發(fā)布時間：2019-04-18 10:38

【摘要】：氣體傳感技術(shù)在工業(yè)過程控制、環(huán)境污染治理、化工石油等領(lǐng)域有著重要的地位�；诔曁匦缘臍怏w傳感技術(shù)具有可實時檢測、快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單及工作穩(wěn)定等突出的優(yōu)勢,因此在近幾年成為最有潛力的氣體傳感技術(shù)之一。設(shè)計制造可實時定性定量檢測未知氣體的智能超聲波傳感器,其先決條件是找到適合實際應(yīng)用的氣體超聲參量,并基于該參量建立探測理論模型。本文首先對超聲氣體傳感技術(shù)應(yīng)用背景、研究現(xiàn)狀進行了介紹,并分析了超聲氣體傳感技術(shù)現(xiàn)階段所存在的問題,然后從以下三個方面開展研究工作：第一,傳統(tǒng)的超聲氣體傳感技術(shù)主要依賴于整條聲弛豫吸收譜線,通過觀察譜線的變化來進行氣體實時的監(jiān)測。針對實際探測中整條聲弛豫吸收譜線很難獲得的問題,引入了聲弛豫吸收譜線峰值點這一新的探測參量�；诼暢谠ノ兆V線峰值點坐標可以由兩個頻率點處聲速值和聲吸收系數(shù)值恢復(fù)這一基本物理事實,給出了基于譜線峰值點坐標定位的氣體探測方法。該方法將環(huán)境溫度和氣體濃度作為一組二維參量,構(gòu)建了混合氣體的有效弛豫區(qū)域,通過兩點探測方法,將測得的實驗值定位到有效弛豫區(qū)域中,即可得到未知氣體組分和濃度信息。第二,當混合氣體中同時存在兩種強弛豫特性的氣體時,解耦合模型是無法準確預(yù)測混合氣體聲弛豫吸收譜線峰值點的,這也造成了有效弛豫區(qū)域預(yù)測的不準確性。本文對解耦合模型做了進一步的拓展,將多個解耦合后的單一弛豫時間再次耦合到一起計算得到混合氣體的總弛豫時間。耦合弛豫時間模型的提出,避免了解耦合模型錯誤地將第一弛豫時間作為總弛豫時間計算峰值點坐標,所預(yù)測得到的理論峰值點結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)更為吻合。第三,本文將耦合弛豫時間理論應(yīng)用到基于峰值點探測方法中,給出了如何構(gòu)建混合氣體的有效弛豫區(qū)域,然后基于二氧化碳-氮氣和甲烷-氮氣中的仿真實驗結(jié)果,驗證了耦合弛豫時間理論模型可有效取代解耦合模型進行未知氣體探測區(qū)域的構(gòu)造。此外,對于同時存在兩種強弛豫過程的混合氣體,如二氧化碳-甲烷混合氣體,本文所提出的耦合弛豫時間理論模型預(yù)測得到的峰值點坐標比解耦合模型的預(yù)測結(jié)果更符合實際中兩點探測方法。并結(jié)合空氣中一氧化碳氣體探測和低品質(zhì)天然氣探測這兩個實際例子討論了本文提出的峰值點坐標定位方法在實際氣體探測領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[Abstract]:Gas sensing technology plays an important role in industrial process control, environmental pollution control, chemical petroleum and other fields. Gas sensing technology based on ultrasonic characteristics has many outstanding advantages, such as real-time detection, fast response, simple structure and stable operation, so it has become one of the most potential gas sensing technologies in recent years. An intelligent ultrasonic sensor for real-time qualitative and quantitative detection of unknown gases is designed and manufactured. The precondition of the sensor is to find the gas ultrasonic parameters suitable for practical application and to establish the detection theoretical model based on the parameters. In this paper, the application background and research status of ultrasonic gas sensing technology are introduced firstly, and the existing problems of ultrasonic gas sensing technology are analyzed, then the research work is carried out from the following three aspects: first, The traditional ultrasonic gas sensing technology mainly depends on the whole acoustic relaxation absorption spectrum. The real-time monitoring of the gas is carried out by observing the change of the spectral line. In order to solve the problem that the whole acoustic relaxation absorption spectrum line is difficult to obtain in practical detection, a new detection parameter, the peak point of the sound relaxation absorption spectrum line, is introduced. Based on the basic physical fact that acoustic relaxation absorption line peak point coordinates can be recovered from sound velocity and acoustic absorption coefficient values at two frequency points, a gas detection method based on spectral line peak point coordinates is presented. In this method, the ambient temperature and gas concentration are regarded as a group of two-dimensional parameters, and the effective relaxation region of the mixture is constructed. The experimental values are located in the effective relaxation region by two-point detection method. The unknown gas composition and concentration information can be obtained. Second, when there are two kinds of gas with strong relaxation characteristics in the mixture gas, the decoupling model can not accurately predict the peak point of the acoustic relaxation absorption line of the mixture gas, which also results in the inaccuracy of the prediction of the effective relaxation region. In this paper, the decoupling model is further extended and the total relaxation time of the mixed gas is calculated by coupling the single relaxation time of several decoupled gases together again. The coupling relaxation time model is proposed to avoid taking the first relaxation time as the peak point coordinate of the total relaxation time. The predicted theoretical peak point results are more consistent with the experimental data. Thirdly, the coupling relaxation time theory is applied to the peak-point detection method, and how to construct the effective relaxation region of mixed gases is given, and then based on the simulation results of carbon dioxide-nitrogen and methane-nitrogen. It is verified that the coupled relaxation time model can effectively replace the decoupling model for the construction of unknown gas detection regions. In addition, for gas mixtures that have two strong relaxation processes at the same time, such as carbon dioxide-methane mixtures, The predicted peak coordinates of the coupling relaxation time theoretical model proposed in this paper are more consistent with the actual two-point detection method than the predicted results of the coupled relaxation time model. Combined with the practical examples of carbon monoxide gas detection in air and low quality natural gas detection, the application of the proposed method of peak point coordinate location in the field of practical gas detection is discussed in this paper.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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