MEMS热式质量流量检测技术在家用燃气表中的应用分析

近年国内燃气表市场容量高达千万台，据估算，总市场空间超400亿元，燃气表市场前景广阔、大有可为。市场现有燃气表多为皮膜式机械表，随着热量计量、能量计量方式的兴起，超声波燃气表或热式质量流量表将后来居上成为主流，本文将对热式流量质量表的技术进展作简单梳理。

一、家用燃气表对MEMS热式质量流量检测技术要求

基于炜盛科技十多年流量检测的技术沉淀，结合热式质量流量燃气表征求意见稿，MEMS热式质量流量检测技术要求主要有如下五个方面：

◎抗污染

• 4种污染物颗粒

• 持续运行5分钟

• 6支样品对比

与欧洲燃气相比，国内燃气普遍洁净度偏低，而燃气表为保持计量精度，必须拥有一定的抗污染能力。即将发布的标准里列举了4种污染物，颗粒范围分别是0-100um，100-200um，200-300um，300-400um。在实验中针对每种污染物，将6支样品分别运行5分钟，实验结束后检测不同实验条件燃气表精度的影响。燃气表的保持精度越高，其抗污染能力越强。

◎气体类型识别

• 不同气体类型识别

• 同一类型不同标号识别

民用燃气分为天然气、液化气、人工煤气等不同的气体类别，同样为天然气又根据组分不同分为不同的标号，这就要求燃气表能够实现两个识别能力，即：不同气体类型识别能力，同一类型不同标号识别能力。

◎脉动流量检测

• 两个检验点：0.375qmax、0.07qmax

• 三个时间点：1.05Tc、5.25Tc、10.5Tc

脉动流量检测也是燃气表精度的一个重要指标。热式流量质量燃气表为了降低功耗多采用脉冲检测，若脉冲检测间隔时间过长，则对脉动流量的测量会出现较大误差。对脉动流量的测量，一般采集基于两个检验点（0.375qmax、0.07qmax）和三个时间点（1.05Tc、5.25Tc、10.5Tc）。

◎零流量

• 三个温度点：-10℃、+20℃、+40℃

• 每个温度点存储24小时

热式质量流量燃气表属于数字式燃气表，电子元器件受温度漂移影响较大。和传统的机械式燃气表相比，热式质量流量燃气表具有灵敏度高，精度高等优点，但在零流量点的控制方面要有更加严格的控制手段，以确保零流量情况下燃气表计数不会受温度出现大的漂移。

◎耐久性

耐久性即验证燃气表寿命。燃气表的标准里规定寿命不得低于6年，如果持续观察燃气表工作6年，验证周期过长，故该方法不具有操作性。行业内多采用模拟方式加速老化，即采用较大流量运行2000小时或累积气量方式运行5000小时。

二、热式质量燃气表存在的若干问题及解决方向

1、目前较大的问题，是MEMS热式流量计在燃气计量中的污染。燃气的洁净度不高，其中掺杂着各种杂质，致使燃气表极易受到污染。下图是热式质量燃气表的使用情况。

（参考资料来源于新奥燃气）

结论：

（1） 家用表在使用过程中没有出现传感器污染情况；

（2） 轻度灰尘对MEMS热式流量传感器的计量性能不产生影响

（3） 油污将对MEMS热式流量传感器的计量性能产生严重的负误差

（4） 传感器污染后无法修复，只能整表更换

耐脏污解决方向

（1） 芯片：流量检测芯片上生长致密保护层，燃气中的油污、灰尘等污染物不易敷着在流量芯片上，可以明显提高抗污染能力。

（2） 封装：流量检测芯片平铺于PCB上会在PCB上凸起，污染物易在芯片周边堆积，这对于芯片的抗污染极为不利；如果将芯片嵌入PCB中，芯片表面与PCB处于同一水平面，污染物不易堆积，芯片的抗污染能力也能大幅提高。

（3） 流道：污染物中的油污、灰尘，密度均大于空气。对流道适当改良后，在不影响整体燃气流量采集的同时，利用离心原理避免污染物从芯片表层通过，从而延长芯片的使用寿命。

（4） 算法：上文提及的三种方法均是从硬件提高芯片的抗污染能力，延长芯片的使用寿命，而作为数字式燃气表，算法对于燃气表的计量进度也有重要影响，通过优化算法，也可以达到提高计量精度的目的。举例来说，对于安装在某个特定环境中的燃气表，可以通过一段时间的数据观测拟合出匹配该环境的计量算法，应用该算法后，燃气的计量精度稳定性、可靠性均有所改善。

2、组分问题

天然气的组分并非一成不变，甚至是经常改变的。不同时间，不同地域的天然气组分都有所差异。因此，采用固定组分系数的燃气表会出现较大误差，下图数据就说明了这一点。

下图是不采用组分跟踪的误差统计表，误差竟达到19-38%。

下图是采用超声波原理的燃气表误差统计表。

如图所示，超声波流量计存在误差，而事实上皮膜表也会存在误差。长期以来，我们默认皮膜表不出现计量误差，这是不甚合理的。

为了解决上述问题，我们采用固定修正系数去补偿组分的影响。如果组分一定，该计量方法精准度较高；但是如果组分变化，该方法仍然存在较大误差。实验数据如下图所示：

为了进一步解决上述问题，宜采用组分自动跟踪技术。在燃气表中增加组分自动跟踪传感器，可以实时监测燃气组分的改变，智能调整燃气计量算法。该方法操作性强，精度高，较好地解决了组分变化影响计量准确度的问题。

MEMS燃气表在组分补偿方面具有独特优势，其组分传感器热导能力好，在燃气计量领域具有较佳表现。

写在最后：
特此感谢炜盛科技研发中心刘工供稿