MEMS質(zhì)量流量計(jì)在城市天然氣計(jì)量的應(yīng)用
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MEMS質(zhì)量流量計(jì)采用美國(guó)SIARGO公司生產(chǎn)的熱式質(zhì)量流量傳感器芯片，通過氣體流動(dòng)產(chǎn)生的熱場(chǎng)變化來測(cè)量氣體的流量。由于不同質(zhì)量的氣體對(duì)熱場(chǎng)具有不同的影響，因此它所測(cè)量的流量為質(zhì)量流量。
微機(jī)電系統(tǒng)芯片熱式質(zhì)量流量傳感器采用多個(gè)溫度傳感器及1個(gè)微熱源，大大減小了環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響。其熱源十分微小，采用插入式，在相對(duì)大的靜態(tài)流場(chǎng)中，熱源對(duì)介質(zhì)環(huán)境沒有影響，不會(huì)像傳統(tǒng)的熱絲式質(zhì)量流量計(jì)那樣造成氣體的對(duì)流。因此，微機(jī)電系統(tǒng)芯片熱式質(zhì)量流量傳感器具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性和極短的響應(yīng)時(shí)間。
2 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造和工作原理
2.1MEMS質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造
MEMS質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造見圖1，核心部件為流量傳感器組件。對(duì)于工業(yè)用戶，流量計(jì)的平均功耗不大于0.8mW，其所采用的19AH鋰電池組可以支持3年以上的不間斷工作。組合整流器包含直流和整流兩個(gè)功能。表體的管道通常采用文丘里結(jié)構(gòu)，有利于流場(chǎng)的穩(wěn)定。
圖1 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造
2.2 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的工作原理
與傳統(tǒng)熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理類似，流體的質(zhì)量流量與流過傳感器所帶走的熱量相對(duì)應(yīng)。在MEMS流量芯片上，1個(gè)微熱源的上、下游各對(duì)稱地設(shè)置1個(gè)溫度傳感器，還設(shè)置了1個(gè)環(huán)境溫度傳感器，用來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度變化對(duì)微熱源的影響。流體的質(zhì)量流量，微熱源上、下游的溫度變化及微熱源的功率是芯片的主要參數(shù)。傳感器所測(cè)量的流量為與溫度和壓力無關(guān)的質(zhì)量流量。盡管如此，控制電路的溫度補(bǔ)償是流量計(jì)溫度效應(yīng)的主要來源。
3 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的技術(shù)特性
MEMS質(zhì)量流量計(jì)適用于天然氣、氣態(tài)液化石油氣等氣體的測(cè)量。目前應(yīng)用于城市天然氣工業(yè)和商業(yè)用戶的中壓和低壓系列產(chǎn)品已面市，其在城市天然氣計(jì)量表現(xiàn)出的優(yōu)越性非常顯著。
MEMS質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為：
①量程比大，MF－FD系列氣體質(zhì)量流量計(jì)的量程比達(dá)100∶1。
②始動(dòng)流量小?？捎行Ы鉀Q機(jī)械式流量計(jì)的小流量漏計(jì)問題，減小燃?xì)夤镜墓╀N差。
③直接進(jìn)行質(zhì)量計(jì)量，不需溫度、壓力補(bǔ)償，減少計(jì)量損失。
④壓力損失小，能保證系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。
⑤重量輕。與容積式流量計(jì)相比，MEMS質(zhì)量流量計(jì)的重量大大減輕。
⑥無可動(dòng)部件。
⑦全電子智能功能。專門設(shè)計(jì)的電子控制部件能提供信號(hào)傳輸、事故報(bào)警、IC卡控制等功能；內(nèi)置存儲(chǔ)器進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)記錄，為深入分析和管理用戶用氣創(chuàng)造了條件；網(wǎng)絡(luò)通信功能可輕松實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)鈨x表的系統(tǒng)管理，為城市燃?xì)鈱?shí)現(xiàn)調(diào)峰、階梯收費(fèi)等措施創(chuàng)造了條件。
4 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的校準(zhǔn)和性能
①用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器
由于MEMS質(zhì)量流量計(jì)量程比大，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)量程比是一個(gè)重要因素，負(fù)壓臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（聲速噴嘴）成為首選的標(biāo)準(zhǔn)器。一方面，通過噴嘴的組合，聲速噴嘴具有較大的量程比；另一方面，聲速噴嘴具有較好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展不確定度，是常用的氣體質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)和檢定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。MEMS質(zhì)量流量計(jì)均由聲速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)。由矽翔微機(jī)電系統(tǒng)（上海）有限公司設(shè)計(jì)的聲速噴嘴，空氣中的測(cè)量范圍為0.016～1500m3/h，不確定度為0.22%。
②MEMS質(zhì)量流量計(jì)的校準(zhǔn)
由于MEMS流量芯片采用類似于大規(guī)模集成電路的制作工藝，在單一硅基晶圓上可制作上千個(gè)傳感器，因而芯片與芯片之間具有較高的一致性。因此MEMS質(zhì)量流量計(jì)間的一致性除了設(shè)計(jì)，特別是除了控制電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以外，取決于芯片封裝的一致性、流量計(jì)各部件的一致性和裝配過程的一致性。在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，校準(zhǔn)流量點(diǎn)的多少、流量計(jì)整流器的效果、校準(zhǔn)環(huán)境的穩(wěn)定性（溫度、濕度和壓力）以及介質(zhì)（空氣）和流場(chǎng)的穩(wěn)定性都是決定校準(zhǔn)精度的重要因素。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)生產(chǎn)工藝的控制決定了校準(zhǔn)的難易。對(duì)MEMS質(zhì)量流量計(jì)而言，其原始信號(hào)可采用多項(xiàng)式擬合來使之線性化和校準(zhǔn)。
③MEMS質(zhì)量流量計(jì)的前直管段要求
經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，前直管段長(zhǎng)度最小應(yīng)為前直管段內(nèi)直徑（D）的5倍。在前直管段的前端連接不同的彎管（包括90°垂直或水平彎管及其各類組合），得到5種工況下的計(jì)量相對(duì)誤差，見圖2。5種工況分別為：工況1：1個(gè)90°垂直彎管+長(zhǎng)5D的前直管段；工況2：2個(gè)90°垂直彎管+長(zhǎng)5D的前直管段；工況3：2個(gè)90°水平彎管+長(zhǎng)5D的前直管段；工況4：1個(gè)90°水平彎管+1個(gè)90°垂直彎管+長(zhǎng)5D的前直管段；工況5：長(zhǎng)15D的前直管段。由圖3可知，只要前直管段長(zhǎng)度大于等于5D，各類彎管對(duì)MEMS質(zhì)量流量計(jì)的精度影響很小。
圖2 MEMS質(zhì)量流量計(jì)在5種工況下的質(zhì)量流量相對(duì)誤差
用于城市天然氣計(jì)量的質(zhì)量流量計(jì)，其可靠性十分重要，可靠性故障會(huì)給燃?xì)夤芾韼砝щy，甚至引起貿(mào)易糾紛。在MEMS質(zhì)量流量計(jì)的可靠性測(cè)試中，采用了加速實(shí)驗(yàn)的方法。一臺(tái)管徑為32mm，最大標(biāo)稱流量為16m3/h的MEMS質(zhì)量流量計(jì)在校準(zhǔn)后和累積流量達(dá)到32650m3后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差見圖3，同一工況、同一質(zhì)量流量下的3個(gè)相對(duì)誤差值代表3次重復(fù)性測(cè)量的結(jié)果（圖3中有些點(diǎn)重合）。該MEMS質(zhì)量流量計(jì)適用于小型餐飲用戶等的天然氣計(jì)量，這類用戶平均每天用氣約6h，平均小時(shí)流量約為8m3/h，因此32650m3的天然氣約需要使用2年。由圖3可知，累積使用2年后，MEMS質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度仍能滿足要求。
圖3 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的可靠性測(cè)試結(jié)果
對(duì)全電子流量計(jì)而言，環(huán)境溫度的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要指標(biāo)。盡管MEMS質(zhì)量流量計(jì)一次傳感測(cè)量的數(shù)據(jù)為質(zhì)量流量，與介質(zhì)溫度無關(guān)，但二次傳感（控制電路本身的溫度特性）與介質(zhì)溫度相關(guān)。如果控制電路的溫度特性使測(cè)量相對(duì)誤差超出了精度允許范圍，則流量計(jì)不能用于天然氣的貿(mào)易計(jì)量。
管徑為50mm的MEMS質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)（介質(zhì)溫度為20℃）后的測(cè)量相對(duì)誤差，與介質(zhì)溫度（t）為31℃時(shí)（常壓）的測(cè)量相對(duì)誤差比較見圖4。由圖4可知，盡管介質(zhì)溫度升高后，測(cè)量相對(duì)誤差總體負(fù)偏，但仍在精度允許范圍內(nèi)。因此在城市天然氣的實(shí)際使用環(huán)境中，控制電路的溫度效應(yīng)帶來的影響滿足測(cè)量精度要求。
圖4 MEMS質(zhì)量流量計(jì)溫度性能測(cè)試結(jié)果
①M(fèi)EMS質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)流檢測(cè)
對(duì)于燃?xì)饬髁坑?jì)，在生產(chǎn)過程中，實(shí)際氣體標(biāo)定通常難以實(shí)現(xiàn)，因此空氣校準(zhǔn)是必然的選擇?？諝庑?zhǔn)的流量計(jì)，必須能夠容易地應(yīng)用到實(shí)際的城市燃?xì)庥?jì)量中。理論上，由于傳感器封裝在流場(chǎng)中形成邊界層層流狀態(tài)及相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)，氣體修正因子可用于不同測(cè)量氣體的檢測(cè)。為了證明這一理論推測(cè)，在空氣中標(biāo)定2臺(tái)MEMS質(zhì)量流量計(jì)，其中1臺(tái)管徑為50mm，測(cè)量范圍為0～400m3/h；另1臺(tái)管徑為80mm，測(cè)量范圍為0～1500m3/h。在進(jìn)行天然氣實(shí)流檢測(cè)前，通過軟件設(shè)定單一線性氣體修正因子為0.7845。實(shí)流檢測(cè)裝置的測(cè)量范圍為26～10000m3/h，不確定度為0.25%。用于實(shí)流檢測(cè)的天然氣以甲烷（體積分?jǐn)?shù)為97.549%）為主要成分，密度為0.6879kg/m3。
管徑為50mm的MEMS質(zhì)量流量計(jì)的重復(fù)性為0.26%，相對(duì)誤差為－0.74%～0.74%。管徑為80mm的MEMS質(zhì)量流量計(jì)的檢測(cè)結(jié)果與管徑為50mm的MEMS質(zhì)量流量計(jì)相近。這2臺(tái)MEMS質(zhì)量流量計(jì)在天然氣中的檢測(cè)精度與在空氣中的相近。結(jié)果表明，采用MEMS質(zhì)量流量計(jì)對(duì)天然氣進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量是可行的。日本東京燃?xì)夤驹趯?duì)MEMS質(zhì)量流量計(jì)的評(píng)估中，對(duì)氣體組分變化的情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)氣體組分變化不大時(shí)，對(duì)測(cè)量精度的影響微小。這符合大多數(shù)應(yīng)用情況，通常某個(gè)城市的燃?xì)鈿庠聪鄬?duì)穩(wěn)定。當(dāng)氣源組分變化很大時(shí)（例如含N2等），MEMS質(zhì)量流量計(jì)中的組分檢測(cè)傳感器需要進(jìn)行常態(tài)檢測(cè)，以對(duì)氣源組分變化進(jìn)行修正或補(bǔ)償。這在一定條件下會(huì)影響MEMS質(zhì)量流量計(jì)的功耗，縮短電池壽命。
②應(yīng)用案例
2009年6月，重慶市某制衣廠應(yīng)用了MF50GD型MEMS質(zhì)量流量計(jì)。為掌握膜式表與MEMS質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量情況，將1只G40膜式表與1只MEMS質(zhì)量流量計(jì)串聯(lián)，進(jìn)行計(jì)量流量的對(duì)比，見表1，其中MEMS質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量的質(zhì)量流量換算為體積流量。
表1 G40膜式表與MEMS質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量的日體積流量m3 
a.6月18日至7月5日，G40膜式表計(jì)量的總體積流量為698m3，MF50GD型MEMS質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量的總體積流量為911m3，G40膜式表比MF50GD型MEMS質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量的總體積流量少213m3，相對(duì)誤差為30.5%。
b.7月2日至5日的數(shù)據(jù)說明，用戶可能使用小火或長(zhǎng)明火，流量達(dá)不到G40膜式表的始動(dòng)流量，使其無法計(jì)量；而MF50GD型MEMS質(zhì)量流量計(jì)的始動(dòng)流量很小，可準(zhǔn)確計(jì)量小流量。(end)
評(píng)論