MEMS质量流量计在城市天然气计量的应用

微机电系统芯片可获得某些宏观机电器件不能实现的功能。典型的微机电系统芯片包含微传感器、微调节器及智能电子控制线路。微传感器能感应环境的热、机械、磁、光、化学或生物特性，通过微调节器及智能电子控制线路来完成相关功能。

MEMS质量流量计采用美国SIARGO公司生产的热式质量流量传感器芯片，通过气体流动产生的热场变化来测量气体的流量。由于不同质量的气体对热场具有不同的影响，因此它所测量的流量为质量流量。

微机电系统芯片热式质量流量传感器采用多个温度传感器及1个微热源，大大减小了环境对测量的影响。其热源十分微小，采用插入式，在相对大的静态流场中，热源对介质环境没有影响，不会像传统的热丝式质量流量计那样造成气体的对流。因此，微机电系统芯片热式质量流量传感器具有优良的零点稳定性和极短的响应时间。

2 MEMS质量流量计的构造和工作原理

2.1MEMS质量流量计的构造

MEMS质量流量计的构造见图1，核心部件为流量传感器组件。对于工业用户，流量计的平均功耗不大于0.8mW，其所采用的19AH锂电池组可以支持3年以上的不间断工作。组合整流器包含直流和整流两个功能。表体的管道通常采用文丘里结构，有利于流场的稳定。

图1 MEMS质量流量计的构造

传感器的封装对流量计的性能有较大影响。由于传感器属于芯片，在单晶硅上制作而成，厚度为0.5mm。因此可以将之封装成平板状，插入流场中，使流场实现边界层状态。因此，流体到达传感器时将重新分布，使传感器测量的流体为层流状态，测量重复性可达到理想的状态。

2.2 MEMS质量流量计的工作原理

与传统热式质量流量计的测量原理类似，流体的质量流量与流过传感器所带走的热量相对应。在MEMS流量芯片上，1个微热源的上、下游各对称地设置1个温度传感器，还设置了1个环境温度传感器，用来调节环境温度变化对微热源的影响。流体的质量流量，微热源上、下游的温度变化及微热源的功率是芯片的主要参数。传感器所测量的流量为与温度和压力无关的质量流量。尽管如此，控制电路的温度补偿是流量计温度效应的主要来源。

3 MEMS质量流量计的技术特性

MEMS质量流量计适用于天然气、气态液化石油气等气体的测量。目前应用于城市天然气工业和商业用户的中压和低压系列产品已面市，其在城市天然气计量表现出的优越性非常显著。

MEMS质量流量计的优点为：

①量程比大，MF－FD系列气体质量流量计的量程比达100∶1。
②始动流量小。可有效解决机械式流量计的小流量漏计问题，减小燃气公司的供销差。
③直接进行质量计量，不需温度、压力补偿，减少计量损失。
④压力损失小，能保证系统节能运行。
⑤重量轻。与容积式流量计相比，MEMS质量流量计的重量大大减轻。
⑥无可动部件。
⑦全电子智能功能。专门设计的电子控制部件能提供信号传输、事故报警、IC卡控制等功能；内置存储器进行历史数据记录，为深入分析和管理用户用气创造了条件；网络通信功能可轻松实现城市燃气仪表的系统管理，为城市燃气实现调峰、阶梯收费等措施创造了条件。

4 MEMS质量流量计的校准和性能

①用于校准的标准器

由于MEMS质量流量计量程比大，因此选择标准器时量程比是一个重要因素，负压临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置（声速喷嘴）成为首选的标准器。一方面，通过喷嘴的组合，声速喷嘴具有较大的量程比；另一方面，声速喷嘴具有较好的稳定性和扩展不确定度，是常用的气体质量流量计校准和检定的标准设备。MEMS质量流量计均由声速喷嘴作为标准器进行校准。由矽翔微机电系统（上海）有限公司设计的声速喷嘴，空气中的测量范围为0.016～1500m3/h，不确定度为0.22%。

②MEMS质量流量计的校准

由于MEMS流量芯片采用类似于大规模集成电路的制作工艺，在单一硅基晶圆上可制作上千个传感器，因而芯片与芯片之间具有较高的一致性。因此MEMS质量流量计间的一致性除了设计，特别是除了控制电路和机械结构的设计以外，取决于芯片封装的一致性、流量计各部件的一致性和装配过程的一致性。在实际校准过程中，校准流量点的多少、流量计整流器的效果、校准环境的稳定性（温度、湿度和压力）以及介质（空气）和流场的稳定性都是决定校准精度的重要因素。在实际生产过程中，对生产工艺的控制决定了校准的难易。对MEMS质量流量计而言，其原始信号可采用多项式拟合来使之线性化和校准。

③MEMS质量流量计的前直管段要求

经实验确定，前直管段长度最小应为前直管段内直径（D）的5倍。在前直管段的前端连接不同的弯管（包括90°垂直或水平弯管及其各类组合），得到5种工况下的计量相对误差，见图2。5种工况分别为：工况1：1个90°垂直弯管+长5D的前直管段；工况2：2个90°垂直弯管+长5D的前直管段；工况3：2个90°水平弯管+长5D的前直管段；工况4：1个90°水平弯管+1个90°垂直弯管+长5D的前直管段；工况5：长15D的前直管段。由图3可知，只要前直管段长度大于等于5D，各类弯管对MEMS质量流量计的精度影响很小。