基于声吸收谱峰值点的天然气燃烧特性检测理论

天然气的成分构成会随产地来源变化而不同, 使其具有不同的燃烧特性和经济价值.本文利用声吸收谱峰值点随气体成分变化而改变的声分子弛豫现象, 提出一种天然气燃烧特性检测理论.它基于两频点上声测量值可合成声吸收谱峰值点, 且依赖于频率的声吸收谱可由峰值点重建的物理原理; 可利用峰值点对应的特征量——弛豫频率和弛豫吸收最大值与气体成分的关系, 从两个维度同时定量检测天然气成分.该理论避免了传统上测量声吸收谱峰值点方法需要不断改变气体腔体压强的问题, 还具有无需测量气体密度的优点.     

可激发气体振动弛豫时间的两频点声测量重建算法

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 Phys.Rev.Lett.94 238301]的弛豫过程合成算法,推导了单一压强下两频点声测量值的弛豫时间重建算法.该算法可应用于等温、绝热定压、绝热定容弛豫时间和弛豫频率的重建测量,并避免了弛豫时间传统声测量方法需要不断改变气体腔体压强的问题.仿真结果表明,对于室温下CO_2,CH_4,Cl_2,N_2和O_2组成的多种气体,重建的弛豫时间和弛豫频率与实验数据相符.     

声弛豫过程影响下的气体平衡态热容合成方法及其在气体检测中的应用

声扰动形成的分子振动弛豫过程使得气体热容成为依赖于声频率的有效热容,导致随频率变化的声速频散和声弛豫吸收。本文基于单弛豫过程合成算法,提出一种基于两频点声速和声吸收测量值的气体平衡态热容合成方法。该方法两个测量声频点只需在声弛豫吸收显著的频率范围即可分别合成可激发气体分子内外自由度热容,并有效消除声弛豫过程对气体平衡态热容测量结果的影响。对于室温下由CO₂、CH₄、Cl₂、N₂和O₂组成的多种气体,合成的气体热容值与基于Planck-Einstein公式的热力学理论计算结果相符,相比实验数据最大相对误差为3.51%。合成的转动和振动热容还可应用于气体分子几何结构、振动频率大小和混合气体摩尔分数的检测。      

基于三频点声速测量的气体压强合成算法

利用声速测量精度高, 测量方法简单的特点, 提出一种基于三个频率点测量声速合成气体压强的算法。首先在三个频率点测量声速, 然后计算得到声速频散谱拐点的弛豫频率, 最后根据弛豫频率与压强成线性正比的关系得到气体压强, 仿真结果验证了该算法的可行性。为在线实时检测气体腔体压强提供了一种技术简单、精度高的超声方法。     

基于混合气体分子复合弛豫模型的一氧化碳浓度检测算法

研究了声波通过混合气体时,复合弛豫声吸收和声速与气体各成分浓度和声频率之间的依赖关系.以一氧化碳气体、水蒸气、氮气和氧气的混合气体为例,分别建立了弛豫声吸收和声速与气体浓度的三维模型,以及弛豫声吸收与声频率的二维模型.完成了通过测量弛豫声吸收和声速计算一氧化碳气体浓度的算法推导,提出了一种依据弛豫声吸收和声速检测气体浓度的简化算法.仿真实验结果不仅证明了算法的理论可行性,还给出了算法的最佳适用声频率范围,并估计了将算法应用于实验的误差原因,证明了算法具有实际可行性. 关键词： 气体浓度声学检测 一氧化碳浓度检测 复合弛豫声吸收 声速     

多元可激发气体声弛豫频率的环境影响分析

推导多元可激发气体中声弛豫频率和环境温度、压强的解析关系.理论分析和仿真计算表明：声弛豫频率线性反比于主弛豫过程的弛豫时间,正比于主弛豫过程的振动耦合热容,反比于外自由度热容;温度升高导致振动耦合热容增加、内外自由度能量转移速率增大引起弛豫时间减少,进而造成声弛豫频率正比于环境温度;压强增加使得分子碰撞速率增加引起弛豫时间减少,进而使得声弛豫频率线性正比于环境压强.     

混合气体声复合弛豫频谱的解析模型

为研究声传播和分子多模式振动能量弛豫的相互关系,本文提出了一种混合气体声 复合弛豫频谱的解析模型.该模型从振动模式微观能量转移及其耦合形成宏观弛豫过程两个角度, 分析了依赖于声频率的混合气体有效热容.并通过求解振动模式能量转移的通用弛豫方程, 最终得到可同时体现主副弛豫过程的声弛豫吸收和声频散的解析结果.仿真结果表明, 对于CO₂, CH₄, N₂和O₂组成的多种混合气体, 该模型的声吸收谱与实验数据相符,峰值误差在1%以内,且反映了多振动模式形成的 声复合弛豫吸收谱上通常仅会显现1-2个吸收波峰的物理现象.与已有模型相比, 本解析模型可直接求出混合气体声弛豫频谱上特征点的解析形式,并利于对其进行定性定量分析. 从而为研究声传播特性与气体分子弛豫特性的相互关系提供了一个有效理论模型.     

基于光谱吸收率积分的气体浓度测量方法

气体的光谱吸收率是Lambert-Beer定律对气体进行定性定量分析的重要依据,光谱吸收率积分值是描述气体吸收特性的一个重要参量。根据所测气体的吸收光谱图,通过从HITRAN数据库中查询得到所需数据,选择其中一条吸收光谱,计算出光谱吸收率在频域上的积分值,然后把积分值代入Lambert-Beer定律便可以求出所测气体的浓度值。计算光谱吸收率的积分值,能够避开复杂的线型函数的计算,不需要通过标准气体进行校准,从而更加简捷、快速地求出气体浓度值。鉴于温度变化会引起相应的压强的变化,同时在压强不随温度变化以及压强随温度共同变化这两种情况下,对光谱吸收率积分值随温度的变化规律进行了研究。总结出在这两种情况下,光谱吸收率在频域上的积分值总是随着温度的增加而增加,当增加到一定温度时,光谱吸收率在频域上的积分值随着温度的增加而减小,最后趋于稳定,但是两种情况下光谱吸收率积分值变化趋势的范围有所不同。最后通过实验验证计算光谱吸收率在频域内的积分值时需要同时考虑温度的变化以及温度导致的相应的压强的变化,此时吸收率积分值相对误差约为1%;只考虑温度的变化而不考虑压强随温度的变化,吸收率积分值的相对误差值大于1%而且逐渐变大。研究温度对光谱吸收率积分值的影响,可以在使用光谱吸收率积分值计算气体浓度时,选择合适的温度范围即更稳定的吸收区,从而减少温度对测量结果带来的误差。     

可激发气体分子声弛豫过程振动模式能量转移速率计算

研究可激发气体中振动模式能量转移速率和声弛豫过程形成的关系,将单一气体Tanczos弛豫方程理论[J.Chem.Phys.25,439(1956)]扩展应用于混合气体中振动模式的振动-振动(V-V)和振动-平动(V-T)能量转移速率的计算。在室温下CO₂,CH₄,CL₂,N₂和O₂组成的多种混合气体中,振动模式能量转移速率的计算结果表明:对于多个振动模式所形成的声复合弛豫过程,各振动模式的声激发能可由V-V能量转移相互耦合后传递给具有最快V-T转移速率的最低振动频率振动模式,再通过该振动模式的V-T转移退激发形成主弛豫过程。这种选择最快转移路径的声激发量弛豫方式,造成了大多数可激发气体中声弛豫吸收谱的实测数据只存在一个吸收峰的现象。从而提供了一个可通过计算微观振动能量转移速率分析混合气体声弛豫过程形成机理的理论模型。      

基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响,因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移,且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽,因此仅考虑压力展宽。利用压力展宽、频移的大小与气体压强存在的函数关系,提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。通过扫描碱金属原子的吸收光谱,得到光学深度曲线,并用洛伦兹函数对其拟合,测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移,再根据已知的单种、单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移,联立计算得到多种气体各自的压强。当存在n种碱金属时,最多可以测量4n种混合气体的压强。仿真结果表明,该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况;激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响低于0.4%的数量级,而温度波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响高达30%的数量级。     

Synthesizing primary molecular relaxation processes in excitable gases using a two-frequency reconstructive algorithm

Identifying molecular relaxation processes in excitable gases remains challenging. An algorithm that reconstructs the primary relaxation processes is presented. Based on measurements of acoustic attenuation and sound speed at two frequencies, it synthesizes the entire frequency dependence of the complex effective specific heat of the gas, which is the macroscopic "footprint" of relaxation effects. The algorithm is based on the fact that for a simple relaxation process, such as occurs in many polyatomic gases at temperatures around 300 K, the effective specific heat traces a semicircle in the complex plane as a function of frequency. Knowing the high-frequency or instantaneous value of the specific heat provides the capability to not only sense the presence, but also infer the nature and, for mixtures of unlike-symmetry molecules, the concentration of foreign molecules leaking in a host gas.     

Calculating vibrational mode contributions to sound absorption in excitable gas mixtures by decomposing multi-relaxation absorption spectroscopy

Sound relaxational absorption spectroscopy of excitable gas mixtures is potentially applied for gas composition detection. The relaxation of vibrational modes of gas molecules determines the sound relaxational absorption. However, to our knowledge, the contribution of each vibrational mode available in gas mixtures to sound multi-relaxation absorption has not been calculated in existing literature. In this paper, based on the decoupled expression of the effective isochoric molar heat for a gas mixture, a sound multi-relaxation absorption spectrum is decomposed into the sum of single-relaxation spectra. From this decomposable characteristic, the contribution of each vibrational mode available in the gaseous medium to the multi-relaxation absorption is obtained at room temperature. For various gas compositions including carbon dioxide, methane, nitrogen etc., the calculated contributions of vibrational modes are verified by the comparison with experiment data. We prove the following views with quantifiable outcomes that the primary molecular relaxation process associated with the lowest mode plays the major role in acoustic relaxational absorption of gas mixtures; the mode with lower vibrational frequency provides higher contribution to the primary relaxation process. This work could provide a deeper insight into the relationship between the sound relaxational absorption spectroscopy and gas molecules.     

Calculation of vibrational energy transition rates in acoustic relaxation processes for excitable gas molecules

To research the correlation between vibrational energy transition rates and acoustic relaxation processes in excitable gases, the vibrational relaxation theory provided by Tanczos [J.Chem. Phys. 25, 439(1956)] is applied to calculate the energy transition rates of VibrationalVibrational(V-V) and Vibrational-Translational(V-T) energy transfer in gas mixtures. The results of calculation for the multi-relaxation processes in various gas mixtures, consisting of carbon dioxide, methane, chlorine, nitrogen, and oxygen at room temperature, demonstrate that the acoustic energy stagnated in every vibrational mode is coupled with each other through V-V energy exchanges. The vibrational excitation energy will relax through the V-T de-excitation path of the lowest mode because of its fastest V-T transition rate, resulting in that only one absorption peak can be measured for most of excitable gas mixtures. Thus, an effective model is provided to analyze how the vibrational energy transition rates affect the characteristics of acoustic relaxation processes and acoustic propagation in excitable gas mixtures.