摘要：介紹了微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造、工作原理、技術(shù)特性，探討了MEMS質(zhì)量流量計(jì)的校準(zhǔn)、對(duì)前直管段的要求、可靠性和溫度性能，實(shí)流檢測及實(shí)際應(yīng)用。膜式表和MEMS質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果對(duì)比顯示，MEMS質(zhì)量流量計(jì)比膜式表測量相對(duì)誤差小，始動(dòng)流量小。
關(guān)鍵詞：微機(jī)械電子系統(tǒng)；質(zhì)量流量計(jì)；膜式表；實(shí)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(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)簡介
微機(jī)械電子系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System)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(jī)械、電子及其他物理特性的微系統(tǒng)。大多數(shù)微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)芯片。
微機(jī)電系統(tǒng)芯片可獲得某些宏觀機(jī)電器件不能實(shí)現(xiàn)的功能。典型的微機(jī)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(jī)械、磁、光、化學(xué)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(jì)采用美國SIARG0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)生的熱場變化來測量氣體的流量。由于不同質(zhì)量的氣體對(duì)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(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[1～2]。
2 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造和工作原理
2.1 MEMS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)，有利于流場的穩(wěn)定。
傳感器的封裝對(duì)流量計(jì)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(shí)現(xiàn)邊界層狀態(tài)。因此，流體到達(dá)傳感器時(shí)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(dá)到理想的狀態(tài)。
2.2 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的工作原理[1]
與傳統(tǒng)熱式質(zhì)量流量計(jì)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(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]
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，空氣中的測量范圍為0.016～1500m3/h，不確定度為0.22%。
② MEMS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)。
③ MEMS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5D的前直管段；工況2：2個(gè)90°垂直彎管+長5D的前直管段；工況3：2個(gè)90°水平彎管+長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(duì)MEMS質(zhì)量流量計(jì)的精度影響很小。
④ MEMS質(zhì)量流量計(jì)的可靠性測試
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)的測量精度仍能滿足要求。
⑤ MEMS質(zhì)量流量計(jì)的溫度性能測試
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(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℃)后的測量相對(duì)誤差，與介質(zhì)溫度(t)為31℃時(shí)(常壓)的測量相對(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)帶來的影響滿足測量精度要求。
5 MEMS質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)流檢測及應(yīng)用
① MEMS質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)流檢測
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中形成邊界層層流狀態(tài)及相對(duì)穩(wěn)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(biāo)定2臺(tái)MEMS質(zhì)量流量計(jì)，其中1臺(tái)管徑為50mm，測量范圍為0～400m3/h；另1臺(tái)管徑為80mm，測量范圍為0～1500m3/h。在進(jìn)行天然氣實(shí)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(shí)流檢測裝置的測量范圍為26～10000m3/h，不確定度為0.25%。用于實(shí)流檢測的天然氣以甲烷(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?sup>[5]在對(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)中的組分檢測傳感器需要進(jìn)行常態(tài)檢測，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
|
日期
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C40膜式表
|
MF50GD型MEMS質(zhì)量流量計(jì)
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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(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。
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(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(zé)任公司 重慶 400021；2.矽翔微機(jī)電系統(tǒng)(上海)有限公司 上海 200233)
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