熱式質(zhì)量燃?xì)獗碓诓煌瑲怏w中計量特性和自適應(yīng)轉(zhuǎn)換實驗研究

汪斌 江蘇剛 馮勇 黃立基

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

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;氣體自動組分識別;正壓實流環(huán)道裝置

中圖分類號：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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，主要從事流量計量檢定校準(zhǔn)工作。

0 引言

民用燃?xì)獠捎皿w積計量已有170多年的歷史。但體積計量方式不能有效處理因溫度壓力變化引入的誤差，同時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和管理對于機(jī)械式體積計量方式，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)時電子技術(shù)的局限，并未有市場化的產(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。熱式質(zhì)量計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)，對于燃?xì)庾罱K按熱值計量具有極大的應(yīng)用前景[1]。因此，熱式燃?xì)庥嬃考夹g(shù)在多個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)的實際應(yīng)用。第一臺采用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，得到了用戶的廣泛認(rèn)可。

將MEMS流量芯片應(yīng)用于燃?xì)獾挠嬃糠矫妫瑖鴥?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2萬臺左右。在2017年發(fā)布的新的國家計量檢定規(guī)程JJG1132-2017《熱式氣體質(zhì)量流量計》[5]中，也涵蓋了MEMS流量芯片計量技術(shù)。因此，對這一技術(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)計量技術(shù)法規(guī)也在陸續(xù)制定和頒布中，對MEMS技術(shù)在國內(nèi)燃?xì)赓Q(mào)易計量領(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，在計量檢定規(guī)程JJG1132-2017中，要求檢定氣體的組分或性狀與實際測量介質(zhì)相近，采用符合要求的天然氣實流檢定是最優(yōu)選擇。但是家用燃?xì)獗硎橇看竺鎻V的計量器具，全部實流檢定也是不現(xiàn)實的。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)具有氣體組分自動識別技術(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)計了正壓環(huán)道實流標(biāo)定裝置，并采用現(xiàn)有熱式燃?xì)獗磉M(jìn)行實流試驗，來驗證帶有氣體組分識別技術(shù)的熱式燃?xì)獗淼墓ぷ髟怼嵱眯院陀嬃繙?zhǔn)確性，為其在燃?xì)赓Q(mào)易計量的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼脑O(shè)計及測量原理

1.1 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼脑O(shè)計

MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼脑O(shè)計如圖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量熱式質(zhì)量流量計》（IS014511）描述的測量原理[6]，根據(jù)量熱式氣體熱式質(zhì)量流量的計量公式，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——氣體轉(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，對于流場有一定的干擾，盡管其重復(fù)性較好，但復(fù)現(xiàn)性難以達(dá)到計量要求;因此，該技術(shù)多應(yīng)用在控制和監(jiān)測領(lǐng)域，而不用作貿(mào)易計量的范疇。MEMS熱式流量計量芯片的發(fā)明，為熱式質(zhì)量流量計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)尺寸縮小到幾個微米，加熱頭的發(fā)熱量也大大降低，其對周圍流場的影響可以忽略不計，在計量性能上，重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性都能達(dá)到貿(mào)易計量的要求。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)一步推動了以MEMS芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的熱式氣體質(zhì)量流量計量技術(shù)的發(fā)展和完善。

量熱式氣體熱式質(zhì)量流量儀表主要測量單一潔凈氣體，一般選擇氮氣作為參比氣體，以氮氣的熱物性參數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)定氮氣的氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF為1。對于變組分氣體的應(yīng)用，視其具體應(yīng)用要求，或采用實際氣體標(biāo)定，或采用試驗氣體的理論熱物性參數(shù)計算轉(zhuǎn)換因子來實現(xiàn)應(yīng)用的需求。而對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)難以計算，通常需要對特定試驗氣體實流標(biāo)定。

MEMS熱式流量計量芯片具有除測量熱源上、下游溫度的溫度傳感器外，也集成了動態(tài)測量天然氣熱物性參數(shù)的微電子傳感器，與氮氣的熱物性參數(shù)相比可以實時得到被測氣體熱物性參數(shù)，完成氣體組分識別，歸一化處理后得到被測量天然氣的氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)GCF幾從而實現(xiàn)燃?xì)獗碓谌細(xì)夂涂諝庵g的計量特性轉(zhuǎn)換，滿足現(xiàn)行的燃?xì)怏w積計量的法規(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應(yīng)進(jìn)行包括多種類型滿足要求的天然氣與空氣比對試驗在內(nèi)的型式評價試驗，證明燃?xì)獗碛邢鄳?yīng)的氣體組分識別功能。這樣，儀表廠出廠時用空氣和天然氣調(diào)校儀表系數(shù)合格，計量技術(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)變化時使用該燃?xì)獗淼臍怏w組分識別功能，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)體積計量的目的。

1.3 MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼膶嶋H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，確保氣體組分識別準(zhǔn)確;燃?xì)獗淼闹骺啬K還需要相應(yīng)的測控軟件來保證氣體組分識別功能正常。在實際工作中，當(dāng)傳感芯片測量到實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，通過軟件和數(shù)據(jù)庫計算調(diào)整GCF來補(bǔ)償因燃?xì)饨M分變化而帶來的誤差，實現(xiàn)了動態(tài)檢測、實時補(bǔ)償（過程氣體到參比氣體的自動計量轉(zhuǎn)換，或稱為“自適應(yīng)轉(zhuǎn)換”）功能。MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗淼膶嶋H工作流程如圖2所示。

2 正壓實流環(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”;以及對于質(zhì)量流量計而言，檢定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與被測介質(zhì)相適應(yīng)。為驗證MEMS熱式質(zhì)量燃?xì)獗砩鲜龉δ芎陀嬃啃阅苣芊駶M足產(chǎn)品型式評價大綱，需要對該燃?xì)獗磉M(jìn)行上述所討論的型式評價試驗，試驗內(nèi)容包括多種類型滿足要求的天然氣與空氣比對試驗。為此，本文研制出一套天然氣實流標(biāo)準(zhǔn)裝置，并選取了8種具有代表性的天然氣進(jìn)行實流試驗。

天然氣實流標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計成封閉式正壓環(huán)道裝置，工作壓力3kPa，最大流量5m³/h。分成5個單元：氣源、標(biāo)準(zhǔn)表單元、被測表單元、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)運輸入，由化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)供應(yīng)商按照試驗要求進(jìn)行配制。氮氣（N₂）從市面采購，用來做基礎(chǔ)測試氣體和置換氣體。

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）被測表單元，可夾裝用于測試的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，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，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箢悾斯っ簹狻⒁夯蜌夂吞烊粴狻ｋS著社會對節(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)多年積累的組分報告，對8家燃?xì)夤練怏w組分情況進(jìn)行了分析，將組分報告中的相對密度和高位熱值，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)組分實驗研究，采用12T類天然氣作為實驗的氣體。

3.2 實驗氣樣選擇

實驗氣樣參考國家標(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、下限的實驗氣體;2）選擇標(biāo)準(zhǔn)氣體;3）配制5組分實驗氣體以模擬實際天然氣;沃泊指數(shù)分布在上述3種實驗氣體之間。

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。實驗氣樣如表3所示。

相對于氣相色譜原理，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試的氣體組分參數(shù)，但是能夠測量流過氣體的熱物性參數(shù)。在實際應(yīng)用中，燃?xì)獗硗ㄟ^測量氣體熱物性參數(shù)具有對天然氣組分變化的感知能力，并對因燃?xì)饨M分變化帶來的氣體轉(zhuǎn)換因子GCF進(jìn)行實時修正，以達(dá)到燃?xì)獗頊y量實流天然氣流量計量準(zhǔn)確度的要求。

4 實驗過程及數(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

氮氣中標(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夾裝在被測表位置，用氮氣置換環(huán)道內(nèi)空氣，提升管道壓力至3kPa左右。通過調(diào)節(jié)羅茨泵和電動閥門改變流量點，對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)色綠色點表示該流量點的測量誤差。

4.2 樣機(jī)G4-1在不同組分氣樣中測得的識別曲線

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)羅茨泵和電動閥門改變流量，測試各流量點對應(yīng)的動態(tài)熱物性值，測量值為G4-1的氣體組分識別值。實驗過程需注意置換充分和排空燃燒，確保實驗安全和氣樣準(zhǔn)確。G4-1燃?xì)獗硭鶞y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識別值成反向變化趨勢，后者的變化范圍在4%左右。

4.3 實驗樣機(jī)自適應(yīng)狀態(tài)下的誤差特性

按照圖2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。在實際工作中，燃?xì)獗砀鶕?jù)圖5測得的識別值，實時進(jìn)行在線修正，遵照現(xiàn)行燃?xì)庥嬃糠ㄒ?guī)及時調(diào)整因天然氣組分變化引入的計量誤差。

將表3選擇的8種氣樣分別輸入環(huán)道，測試G4-1誤差特性，其結(jié)果滿足貿(mào)易計量士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)過天然氣實流試驗，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，具有實時修正能力，表現(xiàn)出良好的誤差特性（<±1.5%）。外形設(shè)計合理，操作方便，經(jīng)氮氣（空氣）標(biāo)定可使用于天然氣，具有實用性。

2）本實驗所采用的MEMS家用熱式質(zhì)量燃?xì)獗砜梢宰R別天然氣組分的相對變化，測量結(jié)果存在規(guī)律性。

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

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

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（編輯：莫婕）