：Christof Huber，Endress Hauser Flowtec AG, K?genstrasse 7, CH-4153 Reinach, Switzerland ：广州虹科电子科技有限公司 传感器事业部 李金涛 ：本文讨论了最近发表的基础MEMS气体机电系统)气体工艺密度计的应用。传感器的核心是谐振硅微管。在测量过程中，测量气体会流过硅微管，硅微管会在真空腔中谐振。因为硅的密度很低，即使是低密度的流体，其密度测量也能达到很高的测量灵敏度，最适合5-20的压力。 bar相关气体密度的应用。具有密度和温度测量功能的微流体传感器也可以沿流体路径测量压力。从这些物理特性中，可以获得摩尔质量、参考密度、比例、气体成分和热值等实时质量信息。许多实验和理论结果证明了这些工艺应用。 ：气体质量、密度、MEMS，浓度，天然气
近年来，Endress Hauser（E H）公司致力于实现和适应硅晶片的微管结构[1,2]MEMS传感器中谐振管的测量原理。这种基于微机械加工的硅基谐振管传感器现在可以考虑将这一测量原理应用特定的应用[3、4]。 
2016年，使用了（E H）MEMS[5]发布了传感器芯片的气体工艺密度计。 该传感器可以测量密度、温度和压力。介质压力为1-20 bar、温度为-20至60℃在环境中，绝对密度可以达到0.1 kg / m3， 因此，介质压力约为5-20bar在应用中，该传感器是测量气体密度的最佳选择。在此压力范围内，其相对测量精度约为3%至0.3％。根据这些测量的物理特性，可以获得摩尔质量、参考密度、比例、气体成分和热量等被测气体的实时质量信息。
谐振管的频率取决于刚度(E·I)，以及谐振管中容纳的流体的总质量。该设备的密度测量方法非常简单。根据等式（1），谐振管中容纳的流体质量越高，谐振管的频率越低。 传统的钢工艺密度计通常不够灵敏，不能在低压下准确测量气体密度。与传统钢管相比，硅管的主要优点是材料密度低3.4倍。 硅管传感器对流体密度变化的灵敏度明显高于相同尺寸的钢管传感器。 保持高精度密度灵敏度的另一个重要因素是减少环境对振荡管的影响，如管周围大气的额外质量。在我们的情况下，我们将微管放置在真空腔中，以减少挤压膜阻尼[6]。这种真空环境消除了对管道的任何额外质量影响，有助于显著提高低压气体的信噪比和密度灵敏度。
本章将介绍微气传感器在各种应用中精确测量密度的价值。 在密度测量过程中，还必须同时测量温度和压力。气体的密度取决于其摩尔质量M，实际压力P和温度T。R是普通气体常数。Z是特定气体或混合气体的实际气体压缩系数。Z这取决于温度和压力。对于理想的气体，Z等于1。 一种典型的应用是确定混合气体中各种成分的浓度。混合气体的密度由(3)定义，其中xi成分气体i的摩尔分数： 从等式 (3)可以看出，如果只知道密度、温度和压力，就不可能测量两种或两种以上气体的混合物浓度。但对于由两种已知气体组成的混合物，其工作原理如等式(4)和(5)所示: 根据等式(4)和等式(5)，两种气体的摩尔质量差异越大，对浓度变化的密度信息就越敏感。 沼气是二元混合气体的一个很好的例子。甲烷和二氧化碳烷和二氧化碳。图2显示了沼气在25小时内连续测量的数据，并以红外吸收传感器为参考。预计使用MEMS确定甲烷和二氧化碳浓度的密度传感器的精度将达到±0.测量环境压力约为15%bar，两个传感器的测量数据在规范内很好地符合了预期精度。 另一个例子是监测焊接生产设备中的气体(氢)。一般情况下，氢气浓度不会监测。氢混合物的生产方法是通过高稳压压力调节器和混合阀将氢混合到纯氩中，氢含量应保持在5%。但从一周以上的测量数据可以看出，气体浓度范围将为4.6％到5.4%之间有一些周期性的变化。使用MEMS氩气中的氢含量可以准确测量，其精度可能超过±0.1％。测量的环境压力为6.4到7.7bar之间。 这对浓度输出没有影响，因为可以根据等式(5)计算和补偿测量的压力和温度。 这两个例子简要说明了通过测量密度来监测气体质量的好处。同时，还有许多其他不同的类似二元混合物应用。
气体密度计的另一个应用领域是测量和监测混合气体的燃烧。在这些混合气体中，天然气是最受欢迎的。天然气不是二元混合物。它含有甲烷、乙烷丙烷、丁烷、戊烷等碳氢化合物气体，以及氮气、二氧化碳和氦气等惰性气体确切成分因来源而异。图4显示了典型天然气成分气体的浓度范围。 随着可再生能源的日益普及。天然气分支网络中可以找到大量沼气（有机物发酵产生的甲烷）或氢气（风力涡轮机产生的电能电解水产生的氢气）。 只有通过色谱才能确定每个组成气体的摩尔浓度（GC）分析方法。GC设备体积大，价格昂贵，需要维护、校准和参考气体。此外，测量是不连续的。测量周期持续几分钟左右。 在天然气应用中是否有类似的替代品可以测量密度？MEMS谐振传感器可以进行连续的测量。其采样率> 1 Hz。因此，实时测量数据可用于控制过程、发动机或燃烧器。在实际测量条件下(如温度和压力)测量池中天然气样品的实际密度。在某些应用中有时需要实际密度，例如，用于将体积流量测量设备的输出转换为质量流量。但实际密度通常不是衡量气体质量的重要指标，因为它在很大程度上取决于温度和压力。其他参数，如平均摩尔质量、参考密度和参考条件下的比例，具有更高的价值意义，可以从测量的三组密度参数、温度和压力中推导出。图5显示0-60°C温度范围及1-20 bar典型天然气混合物(图4)信息的可行性是通过密度测量确定的。而且在5-95%的信心范围内，其精度可以达到±0.3％。参考密度或比例可从平均摩尔质量中提高（av. molar mass）中得到。 从传感器测得的密度精度而言，MEMS测量的密度可以推断天然气的实时摩尔质量或参考密度，其精度约为±1-2%。平均摩尔质量可以用来关联其他混合气体的物理性质，如热量或沃泊指数。 热量可能是可燃物最重要的质量参数。如果纯气体混合物包括碳氢化合物气体和氢气，无论是否考虑总热量或净值热量，其平均质量都可以直接与其热量相关。 然而，如果惰性气体存在于被检测气体中，则会对模型造成明显误差。从图6可以看出摩尔平均质量与其热相关性。 因此，如果仅仅根据图6将碳氢化合物气体的发热量与其摩尔质量、比重进行对应，那么其不准确性会随着惰性气体含量的增加而则增加。图7显示的是发热量误差与惰性气体含量的关系，由图可知，这种误差可能会非常明显。但是，由于他们之间的关系呈现强烈的线性相关，如果已知总惰性气体含量，那么根据等式（6）可以计算出发热量的预期误差并进行校正，此外，公式（6）是普适的一般性质，也适用于其他气体的密度测量原理。 图七中的所有计算值都是根据图4的天然气成分气体浓度，通过NIST参考流体热力学和运输属性数据库[7]计算得到的，对于其他类似的气体如：混合天然气，也具有类似的相关性。（混合天然气含有大量的氢气或燃气，其中主要成分为氢气和甲烷。）
基于MEMS的谐振气体密度传感器可用于工艺条件下的在线密度测量。密度传感器可以是出厂时就已经过微量可追溯流体的校准。因此，在测量绝对密度时并不需要在现场使用参考气体。 通过测量其中一种气体的密度，温度和压力，我们可以精确推断出的二元气体混合物的组成，例如甲烷/二氧化碳，氩气/氢气或甲烷/丙烷。上述例子已经表明，其测得的绝对浓度的精度高于1mol％甚至是0.1mol％，这主要取决于两种成分气体的摩尔质量区别和测量过程的环境压强。 测量更复杂的气体混合物时像天然气或燃气时，必须使用相应的方法来获得混合气体的信息，如平均摩尔质量，参考密度或参考条件下的比重。这些信息的精度可以超过2％，具体取决于其工艺条件。 此外，我们还可以测量天然气或可燃气体的发热值，但其测量精度在很大程度上取决于当前的惰性气体含量。 这个问题的最有潜力的解决方案是通过测量混合气体的其他物理性质。E + H研究了在原子力显微镜（AFM）中用作气体传感元件的谐振硅微悬臂梁的功能[8]，该传感器元件测量的是大气压下的低密度气体。新传感器的概念能够同时测量气体的密度和粘度，并且即使在大气压下，其相对精度也可达1％。其他公司也进行了类似的研究，这些研究都显示出了谐振微悬臂梁[9]或微调谐叉[10]在测量气体密度和粘度方面的巨大潜力。额外测得的粘度信息，可以有助于克服惰性气体的问题。这些新的传感器概念会有利于更多的混合物进行成分的分析，并且这些研究将会进一步的深入。
非常感谢Endress+Hauser Flowtec公司的J. Knall，以及TrueDyne Sensors公司的同事P. Reith, H. Feth 和 A.Rasch在这项工作中给予我的支持与帮助！
[1] Zhang Y, Tadigadapa S, Najafi N. A micromachined Coriolis-force-based mass flowmeter for direct mass flow and fluid density measurement. Transducer 01 Eurosensors XV, the 11th international conference on solid-state sensors and actuators. Munich, Germany (2001) [2] Sparks D, Smith R, Cripe J, Schneider R, Najafi N. A portable MEMS Coriolis mass flow sensor. Proc. IEEE Sensors 2003 (IEEE Cat. No.03CH37498) 1(8),337-339 (2003) doi:10.1109/ICSENS.2003.1278953. [3] Huber C., Touzin, M, New MEMS-based microcoriolis density measurement technology, Proceedings of the ASME 2011 9th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, Edmonton, Alberta, CANADA, (2011) ICNMM2011-58030 [4] Huber C, M, MEMS-based Micro-Coriolis Density and Flow Measurement Technology, AMA Conference, (2015) doi: 10.5162/sensor2015/B6.1 [5] http://www.endress.com/ [6] Sparks D., Smith R., Schneider R., Cripe J., Massoud-Ansari S., Chimbayo A., Najafi N., A variable temperature, resonant density sensor made using an improved chip-level vacuum package, Sensors and Actuators A, 107, 119- 124 (2003) [7] NIST National Institute of Standards and Technology, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database www.nist.gov/srd/nist23.cfm [8] Badarlis A, Pfau A., Kalfas A., Gas Density and Viscosity Measurement Using Micro-Cantilerver Sensor, AMA Conference, (2015) doi: 10.5162/sensor2015/B6.3 [9] Boskovic S., Chon J.W.M., Mulvaney P., Sader J.E, Rheological measurements using microcantilevers, Journal of Rheology, 46(4), 891 (2002) [10] Sell J.K., Niedermayer A.O., Jakoby B., Simultaneous measurement of density and viscosity in gases with a quartz tuning fork resonator by tracking of the series resonance frequency, Procedia Engineering, 25, 1297- 1300, (2011)