[发明专利]一种可激发气体压力容器压强测量方法

说明书

本发明公开了一种可激发气体(双原子或多原子分子气体，例如：天然气、二氧化碳、氯气)压力容器压强测量方法，在气体压力容器中放置频率分别为f₁和f₂的两对超声探头以及热电偶，两对超声探头分别获得两个选定的频点f₁和f₂上声吸收系数α(f₁)、α(f₂)和声速c(f₁)、c(f₂)的测量值，用于合成气体的声弛豫频率f_m；由热电偶测量得到的当前气体温度，以查表方式获得当前气体温度下在1个标准大气压(即1atm＝101.325kPa)时的气体参考声弛豫频率f₀；由合成声弛豫频率f_m和参考声弛豫频率f₀获得气体容器压强。本发明具有在线检测、无损检测、快速响应、微低功耗、组成简单、长时间工作稳定、以及测量精度高等优点。

技术领域

本发明涉及气体压力容器内压强监测领域，具体涉及一种可激发气体压力容器压强测量方法。

背景技术

气体压力容器的一个重要热工参数是压强(工业测量中亦称为压力)。一方面许多工艺要求在特定的压力下才能取得预期效果，则需要获得容器压强的精确数值；另一方面为了提高生产效率，许多化学反应需在高压下进行，监测和控制气体压力容器内的压强是整个生产过程中一个重要环节；第三，生产、运输过程中的一些操作失误或者发生剧烈、异常的化学反应会导致容器内压强迅速升高，为防止压力容器的损坏和事故的发生，应实时、有效地监控容器内的压强状态。根据敏感元器件及转换原理不同，传统压强检测方法通常可分为四类，即液体压力计、弹性式压力计、电远传式压力仪表和物性型压力传感器。气体压力容器具有高参数、大型化、长周期运行等发展趋势。然而，传统的气体压力容器压强测量方法存在成本高、实现复杂、响应时间较长而不适合现场气体检测的缺点。因此，研究一种低成本、组成简单、可实时监测的非入侵式的气体压力容器压强检测方法具有重要意义。

声波在可激发气体(双原子或多原子分子气体)中传播时，气体分子的平动能在声压缩时会首先增加，增加的部分平动能可能会通过气体分子间的非弹性碰撞进入分子内部振动模式使其发生能级激发。这部分声激发能则在声膨胀时发生热弛豫过程而发生损耗，进而影响到声传播特性造成随频率变化的声弛豫吸收。弛豫过程中振动模式温度变化相对于平动温度或声波变化的相位滞后时间被称为振动弛豫时间。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，而分子内外自由度能量转移速率由外界环境温度、压强，以及气体分子振动频率、质量、几何结构、成分构成比例等因素共同决定。当弛豫时间远大于声学量变化时间(即声频率的倒数)时，以及当弛豫时间远小于声学量变化时间时，内外自由度之间未发生能量交换，不会有弛豫吸收产生；只有当二者相接近时，内外自由度之间发生了能量交换，才会产生弛豫吸收。这造成可激发气体会出现具有峰值点的“钟形”声吸收谱。声吸收谱的峰值点所对应的频率称为声弛豫频率。申请人经过长期研究发现声弛豫频率由分子内外自由度热容、声学量变化时间和分子振动弛豫时间的匹配度、外部环境温度和压强所共同决定。声弛豫频率正比于环境温度，声弛豫频率线性反比于主弛豫过程的弛豫时间，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。另外，通过两频点上的声吸收系数和声速测量值可合成声弛豫频率。所以，可通过两频点上的声测量值获得气体容器内的压强信息。具体而言，声吸收谱峰值点对应的声弛豫频率f_m可由构成主弛豫过程有效热容的三个要素——平动和转动热容之和振动耦合热容弛豫时间τ共同决定，即：

其中，R＝8.31J mol^-1K^-1是摩尔气体常量，平动和转动热容之和仅取决于气体分子的几何结构而与环境温度和压强均无关，振动耦合热容是气体中各振动热容通过V-V能量转移耦合形成正比于温度而与压强无关，弛豫时间τ正比于温度而线性反比于压强。可见，一方面，对于一定成分的气体，f_m正比于环境温度；另一方面，对于一定成分的可激发气体，当环境温度一定时，声弛豫频率会随压强的增加而线性增大。