一些碳氢化合物在300至900K的振动弛豫时间外文翻译资料

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一些碳氢化合物在300至900K的振动弛豫时间

甲烷，乙烯，乙炔和丙环烃在300至900K时的振动弛豫时间被确定了。该实验通过测量超声波通过蒸汽时的吸收和扩散来得到结果。对于这四种气体，当温度不同时他们的振动弛豫时间也不同。目前的测量结果也与已有的数据一致。最近，使用氢气作为一种替代能源，以化石燃料为清洁能源非常重要社会不排放CO2，NO x，烃类物质等。氢燃料研究已经完成多年，这是众所周知的是，氢是危险的气体，因为当包含它爆炸从4.0％到空气中的74.2％。目前，多种氢测量仪被开发和使用。例如，电化学传感器，催化传感器，固态传感器，热电传感器等是市售的或研究。大多数传感器需要校准与昂贵的标准气相色谱法或与内容已知的标准气体. 因此，我们研究了利用超声波的速度来测量绝对的方法氢气浓度。声音在氢气速度比空气快大约4倍见表1。由于氢的声速可以通过其物理特性来确定的，它可以被定义为绝对值。这意味着，检测声音的速度的变化可以导致氢浓度的绝对值的测量。这种方法可以被视为一个绝对氢浓度的标准气体测量时的环境条件如温度是已知的。在这项研究中，我们已经调查氢的绝对测量浓度。我们试图通过从声速计算提取的氢浓度空气或N 2和氢之间的差值包含空气或N 2在各种温度下，由于变化如温度变化​​的环境因素对声音的速度太大的作用.

介绍

这个研究的目的是通过实验得到不同的碳氢化合物在300到900K时的振动弛豫时间。该实验对甲烷，乙烯，乙炔和丙环这四种蒸汽进行了测量。对于前两种气体在900K以上也是可以测量的，但是仍然有大量的数据空缺需要进一步的测量。对于后两种气体分别只能测量到350K和450K。

弛豫时间是通过测量超声波通过气体时的吸收来决定的。这个原理已经在室温中和更高温度中测量气体中的分子转移过程成功的应用了。

主要公式

假设超声波以气体中传播，传播常数是K = w/c - ia ，a是吸收系数，c是光速。由于没有二元扩散和化学反应，吸收主要是由于粘热效应（粘性和热传导）和分子内部自由度的释放，当吸收系数远小于波数时，这几部分的吸收要分别计算，吸收系数可以表示成

是经典吸收系数是内部自由度的吸收系数。

是气体的运动粘性，k是热传导系数，是定压下的比热容，是热容比，是产生的波的波长，P是没有干扰下介质的压强。

下标0和分别表示平衡时和时，是恒温恒压时的弛豫时间，压缩的影响并不包含在等式中。在计算这些影响时，由于压缩性的影响对于声速的改变已经有科学家进行了计算。对于现在的一些实验，压缩性对于声速的影响并不很大。

从等式中可以看出当

时，达到最大。因此可以通过测量不同频率的并且注意当为什么值的时候达到最大值。但是，我们很难获得一个大范围的不同的的值。而我们发现弛豫时间反比与压强，至少当压强足够低的时候，三个或更多的分子之间的碰撞可以被忽略，那么弛豫时间可以表示为

,结合前面的公式，可以得到

比例系数B是确定的，在实验中f是不变的，而不同的压强可以得到一系列的不同的f/P,而每一个f/P值下的是可以通过实验测量的，将中的减去就可以得到。因此与f/P由于各一一对应关系，如图1所示。在这个曲线中，比例系数一直在调整直到计算的结果与实验测的数据可以很好的吻合。

振动和旋转引起的弛豫都会对有影响。一般来说，这两种自由度是独立的被激发并且有不同的弛豫时间，这些弛豫时间是在f/P的曲线中最大值。我们的实验中只测量到一个最大值，即振动弛豫时间。而旋转弛豫时间的最大值再更高的f/P值时出现。而需要来观察第二个最大值的f/P已经超出了实验设备可以测量的范围里。

实验

实验设备由热炉，超声波发生器，信号探测器，气体供应系统构成。这个火炉是直径23厘米，0.3厘米厚，25厘米长的陶缸，外围有冷却水环绕。陶缸的每一侧都有直径20厘米，厚5厘米的陶制法兰拴住，这些法兰中间是挖空的所以冷却水可以在其中流通。法兰与陶缸之间是有光纤玻璃绝缘层和VITON密封圈分开的，每一个法兰的中间有一个直径5厘米的洞，这些洞被7厘米厚的金属板给覆盖。缓冲的杆，气体供应管道，压强和温度的测量都是通过这个金属板导入到测量部分的。测量部分是一个直径5厘米。0.2厘米厚的石英导管，同轴的镶在火炉上，用O型密封圈使其与火炉隔离。测量部分是由石墨导管环绕的，可以用来加热。这个导管的两端被削细，用来与来个20厘米直径，2厘米厚的石英板中间的细小的洞相匹配。当这个系统被装配起来时，这些加热的导管使金属板与法兰紧密接触，保证了很好的电传导性。石英加热器和外面的陶缸之间填满了石英。每次实验之前里面的压强是0.2，填充的是氩气或氮气。加热器的动力是由连接着两个法兰的锗整流器提供。

超声波在直径为1.2厘米，长40厘米的熔融石英缓冲杆中传输和接受，并且通过金属板的中间插入到检测部分，用双O型圆环固定和焊接。作为接收器的这个缓冲杆可以通过旋转的机制进入或移除气体。这可以让两个缓冲杆之间的距离得到改变。这个可移动杆的位置可以用千分尺来测量。一个0.16厘米厚的压电陶瓷圆盘连接到每个缓冲杆的跟空气接触的一端。这些暴露的一端用水来冷却，并且通过一个包围着缓冲杆的护套。

超声波是由一个Arenberg高能脉冲振荡器产生的。振荡器的输出通过一个阻抗耦合线圈传输到压电陶瓷小圆盘上，这样使得圆盘的输入信号的强大可以得到放大。在实验的过程中振荡器的频率是0.5到1 MHz，脉冲持续时间是20微秒。脉冲超声波的频率是通过比较超声振荡器的信号和拍品信号发生器产生的标准连续正弦波得到。当两个信号匹配时，拍频发生器的信号的频率通过频率计数器测得。接收圆盘的信号通过一个Arenberg低频前置放大器，这个放大器的输出通过一个双重射束示波器进行显示。

在每次实验之前，测量部分和气体供应气管里的压强要降到-0.2.然后测量的气体分别通过充满两种不同物质的瓶子里进入测量部分。气压通来测量。

为了获得这种超声波测量方法的响应时间，我们设计了一个测量使用数据记录器和如图10所示的快速响应压电阀系统。 3.氢气通过尼龙导管注射到检测装置氢之间的距离检测装置和阀的出口为9.0厘米这个距离是通过切割导管变化每1.0厘米最多至5.0厘米在每个距离进行测定的检测装置的响应时间。因为氢气在管的行进时间是未知的，我们可以推断到零的距离和得到利用超声波根据这些值这种测量方法的实际响应时间。快速响应压电阀有2-3毫秒的响应时间，因此有必要减去这响应时间。

温度的变化具有如图当量所示声速大的效果,并且有必要为了获得准确的氢浓度补偿温度影响。续航方面超声波的时间是在真空密封铜制容器测量气温变化从

-10℃至50ordm;C为0％的氢浓度到4％。为99.999％（5N）氮气用作基气体消除发症的影响，在实验过程中的真空密封容器置于在用于温度控制的恒温浴中。

吸收系数和声速通过不同的途径来测量，这个方法的一个优点是两个缓冲杆之间的绝对距离不需要精确的知道。因为对于一个特定的f/P，两个缓冲杆之间的距离x是不一样的，而对于每一个x，接收到的波的振幅A是直接通过示波镜得到的。通过画logA与x之间的关系得到一条直线，而直线的斜率就是测得的吸收系数。

但是由于声束偏离的影响要对有一个矫正，这个矫正就是

压电陶瓷圆盘的半径是，L是发射和接受圆盘之间的距离，是声束的发散角。

根据以上的修正，吸收系数为

在目前的一些实验里都比 10%要小一点。

声波在发射器与接收器之间的传输时间t通过安装在示波器里面的时间延迟触发电位器来测量。而距离x与t成线性关系。这个直线的斜率是光速c。而波长就是通过这个声速计算得出（）。

结果

在做碳氢化合物气体的实验之前，通过测量氩气来检测试验装置是否能有效的使用。这个实验在三个不同的温度下进行了测量：300，630，1070K。实验测的的的值如图三用圆圈来表示。我们进行了一个细微的误差分析，并且估计的误差大小也在图三中表示了出来。经典的吸收系数通过使Hirschfelderetal给出的热传导性和粘性，并根据等式2就可以计算出了。由于氩气即不能振动也不能旋转，所以测得的与计算的应该非常接近。实际上，由于实验装置非常完备，我们有组都的信心，实验和理论计算的结果应该有很高的一致性。在测量氩气的实验中，频率与压强的比从0.7到40 MHz/atm。在接下来的一些实验中（最明显的是甲烷），f/P的比扩展到0.2 MHz/atm.但是，我们发现在测量f/P时当f/P的值很大与很小时的误差是相同的数量级。我们同时也注意到，数据的主要误差不是由于f/P的测量不准确性引起的，而是由于声速的测量不准确性引起的。

甲烷，乙烯，乙炔和丙环烃这四种气体的吸收系数测量的结果如图4至七所示。在这些图形中，最吻合的图形是由等式8计算出的结果，而等式就计算的结果也在图上表示了出来。在计算时用到的具体的加热值在表格1 中也列举出啦。对于每一种气体，一个主要的单一弛豫最大值可以通过实验中可得到的一系列的频率与压强的比值而得到。由于旋转引起的第二极大值则出现在更大的频率与压强的比值中，而这个比值是超过了设备的操作范围的。如图四所示，只有在甲烷处于300-400K时可以从数据中看到在更高的频率与压强的比值时有第二极大值的趋势。

一般而言，当最大值出现的那个区间测量的数据与计算的吸收系数吻合度比较高。测量的数据与计算的结果的最大的不一致出现在乙烯处于750K时当频率与压强的比值比较大的时候。这个时候的数据是比计算值要小的。这个可能是由于轻微的二次弛豫或者气体的分离引起的。对于后面一个问题的提出是由于我们发现当实验结束的时候在测量部分的缓冲管里面有一层像沉积物的二氧化碳层。

通过数据计算的振动弛豫时间 在图8中表示出来了。正如图所示，对于这四种气体，振动弛豫时间可以用下面这个等式来表示：

是以秒为单位的总的弛豫时间，P是气体的压强，T是以凯尔文为单位的温度。常数a和b的值在表格11中列出来了。因此，现在的结果是Landau-Teller的表达式的，即与成比例关系。

为了方便比较，现有的已经测量出来的数据也在图8中表示出俩了。对于甲烷而言，现有的数据与Eucken和Aybar ，Parker和Swope，Gravittetal的数据非常一致，Cottrell和他的同事Edmonds和Lamb的数据有点太高了，而Griffith，Hill和Winte的数据又太低了。值得注意的是，当温度较低时，现有的数据有10%的不同，而当温度较高时数据有5%的不同现在的数据处于这两种情况之间。

对于乙烯，乙炔，丙环烃而言，目前的测量结果与现有的数据有1%的吻合度。但是我们要注意到，这儿只有一部分情况的乙烯被测量和一部分情况的丙环烃被测量。这些测量值仅仅是在300K时的乙炔和500K时的丙环烃。

Abstract— A fast responce hydrogen sensor using ultrasonic was developed and demonstrated. It uses the difference in sound velocity between hydrogen and the air. Thus, it is possible to measure hydrogen concentration by measuring the sound velocity changing when hydrogen is mixed in the air. The hydrogen sensor using ultrasonic in this study can be very fast in response time which was less than 84 msec. We also have shown that it is possible to detect hydrogen concentration as low as 100

ppm with the distance between ultrasonic probes as small as 20mm. Temperature variation test was also demonstrated between -10 and 50°C and confirmed that it can match with calculation results. In this study we have developed a palm-sized hydrogen sensor using difference of sound velocity between air and hydrogen. We have shown that it is possible to detect hydrogen concentration as low as 100 ppm at room temperature by measuring a sound traveling time between transmitting and receiving probes similarly to the measurement of distance by ultrasonic. For the change of the speed of sound velocity by temperature and humidity, it is possible to correct the influence of temperature and humidity by calculation of hydrogen concentration with measured temperature and humidity. The response time of hydrogen detection using ultrasoni

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