置在固定轴左右两端的两面镜子；所述干腔内壁上开设有固定槽，多次反射池的端部通过紫外胶固定在固定槽内。
7.根据权利要求1所述的一种检测薄膜水蒸气透过率的测试装置，其特征在于：所述干腔侧壁上开设有两条光纤通道。
8.根据权利要求1~7任意一项所述的测试装置的测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）恒定温度恒定水蒸气饱和度的高湿气体以固定的流速由样气入口进入湿腔，高湿气体中的一部分水蒸气透过检测薄膜进入干腔，剩余的水蒸气随高湿气体由样气出口排出到空气中；
（2）干燥载气以恒定的流速由载气入口进入干腔内，与通过检测薄膜渗透过来的高湿气体中的水蒸气进行混合后，由载气出口排出到空气中；
（3）在固定温度和电流的驱动下，DFB激光器扫描输出波长为1368.5±0.5 nm的激光，激光由入射光纤进入到干腔中的多次反射池，激光与干腔中的气体相互作用后，经出射光纤传输到光电探测器中；
（4）光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，并将该电信号通过信号信号电缆传输给激光器驱动及数据处理单元，激光器驱动及数据处理单元对信号进行采集、计算，最终解调得到测量区域的水蒸气浓度，并将该浓度信息通过串口发送给上位机。
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