CN108645910B - 一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，包括：对于不同种类的混合气体，计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，所有种类混合气体的声速有效探测区域构成最终的声速有效探测区域；计算待测气体的声速谱线拐点；在最终的声速有效探测区域定位待测气体声速谱线拐点，分析得到待测气体成分。本发明通过声速谱线的拐点坐标和声速的有效探测区域来定性确定气体成分，可以仅需要测量声速值就能确定气体浓度组成，有效的避免了声吸收系数的测量，减小了测量误差和降低了设备投入成本，是一种更加高效廉价的气体探测方法。

Description

一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法。

背景技术

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、气相色谱法和红外光谱吸收、吸热导等技术，但这些技术存在各自的优缺点。基于声谱的气体传感器技术，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器技术之一。在环境监测、气体排放、工业过程等领域具有广泛的应用前景。

2012年，Petculescu等人提出了利用整条声吸收谱线来探测气体成分的方法。该方法成立是基于混合气体中声传播谱线因气体组成不同而产生较大差异的事实，需要测量完整的声吸收谱线。但实际情况中获取整个宽频率范围内的声传播谱存在较大困难，需要改变腔体压强来获得对应的频率，此外还需要测量气体密度，会导致设备昂贵复杂且不满足实时探测需求，因此该探测方法不适合大规模推广。

2014年，胡轶提出了基于声弛豫特征点建立有效探测域来探测混合气体组成的方法，第一次将具体的声传播值应用于气体传感设计中，为声学传感器的设计提供理论指导。该探测方法需要测量两个频率点处的声衰减系数和声速值，而声衰减系数通常数值很小，需要放大电路导致投入增加，设备成本比较高且可能存在较大的测量误差和计算误差，不适合工业大规模推广。

综上，现有的探测气体成分的方法，需要测量参数多、测量成本高、测量误差大，不适合大规模推广。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，本发明可以仅需要测量声速值就能确定气体浓度组成，有效的避免了声吸收系数的测量，减小了测量误差和降低了设备投入成本，是一种更加高效廉价的气体探测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，该方法包括以下步骤：

S1.对于不同种类的混合气体，计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，所有种类混合气体的声速有效探测区域构成最终的声速有效探测区域；

S2.计算待测气体的声速谱线拐点；

S3.在最终的声速有效探测区域定位待测气体声速谱线拐点，分析得到待测气体成分。

具体地，声速谱线表达式如下：

其中，c_s表示弛豫声速，ε表示弛豫强度，τ表示弛豫时间，ω＝2πf表示声波角频率，f表示超声波传感器的工作频率；c_S(∞)表示最大声速值。

具体地，步骤S1中所述计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，具体包括：

首先，保持混合气体的浓度比例不变，然后将环境温度作为变化参数，其值从273K以1K为步长递增到323K，得到对应的声速拐点；其次，保持环境温度不变，让混合气体中的一种气体的浓度分别从1％以1％为步长递增到99％，得到对应的声速拐点；最后，将这些声速拐点坐标放在同一坐标系下创建一个对应的区域，称为该混合气体的声速有效探测区域。

具体地，步骤S2中待测气体的声速谱线计算包括以下步骤：

S201.使用工作频率分别为f₁、f₂、f₃的三个超声波传感器，测量待测气体的声速，测得声速分别为c₁、c₂、c₃；

S202.根据ω＝2πf计算声波角频率ω₁、ω₂、ω₃；

S203.将三组声速和声波角频率带入公式(1)，得到方程组；

S204.解方程组，求得τ、c_S ²(∞)、ε；

S205.将计算得到τ、c_S ²(∞)、ε代入公式(1)，得到待测气体的声速谱线表达式。

具体地，计算声速谱线的拐点坐标(f_m，c_S(ω_m))，包括以下步骤：

(1)根据公式(1)，分别令ω→0和ω→∞得到c_S ²(∞)和c_S ²(0)，拐点满足公式

求解得到c_S(ω_m)，得到声速拐点的纵坐标；

(2)将c_S(ω_m)带入公式(1)，求解出唯一的声弛豫角频率ω_m，再根据公式

求得声速谱线拐点的横坐标。

具体地，根据待测气体的声速谱线拐点所处分布区域确定该混合气体的种类。

具体地，根据待测气体的声速谱线拐点坐标和当前环境温度，提取声速谱线，声速谱线对应的浓度比例即为该混合气体的浓度比例。

总体而言，通过本发明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)本发明通过声速谱线的拐点坐标来探测气体组成，避免了声衰减系数的测量，有效的降低了设备复杂度和探测的结果误差。

(2)本发明通过声速的有效探测区域来定性确定气体成分，具有高效的探测性能。

(3)本发明提出一种新的声速谱线表达式，仅需要测量声速值就能确定气体成分，简化了基于声学弛豫过程探测气体的传感器的设计与实现过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法。

图2为本发明中CO₂/N₂混合气体的声速有效探测区域。

图3为本发明中四种混合气体在T＝273K环境温度下不同浓度比例的声速拐点分布图。

图4为本发明中不同环境温度和不同浓度比例的CO₂/N₂混合气体、N2/CH4混合气体的声速拐点的坐标分布图。

图5为本发明中未知气体弛豫拐点在有效探测区域中定位。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1.对于不同种类的混合气体，计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，所有种类混合气体的声速有效探测区域构成最终的声速有效探测区域；

S2.计算待测气体的声速谱线拐点；

S3.在最终的声速有效探测区域定位待测气体声速谱线拐点，根据该拐点所处分布区域确定该混合气体的种类；根据该拐点坐标和当前环境温度提取声速谱线确定该混合气体的浓度比例。

混合气体的主弛豫过程的声速谱线表达式如下：

其中，c_s表示弛豫声速，ε表示弛豫强度，τ称为弛豫时间，ω＝2πf为声波角频率，f是超声波传感器的工作频率；c_S(∞)表示最大声速值。该表达式中τ、c_S ²(∞)、ε的取值未知。

步骤S1中所述计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，具体包括：

首先，保持混合气体的浓度比例不变，然后将环境温度作为变化参数，其值从273K以1K为步长递增到323K，得到声速拐点；其次，保持环境温度不变，让混合气体中的一种气体的浓度分别从1％以1％为步长增长到99％，得到对应的声速拐点；最后，将这些声速拐点坐标放在同一坐标系下创建一个对应的区域，称为该混合气体的声速有效探测区域。

图2为本发明中CO₂/N₂混合气体的声速有效探测区域。如图2所示，对于混合气体CO₂/N₂，标号1-6曲线分别表示浓度分别为1％、20％、40％、60％、80％、99％CO₂与N₂混合，温度从273K以1％为步长增加到323K的声速拐点坐标分布曲线；标号7、8、9的曲线表示环境温度分别为273K、323K和293K，其混合物中CO₂的浓度从1％以1％为步长增加至99％的声速拐点坐标分布曲线。曲线1、8、6、7围成的封闭区间即为CO₂/N₂混合气体的声速有效探测区域。

步骤S1中混合气体的声速谱线的计算包括以下步骤：

S101.计算弛豫时间τ，其计算过程如下：

(1)构建能量转移速率矩阵G；

矩阵元素

矩阵元素

其中，k₁₀(j)表示第j个振动模式的量子态发生1→0的V-T过程转移速率，

表示振动模式j量子发生1->0同时振动k量子态发生0->1的V-V能量交换的转移速率，υ_j和υ_k分别表示第j个和第k个振动模式的简正频率，h表示普朗克常量，k_B表示玻尔兹曼常数，T₀表示平衡态温度。

(2)计算能量转移速率矩阵G的特征值，λ_j是G的第j个特征值，j＝1,2,…,n，n为特征值的数量；

(3)计算弛豫时间τ；

S102.计算c²(∞)，其计算过程如下：

其中，c_S(∞)表示最大声速值，ρ₀和P₀分别表示平衡态气体密度和气体压强，

表示平动和转动自由度对热容的贡献之和，线性分子

非线性分析

R表示普适气体常量。

S103.计算弛豫强度ε，其计算过程如下：

其中，R表示普适气体常量，C^int表示分子振动热容，

表示平动和转动自由度对热容的贡献之和，线性分子

非线性分析

g表示振动模式的简并度，θ^int表示振动特征温度，T₀表示平衡态温度，h表示普朗克常量，k_B表示玻尔兹曼常数，υ表示振动频率。

S104.将计算得到τ、c_S ²(∞)、ε代入公式(1)，得到该情形下该混合气体的声速谱线表达式。

步骤S2中待测气体的声速谱线计算包括以下步骤：

S201.使用工作频率分别为f₁、f₂、f₃的三个超声波传感器，测量待测气体的声速，测得声速分别为c₁、c₂、c₃；

S202.根据ω＝2πf计算声波角频率ω₁、ω₂、ω₃；

S203.将三组声速和声波角频率带入公式(1)，得到方程组；

S204.解方程组，求得τ、c_S ²(∞)、ε；

S205.将计算得到τ、c_S ²(∞)、ε代入公式(1)，得到待测气体的声速谱线表达式。

已知声速谱线表达式c_S(ω)，计算声速谱线的拐点坐标(f_m，c_S(ω_m))，包括以下步骤：

(1)根据公式(1)，分别令ω→0和ω→∞得到c_S ²(∞)和c_S ²(0)，拐点满足公式

求解得到c_S(ω_m)，得到声速拐点的纵坐标；

(2)将c_S(ω_m)带入公式(1)，求解出唯一的声弛豫角频率ω_m，再根据公式

求得声速谱线拐点的横坐标。

图3为本发明中四种混合气体在T＝273K环境温度下不同浓度比例的声速拐点分布图。图中的小横线是人为添加的折线，为了更清楚的看到声速拐点的走势。如图3所示，四种混合气体分别为：(1)N₂和CH₄混合。其中CH₄的浓度依次为:20％、40％、60％、80％和98％；(2)N₂和Cl₂混合。其中Cl₂的浓度变化为20％、40％、60％、80％和98％；(3)空气。假设空气组分包括N₂、O₂、H₂O和CO₂混合。其中N₂、O₂混合比例满足77.632:21.734，H₂O的浓度变化为0.03％至0.604％，CO₂的浓度变化为0.03％到0.5％；(4)N₂和CO₂混合。CO₂选择的浓度分别为20％、40％、60％、80％和98％。

如图3所示，不同的气体混合时，其弛豫拐点的分布区域不同，因此可以用来作为气体组分的定性探测。

图4为本发明中不同环境温度和不同浓度比例的CO₂/N₂混合气体、N₂/CH₄混合气体的声速拐点的坐标分布图。

图4(a)为在相同环境温度下T＝293K，CO₂浓度分别为20％、40％、60％、80％和98％与N₂混合下的声速拐点分布图。图4(b)为混合气体CO₂浓度为40％，环境温度分别从273K以10K为步长增加323K下的声速拐点分布图。

图4(a)和图4(b)中可以看出，对于CO₂/N₂混合气体，声速拐点的走势没有任何重复相交的关系，满足类似单调线性形式。

图4(c)为在相同环境温度下T＝293K，CH₄浓度分别为20％、40％、60％、80％和98％与N₂混合下的声速拐点分布图。图4(d)为混合气体CH₄浓度为40％，环境温度分别从273K以10K为步长增加323K下的声速拐点分布图。从图4(c)和图4(d)中可以看出，对于N₂/CH₄混合气体，其声速拐点的分布均满足类似单调上升趋势。

因此，声速拐点的唯一性可以用来探测气体混合情况下的具体浓度比例。

假设有一种未知的待测气体介质，有工作在10kHz，75kHz和215kHz的三个声速传感器，测得声速理论值分别为309.83ms^-1、314.27ms^-1和314.67ms^-1，将三组声速和频率代入声速谱线表达式，形成方程组并求解，得到该待测气体的声速谱线表达式为

根据该待测的声速谱线表达式，计算声速谱线的拐点坐标(f_m，c_S(ω_m))为(2.20*10⁴Hz,311.2ms^-1)。

图5为本发明中未知气体弛豫拐点在有效探测区域中定位。如图5所示，根据待测气体的声速谱线的拐点坐标(2.20*10⁴Hz,311.2ms^-1)，将该拐点坐标定位到声速有效探测区域中，可以看到该点位于CO₂/N₂混合的声速有效探测区域中，因此确定该混合气体为CO₂/N₂混合气体，再提取出当前环境温度293K温度对应的拐点坐标曲线，可见该拐点位于40％CO₂曲线和温度293K曲线的交叉点上，因此确定该气体为40％CO₂混合60％N₂。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.对于不同种类的混合气体，计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，所有种类混合气体的声速有效探测区域构成最终的声速有效探测区域；

S2.计算待测气体的声速谱线拐点；

S3.在最终的声速有效探测区域定位待测气体声速谱线拐点，分析得到待测气体成分；

步骤S2中待测气体的声速谱线计算包括以下步骤：

S201.使用工作频率分别为f₁、f₂、f₃的三个超声波传感器，测量待测气体的声速，测得声速分别为c₁、c₂、c₃；

S202.根据ω＝2πf计算声波角频率ω₁、ω₂、ω₃；

S203.将三组声速和声波角频率代入声速谱线表达式

得到方程组；

S204.解方程组，求得τ、c_S ²(∞)、ε；

S205.将计算得到τ、c_S ²(∞)、ε代入声速谱线表达式，得到待测气体的声速谱线表达式；

根据计算得到的待测气体的声速谱线表达式c_S(ω)，计算声速谱线的拐点坐标(f_m，c_S(ω_m))，包括以下步骤：

(1)根据该声速谱线表达式，分别令ω→0和ω→∞得到c_S ²(∞)和c_S ²(0)，拐点满足公式

求解得到c_S(ω_m)，得到声速拐点的纵坐标；

(2)将c_S(ω_m)代入该声速谱线表达式，求解出唯一的声弛豫角频率ω_m，再根据公式

求得声速谱线拐点的横坐标；

其中，c_s表示弛豫声速，ε表示弛豫强度，τ表示弛豫时间，ω＝2πf表示声波角频率，f表示超声波传感器的工作频率；c_S(∞)表示最大声速值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，具体包括：

首先，保持混合气体的浓度比例不变，然后将环境温度作为变化参数，其值从273K以1K为步长递增到323K，得到对应的声速拐点；其次，保持环境温度不变，让混合气体中的一种气体的浓度分别从1％以1％为步长递增到99％，得到对应的声速拐点；最后，将这些声速拐点坐标放在同一坐标系下创建一个对应的区域，称为该混合气体的声速有效探测区域。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据待测气体的声速谱线拐点所处分布区域确定该混合气体的种类。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据待测气体的声速谱线拐点坐标和当前环境温度，提取声速谱线，声速谱线对应的浓度比例即为该混合气体的浓度比例。

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