M E M S 流量计在城市天然气贸易计量中的应用

M E M S 流量计在城市天然气贸易计量中的应用
黄立基　邓文红　冯　勇　魏凯平　杨祥友　蒋昌明　江苏刚　刘　蕊
（矽翔微机电系统（上海）有限公司， 上海 200233）

　　摘　要 MEMS 全电子气体质量流量计采用量热式测量原理，流量芯片封装在不锈钢平板上，在流道中形成边界层。通过不同气体的校准和实标以及分别与罗茨和涡轮流量计在城市天然气贸易计量的在线对比数据分析，对MEMS 流量计的性能进行了全面的考证。实际数据表明，MEMS 流量计与传统带温度和压力补偿的机械流量计在相同的测量范围能够互换，而由于其更宽的动态测量范围，能够实现更准确的计量。同时，MEMS 流量计不需要附加的温度和压力补偿，体积小巧，极大节约综合计量成本。此外，全电子技术易于实现数据远传，避免由于诸如机电转换带来的贸易纠纷。MEMS 流量计还提供了未来能量计量的可能。

　　关键词 MEMS 流量计量；天然气；贸易计量；质量流量

MEMS Flow Meters for City Gas Custody Transfer
Huang Liji　Deng Wenhong　Feng Yong　Wei Kaiping　Yang Xiangyou
Jiang Changming　Jiang Sugang　Liu Rui
(Siargo (Shanghai), Ltd. Shanghai 200233, China)

　　Abstract: The MEMS mass flow meters for city gas utilize calorimetric principle. The flow sensor is packaged in a stainless plate forcing the fluid into a perfect boundary laminar flow across the sensor. The performance of the MEMS flow meter calibrated with either air or natural gas was evaluated by comparison in serial with either roots meter or turbine or
diaphragm meters in the city natural gas pipeline. The data indicated that the MEMS flow meters had a much larger dynamic measurement range while exchangeable in the measurement range of either compensated roots or turbine meters with flow computers.

      However, the compact MEMS meters do not required the additional temperature and
pressure compensation with flow computers, resulting in significant savings in cost and maintenance. Further, the all electronic MEMS mass flow meters are ready for remote data access and pave the way for future implementation of energy metering.

      Key words: MEMS flow meter; natural gas; custody transfer; mass flow

　　引言

　　当前日益紧缺的能源供应推动了能源管理技术的快速发展。世界各国都高度支持智能能源网的建设。但是能源网中相对于智能电网的建设，智能燃气网、供热网和水网发展却较为缓慢。一个多世纪以来，城市燃气计量以皮膜、涡轮和罗茨技术为主导。并且在家庭和小型工商用户中，皮膜燃气表占据了绝对的市场份额。这些技术有很好的可靠性和各自的优点，但使之网络化却比较困难。在机械（皮膜）表上加装机电转换和数据传输设备来实现远程管理的方式（AMR，Automatic Meter Reading）已有数十年的历史，但其不仅成本高昂而且机电转换数据的可靠性和数据安全性一直未能根本解决。原因之一是机电转换随时间的累计值与仪表本身的机械读数间的误差较为难以消除。从2009 年以来，在一些开始实施的国家，客户的投诉乃至于法律诉讼已开始出现并且有增多的迹象[1]。

　　用于城市燃气的全电子技术始于20 世纪70 年代。超声波燃气表已在美国和日本有小量的应用[2]。但由于其成本昂贵，大规模的应用仍难以实现。采用MEMS（Micro Electro　Mechanical System）流量芯片技术开发的全电子流量计开始于上个世纪90 年代。日本[3] 和瑞士[4] 都分别开发出了适用于小型工商客户和家庭的MEMS 燃气流量计并且通过了相应的性能测试。但是目前这些产品在实际应用中或是由于压损太大，或是现场应用的问题，产品的商业化过程尚未完成。

　　1　MEMS 流量计的构造和工作原理
　　1.1　MEMS 流量计的构造

图1　MEMS 流量计的组件图。

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