一种检测气体分子组分变化的方法及装置与流程

本申请涉及分析及测量控制技术领域，尤其涉及一种检测气体分子组分变化的方法及装置。

背景技术：

热解反应是物质受热发生分解的反应过程，许多无机物质和有机物质被加热到一定程度时都会发生分解反应。气体分子的热解反应在工程中应用非常广泛，热解产物的准确确定具有重要的理论和工程价值。

一般说来，无机物的热解反应比较简单；有机物热解时，由于会产生副反应，产物组成往往比较复杂。气体绝缘或灭弧介质(如六氟化硫、空气、二氧化碳等)广泛应用于电力系统领域，电力设备中发生的局部过热等故障可能引起气体介质的热解现象，可能导致介质的劣化或产生有毒物质，在六氟化硫替代气体的探索方面也存在类似的问题。

目前研究气体分子的热解产物主要通过实验检测，该方法耗资较大，且效率较低，难以满足潜在六氟化硫替代气体的探索和评估需求。

技术实现要素：

本申请提供了一种检测气体分子组分变化的方法及装置，使得六氟化硫替代气体进行热解反应时能有效测得生成物组分随时间变化的关系。

一方面，本申请提供了一种检测气体分子组分变化的方法，包括：

利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能，所述反应物为热解反应前的气体分子；

使键能最小的化学键断裂，产生生成物，所述生成物为热解反应后的气体分子；

根据所述反应物和所述生成物，计算化学反应速率；

根据所述化学反应速率建立动力学模型；

根据所述动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。

结合第一方面，所述根据所述反应物和所述生成物，计算化学反应速率的步骤包括：

获取反应物中各个气体分子在反应过程中的过渡态；

运用内禀反应坐标理论验证所述过渡态能否连接反应物和生成物；

若所述过渡态能连接反应物和生成物，则基于过渡态理论计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率；

若所述过渡态不能连接反应物和生成物，则基于反应物和生成物计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率。

结合第一方面，所述获取反应物中各个气体分子在反应过程中的过渡态的步骤包括：

对反应物中各个气体分子的各个化学键的键能进行计算，选出键能小于预设键能值的化学键；

对键能小于预设键能值的所述化学键的键长进行势能面扫描；

得到键能小于预设键能值的所述化学键对应的气体分子的过渡态。

结合第一方面，所述根据反应物和生成物，计算化学反应速率之前，还包括：对反应物和生成物中的所有气体分子进行频率分析。

第二方面，本申请还提供了一种检测气体分子组分变化的装置，包括：

第一计算单元，用于利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能，所述反应物为热解反应前的气体分子；

生成物获取单元，用于使键能最小的化学键断裂，产生生成物，所述生成物为热解反应后的气体分子；

第二计算单元，用于根据所述反应物和所述生成物，计算化学反应速率；

模型建立单元，用于根据所述化学反应速率建立动力学模型；

第三计算单元，用于根据所述动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。

结合第二方面，所述第二计算单元，还包括：

过渡态获取单元，用于获取反应物中各个气体分子在反应过程中的过渡态；

验证单元，用于运用内禀反应坐标理论验证所述过渡态能否连接反应物和生成物；

第四计算单元，用于若所述过渡态能连接反应物和生成物，则基于过渡态理论计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率；

第五计算单元，用于若所述过渡态不能连接反应物和生成物，则基于反应物和生成物计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率。

结合第二方面，所述过渡态获取单元还用于：

对反应物中各个气体分子的各个化学键的键能进行计算，选出键能小于预设键能值的化学键；

对键能小于预设键能值的所述化学键的键长进行势能面扫描；

得到键能小于预设键能值的所述化学键对应的气体分子的过渡态。

结合第二方面，所述装置还包括：

频率分析单元，用于对反应物和生成物中的所有气体分子进行频率分析。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种检测气体分子组分变化的方法及装置，利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能；使键能最小的化学键断裂，产生生成物；根据反应物和生成物，计算化学反应速率；根据化学反应速率建立动力学模型；根据动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。本申请的技术方案能够测得生成物中各个组分的变化情况，当反应物为六氟化硫替代气体进行反应时，能够有效的测出生成产物的组分以及组分随时间的变化情况，能够满足六氟化硫替代气体的探索和评估需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种检测气体分子组分变化的方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种检测气体分子组分变化的装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，本申请实施例提供了一种检测气体分子组分变化的方法，包括：

步骤101，利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能，所述反应物为热解反应前的气体分子。密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算，本申请中的基于密度泛函理论也可以理解为基于第一性原理，利用第一性原理计算键能也是可以的：

基于第一性原理的泛函和基组，通过求解薛定谔方程，可以计算气体分子的分子性质(包括能量和键长)。微观粒子有明显的量子效应，量子力学通过波函数描述粒子的状态，粒子没有确定的位置，行为表现出波粒二象性。薛定谔方程是描述粒子运动的方程。通过求解方程，可以得到体系的波函数、体系能量及其他性质。其中，一维、单个粒子的薛定谔方程表达式为：

其中是约化普朗克常数，v是外势，ψ为波函数，e为粒子能量，m是粒子质量，x是粒子的坐标。hartree-fock(hf)、半经验方法、后hf方法(包括密度泛函理论(dft)、微扰理论耦合簇方法等)均为求解薛定谔方程的理论方法。分子体系包含多电子的相互作用，其中hf和半经验方法是将多电子问题转换为单电子问题求解，做了一定程度上的近似。而后hf方法是直接求解多电子薛定谔方程。随着1994年dft中交换相关泛函(决定dft计算精度)b3lyp被提出，dft就被广泛采用，泛函b3lyp几乎成为计算各种问题的默认方法。在此之后出现了色散矫正方法、双杂化泛函、范围分离泛函等。m06-2x和ωb97-xd很大程度上能代替b3lyp的全能泛函，对计算精度有小幅改进，但其耗时往往会比b3lyp高一倍甚至更多。

另外，为了求解方程，需要把分子轨道展开为单电子基函数的线性组合，基函数越多，结果越精确。6-31g*是如今计算所用基组的底限。而基组6-311+g**是如今默认使用的基组。+代表弥散函数，弥散函数对偶极矩、电子亲合能等计算任务在精度方面有一定量的改进。**代表极化函数，极化函数能充分表现原子轨道在分子环境中的变形，对得到可靠的结果有重要的意义。在实际计算时，需要权衡时间成本和计算精度，确定计算采用的泛函和基组。

步骤102，使键能最小的化学键断裂，产生生成物，所述生成物为热解反应后的气体分子。最先，通常是利用势能面来求解反应坐标的方程，后来逐渐发展成为以张量形式表示的内禀反应坐标方程，其为由鞍点开始向具有虚频率的简正坐标的两个方向的非能量守恒，零动能的经典轨迹。它实际上是一条简化了化学反应路径的曲线。内禀反应坐标以过渡态为出发点，分别沿反应物方向和生成物方向到达反应物和生成物，形成一条在多维面上的平滑曲线。

步骤103，根据所述反应物和所述生成物，计算化学反应速率。化学反应的发生涉及能量的变化，计算准确的能量，获得反应前后的能量变化关系，可以得到反应前后的吉布斯自由能变，根据速率计算的方法，可以求得各个温度下的反应速率与平衡常数：

其中t是温度，p0是标准条件下的压力(1bar)，kb是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，r是理想气体常数，δg0，≠是反应活化的标准吉布斯自由能(δn＝1或0分别用于气相双分子或单分子反应。反应路径简并性σ，提供反应物的旋转对称数和过渡态，可以使用下面的公式获得：

σ＝σ(r)n(r)/[σ(ts)n(ts)]，

其中σ(r)和σ(ts)分别是反应物和过渡态结构的旋转对称的数量，而n(r)和n(ts)分别是反应物和过渡态结构的手性异构体的数量。

因此，根据以上内容，所述根据所述反应物和所述生成物，计算化学反应速率的步骤还可以包括：

步骤201，获取反应物中各个气体分子在反应过程中的过渡态；

步骤202，运用内禀反应坐标理论验证所述过渡态能否连接反应物和生成物；

步骤203，若所述过渡态能连接反应物和生成物，则基于过渡态理论计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率；

步骤204，若所述过渡态不能连接反应物和生成物，则基于反应物和生成物计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率。

进一步的，所述获取反应物中各个气体分子在反应过程中的过渡态的步骤还可以包括：

步骤301，对反应物中各个气体分子的各个化学键的键能进行计算，选出键能小于预设键能值的化学键；

步骤302，对键能小于预设键能值的所述化学键的键长进行势能面扫描；

步骤303，得到键能小于预设键能值的所述化学键对应的气体分子的过渡态。

步骤104，根据所述化学反应速率建立动力学模型。动力学是研究化学反应速率以及各种因素对化学反应速率影响的学科，动力学模型是基于反应速率建立的，其中不仅仅包含反应速率，还包含很多的影响因素。因此，求解动力学模型，针对于反应速率中某个气体粒子的浓度与时间的关系进行计算，求得相应的参数，即可获得具体的粒子浓度随时间的变化情况。

步骤105，根据所述动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。

在给定温度下，使用速率常数获得颗粒的浓度。假设所有反应都是可逆的，并且忽略了三体碰撞的影响。如果系统中含有k化学物质，则反应可以以一般形式呈现：

vkif和vkir是反应的化学计量系数，mk是第k种粒子的化学表示。第k物种的生产率ωk可以写成涉及第k粒子的所有反应的进展变量率的总和：

vki＝vkif-vkir，

第i个反应的进度变量率qi由正向和反向速率的差异给出：

其中xk是第k种物质的摩尔浓度，kfi和kri是第i次反应的正向和反向速率常数。

进一步的，所述根据反应物和生成物，计算化学反应速率之前，还包括：对反应物和生成物中的所有气体分子进行频率分析。

由以上方案可知，本申请提供了一种检测气体分子组分变化的方法，利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能；使键能最小的化学键断裂，产生生成物；根据反应物和生成物，计算化学反应速率；根据化学反应速率建立动力学模型；根据动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。本申请的技术方案能够测得生成物中各个组分的变化情况，当反应物为六氟化硫替代气体进行反应时，能够有效的测出生成产物的组分以及组分随时间的变化情况，能够满足六氟化硫替代气体的探索和评估需求。

参见图2，本申请实施例还提供了一种检测气体分子组分变化的装置，包括：

第一计算单元21，用于利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能，所述反应物为热解反应前的气体分子；

生成物获取单元22，用于使键能最小的化学键断裂，产生生成物，所述生成物为热解反应后的气体分子；

第二计算单元23，用于根据所述反应物和所述生成物，计算化学反应速率；

模型建立单元24，用于根据所述化学反应速率建立动力学模型；

第三计算单元25，用于根据所述动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。

进一步的，所述第二计算单元23，还包括：

过渡态获取单元，用于获取反应物中各个气体分子在反应过程中的过渡态；

验证单元，用于运用内禀反应坐标理论验证所述过渡态能否连接反应物和生成物；

第四计算单元，用于若所述过渡态能连接反应物和生成物，则基于过渡态理论计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率；

第五计算单元，用于若所述过渡态不能连接反应物和生成物，则基于反应物和生成物计算气体分子进行热解反应时的化学反应速率。

进一步的，所述过渡态获取单元还用于：

对反应物中各个气体分子的各个化学键的键能进行计算，选出键能小于预设键能值的化学键；

对键能小于预设键能值的所述化学键的键长进行势能面扫描；

得到键能小于预设键能值的所述化学键对应的气体分子的过渡态。

进一步的，所述装置还包括：

频率分析单元，用于对反应物和生成物中的所有气体分子进行频率分析。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种检测气体分子组分变化的方法及装置，利用密度泛函理论计算反应物中各个气体分子的各个化学键的键能；使键能最小的化学键断裂，产生生成物；根据反应物和生成物，计算化学反应速率；根据化学反应速率建立动力学模型；根据动力学模型，计算热解反应后气体分子组分中各个粒子的浓度随时间变化的情况。本申请的技术方案能够测得生成物中各个组分的变化情况，当反应物为六氟化硫替代气体进行反应时，能够有效的测出生成产物的组分以及组分随时间的变化情况，能够满足六氟化硫替代气体的探索和评估需求。

本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。