超声波检测二元气体成份技术研究

　　前言

　　在许多化工产品生产过程控制中,都涉及对二元混合气体(如氯化氢HCl等)成份分析,气体成份的变化对产品的质量有着极大的影响,而且对安全生产,环境保护也至为重要。例如在化工氯碱系统生产流程中,需要分析氯气空气混合气体的浓度,以便调节氯气进量,控制合成炉的氯氢配比。氢气可以过量,但氯气不能过量,以免发生意外。以往气体成份分析主要靠取样分析,即通过取样,在实验室进行化学分析,如氯气主要采用硫代硫酸钠吸收法,显然这种化学方法时间周期长,一般每天只进行二次,不能实现在线检测,因此远不能满足化工生产自动化的要求,这就需要研究一种能连续、自动、在线分析气体成份的技术,这对提高产品质量,防止灾难性事故发生等都有重要作用。

　　气体成份分析法方法有多种,如化学法、气敏元件法、光谱法、驰豫吸收法、超声波法等,其中超声技术具有耐恶劣环境,无污染,可连续摇测等优点,因此有较广泛的应用。以往的超声波气体在线检测都是利用实测一系列数据然后进行数据拟合或数据查表方法存贮在计算机中,然后利用计算机的高速运算能力进行繁锁的反复运算来实现在线检测,这种方法虽然可行,但对每种气体都必须进行大量的数据采集且运算量大,单片机及计算机程序复杂,如能建立超声波在气体中速度与气体成份、温度的理论关系式,通过这种通用的相互关系传播中的物理机制有一定的理论意义。

　　1 超声波波速与气体成份关系

　　超声波在气体媒质中传播时,声速与气体的成份有关,对于二元混合气体来说,气体组份的变化会导致声速变化,此外即使气体组份不变,压力与温度的变化也导致声速的变化,因此研究超声波二元气体中的传播,必须从超声波同气体相互作用的基本机制出发,而超声波以气体中传播的本质是通过气体的振动,使其波动特性传到远处。

　　因为超超波的传播速度较快,因此其振动和传播的过程可视为绝热过程,所以单分子气体中的声速表达式为:

　　上式中C为气体声速,γ为定压定容量比,P为气体压力,ρ为气体密度,下标S、T分别表示绝热、等温过程。

　　又因有:

　　其中:m为气体质量,V为气体体积。故有

　　对于理想气体满足克拉珀龙方程PV=nRT,其中n为摩尔数,T为绝对温度,R为普适气体常数。

　　这样(2)式成为:

　　代入(1)式得:

　　其中M为气体的分子量。对于二元混合气体,只要其各组分气体在实验条件下都可近拟为理想气体,即可用理想气体模型对混合气体进行分析,混合气体平均声速为: