MEMS熱式質量流量檢測技術在家用燃氣表中的應用分析

近年國內燃氣表市場容量高達千萬臺，據估算，總市場空間超400億元，燃氣表市場前景廣闊、大有可為。市場現(xiàn)有燃氣表多為皮膜式機械表，隨著熱量計量、能量計量方式的興起，超聲波燃氣表或熱式質量流量表將后來居上成為主流，本文將對熱式流量質量表的技術進展作簡單梳理。

一、家用燃氣表對MEMS熱式質量流量檢測技術要求

基于煒盛科技十多年流量檢測的技術沉淀，結合熱式質量流量燃氣表征求意見稿，MEMS熱式質量流量檢測技術要求主要有如下五個方面：

◎抗污染

• 4種污染物顆粒

• 持續(xù)運行5分鐘

• 6支樣品對比

與歐洲燃氣相比，國內燃氣普遍潔凈度偏低，而燃氣表為保持計量精度，必須擁有一定的抗污染能力。即將發(fā)布的標準里列舉了4種污染物，顆粒范圍分別是0-100um，100-200um，200-300um，300-400um。在實驗中針對每種污染物，將6支樣品分別運行5分鐘，實驗結束后檢測不同實驗條件燃氣表精度的影響。燃氣表的保持精度越高，其抗污染能力越強。

◎氣體類型識別

• 不同氣體類型識別

• 同一類型不同標號識別

民用燃氣分為天然氣、液化氣、人工煤氣等不同的氣體類別，同樣為天然氣又根據組分不同分為不同的標號，這就要求燃氣表能夠實現(xiàn)兩個識別能力，即：不同氣體類型識別能力，同一類型不同標號識別能力。

◎脈動流量檢測

• 兩個檢驗點：0.375qmax、0.07qmax

• 三個時間點：1.05Tc、5.25Tc、10.5Tc

脈動流量檢測也是燃氣表精度的一個重要指標。熱式流量質量燃氣表為了降低功耗多采用脈沖檢測，若脈沖檢測間隔時間過長，則對脈動流量的測量會出現(xiàn)較大誤差。對脈動流量的測量，一般采集基于兩個檢驗點（0.375qmax、0.07qmax）和三個時間點（1.05Tc、5.25Tc、10.5Tc）。

◎零流量

• 三個溫度點：-10℃、+20℃、+40℃

• 每個溫度點存儲24小時

熱式質量流量燃氣表屬于數字式燃氣表，電子元器件受溫度漂移影響較大。和傳統(tǒng)的機械式燃氣表相比，熱式質量流量燃氣表具有靈敏度高，精度高等優(yōu)點，但在零流量點的控制方面要有更加嚴格的控制手段，以確保零流量情況下燃氣表計數不會受溫度出現(xiàn)大的漂移。

◎耐久性

耐久性即驗證燃氣表壽命。燃氣表的標準里規(guī)定壽命不得低于6年，如果持續(xù)觀察燃氣表工作6年，驗證周期過長，故該方法不具有操作性。行業(yè)內多采用模擬方式加速老化，即采用最大流量運行2000小時或累積氣量方式運行5000小時。

二、熱式質量燃氣表存在的若干問題及解決方向

1、目前最大的問題，是MEMS熱式流量計在燃氣計量中的污染。燃氣的潔凈度不高，其中摻雜著各種雜質，致使燃氣表極易受到污染。下圖是熱式質量燃氣表的使用情況。

（參考資料來源于新奧燃氣）

結論：

（1）家用表在使用過程中沒有出現(xiàn)傳感器污染情況；

（2）輕度灰塵對MEMS熱式流量傳感器的計量性能不產生影響

（3）油污將對MEMS熱式流量傳感器的計量性能產生嚴重的負誤差

（4）傳感器污染后無法修復，只能整表更換

耐臟污解決方向

（1）芯片：流量檢測芯片上生長致密保護層，燃氣中的油污、灰塵等污染物不易敷著在流量芯片上，可以明顯提高抗污染能力。

（2）封裝：流量檢測芯片平鋪于PCB上會在PCB上凸起，污染物易在芯片周邊堆積，這對于芯片的抗污染極為不利；如果將芯片嵌入PCB中，芯片表面與PCB處于同一水平面，污染物不易堆積，芯片的抗污染能力也能大幅提高。

（3）流道：污染物中的油污、灰塵，密度均大于空氣。對流道適當改良后，在不影響整體燃氣流量采集的同時，利用離心原理避免污染物從芯片表層通過，從而延長芯片的使用壽命。

（4）算法：上文提及的三種方法均是從硬件提高芯片的抗污染能力，延長芯片的使用壽命，而作為數字式燃氣表，算法對于燃氣表的計量進度也有重要影響，通過優(yōu)化算法，也可以達到提高計量精度的目的。舉例來說，對于安裝在某個特定環(huán)境中的燃氣表，可以通過一段時間的數據觀測擬合出匹配該環(huán)境的計量算法，應用該算法后，燃氣的計量精度穩(wěn)定性、可靠性均有所改善。

2、組分問題

天然氣的組分并非一成不變，甚至是經常改變的。不同時間，不同地域的天然氣組分都有所差異。因此，采用固定組分系數的燃氣表會出現(xiàn)較大誤差，下圖數據就說明了這一點。