[发明专利]一种基于温度推算气体浓度的方法

说明书

本发明公开了一种基于温度推算气体浓度的方法，将空气组分和低温工质泄漏后形成的低温蒸气视为理想气体，取任一单元体，忽略外部热量输入，认为任一j时刻时空气组分与饱和态低温蒸气混合过程为绝热混合；确定单元体能量守恒方程和质量守恒方程，在环境条件已知情况下，调用NIST物性数据库，通过监控测点温度的变化，利用绝热混合理论推算出j时刻低温蒸气浓度。本发明可适用于低温、高湿环境，响应速度快，且感应范围覆盖低浓度至高浓度区。

技术领域

本发明属于热力学及传感器技术领域，具体涉及一种基于温度推算气体浓度的方法。

背景技术

在能源化工领域，浓度传感器常用来监测有毒、可燃气体的泄漏问题，以预防大规模灾害事故发生。对于液氢、液化天然气(LNG)、液态二氧化碳、液氨、液态制冷剂等工质，由于常压下沸点低于0℃，除了上述存在有毒/燃爆危险外，还存在低温冻伤的危险。

现有气体浓度传感器的不足在于：

1)接触燃烧式、热电转换式、半导体式、电阻式、光学式等传感器，其响应时间从4～5s至上百秒不等，对于瞬态浓度测量并不适用，虽有极少传感器响应时间可达1s，但价格昂贵。

2)现有传感器最低工作温度多为-20～-30℃，前述低温工质在常压下的饱和蒸气温度多低于这一温度范围。

3)现有传感器最高允许湿度为95％左右，在空气达到露点温度后误差较大，而随着低温蒸气与环境空气的混合，其云团内部温度将可能低于露点温度，即湿度达到100％。

4)通常，传感器的测量浓度越低，其感应范围越窄，反之，在高浓度区感应范围较宽，因此，为了监测准确，同一测点需要配备若干高、中、低浓度传感器搭配组合，经济性不佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于温度推算气体浓度的方法，可适用于低温、高湿环境，响应速度快，且感应范围覆盖低浓度至高浓度区。

本发明采用以下技术方案：

一种基于温度推算气体浓度的方法，将空气组分和低温工质泄漏后形成的低温蒸气视为理想气体，取任一单元体，，认为任一j时刻时空气组分与饱和态低温蒸气混合过程为绝热混合；确定单元体能量守恒方程和质量守恒方程，在环境条件已知情况下，调用NIST物性数据库，通过监控测点温度的变化，利用绝热混合理论推算出j时刻低温蒸气浓度。

具体的，单元体中的空气包含氧气、氮气和水蒸气，外部热量输入包括地表换热和太阳辐射；

初始状态下单元体内部为温度的纯质湿空气，氧气、氮气在干空气中的初始体积分数分别为21％、79％；

j时刻单元体温度为此时单元体内温度为的纯质湿空气，被温度为T_v，sat的低温蒸气冷却至温度温度为T_v，sat的低温蒸气被温度为的纯质湿空气加热至温度

若则前后状态无变化，低温蒸气浓度相等。

具体的，单元体的能量守恒方程为：

其中：为j时刻空气组分i的质量；为温度下j时刻空气组分i的平均比热容；为j时刻与0时刻混合气体的温差；为j时刻绝热系统的饱和低温蒸气的质量；为温度下j时刻低温蒸气的平均比热容；为j时刻低温蒸气的温度与其对应大气压力下饱和温度T_v，sat的差值；为j时刻水蒸气冷凝或凝华的质量；为j时刻水蒸气冷凝或凝华的相变潜热。

进一步的，j时刻与0时刻混合气体的温差如下：

j时刻低温蒸气的温度与其对应大气压力下饱和温度T_v，sat的差值如下：