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基于新型的MEMS氣體微密度計的密度和濃度測量應(yīng)用

更新時間:2021-02-23      點擊次數(shù):1985

作者:Christof Huber,Endress+Hauser Flowtec AG, Kägenstrasse 7, CH-4153 Reinach, Switzerland

翻譯:廣州虹科電子科技有限公司 傳感器器事業(yè)部 李金濤

摘要:本文探討了近發(fā)布的基于MEMS(微機電系統(tǒng))的氣體過程密度計的應(yīng)用。該傳感器的核心在于諧振的硅微管,在測量過程中,測量氣體會流經(jīng)該硅微管,硅微管在真空腔中發(fā)生諧振,由于硅的密度非常低,因此即使是低密度的流體,其密度測量也可以達(dá)到非常高的測量靈敏度,適用于壓強在520 bar之間的相關(guān)氣體密度應(yīng)用中。這個具有密度和溫度測量功能的微流體傳感器,還可以沿流體路徑測量壓強,從這些測得的物理特性中,可以得出被測氣體的實時質(zhì)量信息,例如摩爾質(zhì)量,參考密度,比重,氣體成分和熱值。這些工藝應(yīng)用,被許多的實驗和理論結(jié)果所證明。

關(guān)鍵詞:氣體質(zhì)量,密度,MEMS,濃度,天然氣

引言

近年來,Endress+HauserE+H)公司通過蝕刻來自硅晶片的微管結(jié)構(gòu)[1,2],致力于實現(xiàn)和適配MEMS傳感器中的諧振管測量原理。這種基于微機械加工的硅基諧振管傳感器現(xiàn)在可以考慮將此測量原理應(yīng)用到具體的應(yīng)用中去[34]。

1:左為底視圖(包括流體連接孔、感應(yīng)和勵磁墊),右為俯視圖(包括傳感器蓋和用于電連接的焊盤)。

 

2016年,使用了(E+HMEMS傳感器芯片的氣體過程密度計發(fā)布[5]。 該傳感器可以測量密度、溫度和壓力。并且在介質(zhì)壓強為120 bar、溫度為-2060℃的環(huán)境下,密度確可以達(dá)到0.1 kg / m3, 因此,在介質(zhì)壓強約為520bar的應(yīng)用中,該傳感器是測量氣體密度的*,在這個壓力范圍內(nèi),其相對測量精度約為3%至0.3%。根據(jù)這些測量量的物理特性,可以獲得被測氣體的實時質(zhì)量信息,例如摩爾質(zhì)量,參考密度,比重,氣體成分和熱量。

 

測量原理

諧振管的頻率,取決于剛度(E·I),以及諧振管加所容納流體的總質(zhì)量。該設(shè)備的密度測量方法很簡單,根據(jù)等式(1)可知,諧振管中所容納流體的質(zhì)量越高,諧振管的頻率(f)越低。

 

常規(guī)的鋼制過程密度計通常靈敏度不夠高,無法在低壓下確測量氣體的密度。硅管相對于傳統(tǒng)鋼管的主要優(yōu)點是其材料密度低3.4倍。 這導(dǎo)致與相同尺寸的鋼管傳感器相比,硅管傳感器對流體密度變化的靈敏度明顯更高。

保持高精度的密度靈敏度的另一個重要因素在于減少環(huán)境對振蕩管的影響,例如管周圍大氣額外質(zhì)量的影響。在我們的案例中,為了減少擠壓膜阻尼[6],我們將微管放置在真空腔內(nèi)。這種真空環(huán)境消除了對管的任何附加質(zhì)量影響,并有助于顯著提高低壓氣體的信噪比和密度靈敏度。

 

在濃度測量應(yīng)用中使用氣體密度計

在本文的這個章節(jié)中,將介紹在各種應(yīng)用中利用微型氣體傳感器確測量密度的價值意義所在。

在進(jìn)行密度測量的過程中,我們也必須同時測量溫度和壓力。根據(jù)等式(2)可知,氣體的密度取決于其摩爾質(zhì)量M,實際壓力P和溫度T。其中R是普適氣體常數(shù)。Z是特定氣體或混合氣體的實際氣體可壓縮系數(shù)。Z取決于溫度和壓力。對于理想氣體而言,Z等于1。

一個典型的應(yīng)用就是確定混合氣體中各個成分的濃度?;旌蠚怏w的密度由(3)定義,其中xi是成分氣體i的摩爾分?jǐn)?shù):

從等式 (3)可以看出,如果僅知道密度,溫度和壓力,則不可能測得兩種或兩種以上氣體的混合物的濃度。但是對于由兩種已知氣體組成的混合氣體,其工作原理如等式(4)和(5)所示:

根據(jù)等式(4)和等式(5)可知,兩種氣體的摩爾質(zhì)量差異越大,對于濃度變化的密度信息就越敏感。

2: 在超過1天的時間里,利用兩種不同的傳感技術(shù)(紅外吸收與MEMS密度測量)連續(xù)監(jiān)測沼氣的成分氣體濃度。 預(yù)計使用MEMS密度傳感器確定甲烷和二氧化碳濃度的精度可以達(dá)到±0.5%,其測量環(huán)境壓強約為15bar。兩個傳感器的測量數(shù)據(jù)在規(guī)范內(nèi)很好地符合了預(yù)期精度。

二元混合氣體的一個很好的例子是沼氣。沼氣經(jīng)過處理后主要包括甲烷和二氧化碳。圖2顯示了在25小時內(nèi)對沼氣連續(xù)進(jìn)行測量的數(shù)據(jù),并用紅外吸收傳感器作為參考。預(yù)計使用MEMS密度傳感器確定甲烷和二氧化碳濃度的精度將達(dá)到±0.5%,其測量環(huán)境壓強約為15bar,兩個傳感器的測量數(shù)據(jù)在規(guī)范內(nèi)很好地符合了預(yù)期精度。

3:持續(xù)監(jiān)測焊接生產(chǎn)設(shè)備中的氣體(氫氣)。使用MEMS密度傳感器測定氬氣中的氫氣濃度,其精度有可能超過±0.1%。測量的環(huán)境壓強在6.47.7bar,在圖中的情況下,氫氣的濃度需要保持在5%。但是,從測量結(jié)果可以看出,被測氣體濃度在呈現(xiàn)周期性變化。

另一個例子是監(jiān)控焊接生產(chǎn)設(shè)備中的氣體(氫氣)。通常情況下,不會對氫氣的濃度進(jìn)行監(jiān)測。氫氣混合物的生產(chǎn)方法,是通過高度穩(wěn)壓的壓力調(diào)節(jié)器和混合閥在純氬氣中混合入氫氣,氫氣含量應(yīng)保持在5%。但是,可以從超過一周的測量數(shù)據(jù)中看出,氣體的濃度范圍會在4.6%到5.4%之間呈現(xiàn)出一些周期性的變化。使用MEMS密度計,可以準(zhǔn)確測量氬氣中的氫氣含量,其精度有可能超過±0.1%。測量的環(huán)境壓強在6.47.7bar之間。 這個對濃度輸出沒有影響,因為測量得到的壓強和溫度可以根據(jù)等式(5)對輸出的濃度進(jìn)行計算和補償。

這兩個例子,簡單的說明了通過測量密度對氣體質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測可以帶來的好處。同時,還有很多其他不同的類似二元混合物應(yīng)用。

 

在天然氣應(yīng)用中使用氣體密度計

氣體密度計的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是測量和監(jiān)控混合氣體的燃燒。這些混合氣體中,受歡迎的是天然氣。天然氣不是二元混合物。它包含甲烷,乙烷丙烷,丁烷,戊烷等碳?xì)浠衔餁怏w,以及像氮氣,二氧化碳和氦氣等的惰性氣體,其確切的構(gòu)成因來源而異。在圖4中,顯示了天然氣的典型成分氣體的濃度范圍。

4:天然氣的典型成分氣體的濃度范圍

隨著可再生能源越來越受歡迎。大量的沼氣(有機物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷)或氫氣(利用風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的電能對水進(jìn)行電解,從而產(chǎn)生的氫氣)可以在天然氣的分支網(wǎng)絡(luò)中找到。

想要確定每種組成氣體確切的摩爾濃度,只有通過色譜(GC)分析的方法。但是,GC設(shè)備的體積龐大,價格昂貴并且需要維護,校準(zhǔn)和參考?xì)怏w。此外,測量不連續(xù)。一個測量周期大概持續(xù)幾分鐘。

那么在天然氣應(yīng)用中有沒有類似的替代品可以進(jìn)行密度的測量呢?MEMS諧振傳感器可以進(jìn)行連續(xù)的測量。其采樣率> 1 Hz。因此,其實時測量數(shù)據(jù)可用于控制過程,發(fā)動機或燃燒器。其測量值是在實際測量條件(如溫度和壓強)下測量池中天然氣樣品的實際密度。實際密度在某些應(yīng)用中有時是必須的,例如,用于將體積流量測量設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量。但是,實際密度通常是并不是對氣體質(zhì)量的重要衡量指標(biāo),因為它很大程度上取決于溫度和壓力。其他參數(shù),例如平均摩爾質(zhì)量,參考密度和在參考條件下的比重反而具有更高的價值意義,這些有價值的信息可以從測得的三組密度參數(shù)、溫度和壓力中推導(dǎo)得出。圖5顯示了在060°C的溫度范圍和120 bar的壓強范圍下,通過密度測量確定典型天然氣混合物(圖4)信息的方法的可行性。并且在595%的置信區(qū)間內(nèi),其精度可達(dá)±0.3%。參考密度或比重可以從平均摩爾質(zhì)量(av. molar mass)中得到。

5:在060°C的溫度范圍和120 bar的壓強范圍下,使用相應(yīng)方法測量天然氣(圖4)的平均摩爾質(zhì)量的精度。(在595%的置信區(qū)間內(nèi),其精度為±0.3%。)

從傳感器測得的密度的精度方面來說,MEMS測量得到的密度能夠推斷出天然氣的實時摩爾質(zhì)量或參考密度,其精度約為±1-2%。平均摩爾質(zhì)量可以用來關(guān)聯(lián)混合氣體的其他物理性質(zhì),例如發(fā)熱量或沃泊指數(shù)。

對于可燃物而言,發(fā)熱量可能是其重要的質(zhì)量參數(shù)。如果純凈的燃?xì)饣旌衔锇ㄌ細(xì)浠衔餁怏w和氫氣,那么其平均質(zhì)量可以直接與其發(fā)熱量相關(guān)聯(lián),無論是否考慮總發(fā)熱量或凈值發(fā)熱量。 但是,如果惰性氣體存在于被檢氣體中,那將對該模型造成明顯誤差。平均摩爾質(zhì)量與其熱量相關(guān)性從圖6可以看出。

6:碳?xì)浠衔餁怏w的發(fā)熱量與摩爾質(zhì)量、比重的關(guān)系,從圖中可以反饋出能量與密度間的線性關(guān)系,但氮氣、二氧化碳等惰性氣體(藍(lán)色)不遵循這種關(guān)系

因此,如果僅僅根據(jù)圖6將碳?xì)浠衔餁怏w的發(fā)熱量與其摩爾質(zhì)量、比重進(jìn)行對應(yīng),那么其不準(zhǔn)確性會隨著惰性氣體含量的增加而則增加。圖7顯示的是發(fā)熱量誤差與惰性氣體含量的關(guān)系,由圖可知,這種誤差可能會非常明顯。但是,由于他們之間的關(guān)系呈現(xiàn)強烈的線性相關(guān),如果已知總惰性氣體含量,那么根據(jù)等式(6)可以計算出發(fā)熱量的預(yù)期誤差并進(jìn)行校正,此外,公式(6)是普適的一般性質(zhì),也適用于其他氣體的密度測量原理。

     erro CV/%=1.6 · total inert gas /%         6

 

7:天然氣中惰性氣體含量與熱量誤差的線性關(guān)系,紅色為未經(jīng)過校正,藍(lán)色為經(jīng)過校正

圖七中的所有計算值都是根據(jù)圖4的天然氣成分氣體濃度,通過NIST參考流體熱力學(xué)和運輸屬性數(shù)據(jù)庫[7]計算得到的,對于其他類似的氣體如:混合天然氣,也具有類似的相關(guān)性。(混合天然氣含有大量的氫氣或燃?xì)?,其中主要成分為氫氣和甲烷。?/span>

 

結(jié)論和展望

基于MEMS的諧振氣體密度傳感器可用于工藝條件下的在線密度測量。密度傳感器可以是出廠時就已經(jīng)過微量可追溯流體的校準(zhǔn)。因此,在測量密度時并不需要在現(xiàn)場使用參考?xì)怏w。

通過測量其中一種氣體的密度,溫度和壓力,我們可以推斷出的二元氣體混合物的組成,例如甲烷/二氧化碳,氬氣/氫氣或甲烷/丙烷。上述例子已經(jīng)表明,其測得的濃度的精度高于1mol%甚至是0.1mol%,這主要取決于兩種成分氣體的摩爾質(zhì)量區(qū)別和測量過程的環(huán)境壓強。

測量更復(fù)雜的氣體混合物時像天然氣或燃?xì)鈺r,必須使用相應(yīng)的方法來獲得混合氣體的信息,如平均摩爾質(zhì)量,參考密度或參考條件下的比重。這些信息的精度可以超過2%,具體取決于其工藝條件。

此外,我們還可以測量天然氣或可燃?xì)怏w的發(fā)熱值,但其測量精度在很大程度上取決于當(dāng)前的惰性氣體含量。

這個問題的有潛力的解決方案是通過測量混合氣體的其他物理性質(zhì)。E + H研究了在原子力顯微鏡(AFM)中用作氣體傳感元件的諧振硅微懸臂梁的功能[8],該傳感器元件測量的是大氣壓下的低密度氣體。新傳感器的概念能夠同時測量氣體的密度和粘度,并且即使在大氣壓下,其相對精度也可達(dá)1%。其他公司也進(jìn)行了類似的研究,這些研究都顯示出了諧振微懸臂梁[9]或微調(diào)諧叉[10]在測量氣體密度和粘度方面的巨大潛力。額外測得的粘度信息,可以有助于克服惰性氣體的問題。這些新的傳感器概念會有利于更多的混合物進(jìn)行成分的分析,并且這些研究將會進(jìn)一步的深入。

 

致謝:

非常感謝Endress+Hauser Flowtec公司的J. Knall,以及TrueDyne Sensors公司的同事P. Reith, H. Feth A.Rasch在這項工作中給予我的支持與幫助!

 

參考文獻(xiàn)

[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] endress

[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 

[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)

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