熱式質量燃氣表在不同氣體中計量特性和自適應轉換實驗研究

汪斌 江蘇剛 馮勇 黃立基

摘要：MEMS熱式質量燃氣表的計量準確與天然氣組分變化存在相關性。本實驗采用實流標定裝置測量熱式質量燃氣表在8種不同組分12T天然氣的計量性能，驗證一款MEMS熱式質量燃氣表的氣體組分識別功能。在所選擇的不同氣體組分實流測試中，該MEMS熱式質量燃氣表能夠實現流過氣體組分自動識別以及計量參數的自動切換，滿足燃氣表準確計量的要求。

關鍵詞：MEMS熱式質量民用燃氣表;氣體轉換系數;天然氣;氣體自動組分識別;正壓實流環道裝置

中圖分類號：TH814 文獻標志碼：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工作。

0 引言

民用燃氣采用體積計量已有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，同時數據遠傳和管理對于機械式體積計量方式，不可避免帶來較高的附加成本。全電子燃氣表早在20世紀80年代就開始研究和試用，但由于當時電子技術的局限，并未有市場化的產品。熱式氣體質量流量技術較好地解決了溫度和壓力補償，不僅確保了準確性，也可滿足數據傳輸和現代管理功能。特別是近年來MEMS（微機電系統）熱式質量流量計量芯片技術的發展和成熟，使得該技術在傳統基礎上得到極大拓展，同時芯片制造技術的應用，使得MEMS燃氣表在成本上具有較大優勢。熱式質量計量雖然和氣體的組分有相關性，但該相關性本質與氣體的熱值有關，對于燃氣最終按熱值計量具有極大的應用前景[1]。因此，熱式燃氣計量技術在多個國家成為目前主要發展和應用的方向;特別是歐盟，意大利、瑞士、德國、法國和英國在21世紀以來都積極推進這一技術的實際應用。第一臺采用MEMS熱式質量流量芯片技術的燃氣表由瑞士的ABB公司研制并在2002年面世[2]。意大利在2016年正式發布了基于MEMS流量芯片產品的熱式燃氣表的國家標準[3]，相應的歐盟標準也在積極制定中。意大利安裝的熱式燃氣表已有上百萬臺，得到了用戶的廣泛認可。

將MEMS流量芯片應用于燃氣的計量方面，國內從2006年開始也進行了積極的嘗試[4]。限于法規的要求和產業的特殊性，目前尚局限于中小商業客戶使用，使用量在2萬臺左右。在2017年發布的新的國家計量檢定規程JJG1132-2017《熱式氣體質量流量計》[5]中，也涵蓋了MEMS流量芯片計量技術。因此，對這一技術的研究和應用方面，我國處于全球先進水平。一些相應的地方和行業計量技術法規也在陸續制定和頒布中，對MEMS技術在國內燃氣貿易計量領域的推廣應用提供法規和依據。但如前所述，熱式質量流量技術與燃氣的組分具有相關性，在計量檢定規程JJG1132-2017中，要求檢定氣體的組分或性狀與實際測量介質相近，采用符合要求的天然氣實流檢定是最優選擇。但是家用燃氣表是量大面廣的計量器具，全部實流檢定也是不現實的。參考意大利國家標準UNI11625-2016[3]的要求，MEMS熱式燃氣表應具有氣體組分自動識別技術，從而在空氣和燃氣模式下均能滿足誤差標準，不與目前國際通用計量法規相沖突。

按照目前燃氣行業相關標準，根據國內部分天然氣氣源樣本選擇多種氣樣，本文設計了正壓環道實流標定裝置，并采用現有熱式燃氣表進行實流試驗，來驗證帶有氣體組分識別技術的熱式燃氣表的工作原理、實用性和計量準確性，為其在燃氣貿易計量的廣泛應用提供參考。

1 MEMS熱式質量燃氣表的設計及測量原理

1.1 MEMS熱式質量燃氣表的設計

MEMS熱式質量燃氣表的設計如圖1所示。與現有的家用膜式燃氣表的安裝方式兼容。圖中：1為MEMS熱式質量流量傳感器組件，置于內部的流道中;2為流體通道，3為穩流器，其作用是使通過傳感組件的氣流在測量范圍內保持穩定;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熱式質量燃氣表的測量原理

按照國家標準GB/T 20727-2006（（封閉管道中流體流量的測量熱式質量流量計》（IS014511）描述的測量原理[6]，根據量熱式氣體熱式質量流量的計量公式，可推導如下公式：

q_m=f/△·GCT（1）式中：q_n——質量流量;

f——儀表系數;

△T——上下游溫差;

GCF——氣體轉換系數（與流過氣體熱物性相關）。

如式（1）表達，質量流量與氣流造成的上下游溫差4T和氣體轉換系數GCF有關。傳統熱式測量技術中，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，盡管其重復性較好，但復現性難以達到計量要求;因此，該技術多應用在控制和監測領域，而不用作貿易計量的范疇。MEMS熱式流量計量芯片的發明，為熱式質量流量計量帶來了革命性改變，MEMS芯片具有極為優良的隔熱性能，加熱頭的結構尺寸縮小到幾個微米，加熱頭的發熱量也大大降低，其對周圍流場的影響可以忽略不計，在計量性能上，重復性和復現性都能達到貿易計量的要求。另一方面，近年來微電子傳感技術的飛躍發展，微功耗技術的廣泛使用，進一步推動了以MEMS芯片技術為基礎的熱式氣體質量流量計量技術的發展和完善。

量熱式氣體熱式質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為基礎設定氮氣的氣體轉換系數GCF為1。對于變組分氣體的應用，視其具體應用要求，或采用實際氣體標定，或采用試驗氣體的理論熱物性參數計算轉換因子來實現應用的需求。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難以計算，通常需要對特定試驗氣體實流標定。

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，也集成了動態測量天然氣熱物性參數的微電子傳感器，與氮氣的熱物性參數相比可以實時得到被測氣體熱物性參數，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換系數GCF幾從而實現燃氣表在燃氣和空氣之間的計量特性轉換，滿足現行的燃氣體積計量的法規要求。因此，現行的MEMS熱式質量流量燃氣表在定型時應進行包括多種類型滿足要求的天然氣與空氣比對試驗在內的型式評價試驗，證明燃氣表有相應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校儀表系數合格，計量技術機構采用空氣檢定合格（貿易結算類強制檢定），燃氣公司在天然氣介質變化時使用該燃氣表的氣體組分識別功能，獲得氣體轉換系數GCF或氣體熱值勝且分修正，達到天然氣按標準體積計量的目的。

1.3 MEMS熱式質量燃氣表的實際工作流程

MEMS熱式質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。燃氣表按照參比氣體的氣體轉換系數GCF為1進行儀表系數校準，目的是校準流量傳感器獲得滿足要求的空氣計量準確度;燃氣表還需要校準熱物性傳感器，選擇滿足要求的天然氣樣氣校準熱物性傳感器，確保氣體組分識別準確;燃氣表的主控模塊還需要相應的測控軟件來保證氣體組分識別功能正常。在實際工作中，當傳感芯片測量到實際氣體的熱物性參數與參比氣體的參數發生變化時，通過軟件和數據庫計算調整GCF來補償因燃氣組分變化而帶來的誤差，實現了動態檢測、實時補償（過程氣體到參比氣體的自動計量轉換，或稱為“自適應轉換”）功能。MEMS熱式質量燃氣表的實際工作流程如圖2所示。

2 正壓實流環道裝置

按照文獻[7-8]的建議，“在操作條件下進行校準是校準的最佳方式”;以及對于質量流量計而言，檢定標準應與被測介質相適應。為驗證MEMS熱式質量燃氣表上述功能和計量性能能否滿足產品型式評價大綱，需要對該燃氣表進行上述所討論的型式評價試驗，試驗內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準裝置，并選取了8種具有代表性的天然氣進行實流試驗。

天然氣實流標準裝置設計成封閉式正壓環道裝置，工作壓力3kPa，最大流量5m³/h。分成5個單元：氣源、標準表單元、被測表單元、氣體循環單元和數采控制系統，如圖3所示。

1）氣源采用4L或8L鋼瓶轉運輸入，由化學標準物質供應商按照試驗要求進行配制。氮氣（N₂）從市面采購，用來做基礎測試氣體和置換氣體。

2）標準表單元由帶溫壓修正和機電轉換輸出的濕式氣體流量計構成。標準表在0.016～6m³/h范圍內獲得校準，并將擬合曲線輸入數采控制系統。

3）被測表單元，可夾裝用于測試的MEMS熱式質量燃氣表（如圖1所示）。

4）氣體循環單元，包括穩壓過濾器、專用羅茨鼓風機、球閥、電動球閥和阻尼器等。羅茨鼓風機能夠使進出口產生一定的壓差，讓氣體流動，流量的大小與差壓值有關。差壓值通過變頻器調節羅茨鼓風機轉速的方式來控制，環道中的電動閥門亦可參與流量調節。過濾器及阻尼器可減少氣流脈動，保持穩定流量輸出。

3 城市天然氣組分與氣樣選擇

3.1 中國城市天然氣現狀

中國城鎮燃氣分作三大類，人工煤氣、液化石油氣和天然氣。隨著社會對節能減排和環保經濟發展的需求，天然氣干線管道和支線管網不斷健全完善，在民用和商用的用氣比重逐年上升，目前已經成為燃氣領域的主導氣源。

按照發熱量指標（沃泊指數W）進行分類，民用和工商業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，根據多年積累的組分報告，對8家燃氣公司氣體組分情況進行了分析，將組分報告中的相對密度和高位熱值，轉換成沃泊指數，如表2所示。

從表中發現全國8家燃氣公司天然氣的沃泊指數都在47.95～2.5MJ/m³范圍內，也就是說目前不論是西氣、川氣、單井氣、LNG等，幾乎都屬于國家標準規定的12T類天然氣范圍內。所以，本MEMS熱式質量燃氣表自適應組分實驗研究，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準GB/T13611-2006[9]和歐盟標準EN437：2003[11]進行選擇，氣樣選擇原則：1）從列表中選擇沃泊指數上、下限的實驗氣體;2）選擇標準氣體;3）配制5組分實驗氣體以模擬實際天然氣;沃泊指數分布在上述3種實驗氣體之間。

G2-A氣樣是12T的下限氣樣（國標12T3#，歐標G23），G2-F氣樣是12T的標準氣樣（國標12T0#，歐標G20），G2-H氣樣是12T的上限氣樣（國標12T1#，歐標G21）。G2-B、G2-C、G2-D、G2-E氣樣為沃泊指數在44.8649.83 MJ/m3范圍之間的氣樣，G2-G氣樣為沃泊指數在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熱式質量燃氣表的內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，但是能夠測量流過氣體的熱物性參數。在實際應用中，燃氣表通過測量氣體熱物性參數具有對天然氣組分變化的感知能力，并對因燃氣組分變化帶來的氣體轉換因子GCF進行實時修正，以達到燃氣表測量實流天然氣流量計量準確度的要求。

4 實驗過程及數據分析

4.1 家用MEMS熱式質量燃氣表樣機G4-1在

氮氣中標定及誤差特性

封閉式正壓環道流量裝置如圖3所示，首先將樣表G4-1夾裝在被測表位置，用氮氣置換環道內空氣，提升管道壓力至3kPa左右。通過調節羅茨泵和電動閥門改變流量點，對G4-1進行標定。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，藍色綠色點表示該流量點的測量誤差。

4.2 樣機G4-1在不同組分氣樣中測得的識別曲線

用表3中的8種氣樣分別輸入環道，提升管道壓力至3kPa，同樣通過調節羅茨泵和電動閥門改變流量，測試各流量點對應的動態熱物性值，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確。G4-1燃氣表所測得數據見圖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 實驗樣機自適應狀態下的誤差特性

按照圖2的MEMS熱式質量燃氣表自適應工作流程，樣機G4-1內部數據庫預置有一組天然氣參比氣體（100%CH₄）的GCF。在實際工作中，燃氣表根據圖5測得的識別值，實時進行在線修正，遵照現行燃氣計量法規及時調整因天然氣組分變化引入的計量誤差。

將表3選擇的8種氣樣分別輸入環道，測試G4-1誤差特性，其結果滿足貿易計量士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 結束語

1）燃氣表樣機經過天然氣實流試驗，證明了MEMS家用熱式質量燃氣表在天然氣組分變化的情況下，具有實時修正能力，表現出良好的誤差特性（<±1.5%）。外形設計合理，操作方便，經氮氣（空氣）標定可使用于天然氣，具有實用性。

2）本實驗所采用的MEMS家用熱式質量燃氣表可以識別天然氣組分的相對變化，測量結果存在規律性。

3）參比氣體的系數GCF是在線實時校準誤差的關鍵參數，同樣通過軟硬件和算法設計，可以使燃氣表滿足計量的要求。

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

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（編輯：莫婕）