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驰豫过程而发生损耗，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。驰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驰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驰豫过程的弛豫时间，压强增加使得分子碰撞速率增加引起驰豫时间减少，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驰豫频率。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fm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＝8.31Jmol-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，fm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，声驰豫频率会随压强的增加而线性增大。
超声探头具有低成本和低功耗、快速瞬态响应、易于安装和维护、探头耐用、可进行无创测量、适合于易燃易爆气体环境优点，使得它广泛应用于冶金、船舶、机械、食品、石油、汽车、医疗、化学、生物工程、环境工程等各种行业的超声探伤、测距、测厚、检漏、医疗成像诊断以及加工过程控制等方面。
本发明提出一种有别于传统开孔引压式的基于超声驰豫频率非侵入式气体压力容器的压强测量方法。该方法具有在线检测、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。本发明适用于存储可激发气体(双原子或多原子分子气体)压力容器的压强实时监测测量。例如，天然气是一种可激发混合气体，其主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、氮气、氧气、水蒸气等其他气体。天然气中能量成分甲烷的含量(摩尔分数)通常会随产地的不同而分布在70％—98％之间。本专利可适用于天然气压力容器压强的实时监测测量。
技术实现要素：
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种可激发气体压力容器压强测量方法，解决了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问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种可激发气体压力容器压强测量方法，其特征在于：
1)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，两对超声探头分别用于测量频率为f1和f2时气体中的声吸收系数和声速，热电偶用于测量气体温度值；
2)利用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；
3)利用两频点声测量值合成声弛豫频率，由公式(4)合成气体的声弛豫频率fm为：
4)预先测量气体压力容器中气体在1个标准大气压下不同温度下的声弛豫频率值作为查表所需参考值；由步骤1)中热电偶测量得到的当前气体温度，通过查表方式获得当前温度下在1个标准大气压时的气体参考声弛豫频率f0；
5)通过步骤3)中合成的声弛豫频率fm和步骤4)查表得到的参考声弛豫频率f0，计算得到气体容器压强P＝fm/f0。
前述的一种可激发气体压力容器压强测量方法，其特征是：所述步骤2)，具体步骤包括：
(1)声压的变化服从指数衰减规律，即p(x)＝p0e-αx，其中，α为声吸收系数或者声压吸收系数，单位为奈培/米；x为传播距离，即每对探头之间的距离；p0为发送声探头的声压，p(x)是声波经过距离x传播后到达接收声探头时的声压；通过记录发送探头换能器电信号峰值A0和经过距离x传播后接收声探头换能器电信号峰值A(x)，利用公式α＝ln(A0/A(x))/x＝ln(p0/p(x))/x可计算得到两个选定的频点f1和f2上声吸收系数α(f1)、α(f2)；
(2)声速c采用时差法测量，利用计时器记录声波在收发声探头之间的传播时间t，利用公式c＝x/t计算得到两个选定的频点f1和f2上声传播速度c(f1)和c(f2)。
前述的一种可激发气体压力容器压强测量方法，其特征是：所述步骤3)利用两频点声测量值合成声弛豫频率，具体步骤包括：
(1)根据Kneser经典声气体振动弛豫理论，随声频率变化的声吸收谱μ(f)表示为：
其中，f是声频率，λ是声波长，fm是声弛豫频率，μm是声吸收谱最大值的幅度，α(f)是随频率变化的声吸收系数；
(2)两对超声探头在两个选定的频点f1和f2分别测得声吸收系数和声速后，计算得到两个选定频点f1和f2的声吸收谱值μ(f1)、μ(f2)为：
μ(f1)＝α(f1)c(f1)/f1,μ(f2)＝α(f2)c(f2)/f2 (2)
(3)由式(1)和(2)可得到：
联立式(3)中的两个等式可得气体的声弛豫频率fm：
前述的一种可激发气体压力容器压强测量方法，其特征是：所述预先测量气体压力容器中气体在1个标准大气压下不同温度下的声弛豫频率值作为查表所需参考值是利用步骤1)-3)的方法在气体压力容器中放置的两对频率分别为f1和f2的超声探头以及热电偶所测得。
前述的一种可激发气体压力容器压强测量方法，其特征是：所述气体压力容器存储可激发气体，包括双原子或多原子分子气体。
前述的一种可激发气体压力容器压强测量方法，其特征是：所述声驰豫频率为声吸收谱峰值点所对应的声频率，利用查表获得参考声驰豫频率和声测量值计算的声驰豫频率合成气体压强。
本发明所达到的有益效果：本发明通过声学方法测量可激发气体驰豫频率获取气体腔体压强的技术手段，给出了一种低成本、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，本发明有别于传统开孔引压式的压强测量方法，该方法具有在线检测、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，适用于存储可激发气体(双原子或多原子分子气体，例如：天然气、二氧化碳、氯气)压力容器的压强实时监测测量。
附图说明
图1是本发明系统设计示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是2％N2-98％CH4在1个标准大气压下，温度为270K～350K时声弛豫频率值的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种气体压力容器压强测量方法，包括以下步骤：
1)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一个热电偶，两对超声探头分别用于测量频率为f1和f2时气体中的声吸收系数和声速值，即获得声测量值，用于合成声弛豫频率；热电偶用于测量气体温度值；f1和f2根据气体种类和所测压强范围进行具体设置。例如，对于含有CH4、CO2、Cl2等可激发单一或混合气体，如果所测压强范围在0.01-50atm时，f1和f2可在20kHz-200kHz之间选择；如果对于所测压强范围在50atm-250atm时，f1和f2可在200kHz-1000KHz之间选择。
2)气体中两频点f1和f2上声吸收系数和声速的测量：
声压的变化服从指数衰减规律，即p(x)＝p0e-αx，其中，α为声吸收系数或者声压吸收系数，单位为奈培/米；x为传播距离，即每对探头之间的距离，p0为发送声探头的声压，p(x)是声波经过距离x传播后到达接收声探头时的声压；通过记录发送探头换能器电信号峰值A0和经过距离x传播后接收声探头换能器电信号峰值A(x)，利用公式α＝ln(A0/A(x))/x＝ln(p0/p(x))/x可计算得到两个选定的频点f1和f2上声吸收系数α(f1)、α(f2)。
声速c可采用时差法测量，利用一个单片机控制的计时器记录声波在收发声探头之间的传播时间t，利用公式c＝x/t可计算得到两个选定的频点f1和f2上声传播速度c(f1)和c(f2)。
3)利用两频点声测量值合成声弛豫频率：根据Kneser经典声气体振动弛豫理论，随声频率变化的声吸收谱μ(f)可以表示为：
其中，f是声频率，λ是声波长，fm是声弛豫频率，μm是声吸收谱最大值的幅度，α(f)是随频率变化的声吸收系数；
两对超声探头在两个选定的频点f1和f2分别测得声吸收系数和声速后，计算得到两个选定频点f1和f2的声吸收谱值μ(f1)、μ(f2)为：
μ(f1)＝α(f1)c(f1)/f1,μ(f2)＝α(f2)c(f2)/f2 (2)
由式(1)和(2)可得到：
联立式(3)中的两个等式可得：
式(4)表明可利用两频点声测量值，即两个选定的频点f1和f2上声吸收系数α(f1)、α(f2)和声传播速度c(f1)和c(f2)合成得到声弛豫频率fm。
4)环境温度亦会影响气体声弛豫频率的大小，预先通过步骤1)-3)的方法获得气体压力容器腔体中气体在1个标准大气压下不同温度下的参考声弛豫频率值；通过查表方式获得步骤1)中由热电偶测量得到的当前气体温度下在1个标准大气压时的气体参考声弛豫频率f0，作为当前温度下气体腔体压强测量的参考值。
5)利用声弛豫频率线性正比于环境压强的性质，通过1)-4)中计算得到声弛豫频率fm和查表得到的当前气体温度在1个标准大气压时的气体声弛豫频率f0，进而合成得到气体容器压强P＝fm/f0。本专利采用的声弛豫频率算法所选择的两个频点f1和f2只要在声弛豫吸收显著的频域范围均可准确合成压强值。
实施例：
假设气体压力容器中存储的是98％CH4-2％N2的天然气，两对超声探头的频率分别为f1＝40kHz和f2＝125kHz。
实例1(正压环境，假定为10atm)：
1)当前压力环境下，两对超声探头分别测得两个频点f1＝40kHz和f2＝125kHz；
2)获得声吸收系数α(f1)＝0.191m-1、α(f2)＝1.846m-1和声速c(f1)＝443.7m/s、c(f2)＝443.8m/s；
3)利用声弛豫频率的两频点声测量值合成算法可计算得到：
4)通过热电偶测量气体温度T为295K；图3是2％N2-98％CH4在1个标准大气压(1atm＝101.325kPa)下，温度为270K～350K时声弛豫频率值的曲线，通过查表方式知道当温度T为295K时，声弛豫频率f0＝1.190×105Hz；
5)由获得的fm和f0可计算得到气体容器压强P＝fm/f0≈10atm≈10atm。
实例2(正压环境，跟实施例1腔体压力不一样，假定为5atm)：
1)当前压力环境下，两对超声探头分别测得两个频点f1＝40kHz和f2＝125kHz
2)获得声吸收系数α(f1)＝0.3806m-1、α(f2)＝3.573m-1和声速c(f1)＝443.8m/s、c(f2)＝443.9m/s；
3)利用声弛豫频率的两频点声测量值合成算法可计算得到
4)通过热电偶测量气体温度T为295K；由图3通过查表方式知道当温度T为295K时，声弛豫频率f0＝1.190×105Hz；
5)由获得的fm和f0可计算得到气体容器压强P＝fm/f0≈5atm。
实例3(负压环境，假定为0.1atm)：
1)当前压力环境下，两对超声探头分别测得两个频点f1＝40kHz和f2＝125kHz
2)获得声吸收系数α(f1)＝1.555m-1、α(f2)＝1.678m-1和声速c(f1)＝447.9m/s、c(f2)＝448.2m/s；
3)利用声弛豫频率的两频点声测量值合成算法可计算得到
4)通过热电偶测量气体温度T为295K，由图3通过查表方式知道当温度T为295K时，声弛豫频率f0＝1.190×105Hz；
5)由获得的fm和f0可计算得到气体容器压强P＝fm/f0≈0.1atm.
本发明提出的压强测量方法有别于传统开孔引压式的压强测量方法，该方法具有在线检测、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。本发明适用于存储可激发气体(双原子或多原子分子气体，例如：天然气、二氧化碳、氯气)压力容器的压强实时监测测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。