[发明专利]一种利用解耦声弛豫谱探测氢气混合气体的方法及系统

说明书

本发明公开了一种利用解耦声弛豫谱探测氢气混合气体的方法及系统，属于混合气体探测技术领域，解决了现有技术中探测氢气混合气体的低精度、高成本、高设备要求的问题。一种利用解耦声弛豫谱探测氢气混合气体的方法，包括以下步骤：将解耦的氢气转动弛豫定压热容表达式结合振动弛豫解耦模型，得到转动与振动混合弛豫解耦总模型；采集声波在混合气体中的声速、声弛豫吸收系数以及混合气体的压强和密度；根据热力学的有效声速和有效角波数表达式、声波在气体传播中的有效热力学声速平方表达式以及转动与振动混合弛豫解耦总模型，得到混合气体成分的比例。实现了较高精度、低成本、低设备要求的探测出氢气混合的气体比例。

技术领域

本发明涉及混合气体探测技术领域，尤其是涉及一种利用解耦声弛豫谱探测氢气混合气体的方法及系统。

背景技术

氢气是一种重要的工业气体，目前能够探测氢气方法很多：化学反应方法使用寿命比较短；半导体方法适用场景单一，灵敏度受环境温湿度变化较大，经常需要校准；光谱方法对技术和设备要求高，成本过高；其中，利用解耦声弛豫谱进行氢气检测是一种新兴的交叉学科的气体传感技术之一，原理是利用解耦的声弛豫谱获得气体分子结构和组分，进而检测出氢气混合气体的种类和浓度。

发明内容

本发明的目的在于至少克服上述一种技术不足，提出一种利用解耦声弛豫谱探测氢气混合气体的方法及系统。

一方面，本发明提供一种利用解耦声弛豫谱探测氢气混合气体的方法，包括以下步骤：

根据氢气各转动能量之间的转移概率方程及氢气转动能量转移概率矩阵，得到内部自由度分子数目变化率的数值解，由所述内部自由度分子数目变化率的数值解得到解耦的氢气转动弛豫定压热容表达式，将解耦的氢气转动弛豫定压热容表达式结合振动弛豫解耦模型，得到转动与振动混合弛豫解耦总模型；

采集声波在混合气体中的声速、声弛豫吸收系数以及混合气体的压强和密度；

根据所述声速、声弛豫吸收系数以及混合气体的压强和密度，并根据热力学的有效声速和有效角波数表达式、声波在气体传播中的有效热力学声速平方表达式以及转动与振动混合弛豫解耦总模型，得到混合气体成分的比例。

进一步地，根据氢气各转动能量之间的转移概率方程及氢气转动能量转移概率矩阵，得到内部自由度分子数目变化率的数值解，具体包括：将所述氢气各转动能量之间的转移概率方程

简写为(B+iωI)x＝D,其中，x_J＝dN_J/dT，E为氢气的转动级能，B为转动能量转移概率矩阵，B_IJ＝k_IJ，B_JI＝k_JI，k_JI为氢气各转动能量之间的转移概率，I为单位矩阵，ω为角频率，I，J表示转动能级所处的量子数，I≠J，M为量子数总量，T为温度，N_I、N_J为转动能级分子数目；

由所述氢气各转动能量之间的转移概率方程及氢气转动能量转移概率矩阵B，获取内部自由度分子数目变化率的数值解

其中，V_Jn、d′_n分别为矩阵V、D的元素，矩阵V为氢气转动能量转移概率矩阵B的特征向量矩阵，λ_n是矩阵B第n个特征值。

进一步地，由所述内部自由度分子数目变化率的数值解得到解耦的氢气转动弛豫定压热容表达式，具体包括：

将所述内部自由度分子数目变化率的数值解x_J代入氢气的有效定压热容表达式，得到解耦的氢气转动弛豫定压热容表达式