MEMS质量流量计在城市天然气计量的应用

摘 要

摘要：介绍了微机械电子系统(MEMS)质量流量计的构造、工作原理、技术特性，探讨了MEMS质量流量计的校准、对前直管段的要求、可靠性和温度性能，实流检测及实际应用。膜式表和MEMS
摘要：介绍了微机械电子系统(MEMS)质量流量计的构造、工作原理、技术特性，探讨了MEMS质量流量计的校准、对前直管段的要求、可靠性和温度性能，实流检测及实际应用。膜式表和MEMS质量流量计的实际应用效果对比显示，MEMS质量流量计比膜式表测量相对误差小，始动流量小。
关键词：微机械电子系统；质量流量计；膜式表；实流检测
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 微机械电子系统(MEMS)简介
微机械电子系统(Micro Electro Mechanical System)简称MEMS，是采用现代加工工艺和材料生长及合成技术制造的具有机械、电子及其他物理特性的微系统。大多数微机械电子系统是借用了大规模集成电路的主要工艺构筑在硅片上的，因此也称为微机电系统芯片。
微机电系统芯片可获得某些宏观机电器件不能实现的功能。典型的微机电系统芯片包含微传感器、微调节器及智能电子控制线路。微传感器能感应环境的热、机械、磁、光、化学或生物特性，通过微调节器及智能电子控制线路来完成相关功能。MEMS质量流量计采用美国SIARG0公司生产的热式质量流量传感器芯片，通过气体流动产生的热场变化来测量气体的流量。由于不同质量的气体对热场具有不同的影响，因此它所测量的流量为质量流量。
    微机电系统芯片热式质量流量传感器采用多个温度传感器及1个微热源，大大减小了环境对测量的影响。其热源十分微小，采用插入式，在相对大的静态流场中，热源对介质环境没有影响，不会像传统的热丝式质量流量计那样造成气体的对流。因此，微机电系统芯片热式质量流量传感器具有优良的零点稳定性和极短的响应时间[1～2]。
2 MEMS质量流量计的构造和工作原理
2.1 MEMS质量流量计的构造
    MEMS质量流量计的构造见图1，核心部件为流量传感器组件。对于工业用户，流量计的平均功耗不大于0.8mW，其所采用的19AH锂电池组可以支持3年以上的不间断工作。组合整流器包含直流和整流两个功能。表体的管道通常采用文丘里结构，有利于流场的稳定。
 

    传感器的封装对流量计的性能有较大影响。由于传感器属于芯片，在单晶硅上制作而成，厚度为0.5mm。因此可以将之封装成平板状，插入流场中，使流场实现边界层状态。因此，流体到达传感器时将重新分布，使传感器测量的流体为层流状态，测量重复性可达到理想的状态。
2.2 MEMS质量流量计的工作原理[1]
    与传统热式质量流量计的测量原理类似，流体的质量流量与流过传感器所带走的热量相对应。在MEMS流量芯片上，1个微热源的上、下游各对称地设置1个温度传感器，还设置了1个环境温度传感器，用来调节环境温度变化对微热源的影响。流体的质量流量，微热源上、下游的温度变化及微热源的功率是芯片的主要参数。传感器所测量的流量为与温度和压力无关的质量流量。尽管如此，控制电路的温度补偿是流量计温度效应的主要来源。
3 MEMS质量流量计的技术特性
    MEMS质量流量计适用于天然气、气态液化石油气等气体的测量。目前应用于城市天然气工业和商业用户的中压和低压系列产品已面市，其在城市天然气计量表现出的优越性非常显著。
    MEMS质量流量计的优点为：
    ① 量程比大，MF-FD系列气体质量流量计的量程比达100：1。
    ② 始动流量小。可有效解决机械式流量计的小流量漏计问题，减小燃气公司的供销差。
    ③ 直接进行质量计量，不需温度、压力补偿，减少计量损失。
    ④ 压力损失小，能保证系统节能运行。
    ⑤ 重量轻。与容积式流量计相比，MEMS质量流量计的重量大大减轻。
   ⑥ 无可动部件。
   ⑦ 全电子智能功能。专门设计的电子控制部件能提供信号传输、事故报警、IC卡控制等功能；内置存储器进行历史数据记录，为深入分析和管理用户用气创造了条件；网络通信功能可轻松实现城市燃气仪表的系统管理，为城市燃气实现调峰、阶梯收费等措施创造了条件。
4 MEMS质量流量计的校准和性能[1]
    ① 用于校准的标准器
    由于MEMS质量流量计量程比大，因此选择标准器时量程比是一个重要因素，负压临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置(声速喷嘴)成为首选的标准器。一方面，通过喷嘴的组合，声速喷嘴具有较大的量程比；另一方面，声速喷嘴具有较好的稳定性和扩展不确定度，是常用的气体质量流量计校准和检定的标准设备。MEMS质量流量计均由声速喷嘴作为标准器进行校准。由矽翔微机电系统(上海)有限公司设计的声速喷嘴，空气中的测量范围为0.016～1500m3/h，不确定度为0.22%。
    ② MEMS质量流量计的校准
    由于MEMS流量芯片采用类似于大规模集成电路的制作工艺，在单一硅基晶圆上可制作上千个传感器，因而芯片与芯片之间具有较高的一致性。因此MEMS质量流量计间的一致性除了设计，特别是除了控制电路和机械结构的设计以外，取决于芯片封装的一致性、流量计各部件的一致性和装配过程的一致性。在实际校准过程中，校准流量点的多少、流量计整流器的效果、校准环境的稳定性(温度、湿度和压力)以及介质(空气)和流场的稳定性都是决定校准精度的重要因素。在实际生产过程中，对生产工艺的控制决定了校准的难易。对MEMS质量流量计而言，其原始信号可采用多项式拟合来使之线性化和校准。
   ③ MEMS质量流量计的前直管段要求
经实验确定，前直管段长度最小应为前直管段内直径(D)的5倍。在前直管段的前端连接不同的弯管(包括90°垂直或水平弯管及其各类组合)，得到5种工况下的计量相对误差，见图2。5种工况分别为：工况1：1个90°垂直弯管+长5D的前直管段；工况2：2个90°垂直弯管+长5D的前直管段；工况3：2个90°水平弯管+长5D的前直管段；工况4：1个90°水平弯管+1个90°垂直弯管+长5D的前直管段；工况5：长15D的前直管段。由图3可知，只要前直管段长度大于等于5D，各类弯管对MEMS质量流量计的精度影响很小。
 

   ④ MEMS质量流量计的可靠性测试
   用于城市天然气计量的质量流量计，其可靠性十分重要，可靠性故障会给燃气管理带来困难，甚至引起贸易纠纷。在MEMS质量流量计的可靠性测试中，采用了加速实验的方法。一台管径为32mm，最大标称流量为16m3/h的MEMS质量流量计在校准后和累积流量达到32650m3后的质量流量相对误差见图3，同一工况、同一质量流量下的3个相对误差值代表3次重复性测量的结果(图3中有些点重合)。该MEMS质量流量计适用于小型餐饮用户等的天然气计量，这类用户平均每天用气约6h，平均小时流量约为8m3/h，因此32650m3的天然气约需要使用2年。由图3可知，累积使用2年后，MEMS质量流量计的测量精度仍能满足要求。
   ⑤ MEMS质量流量计的温度性能测试
   对全电子流量计而言，环境温度的稳定性也是一个重要指标。尽管MEMS质量流量计一次传感测量的数据为质量流量，与介质温度无关，但二次传感(控制电路本身的温度特性)与介质温度相关。
如果控制电路的温度特性使测量相对误差超出了精度允许范围，则流量计不能用于天然气的贸易计量。
    管径为50mm的MEMS质量流量计校准(介质温度为20℃)后的测量相对误差，与介质温度(t)为31℃时(常压)的测量相对误差比较见图4。由图4可知，尽管介质温度升高后，测量相对误差总体负偏，但仍在精度允许范围内。因此在城市天然气的实际使用环境中，控制电路的温度效应带来的影响满足测量精度要求。
 

5 MEMS质量流量计的实流检测及应用
    ① MEMS质量流量计的实流检测
    对于燃气流量计，在生产过程中，实际气体标定通常难以实现，因此空气校准是必然的选择。空气校准的流量计，必须能够容易地应用到实际的城市燃气计量中。理论上，由于传感器封装在流场中形成边界层层流状态及相对稳定的流场，气体修正因子可用于不同测量气体的检测[5]。为了证明这一理论推测，在空气中标定2台MEMS质量流量计，其中1台管径为50mm，测量范围为0～400m3/h；另1台管径为80mm，测量范围为0～1500m3/h。在进行天然气实流检测前，通过软件设定单一线性气体修正因子为0.7845。实流检测装置的测量范围为26～10000m3/h，不确定度为0.25%。用于实流检测的天然气以甲烷(体积分数为97.549%)为主要成分，密度为0.6879kg/m3。
    管径为50mm的MEMS质量流量计的重复性为0.26%，相对误差为-0.74%～0.74%。管径为80mm的MEMS质量流量计的检测结果与管径为50mm的MEMS质量流量计相近。这2台MEMS质量流量计在天然气中的检测精度与在空气中的相近。结果表明，采用MEMS质量流量计对天然气进行贸易计量是可行的。日本东京燃气公司[5]在对MEMS质量流量计的评估中，对气体组分变化的情况进行了研究。结果表明，当气体组分变化不大时，对测量精度的影响微小。这符合大多数应用情况，通常某个城市的燃气气源相对稳定。当气源组分变化很大时(例如含N2等)，MEMS质量流量计中的组分检测传感器需要进行常态检测，以对气源组分变化进行修正或补偿。这在一定条件下会影响MEMS质量流量计的功耗，缩短电池寿命。
   ② 应用案例
   2009年6月，重庆市某制衣厂应用了MF50GD型MEMS质量流量计。为掌握膜式表与MEMS质量流量计的计量情况，将1只G40膜式表与1只MEMS质量流量计串联，进行计量流量的对比，见表1，其中MEMS质量流量计计量的质量流量换算为体积流量。
表1 G40膜式表与MEMS质量流量计计量的日体积流量  m3
日期
C40膜式表
MF50GD型MEMS质量流量计
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膜式表计量的总体积流量为698m3，MF50GD型MEMS质量流量计计量的总体积流量为911m3，G40膜式表比MF50GD型MEMS质量流量计计量的总体积流量少213m3，相对误差为30.5%。
b. 7月2日至5日的数据说明，用户可能使用小火或长明火，流量达不到G40膜式表的始动流量，使其无法计量；而MF50GD型MEMS质量流量计的始动流量很小，可准确计量小流量。
参考文献：
[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：谭小平1 吴德才1 黄立基2 1.重庆凯源石油天然气有限责任公司 重庆 400021；2.矽翔微机电系统(上海)有限公司 上海 200233)