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渦街流量計

MEMS質(zhì)量流量計在城市天然氣計量的應(yīng)用

發(fā)布日期:2022-04-27 點擊率:96


摘  要: 介紹了微機械電子系統(tǒng)(MEMS)質(zhì)量流量計的構(gòu)造、工作原理、技術(shù)特性,探討了MEMS質(zhì)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(yīng)用。膜式表和MEMS質(zhì)量流量計的實際應(yīng)用效果對比顯示,MEMS質(zhì)量流量計比膜式表測量相對誤差小,始動流量小。
關(guān)鍵字: 微機械電子系統(tǒng) 質(zhì)量流量計 膜式表 實流檢測

1 微機械電子系統(tǒng)(MEMS)簡介

微機械電子系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSys-tem)簡稱MEMS,是采用現(xiàn)代加工工藝和材料生長及合成技術(shù)制造的具有機械、電子及其他物理特性的微系統(tǒng)。大多數(shù)微機械電子系統(tǒng)是借用了大規(guī)模集成電路的主要工藝構(gòu)筑在硅片上的,因此也稱為微機電系統(tǒng)芯片。

微機電系統(tǒng)芯片可獲得某些宏觀機電器件不能實現(xiàn)的功能。典型的微機電系統(tǒng)芯片包含微傳感器、微調(diào)節(jié)器及智能電子控制線路。微傳感器能感應(yīng)環(huán)境的熱、機械、磁、光、化學或生物特性,通過微調(diào)節(jié)器及智能電子控制線路來完成相關(guān)功能。

MEMS質(zhì)量流量計采用美國SIARGO公司生產(chǎn)的熱式質(zhì)量流量傳感器芯片,通過氣體流動產(chǎn)生的熱場變化來測量氣體的流量。由于不同質(zhì)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(zhì)量流量。

微機電系統(tǒng)芯片熱式質(zhì)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(huán)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(tài)流場中,熱源對介質(zhì)環(huán)境沒有影響,不會像傳統(tǒng)的熱絲式質(zhì)量流量計那樣造成氣體的對流。因此,微機電系統(tǒng)芯片熱式質(zhì)量流量傳感器具有優(yōu)良的零點穩(wěn)定性和極短的響應(yīng)時間。

2 MEMS質(zhì)量流量計的構(gòu)造和工作原理

2.1MEMS質(zhì)量流量計的構(gòu)造

MEMS質(zhì)量流量計的構(gòu)造見圖1,核心部件為流量傳感器組件。對于工業(yè)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(jié)構(gòu),有利于流場的穩(wěn)定。


圖1 MEMS質(zhì)量流量計的構(gòu)造

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(xiàn)邊界層狀態(tài)。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(tài),測量重復(fù)性可達到理想的狀態(tài)。

2.2 MEMS質(zhì)量流量計的工作原理

與傳統(tǒng)熱式質(zhì)量流量計的測量原理類似,流體的質(zhì)量流量與流過傳感器所帶走的熱量相對應(yīng)。在MEMS流量芯片上,1個微熱源的上、下游各對稱地設(shè)置1個溫度傳感器,還設(shè)置了1個環(huán)境溫度傳感器,用來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度變化對微熱源的影響。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,控制電路的溫度補償是流量計溫度效應(yīng)的主要來源。

3 MEMS質(zhì)量流量計的技術(shù)特性

MEMS質(zhì)量流量計適用于天然氣、氣態(tài)液化石油氣等氣體的測量。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,其在城市天然氣計量表現(xiàn)出的優(yōu)越性非常顯著。

MEMS質(zhì)量流量計的優(yōu)點為:

①量程比大,MF-FD系列氣體質(zhì)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(zhì)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(tǒng)節(jié)能運行。
⑤重量輕。與容積式流量計相比,MEMS質(zhì)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(shè)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(nèi)置存儲器進行歷史數(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)通信功能可輕松實現(xiàn)城市燃氣儀表的系統(tǒng)管理,為城市燃氣實現(xiàn)調(diào)峰、階梯收費等措施創(chuàng)造了條件。

4 MEMS質(zhì)量流量計的校準和性能

①用于校準的標準器

由于MEMS質(zhì)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(wěn)定性和擴展不確定度,是常用的氣體質(zhì)量流量計校準和檢定的標準設(shè)備。MEMS質(zhì)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(tǒng)(上海)有限公司設(shè)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%。

②MEMS質(zhì)量流量計的校準

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)量流量計間的一致性除了設(shè)計,特別是除了控制電路和機械結(jié)構(gòu)的設(shè)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(huán)境的穩(wěn)定性(溫度、濕度和壓力)以及介質(zhì)(空氣)和流場的穩(wěn)定性都是決定校準精度的重要因素。在實際生產(chǎn)過程中,對生產(chǎn)工藝的控制決定了校準的難易。對MEMS質(zhì)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。

③MEMS質(zhì)量流量計的前直管段要求

經(jīng)實驗確定,前直管段長度最小應(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(zhì)量流量計的精度影響很小。


圖2 MEMS質(zhì)量流量計在5種工況下的質(zhì)量流量相對誤差

④MEMS質(zhì)量流量計的可靠性測試

用于城市天然氣計量的質(zhì)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(mào)易糾紛。在MEMS質(zhì)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(zhì)量流量計在校準后和累積流量達到32650m3后的質(zhì)量流量相對誤差見圖3,同一工況、同一質(zhì)量流量下的3個相對誤差值代表3次重復(fù)性測量的結(jié)果(圖3中有些點重合)。該MEMS質(zhì)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(zhì)量流量計的測量精度仍能滿足要求。


圖3 MEMS質(zhì)量流量計的可靠性測試結(jié)果

⑤MEMS質(zhì)量流量計的溫度性能測試

對全電子流量計而言,環(huán)境溫度的穩(wěn)定性也是一個重要指標。盡管MEMS質(zhì)量流量計一次傳感測量的數(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(mào)易計量。

管徑為50mm的MEMS質(zhì)量流量計校準(介質(zhì)溫度為20℃)后的測量相對誤差,與介質(zhì)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(zhì)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(nèi)。因此在城市天然氣的實際使用環(huán)境中,控制電路的溫度效應(yīng)帶來的影響滿足測量精度要求。


圖4 MEMS質(zhì)量流量計溫度性能測試結(jié)果

5 MEMS質(zhì)量流量計的實流檢測及應(yīng)用

①MEMS質(zhì)量流量計的實流檢測

對于燃氣流量計,在生產(chǎn)過程中,實際氣體標定通常難以實現(xiàn),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(yīng)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(tài)及相對穩(wěn)定的流場,氣體修正因子可用于不同測量氣體的檢測。為了證明這一理論推測,在空氣中標定2臺MEMS質(zhì)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(shè)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(shù)為97.549%)為主要成分,密度為0.6879kg/m3。

管徑為50mm的MEMS質(zhì)量流量計的重復(fù)性為0.26%,相對誤差為-0.74%~0.74%。管徑為80mm的MEMS質(zhì)量流量計的檢測結(jié)果與管徑為50mm的MEMS質(zhì)量流量計相近。這2臺MEMS質(zhì)量流量計在天然氣中的檢測精度與在空氣中的相近。結(jié)果表明,采用MEMS質(zhì)量流量計對天然氣進行貿(mào)易計量是可行的。日本東京燃氣公司在對MEMS質(zhì)量流量計的評估中,對氣體組分變化的情況進行了研究。結(jié)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(shù)應(yīng)用情況,通常某個城市的燃氣氣源相對穩(wěn)定。當氣源組分變化很大時(例如含N2等),MEMS質(zhì)量流量計中的組分檢測傳感器需要進行常態(tài)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(zhì)量流量計的功耗,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。為掌握膜式表與MEMS質(zhì)量流量計的計量情況,將1只G40膜式表與1只MEMS質(zhì)量流量計串聯(lián),進行計量流量的對比,見表1,其中MEMS質(zhì)量流量計計量的質(zhì)量流量換算為體積流量。

表1 G40膜式表與MEMS質(zhì)量流量計計量的日體積流量m3

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(zhì)量流量計計量的總體積流量為911m3,G40膜式表比MF50GD型MEMS質(zhì)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(shù)據(jù)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(zhì)量流量計的始動流量很小,可準確計量小流量。

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