摘要
夜间报警与神秘的浓度峰值：
我们分析了一个客户案例，其中泄漏的阀门威胁到了焊接气体的质量。了解连续密度测量（采用 DGF‑I1）是如何揭示这些“潜入式气量”（creeping quantities），以及过程监测如何有效避免昂贵的废品和设备停机。
01
此测试的必要性何在?
在焊接技术（如氩/氢）和惰化工艺（如氪/空气）中，无形因素常常决定质量。如果混合比例不正确，可能会导致焊接缺陷或绝缘性能下降。我们展示了密度如何作为一种“物理指纹”，无需昂贵的实验室分析，即可精确监控二元气体混合物的浓度，从而提升过程稳定性。
涉及到哪些气体?
· 氩气(Argon)
· 氢气(Hydrogen)
氩气（Ar）
约 0.09 kg/m³（0 ℃，1.01325 bar 绝压）
氢气（H₂）
约 1.78 kg/m³（0 ℃，1.01325 bar 绝压）
02
密度测量
采用 DGF‑I1 气体密度传感器进行密度测量。为此，现有的校准流程被调整并扩展至包含纯 SF₆ 的测量。在不同压力和温度条件下记录的测量值随后用于优化现有的用于浓度测量的物理模型。该模型确保未来不再需要使用 SF₆ 进行真实气体校准，使得每个传感器都能随后轻松配置用于该应用。
03
TrueDyne 传感器
DGF‑I1 密度传感器直径为 33.5 mm、长度为 63 mm，结构极为紧凑，可安装于最狭小空间中。传感器通过一体化连接件直接旋入气体管线或需绝缘的控制柜中；内部滤芯可防止污染。测量值通过 RS485 接口传输至上位系统。传感器的低响应时间和低功耗使得直接在过程中进行连续 SF₆ 浓度监测成为可能，无需中断测量。
DGF-I1 气体密度传感器
最大测量误差：
· 密度：< 0.1 kg/m³
· 温度：< 0.8 ℃
· 压力：< 0.04 bar
现场可调节：
· 密度：< 0.05 kg/m³
重复性：
· 密度：< 0.015 kg/m³
· 温度：< 0.06 ℃
· 压力：< 0.005 bar
允许密度测量范围：
0.2 … 19 kg/m³
允许压力范围：
最大测量范围：1 … 10 bar（绝压）
仅可用于氩气（Ar）混合物，最高可达 9 bar（绝压）
爆破压力： 30 bar
04
测试装置
该测试装置用于精确生成并持续监控二元气体混合物的质量。系统由两个独立的气源（气瓶 A 和气瓶 B）供气。
两个质量流量控制器（MFC）用于对各气体进行计量。它们精确调节流量比例，以达到所需的目标浓度。两股气流随后进入中央缓冲罐。该缓冲罐具有双重功能：
使气体混合物完全均匀化
补偿压力波动与用气峰值（缓冲）
测量段位于缓冲罐出口处。混合完成的气体直接通过 DGF 传感器。该传感器在气体被输送至下游工艺前“在线”监控混合物的浓度与质量。这确保进入过程的气体始终符合规格。
集成DGF传感器监测的气体混合系统示意图
05
测试结果
图1：焊接气体混合物的浓度曲线
上图展示了焊接气体混合系统中氢气浓度的实际测量记录（从星期二至星期四的三天）。目标氢气浓度为 5%，橙色边界线 4% 与 6% 分别代表允许的 ±1% 浓度公差。
乍看之下，最引人注意的是周期性向上的尖峰，这些尖峰超过了 6% 的上限值。正是这些峰值在夜间、非生产时段触发了客户现场的报警。
基于密度测量的诊断：
DGF-I1 记录的数据很快揭示了问题：
· 现象： H₂ 浓度的上升与设备停机时间完全同步。
· 原因：检查混合段后发现，氢气质量流量控制器（MFC）的阀门无法完全关闭，持续有少量“渗漏量”（creep volumes）进入缓冲罐。
· 影响：在正常生产期间，由于用气量大，这些小泄漏被掩盖，混合物仍保持在目标范围内。而一旦停机，轻质的氢气便会在罐中逐渐积累，使浓度持续上升，最终超出允许范围。
结论
为客户带来的价值：
若没有 DGF-I1 的连续监测，这一缺陷将一直不被察觉，直到计划的 MFC 维护时才会暴露，因为系统在正常运行时看似工作正常。然而，过高的氢气含量可能导致焊缝质量问题，最严重情况可能出现焊缝气孔。
得益于清晰的数据，客户能够立即采取措施：在更换故障 MFC 之前，可在每次生产开始前短暂释放缓冲罐中的气体，以恢复正确的混合比例。这避免了生产停机，并确保焊接质量的持续稳定。
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