一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，其通过建立单一弛豫的声谱表达式，在ωτ＝1时，得到声谱的单一弛豫过程的通用表示形式，进而得到多模式弛豫过程有效热容的表达形式，通过测量2*N个频率点的声吸收系数αr(ω)和声速c(ω)，得到2*N个无量纲声弛豫吸收系数μm(ω)，从2*N个方程中解出N个εi和τi的值，并将N个εi和τi的值代入原方程中，就可以得到μm(ω)关于ω＝2πf的谱线，即可重建多模式弛豫过程。本发明专利技术测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法不仅操作简单，而且能够精准地重构多模式弛豫过程的完整谱线，为基于声谱分解的气体传感器精确测量技术，提供了一种适应性更强、可实用化的声谱测量方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体传感器
，涉及一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法。技术背景目前能够检测气体成分的传感技术主要有：化学反应、半导体、气相色谱和红外光谱吸收、热传导等技术，但这些技术存在着各自的优缺点。基于声谱的混合气体分子多模式弛豫过程测量的气体传感器技术，原理是利用不同频率的声吸收和声速频散谱线具有随气体成分改变而改变的特性，从而可以直接获得气体分子结构信息的突出优势，能够检测出混合气体的不同种类和浓度，是目前新兴的最有潜力的气体传感技术之一。在环境监测、气体排放、工业过程控制等领域具有广泛的应用前景。它测量方法简单、测量精度高、寿命长、能够无损检测和实时在线检测、省去了其他气体传感器需要校准的麻烦。传统声谱的测量方法中，操作人需要不断变化气体腔体的压强，需要测量气体密度和压强等繁琐的操作过程，并且只能得到粗糙的单弛豫过程谱线。为了克服传统的声谱测量方法中需要不断改变气体压强的情况，论文“SynthesizingPrimaryMolecularRelaxationProcessesinExcitableGasesUsingaTwo-FrequencyReconstructiveAlgorithm”(A.G.Petculescu,R.M.Lueptow.PhysicalReviewLetters,2005,94(23):238301)提出了一种无需改变腔体压强、基于两个频率点的声测量值合成气体分子弛豫过程热容的重建算法。这种算法是利用气体的有效热容和频率之间的关系进行重建，需要测量气体的密度和压强，测量方法繁琐而复杂。为了解决上述问题，论文“Algorithmforcapturingprimaryrelaxationprocessesinexcitablegasesbytwo-frequencyacousticmeasurements”(K.S.Zhang,S.Wang,M.Zhu,Y.Ding.MeasurementScienceandTechnology,2013,24(5):055002.)利用声弛豫谱和频率之间的关系，改进了Petculescu和Lueptow(简称为PL)提出的算法，不需要改变气体腔体的压强，不需要测量气体密度和压强，简化了测量方法和测量操作。但是这种快速测量方法适应于混合气体中只有一个主要的内部弛豫过程情况，不适用有多个主要的弛豫过程的混合气体，将导致一些重要的弛豫信息丢失。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，该方法通过测量2*N个频率点的声吸收和声速值，通过算法得到N个单弛豫过程的弛豫时间和弛豫强度，从而精确的重建整个多模式弛豫过程，省去了测量密度和压强的繁琐操作。为实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，该方法包括如下步骤：(1)确定单一弛豫的声谱表达式为：其中，表示平动和转动热容之和，表示分子的振动热容，ω＝2πf为角频率，f为频率，τ为弛豫时间，(2)根据单一弛豫的声谱表达式，在ωτ＝1时，得到声谱的单一弛豫过程的通用表示形式：其中，μi(ω)表示无量纲弛豫吸收系数，R为气体普适常数；(3)假定混合气体中包含W种分子种类，有N种振动模式，多模式弛豫过程的有效热容是分子内部单一弛豫过程之和：其中，τi定义为在整个多模式弛豫过程中的内部单一弛豫过程的豫时间；(4)定义峰值为弛豫时间τi相对应的弛豫强度，得到：其中，αr(ω)为声吸收系数，λ是声波波长，c(ω)为声速值；(5)测量2*N个频率点的声吸收系数αr(ω)和声速c(ω)，得到2*N个μm(ω)，从2*N个方程中解出N个εi和τi的值，并将N个εi和τi的值代入步骤(4)，得到μm(ω)关于ω＝2πf的谱线，即可重建多模式弛豫过程。进一步地，所述分子的振动热容为：其中，g为振动模式的简并度，θint为振动特征温度，T0为温度。进一步地，所述振动特征温度θint为：其中：h为普朗克常量，kB为玻尔兹曼常量，υ为振动频率。进一步地，所述单一弛豫的声谱表达式的获得方法为：(11)声波在气体中传播，其有效角波数可写为声速c(ω)和分子弛豫吸收系数αr(ω)表达的形式：(12)用μ(ω)表示无量纲弛豫吸收系数，μ(ω)可用有效角波数实部和虚部表示：其中，为有效角波数的虚部，为有效角波数的实部；(13)与有效热容存在如下关系：其中，ρ0和p0分别为平衡时气体的密度和压强；(14)令得到气体多模式弛豫过程的声谱表示形式：(15)可以将一个多模式弛豫过程的声谱分解成多个单一弛豫过程的声谱表达式。进一步地，所述多模式弛豫过程的实部和虚部的负数为：总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术的方法，通过测量2*N个频率点的声吸收和声速值，通过算法得到N个单弛豫过程的弛豫时间和弛豫强度，从而精确的重建整个多模式弛豫过程，省去了测量密度和压强的繁琐操作；(2)本专利技术的方法，改进了张克声算法中在某些情况下导致一些重要弛豫信息丢失的弱点，更准确的重建了混合气体的分子弛豫谱，为基于声弛豫谱的气体传感技术的精确测量，提出了一种适应性更强、可实用化的测量方法。附图说明图1(a)为本专利技术实施例中的气体分子弛豫过程的重构示意图，混合气体为40％CH4-10％Cl2-50％N2；图1(b)为本专利技术实施例中的气体分子弛豫过程的重构示意图，混合气体为5％CH4-95％N2；图2(a)为本专利技术的另一实施例中的气体分子弛豫过程的重构示意图，混合气体为10％CO2-90％O2，T＝600K；图2(b)为本专利技术的另一实施例中的气体分子弛豫过程的重构示意图，混合气体为10％CO2-90％O2，T＝450K。具体实施方式为了更加清晰地解释本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术实施例的一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，其具体过程如下：当声波在气体中传播时，其有效角波数可写为声速c(ω)和分子弛豫吸收系数αr(ω)表达的形式：其中ω＝2πf为角频率，f是频率，用μ(ω)表示无量纲弛豫吸收系数αr(ω)λ，其中λ是声波波长，波长等于声速除以频率。μ(ω)可用有效角波数实部和虚部来表示：其中，为有效角波数的虚部，为有效角波数的实部。在热力学中，与有效热容存在如下关系：其中ρ0和p0分别表示平衡时气体的密度和压强，R＝8.31J·mol-1·K-1是气体普适常数。从公式(2)和公式(3)可以看出，有效热容决定了气体的声谱和弛豫过程。把公式(1)和公式(3)取平方，联立公式(2)，令可以得到：x(ω)和y(ω)分别是有效热容的实部和虚部的负数。公式(4)是气体单一弛豫过程和多模式弛豫过程的声谱表示形式，利用这个公式，可以将一个多模式弛豫过程的声谱分解成多个单一弛豫过程的声谱。单一弛豫下的声谱表达式为：其中τ表示弛豫时间，表示外部热容，也就是分子的平动热容和转动热容之和，对于双原子和线性分子，对于非线性分子，表示分子的振动热容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)确定单一弛豫的声谱表达式为：CVeff(ω)=CV∞+Ciint1+jωτ]]>其中，表示平动和转动热容之和，表示分子的振动热容，ω＝2πf为角频率，f为频率，τ为弛豫时间，(2)根据单一弛豫的声谱表达式，在ωτ＝1时，得到声谱的单一弛豫过程的通用表示形式：μi(ω)=AiCiintωτi1+(ωτi)2]]>Ai=πRCV∞2+RCV∞+CV∞Ciint+RCiint/2+(Ciint)2/2]]>其中，μi(ω)表示无量纲弛豫吸收系数，R为气体普适常数；(3)假定混合气体中包含W种分子种类，有N种振动模式，多模式弛豫过程的有效热容是分子内部单一弛豫过程之和：μm(ω)=Σi=1Nμi(ω)=Σi=1NAiCiintωτi1+(ωτi)2]]>其中，τi定义为在整个多模式弛豫过程中的内部单一弛豫过程的豫时间；(4)定义峰值为弛豫时间τi相对应的弛豫强度，得到：μm(ω)=Σi=1N2ϵiωτi1+(ωτi)2]]>其中，αr(ω)为声吸收系数，λ是声波波长，c(ω)为声速值；(5)测量2*N个频率点的声吸收系数αr(ω)和声速c(ω)，得到2*N个μm(ω)，从2*N个方程中解出N个εi和τi的值，并将N个εi和τi的值代入步骤(4)，得到μm(ω)关于ω＝2πf的谱线，即可重建多模式弛豫过程。...

【技术特征摘要】
1.一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)确定单一弛豫的声谱表达式为：CVeff(ω)=CV∞+Ciint1+jωτ]]>其中，表示平动和转动热容之和，表示分子的振动热容，ω＝2πf为角频率，f为频率，τ为弛豫时间，(2)根据单一弛豫的声谱表达式，在ωτ＝1时，得到声谱的单一弛豫过程的通用表示形式：μi(ω)=AiCiintωτi1+(ωτi)2]]>Ai=πRCV∞2+RCV∞+CV∞Ciint+RCiint/2+(Ciint)2/2]]>其中，μi(ω)表示无量纲弛豫吸收系数，R为气体普适常数；(3)假定混合气体中包含W种分子种类，有N种振动模式，多模式弛豫过程的有效热容是分子内部单一弛豫过程之和：μm(ω)=Σi=1Nμi(ω)=Σi=1NAiCiintωτi1+(ωτi)2]]>其中，τi定义为在整个多模式弛豫过程中的内部单一弛豫过程的豫时间；(4)定义峰值为弛豫时间τi相对应的弛豫强度，得到：μm(ω)=Σi=1N2ϵiωτi1+(ωτi)2]]>其中，αr(ω)为声吸收系数，λ是声波波长，c(ω)为声速值；(5)测量2*N个频率点的声吸收系数αr(ω)和声速c(ω)，得到2*N个μm(ω)，从2*N个方程中解出N个εi和τi的值，并将N个εi和τi的值代入步骤(4)，得到μm(ω)关于ω＝2πf的谱线，即可重建多模式弛豫过程。2.根据权利要求1所述的一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法，其特征在于，所述分子的振动热容为：Ciint=gR(θintT0)e...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱明，张向群，刘婷婷，王殊，汪念，李彩云，徐梦玲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42