气体测量手段分类

气体广泛存在于生产及生活的各个领域。实时掌握气体的状态，如温度、浓度、速度，对于确保混合气体系统的安全、高效运行，减少污染物排放等方面具有重要意义。如火灾探测中，及时准确地探测气体的温度、浓度可以有效缓解火灾发生的不确定性和多变性在化学反应过程中，实时监测参与反应过程的气相反应物和生成物的浓度组成可动态了解化学反应进程，有效控制化学反应速率在电站锅炉运行中，全面监测炉内02、CO2、CO、NOx等气体的成分以及火焰的温度、形状，炉内流场等信息对锅炉安全、经济运行以及降低污染物排放起到重要作用在航空航天领域，掌握宇宙空间大气组成对航天器的设计及控制至关重要。

随着集成电路以及材料技术的飞速发展，各种各样的气体测量手段也在迅速地发展，以满足系统中混合气体在浓度、温度以及速度测量方面的要求。

(1)浓度测量

在气体浓度测量方面，根据测量原理的不同主要可分为:化学传感器法、气相色谱法和光谱吸收法。

化学传感器法是利用化学反应的手段感应待测气体的成分，将其转换为相应的电信号，根据电信号确定未知气体的浓度。化学传感器的缺点是寿命较短、稳定性差以及受环境影响较大。使用气相作为流动相的色谱法称为气相色谱法。目前在测量气体的浓度时，国内广泛使用现场取样、实验室分析的方式。因此，气相色谱法虽具有较高的精度和灵敏度，但需要对被测气体进行现场采样和实验室处理，不利于气体浓度的实时监测。光谱吸收法是通过光波强度变化测量气体的浓度。由于不同气体吸收光谱的特征不同，光波只在气体的特定光谱频段内有较强的吸收。利用不同频段光谱的测量，可以达到对大多数气体浓度的精确测量，同时，该方法具有实时监测的能力。

(2)温度测量

在气体温度测量方面，目前温度传感器按工作方式划分主要包括接触式和非接触式两种。接触式温度传感器主要包括膨胀式、电量式、接触式光电以及热色测温等。非接触式测温方法主要包括辐射式、光谱法、激光干涉法、声学以及微波法等。非接触测温法的主要特点是不用直接接触被测对象，不会对被测温度场产生干扰。同时，该类方法的动态响应也比较好，可以实现在线测量。其缺点是测量参数易受被测介质表面状态或对象的物性参数影响。

随着工业应用的发展，需不断改进原有温度测量方法，探索新的测量手段，以满足生产及生活各个方面对温度测量需求。

(3)速度测量

在气体速度测量方面，目前主要有示踪法、热线风速仪、热膜测速仪、激光多普勒流速计、粒子成像速度场仪、激光相位多普勒粒子分析仪等。

随着工业生产的多样性发展，对系统的实时状态监测要求愈来愈高，而监测系统内部混合气体的状态是其中的重要环节。对于混合气体系统，其物理状态是受多参数的耦合影响，如温度、浓度和流动状态。同时对混合气体的多物理参数进行测量，不仅能够更加准确地描述每个物理状态，同时可以达到对整个系统状态更好地认识。此外，需要获取整场的信息，单一的点测量信息无法客观、准确地描述系统的整体状态。

现有气体浓度、温度以及速度的测量方法主要针对点测量，且一种测量手段实现一个物理参数的测量。寻求多物理量同时场测量的手段对工业过程的安全、可靠运行有着十分重要的意义。本文从声学测量的角度，拟在混合气体复杂热物理中多参数重建方面做深入地研究。