MEMS质量流量计在城市天然气计量的应用

图2 MEMS质量流量计在5种工况下的质量流量相对误差

④MEMS质量流量计的可靠性测试

用于城市天然气计量的质量流量计，其可靠性十分重要，可靠性故障会给燃气管理带来困难，甚至引起贸易纠纷。在MEMS质量流量计的可靠性测试中，采用了加速实验的方法。一台管径为32mm，最大标称流量为16m3/h的MEMS质量流量计在校准后和累积流量达到32650m3后的质量流量相对误差见图3，同一工况、同一质量流量下的3个相对误差值代表3次重复性测量的结果（图3中有些点重合）。该MEMS质量流量计适用于小型餐饮用户等的天然气计量，这类用户平均每天用气约6h，平均小时流量约为8m3/h，因此32650m3的天然气约需要使用2年。由图3可知，累积使用2年后，MEMS质量流量计的测量精度仍能满足要求。

图3 MEMS质量流量计的可靠性测试结果

⑤MEMS质量流量计的温度性能测试

对全电子流量计而言，环境温度的稳定性也是一个重要指标。尽管MEMS质量流量计一次传感测量的数据为质量流量，与介质温度无关，但二次传感（控制电路本身的温度特性）与介质温度相关。如果控制电路的温度特性使测量相对误差超出了精度允许范围，则流量计不能用于天然气的贸易计量。

管径为50mm的MEMS质量流量计校准（介质温度为20℃）后的测量相对误差，与介质温度（t）为31℃时（常压）的测量相对误差比较见图4。由图4可知，尽管介质温度升高后，测量相对误差总体负偏，但仍在精度允许范围内。因此在城市天然气的实际使用环境中，控制电路的温度效应带来的影响满足测量精度要求。

图4 MEMS质量流量计温度性能测试结果

5 MEMS质量流量计的实流检测及应用

①MEMS质量流量计的实流检测

对于燃气流量计，在生产过程中，实际气体标定通常难以实现，因此空气校准是必然的选择。空气校准的流量计，必须能够容易地应用到实际的城市燃气计量中。理论上，由于传感器封装在流场中形成边界层层流状态及相对稳定的流场，气体修正因子可用于不同测量气体的检测。为了证明这一理论推测，在空气中标定2台MEMS质量流量计，其中1台管径为50mm，测量范围为0～400m3/h；另1台管径为80mm，测量范围为0～1500m3/h。在进行天然气实流检测前，通过软件设定单一线性气体修正因子为0.7845。实流检测装置的测量范围为26～10000m3/h，不确定度为0.25%。用于实流检测的天然气以甲烷（体积分数为97.549%）为主要成分，密度为0.6879kg/m3。

管径为50mm的MEMS质量流量计的重复性为0.26%，相对误差为－0.74%～0.74%。管径为80mm的MEMS质量流量计的检测结果与管径为50mm的MEMS质量流量计相近。这2台MEMS质量流量计在天然气中的检测精度与在空气中的相近。结果表明，采用MEMS质量流量计对天然气进行贸易计量是可行的。日本东京燃气公司在对MEMS质量流量计的评估中，对气体组分变化的情况进行了研究。结果表明，当气体组分变化不大时，对测量精度的影响微小。这符合大多数应用情况，通常某个城市的燃气气源相对稳定。当气源组分变化很大时（例如含N2等），MEMS质量流量计中的组分检测传感器需要进行常态检测，以对气源组分变化进行修正或补偿。这在一定条件下会影响MEMS质量流量计的功耗，缩短电池寿命。

②应用案例

2009年6月，重庆市某制衣厂应用了MF50GD型MEMS质量流量计。为掌握膜式表与MEMS质量流量计的计量情况，将1只G40膜式表与1只MEMS质量流量计串联，进行计量流量的对比，见表1，其中MEMS质量流量计计量的质量流量换算为体积流量。

表1 G40膜式表与MEMS质量流量计计量的日体积流量m3

由表1可知：

a.6月18日至7月5日，G40膜式表计量的总体积流量为698m3，MF50GD型MEMS质量流量计计量的总体积流量为911m3，G40膜式表比MF50GD型MEMS质量流量计计量的总体积流量少213m3，相对误差为30.5%。

b.7月2日至5日的数据说明，用户可能使用小火或长明火，流量达不到G40膜式表的始动流量，使其无法计量；而MF50GD型MEMS质量流量计的始动流量很小，可准确计量小流量。(end)