汪斌 江蘇剛 馮勇 黃立基

摘要：MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼挠?jì)量準(zhǔn)確與天然氣組分變化存在相關(guān)性。本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)流標(biāo)定裝置測(cè)量熱式質(zhì)量燃?xì)獗碓?種不同組分12T天然氣的計(jì)量性能，驗(yàn)證一款MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼臍怏w組分識(shí)別功能。在所選擇的不同氣體組分實(shí)流測(cè)試中，該MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗砟軌驅(qū)崿F(xiàn)流過氣體組分自動(dòng)識(shí)別以及計(jì)量參數(shù)的自動(dòng)切換，滿足燃?xì)獗頊?zhǔn)確計(jì)量的要求。

關(guān)鍵詞：MEMS熱式質(zhì)量民用燃?xì)獗?氣體轉(zhuǎn)換系數(shù);天然氣;氣體自動(dòng)組分識(shí)別;正壓實(shí)流環(huán)道裝置

中圖分類號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）06-0054-06

收稿日期：2018-08-30;收到修改稿日期：2018-09-27

作者簡介：汪斌（1968-），男，四川成都市人，工程師，主要從事流量計(jì)量檢定校準(zhǔn)工作。

0 引言

民用燃?xì)獠捎皿w積計(jì)量已有170多年的歷史。但體積計(jì)量方式不能有效處理因溫度壓力變化引入的誤差，同時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和管理對(duì)于機(jī)械式體積計(jì)量方式，不可避免帶來較高的附加成本。全電子燃?xì)獗碓缭?0世紀(jì)80年代就開始研究和試用，但由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的局限，并未有市場(chǎng)化的產(chǎn)品。熱式氣體質(zhì)量流量技術(shù)較好地解決了溫度和壓力補(bǔ)償，不僅確保了準(zhǔn)確性，也可滿足數(shù)據(jù)傳輸和現(xiàn)代管理功能。特別是近年來MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）熱式質(zhì)量流量計(jì)量芯片技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得該技術(shù)在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上得到極大拓展，同時(shí)芯片制造技術(shù)的應(yīng)用，使得MEMS燃?xì)獗碓诔杀旧暇哂休^大優(yōu)勢(shì)。熱式質(zhì)量計(jì)量雖然和氣體的組分有相關(guān)性，但該相關(guān)性本質(zhì)與氣體的熱值有關(guān)，對(duì)于燃?xì)庾罱K按熱值計(jì)量具有極大的應(yīng)用前景[1]。因此，熱式燃?xì)庥?jì)量技術(shù)在多個(gè)國家成為目前主要發(fā)展和應(yīng)用的方向;特別是歐盟，意大利、瑞士、德國、法國和英國在21世紀(jì)以來都積極推進(jìn)這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。第一臺(tái)采用MEMS熱式質(zhì)量流量芯片技術(shù)的燃?xì)獗碛扇鹗康腁BB公司研制并在2002年面世[2]。意大利在2016年正式發(fā)布了基于MEMS流量芯片產(chǎn)品的熱式燃?xì)獗淼膰覙?biāo)準(zhǔn)[3]，相應(yīng)的歐盟標(biāo)準(zhǔn)也在積極制定中。意大利安裝的熱式燃?xì)獗硪延猩习偃f臺(tái)，得到了用戶的廣泛認(rèn)可。

將MEMS流量芯片應(yīng)用于燃?xì)獾挠?jì)量方面，國內(nèi)從2006年開始也進(jìn)行了積極的嘗試[4]。限于法規(guī)的要求和產(chǎn)業(yè)的特殊性，目前尚局限于中小商業(yè)客戶使用，使用量在2萬臺(tái)左右。在2017年發(fā)布的新的國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG1132-2017《熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)》[5]中，也涵蓋了MEMS流量芯片計(jì)量技術(shù)。因此，對(duì)這一技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，我國處于全球先進(jìn)水平。一些相應(yīng)的地方和行業(yè)計(jì)量技術(shù)法規(guī)也在陸續(xù)制定和頒布中，對(duì)MEMS技術(shù)在國內(nèi)燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供法規(guī)和依據(jù)。但如前所述，熱式質(zhì)量流量技術(shù)與燃?xì)獾慕M分具有相關(guān)性，在計(jì)量檢定規(guī)程JJG1132-2017中，要求檢定氣體的組分或性狀與實(shí)際測(cè)量介質(zhì)相近，采用符合要求的天然氣實(shí)流檢定是最優(yōu)選擇。但是家用燃?xì)獗硎橇看竺鎻V的計(jì)量器具，全部實(shí)流檢定也是不現(xiàn)實(shí)的。參考意大利國家標(biāo)準(zhǔn)UNI11625-2016[3]的要求，MEMS熱式燃?xì)獗響?yīng)具有氣體組分自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，從而在空氣和燃?xì)饽Ｊ较戮軡M足誤差標(biāo)準(zhǔn)，不與目前國際通用計(jì)量法規(guī)相沖突。

按照目前燃?xì)庑袠I(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國內(nèi)部分天然氣氣源樣本選擇多種氣樣，本文設(shè)計(jì)了正壓環(huán)道實(shí)流標(biāo)定裝置，并采用現(xiàn)有熱式燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)流試驗(yàn)，來驗(yàn)證帶有氣體組分識(shí)別技術(shù)的熱式燃?xì)獗淼墓ぷ髟?、?shí)用性和計(jì)量準(zhǔn)確性，為其在燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)及測(cè)量原理

1.1 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)

MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)如圖1所示。與現(xiàn)有的家用膜式燃?xì)獗淼陌惭b方式兼容。圖中：1為MEMS熱式質(zhì)量流量傳感器組件，置于內(nèi)部的流道中;2為流體通道，3為穩(wěn)流器，其作用是使通過傳感組件的氣流在測(cè)量范圍內(nèi)保持穩(wěn)定;所有的電子控制器件，包括4主控模塊和顯示器以及5電池模塊，均置于6儀表殼體之外;7為電子控制盒前蓋，可提供面板按鈕操作和通信接口;8為控制閥門，可提供使用和安全控制;9為氣流方向，便于安裝。

1.2 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼臏y(cè)量原理

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20727-2006（（封閉管道中流體流量的測(cè)量熱式質(zhì)量流量計(jì)》（IS014511）描述的測(cè)量原理[6]，根據(jù)量熱式氣體熱式質(zhì)量流量的計(jì)量公式，可推導(dǎo)如下公式：

q_m=f/△·GCT（1）式中：q_n——質(zhì)量流量;

f——儀表系數(shù);

△T——上下游溫差;

GCF——?dú)怏w轉(zhuǎn)換系數(shù)（與流過氣體熱物性相關(guān)）。

如式（1）表達(dá)，質(zhì)量流量與氣流造成的上下游溫差4T和氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF有關(guān)。傳統(tǒng)熱式測(cè)量技術(shù)中，加熱頭的尺寸通常在毫米范疇，由于自身功耗較大，對(duì)于流場(chǎng)有一定的干擾，盡管其重復(fù)性較好，但復(fù)現(xiàn)性難以達(dá)到計(jì)量要求;因此，該技術(shù)多應(yīng)用在控制和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，而不用作貿(mào)易計(jì)量的范疇。MEMS熱式流量計(jì)量芯片的發(fā)明，為熱式質(zhì)量流量計(jì)量帶來了革命性改變，MEMS芯片具有極為優(yōu)良的隔熱性能，加熱頭的結(jié)構(gòu)尺寸縮小到幾個(gè)微米，加熱頭的發(fā)熱量也大大降低，其對(duì)周圍流場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)，在計(jì)量性能上，重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性都能達(dá)到貿(mào)易計(jì)量的要求。另一方面，近年來微電子傳感技術(shù)的飛躍發(fā)展，微功耗技術(shù)的廣泛使用，進(jìn)一步推動(dòng)了以MEMS芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展和完善。

量熱式氣體熱式質(zhì)量流量儀表主要測(cè)量單一潔凈氣體，一般選擇氮?dú)庾鳛閰⒈葰怏w，以氮?dú)獾臒嵛镄詤?shù)為基礎(chǔ)設(shè)定氮?dú)獾臍怏w轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF為1。對(duì)于變組分氣體的應(yīng)用，視其具體應(yīng)用要求，或采用實(shí)際氣體標(biāo)定，或采用試驗(yàn)氣體的理論熱物性參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)換因子來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的需求。而對(duì)于以烷烴為主的天然氣這種多組分氣體，由于理論熱物性參數(shù)難以計(jì)算，通常需要對(duì)特定試驗(yàn)氣體實(shí)流標(biāo)定。

MEMS熱式流量計(jì)量芯片具有除測(cè)量熱源上、下游溫度的溫度傳感器外，也集成了動(dòng)態(tài)測(cè)量天然氣熱物性參數(shù)的微電子傳感器，與氮?dú)獾臒嵛镄詤?shù)相比可以實(shí)時(shí)得到被測(cè)氣體熱物性參數(shù)，完成氣體組分識(shí)別，歸一化處理后得到被測(cè)量天然氣的氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF幾從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗碓谌細(xì)夂涂諝庵g的計(jì)量特性轉(zhuǎn)換，滿足現(xiàn)行的燃?xì)怏w積計(jì)量的法規(guī)要求。因此，現(xiàn)行的MEMS熱式質(zhì)量流量燃?xì)獗碓诙ㄐ蜁r(shí)應(yīng)進(jìn)行包括多種類型滿足要求的天然氣與空氣比對(duì)試驗(yàn)在內(nèi)的型式評(píng)價(jià)試驗(yàn)，證明燃?xì)獗碛邢鄳?yīng)的氣體組分識(shí)別功能。這樣，儀表廠出廠時(shí)用空氣和天然氣調(diào)校儀表系數(shù)合格，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)采用空氣檢定合格（貿(mào)易結(jié)算類強(qiáng)制檢定），燃?xì)夤驹谔烊粴饨橘|(zhì)變化時(shí)使用該燃?xì)獗淼臍怏w組分識(shí)別功能，獲得氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF或氣體熱值勝且分修正，達(dá)到天然氣按標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)量的目的。

1.3 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼膶?shí)際工作流程

MEMS熱式質(zhì)量流量傳感芯片上集成了量熱式流量傳感器和氣體熱物性傳感器。燃?xì)獗戆凑諈⒈葰怏w的氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF為1進(jìn)行儀表系數(shù)校準(zhǔn)，目的是校準(zhǔn)流量傳感器獲得滿足要求的空氣計(jì)量準(zhǔn)確度;燃?xì)獗磉€需要校準(zhǔn)熱物性傳感器，選擇滿足要求的天然氣樣氣校準(zhǔn)熱物性傳感器，確保氣體組分識(shí)別準(zhǔn)確;燃?xì)獗淼闹骺啬K還需要相應(yīng)的測(cè)控軟件來保證氣體組分識(shí)別功能正常。在實(shí)際工作中，當(dāng)傳感芯片測(cè)量到實(shí)際氣體的熱物性參數(shù)與參比氣體的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過軟件和數(shù)據(jù)庫計(jì)算調(diào)整GCF來補(bǔ)償因燃?xì)饨M分變化而帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)檢測(cè)、實(shí)時(shí)補(bǔ)償（過程氣體到參比氣體的自動(dòng)計(jì)量轉(zhuǎn)換，或稱為“自適應(yīng)轉(zhuǎn)換”）功能。MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼膶?shí)際工作流程如圖2所示。

2 正壓實(shí)流環(huán)道裝置

按照文獻(xiàn)[7-8]的建議，“在操作條件下進(jìn)行校準(zhǔn)是校準(zhǔn)的最佳方式”;以及對(duì)于質(zhì)量流量計(jì)而言，檢定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與被測(cè)介質(zhì)相適應(yīng)。為驗(yàn)證MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗砩鲜龉δ芎陀?jì)量性能能否滿足產(chǎn)品型式評(píng)價(jià)大綱，需要對(duì)該燃?xì)獗磉M(jìn)行上述所討論的型式評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括多種類型滿足要求的天然氣與空氣比對(duì)試驗(yàn)。為此，本文研制出一套天然氣實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置，并選取了8種具有代表性的天然氣進(jìn)行實(shí)流試驗(yàn)。

天然氣實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)成封閉式正壓環(huán)道裝置，工作壓力3kPa，最大流量5m³/h。分成5個(gè)單元：氣源、標(biāo)準(zhǔn)表單元、被測(cè)表單元、氣體循環(huán)單元和數(shù)采控制系統(tǒng)，如圖3所示。

1）氣源采用4L或8L鋼瓶轉(zhuǎn)運(yùn)輸入，由化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)供應(yīng)商按照試驗(yàn)要求進(jìn)行配制。氮?dú)猓∟₂）從市面采購，用來做基礎(chǔ)測(cè)試氣體和置換氣體。

2）標(biāo)準(zhǔn)表單元由帶溫壓修正和機(jī)電轉(zhuǎn)換輸出的濕式氣體流量計(jì)構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)表在0.016～6m³/h范圍內(nèi)獲得校準(zhǔn)，并將擬合曲線輸入數(shù)采控制系統(tǒng)。

3）被測(cè)表單元，可夾裝用于測(cè)試的MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗恚ㄈ鐖D1所示）。

4）氣體循環(huán)單元，包括穩(wěn)壓過濾器、專用羅茨鼓風(fēng)機(jī)、球閥、電動(dòng)球閥和阻尼器等。羅茨鼓風(fēng)機(jī)能夠使進(jìn)出口產(chǎn)生一定的壓差，讓氣體流動(dòng)，流量的大小與差壓值有關(guān)。差壓值通過變頻器調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來控制，環(huán)道中的電動(dòng)閥門亦可參與流量調(diào)節(jié)。過濾器及阻尼器可減少氣流脈動(dòng)，保持穩(wěn)定流量輸出。

3 城市天然氣組分與氣樣選擇

3.1 中國城市天然氣現(xiàn)狀

中國城鎮(zhèn)燃?xì)夥肿魅箢?，人工煤氣、液化石油氣和天然氣。隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能減排和環(huán)保經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，天然氣干線管道和支線管網(wǎng)不斷健全完善，在民用和商用的用氣比重逐年上升，目前已經(jīng)成為燃?xì)忸I(lǐng)域的主導(dǎo)氣源。

按照發(fā)熱量指標(biāo)（沃泊指數(shù)W）進(jìn)行分類，民用和工商業(yè)用天然氣可分為兩類，10T和12T，如表1所示。

對(duì)于全國各地天然氣氣源的組分情況，根據(jù)多年積累的組分報(bào)告，對(duì)8家燃?xì)夤練怏w組分情況進(jìn)行了分析，將組分報(bào)告中的相對(duì)密度和高位熱值，轉(zhuǎn)換成沃泊指數(shù)，如表2所示。

從表中發(fā)現(xiàn)全國8家燃?xì)夤咎烊粴獾奈植粗笖?shù)都在47.95～2.5MJ/m³范圍內(nèi)，也就是說目前不論是西氣、川氣、單井氣、LNG等，幾乎都屬于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12T類天然氣范圍內(nèi)。所以，本MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗碜赃m應(yīng)組分實(shí)驗(yàn)研究，采用12T類天然氣作為實(shí)驗(yàn)的氣體。

3.2 實(shí)驗(yàn)氣樣選擇

實(shí)驗(yàn)氣樣參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13611-2006[9]和歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN437：2003[11]進(jìn)行選擇，氣樣選擇原則：1）從列表中選擇沃泊指數(shù)上、下限的實(shí)驗(yàn)氣體;2）選擇標(biāo)準(zhǔn)氣體;3）配制5組分實(shí)驗(yàn)氣體以模擬實(shí)際天然氣;沃泊指數(shù)分布在上述3種實(shí)驗(yàn)氣體之間。

G2-A氣樣是12T的下限氣樣（國標(biāo)12T3#，歐標(biāo)G23），G2-F氣樣是12T的標(biāo)準(zhǔn)氣樣（國標(biāo)12T0#，歐標(biāo)G20），G2-H氣樣是12T的上限氣樣（國標(biāo)12T1#，歐標(biāo)G21）。G2-B、G2-C、G2-D、G2-E氣樣為沃泊指數(shù)在44.8649.83 MJ/m3范圍之間的氣樣，G2-G氣樣為沃泊指數(shù)在49.8353.81 MJ/m3范圍之間的氣樣。實(shí)驗(yàn)氣樣如表3所示。

相對(duì)于氣相色譜原理，MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼膬?nèi)置傳感器不可能獲得昂貴的在線色譜分析儀所能測(cè)試的氣體組分參數(shù)，但是能夠測(cè)量流過氣體的熱物性參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，燃?xì)獗硗ㄟ^測(cè)量氣體熱物性參數(shù)具有對(duì)天然氣組分變化的感知能力，并對(duì)因燃?xì)饨M分變化帶來的氣體轉(zhuǎn)換因子GCF進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以達(dá)到燃?xì)獗頊y(cè)量實(shí)流天然氣流量計(jì)量準(zhǔn)確度的要求。

4 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

4.1 家用MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗順訖C(jī)G4-1在

氮?dú)庵袠?biāo)定及誤差特性

封閉式正壓環(huán)道流量裝置如圖3所示，首先將樣表G4-1夾裝在被測(cè)表位置，用氮?dú)庵脫Q環(huán)道內(nèi)空氣，提升管道壓力至3kPa左右。通過調(diào)節(jié)羅茨泵和電動(dòng)閥門改變流量點(diǎn)，對(duì)G4-1進(jìn)行標(biāo)定。獲得G4-1誤差特性，如圖4所示，紅色虛線表示誤差容許范圍，藍(lán)色綠色點(diǎn)表示該流量點(diǎn)的測(cè)量誤差。

4.2 樣機(jī)G4-1在不同組分氣樣中測(cè)得的識(shí)別曲線

用表3中的8種氣樣分別輸入環(huán)道，提升管道壓力至3kPa，同樣通過調(diào)節(jié)羅茨泵和電動(dòng)閥門改變流量，測(cè)試各流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)熱物性值，測(cè)量值為G4-1的氣體組分識(shí)別值。實(shí)驗(yàn)過程需注意置換充分和排空燃燒，確保實(shí)驗(yàn)安全和氣樣準(zhǔn)確。G4-1燃?xì)獗硭鶞y(cè)得數(shù)據(jù)見圖5。

如圖5所示，其中最靠近的褐色線和黑色線，為G2-G和G2-H氣樣識(shí)別值，屬于12T類熱值較高氣樣;最靠近的紫色線、綠色線和紅色線，為G2-A、G2-B和G2-C氣樣，屬于12T類熱值較低氣樣。由此可見，天然氣熱值變化與G4-1識(shí)別值成反向變化趨勢(shì)，后者的變化范圍在4%左右。

4.3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)自適應(yīng)狀態(tài)下的誤差特性

按照?qǐng)D2的MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗碜赃m應(yīng)工作流程，樣機(jī)G4-1內(nèi)部數(shù)據(jù)庫預(yù)置有一組天然氣參比氣體（100%CH₄）的GCF。在實(shí)際工作中，燃?xì)獗砀鶕?jù)圖5測(cè)得的識(shí)別值，實(shí)時(shí)進(jìn)行在線修正，遵照現(xiàn)行燃?xì)庥?jì)量法規(guī)及時(shí)調(diào)整因天然氣組分變化引入的計(jì)量誤差。

將表3選擇的8種氣樣分別輸入環(huán)道，測(cè)試G4-1誤差特性，其結(jié)果滿足貿(mào)易計(jì)量士1.5%的要求。誤差特性如圖6所示，圖中紅色虛線表示誤差容許范圍。

5 結(jié)束語

1）燃?xì)獗順訖C(jī)經(jīng)過天然氣實(shí)流試驗(yàn)，證明了MEMS家用熱式質(zhì)量燃?xì)獗碓谔烊粴饨M分變化的情況下，具有實(shí)時(shí)修正能力，表現(xiàn)出良好的誤差特性（<±1.5%）。外形設(shè)計(jì)合理，操作方便，經(jīng)氮?dú)猓諝猓?biāo)定可使用于天然氣，具有實(shí)用性。

2）本實(shí)驗(yàn)所采用的MEMS家用熱式質(zhì)量燃?xì)獗砜梢宰R(shí)別天然氣組分的相對(duì)變化，測(cè)量結(jié)果存在規(guī)律性。

3）參比氣體的系數(shù)GCF是在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)誤差的關(guān)鍵參數(shù)，同樣通過軟硬件和算法設(shè)計(jì)，可以使燃?xì)獗頋M足計(jì)量的要求。

4）本實(shí)驗(yàn)研究表明MEMS質(zhì)量流量計(jì)量和熱值計(jì)量存在相關(guān)性。這為今后實(shí)現(xiàn)熱值計(jì)量的可能性提供了初步的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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（編輯：莫婕）