MEMS質量流量計在城市天然氣計量的應用

摘 要

摘要：介紹了微機械電子系統(MEMS)質量流量計的構造、工作原理、技術特性，探討了MEMS質量流量計的校準、對前直管段的要求、可靠性和溫度性能，實流檢測及實際應用。膜式表和MEMS
摘要：介紹了微機械電子系統(MEMS)質量流量計的構造、工作原理、技術特性，探討了MEMS質量流量計的校準、對前直管段的要求、可靠性和溫度性能，實流檢測及實際應用。膜式表和MEMS質量流量計的實際應用效果對比顯示，MEMS質量流量計比膜式表測量相對誤差小，始動流量小。
關鍵詞：微機械電子系統；質量流量計；膜式表；實流檢測
Application of Mass Flowmeter with Micro-electro-mechanical System to City Natural Gas Metering
TAN Xiaoping，WU Decai，HUANG Liji
Abstract：The structure，working principle and technical features of mass flowmeter with micro-electro-mechanical system(MEMS)are introduced.The calibration of mass flowmeter with MEMS，the requirement for front straight pipe section，the reliability and temperature performance，the actual flow measurement and the practical application are discussed.The practical application effect comparison between diaphragm meter and mass flowmeter with MEMS shows that the relative measurement error and starting flow rate of mass flowmeter with MEMS are less than those of diaphragm meter.
Key words：micro-electro-mechanical system(MEMS)；mass flowmeter；diaphragm meter；actual flow measurement
1 微機械電子系統(MEMS)簡介
微機械電子系統(Micro Electro Mechanical System)簡稱MEMS，是采用現代加工工藝和材料生長及合成技術制造的具有機械、電子及其他物理特性的微系統。大多數微機械電子系統是借用了大規模集成電路的主要工藝構筑在硅片上的，因此也稱為微機電系統芯片。
微機電系統芯片可獲得某些宏觀機電器件不能實現的功能。典型的微機電系統芯片包含微傳感器、微調節器及智能電子控制線路。微傳感器能感應環境的熱、機械、磁、光、化學或生物特性，通過微調節器及智能電子控制線路來完成相關功能。MEMS質量流量計采用美國SIARG0公司生產的熱式質量流量傳感器芯片，通過氣體流動產生的熱場變化來測量氣體的流量。由于不同質量的氣體對熱場具有不同的影響，因此它所測量的流量為質量流量。
    微機電系統芯片熱式質量流量傳感器采用多個溫度傳感器及1個微熱源，大大減小了環境對測量的影響。其熱源十分微小，采用插入式，在相對大的靜態流場中，熱源對介質環境沒有影響，不會像傳統的熱絲式質量流量計那樣造成氣體的對流。因此，微機電系統芯片熱式質量流量傳感器具有優良的零點穩定性和極短的響應時間[1～2]。
2 MEMS質量流量計的構造和工作原理
2.1 MEMS質量流量計的構造
    MEMS質量流量計的構造見圖1，核心部件為流量傳感器組件。對于工業用戶，流量計的平均功耗不大于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功能。表體的管道通常采用文丘里結構，有利于流場的穩定。
 

    傳感器的封裝對流量計的性能有較大影響。由于傳感器屬于芯片，在單晶硅上制作而成，厚度為0.5mm。因此可以將之封裝成平板狀，插入流場中，使流場實現邊界層狀態。因此，流體到達傳感器時將重新分布，使傳感器測量的流體為層流狀態，測量重復性可達到理想的狀態。
2.2 MEMS質量流量計的工作原理[1]
    與傳統熱式質量流量計的測量原理類似，流體的質量流量與流過傳感器所帶走的熱量相對應。在MEMS流量芯片上，1個微熱源的上、下游各對稱地設置1個溫度傳感器，還設置了1個環境溫度傳感器，用來調節環境溫度變化對微熱源的影響。流體的質量流量，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。傳感器所測量的流量為與溫度和壓力無關的質量流量。盡管如此，控制電路的溫度補償是流量計溫度效應的主要來源。
3 MEMS質量流量計的技術特性
    MEMS質量流量計適用于天然氣、氣態液化石油氣等氣體的測量。目前應用于城市天然氣工業和商業用戶的中壓和低壓系列產品已面市，其在城市天然氣計量表現出的優越性非常顯著。
    MEMS質量流量計的優點為：
    ① 量程比大，MF-FD系列氣體質量流量計的量程比達100：1。
    ② 始動流量小。可有效解決機械式流量計的小流量漏計問題，減小燃氣公司的供銷差。
    ③ 直接進行質量計量，不需溫度、壓力補償，減少計量損失。
    ④ 壓力損失小，能保證系統節能運行。
    ⑤ 重量輕。與容積式流量計相比，MEMS質量流量計的重量大大減輕。
   ⑥ 無可動部件。
   ⑦ 全電子智能功能。專門設計的電子控制部件能提供信號傳輸、事故報警、IC卡控制等功能；內置存儲器進行歷史數據記錄，為深入分析和管理用戶用氣創造了條件；網絡通信功能可輕松實現城市燃氣儀表的系統管理，為城市燃氣實現調峰、階梯收費等措施創造了條件。
4 MEMS質量流量計的校準和性能[1]
    ① 用于校準的標準器
    由于MEMS質量流量計量程比大，因此選擇標準器時量程比是一個重要因素，負壓臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置(聲速噴嘴)成為首選的標準器。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定性和擴展不確定度，是常用的氣體質量流量計校準和檢定的標準設備。MEMS質量流量計均由聲速噴嘴作為標準器進行校準。由矽翔微機電系統(上海)有限公司設計的聲速噴嘴，空氣中的測量范圍為0.016～1500m3/h，不確定度為0.22%。
    ② MEMS質量流量計的校準
    由于MEMS流量芯片采用類似于大規模集成電路的制作工藝，在單一硅基晶圓上可制作上千個傳感器，因而芯片與芯片之間具有較高的一致性。因此MEMS質量流量計間的一致性除了設計，特別是除了控制電路和機械結構的設計以外，取決于芯片封裝的一致性、流量計各部件的一致性和裝配過程的一致性。在實際校準過程中，校準流量點的多少、流量計整流器的效果、校準環境的穩定性(溫度、濕度和壓力)以及介質(空氣)和流場的穩定性都是決定校準精度的重要因素。在實際生產過程中，對生產工藝的控制決定了校準的難易。對MEMS質量流量計而言，其原始信號可采用多項式擬合來使之線性化和校準。
   ③ MEMS質量流量計的前直管段要求
經實驗確定，前直管段長度最小應為前直管段內直徑(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種工況下的計量相對誤差，見圖2。5種工況分別為：工況1：1個90°垂直彎管+長5D的前直管段；工況2：2個90°垂直彎管+長5D的前直管段；工況3：2個90°水平彎管+長5D的前直管段；工況4：1個90°水平彎管+1個90°垂直彎管+長5D的前直管段；工況5：長15D的前直管段。由圖3可知，只要前直管段長度大于等于5D，各類彎管對MEMS質量流量計的精度影響很小。
 

   ④ MEMS質量流量計的可靠性測試
   用于城市天然氣計量的質量流量計，其可靠性十分重要，可靠性故障會給燃氣管理帶來困難，甚至引起貿易糾紛。在MEMS質量流量計的可靠性測試中，采用了加速實驗的方法。一臺管徑為32mm，最大標稱流量為16m3/h的MEMS質量流量計在校準后和累積流量達到32650m3后的質量流量相對誤差見圖3，同一工況、同一質量流量下的3個相對誤差值代表3次重復性測量的結果(圖3中有些點重合)。該MEMS質量流量計適用于小型餐飲用戶等的天然氣計量，這類用戶平均每天用氣約6h，平均小時流量約為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質量流量計的測量精度仍能滿足要求。
   ⑤ MEMS質量流量計的溫度性能測試
   對全電子流量計而言，環境溫度的穩定性也是一個重要指標。盡管MEMS質量流量計一次傳感測量的數據為質量流量，與介質溫度無關，但二次傳感(控制電路本身的溫度特性)與介質溫度相關。
如果控制電路的溫度特性使測量相對誤差超出了精度允許范圍，則流量計不能用于天然氣的貿易計量。
    管徑為50mm的MEMS質量流量計校準(介質溫度為20℃)后的測量相對誤差，與介質溫度(t)為31℃時(常壓)的測量相對誤差比較見圖4。由圖4可知，盡管介質溫度升高后，測量相對誤差總體負偏，但仍在精度允許范圍內。因此在城市天然氣的實際使用環境中，控制電路的溫度效應帶來的影響滿足測量精度要求。
 

5 MEMS質量流量計的實流檢測及應用
    ① MEMS質量流量計的實流檢測
    對于燃氣流量計，在生產過程中，實際氣體標定通常難以實現，因此空氣校準是必然的選擇。空氣校準的流量計，必須能夠容易地應用到實際的城市燃氣計量中。理論上，由于傳感器封裝在流場中形成邊界層層流狀態及相對穩定的流場，氣體修正因子可用于不同測量氣體的檢測[5]。為了證明這一理論推測，在空氣中標定2臺MEMS質量流量計，其中1臺管徑為50mm，測量范圍為0～400m3/h；另1臺管徑為80mm，測量范圍為0～1500m3/h。在進行天然氣實流檢測前，通過軟件設定單一線性氣體修正因子為0.7845。實流檢測裝置的測量范圍為26～10000m3/h，不確定度為0.25%。用于實流檢測的天然氣以甲烷(體積分數為97.549%)為主要成分，密度為0.6879kg/m3。
    管徑為50mm的MEMS質量流量計的重復性為0.26%，相對誤差為-0.74%～0.74%。管徑為80mm的MEMS質量流量計的檢測結果與管徑為50mm的MEMS質量流量計相近。這2臺MEMS質量流量計在天然氣中的檢測精度與在空氣中的相近。結果表明，采用MEMS質量流量計對天然氣進行貿易計量是可行的。日本東京燃氣公司[5]在對MEMS質量流量計的評估中，對氣體組分變化的情況進行了研究。結果表明，當氣體組分變化不大時，對測量精度的影響微小。這符合大多數應用情況，通常某個城市的燃氣氣源相對穩定。當氣源組分變化很大時(例如含N2等)，MEMS質量流量計中的組分檢測傳感器需要進行常態檢測，以對氣源組分變化進行修正或補償。這在一定條件下會影響MEMS質量流量計的功耗，縮短電池壽命。
   ② 應用案例
   2009年6月，重慶市某制衣廠應用了MF50GD型MEMS質量流量計。為掌握膜式表與MEMS質量流量計的計量情況，將1只G40膜式表與1只MEMS質量流量計串聯，進行計量流量的對比，見表1，其中MEMS質量流量計計量的質量流量換算為體積流量。
表1 G40膜式表與MEMS質量流量計計量的日體積流量  m3
日期
C40膜式表
MF50GD型MEMS質量流量計
6月18日
103
106
6月20日
45
81
6月21日
38
45
6月22日
69
84
6月24日
138
174
6月25日
46
59
6月27日
76
95
6月28日
48
70
6月29日
55
70
7月1日
80
107
7月2日
0
9
7月3日
0
7
7月4日
0
2
7月5日
O
2
    由表1可知：
    a. 6月18日至7月5日，G40膜式表計量的總體積流量為698m3，MF50GD型MEMS質量流量計計量的總體積流量為911m3，G40膜式表比MF50GD型MEMS質量流量計計量的總體積流量少213m3，相對誤差為30.5%。
b. 7月2日至5日的數據說明，用戶可能使用小火或長明火，流量達不到G40膜式表的始動流量，使其無法計量；而MF50GD型MEMS質量流量計的始動流量很小，可準確計量小流量。
參考文獻：
[1] WANG G，CHEN C，YAO Y，et al.Mieromachined thermal mass flow sensor and insertion type flow meters and manufacture methods：US，7536908[P].2009-05-26.
[2] HUANG L，CHEN C，YAO Y，et al.All electronic MEMS flow meters for city gas applications[C]∥Center for Measurement Standards/Industrial Technology Research Institute.The 15th International Flow Measurement Conference(FLOMEK0 2010).Taipei：National Measurement Laboratory R.O.C.，2010：50.
[3] MAYER F，SALIS G，FUNK J，et al.Scaling of thermal CMOS gas flow microsensors：experiment and simulation[J].Proceeding IEEE Micro Electro Mechanical Systems，1996(9)：116-121.
[4] DENG W H，JIANG S G，LIU R，et al.Calibration and verification of MEMS mass flow meters for custody transfer[C]∥Center for Measurement Standards/Industrial Technology Research Institute.The 15th International Flow Measurement Conference(FLOMEK0 2010).Taipei：National Measurement Laboratory R.O.C.，2010：49.
[5] OTAKANE K，SAKAI K，SETO M.Development of the thermal flow meter[C]∥SICE Annual Conferenee in Fukui.Fukui(Japan)：Fukui University，2003：2031-2034.
 
(本文作者：譚小平1 吳德才1 黃立基2 1.重慶凱源石油天然氣有限責任公司 重慶 400021；2.矽翔微機電系統(上海)有限公司 上海 200233)