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(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。