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MEMS流量计的应用

发布时间:2019-06-05

  微机电体系芯片可获得某些宏观机电器件不能完成的功用。典型的微机电体系芯片包括微传感器、微调理器及智能电子操控线路。微传感器能感应环境的热、机械、磁、光、化学或生物特性,经过微调理器及智能电子操控线路来完成相关功用。 

MEMS质量流量计选用美国SIARGO公司出产的热式质量流量传感器芯片,经过气体流动发生的热场改变来丈量气体的流量。因为不同质量的气体对热场具有不同的影响,因而它所丈量的流量为质量流量。重庆计量检测 

微机电体系芯片热式质量流量传感器选用多个温度传感器及1个微热源,大大减小了环境对丈量的影响。其热源十分细小,选用插入式,在相对大的静态流场中,热源对介质环境没有影响,不会像传统的热丝式质量流量计那样造成气体的对流。因而,微机电体系芯片热式质量流量传感器具有优良的零点安稳性和极短的响应时刻。 

2 MEMS质量流量计的结构和作业原理 

2.1MEMS质量流量计的结构 

核心部件为流量传感器组件。关于工业用户,流量计的均匀功耗不大于0.8mW,其所选用的19AH锂电池组可以支持3年以上的不间断作业。组合整流器包括直流和整流两个功用。表体的管道一般选用文丘里结构,有利于流场的安稳。

传感器的封装对流量计的功能有较大影响。因为传感器属于芯片,在单晶硅上制造而成,厚度为0.5mm。因而可以将之封装成平板状,插入流场中,使流场完成边界层状况。因而,流体到达传感器时将从头散布,使感器丈量的流体为层流状况,丈量重复性可到达抱负的状况。 

2.2 MEMS质量流量计的作业原理 

与传统热式质量流量计的丈量原理类似,流体的质量流量与流过传感器所带走的热量相对应。在MEMS流量芯片上,1个微热源的上、下流各对称地设置1个温度传感器,还设置了1个环境温度传感器,用来调理环境温度改变对微热源的影响。流体的质量流量,微热源上、下流的温度改变及微热源的功率是芯片的主要参数。传感器所丈量的流量为与温度和压力无关的质量流量。虽然如此,操控电路的温度补偿是流量计温度效应的主要来历。 

3 MEMS质量流量计的技术特性 

MEMS质量流量计适用于天然气、气态液化石油气等气体的丈量。目前使用于城市天然气工业和商业用户的中压和低压系列产品已面市,其在城市天然气计量表现出的优越性非常明显 

MEMS质量流量计的优点为: 

①量程比大,MF-FD系列气体质量流量计的量程比达100∶1。 

②始动流量小。可有用解决机械式流量计的小流量漏计问题,减小燃气公司的供销差。 

③直接进行质量计量,不需温度、压力补偿,减少计量丢失。 

④压力丢失小,能确保体系节能运行。 

⑤重量轻。与容积式流量计相比,MEMS质量流量计的重量大大减轻。 

⑥无可动部件。 

⑦全电子智能功用。专门规划的电子操控部件能供给信号传输、事故报警、IC卡操控等功用;内置存储器进行历史数据记载,为深入分析和办理用户用气发明了条件;网络通信功用可轻松完成城市燃气仪表的体系办理,为城市燃气完成调峰、阶梯收费等办法发明了条件。 

4 MEMS质量流量计的校准和功能 

①用于校准的规范器 

因为MEMS质量流量计量程比大,因而挑选规范器时量程比是一个重要因素,负压临界流文丘里喷嘴法气体流量规范装置(声速喷嘴)成为首选的规范器。一方面,经过喷嘴的组合,声速喷嘴具有较大的量程比;另一方面,声速喷嘴具有较好的安稳性和扩展不确认度,是常用的气体质量流量计校准和检定的规范设备。MEMS质量流量计均由声速喷嘴作为规范器进行校准。空气中的丈量规模为0.016~1500m3/h,不确认度为0.22%。 

②MEMS质量流量计的校准 

因为MEMS流量芯片选用类似于大规模集成电路的制造工艺,在单一硅基晶圆上可制造上千个传感器,因而芯片与芯片之间具有较高的一致性。因而MEMS质量流量计间的一致性除了规划,特别是除了操控电路和机械结构的规划以外,取决于芯片封装的一致性、流量计各部件的一致性和装配过程的一致性。在实践校准过程中,校准流量点的多少、流量计整流器的效果、校准环境的安稳性(温度、湿度和压力)以及介质(空气)和流场的安稳性都是决议校准精度的重要因素。在实践出产过程中,对出产工艺的操控决议了校准的难易。对MEMS质量流量计而言,其原始信号可选用多项式拟合来使之线性化和校准。 

③MEMS质量流量计的前直管段要求 

经试验确认,前直管段长度最小应为前直管段内直径(D)的5倍。在前直管段的前端连接不同的弯管(包括90°笔直或水平弯管及其各类组合),得到5种工况下的计量相对误差,5种工况分别为:工况1:1个90°笔直弯管+长5D的前直管段;工况2:2个90°笔直弯管+长5D的前直管段;工况3:2个90°水平弯管+长5D的前直管段;工况4:1个90°水平弯管+1个90°笔直弯管+长5D的前直管段;工况5:长15D的前直管段。由此可知,只要前直管段长度大于等于5D,各类弯管对MEMS质量流量计的精度影响很小。

④MEMS质量流量计的可靠性测验 

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办理带来困难,乃至引起交易纠纷。在MEMS质量流量计的可靠性测验中,选用了加速试验的办法。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到达32650m3后的质量流量相对误差,同一工况、同一质量流量下的3个相对误差值代表3次重复性丈量的结果。该MEMS质量流量计适用于小型餐饮用户等的天然气计量,这类用户均匀每天用气约6h,均匀小时流量约为8m3/h,因而32650m3的天然气约需要运用2年。累积运用2年后,MEMS质量流量计的丈量精度仍能满足要求。

⑤MEMS质量流量计的温度功能测验 

对全电子流量计而言,环境温度的安稳性也是一个重要目标。虽然MEMS质量流量计一次传感丈量的数据为质量流量,与介质温度无关,但二次传感(操控电路本身的温度特性)与介质温度相关。假如操控电路的温度特性使丈量相对误差超出了精度允许规模,则流量计不能用于天然气的交易计量。 

管径为50mm的MEMS质量流量计校准(介质温度为20℃)后的丈量相对误差,与介质温度(t)为31℃时(常压)的丈量相对误差,虽然介质温度升高后,丈量相对误差总体负偏,但仍在精度允许规模内。因而在城市天然气的实践运用环境中,操控电路的温度效应带来的影响满足丈量精度要求。

5 MEMS质量流量计的实流检测及使用 

①MEMS质量流量计的实流检测 

关于燃气流量计,在出产过程中,实践气体标定一般难以完成,因而空气校准是必然的挑选。空气校准的流量计,必须可以容易地使用到实践的城市燃气计量中。理论上,因为传感器封装在流场中构成边界层层流状况及相对安稳的流场,气体修正因子可用于不同丈量气体的检测。为了证明这一理论估测,在空气中标定2台MEMS质量流量计,其间1台管径为50mm,丈量规模为0~400m3/h;另1台管径为80mm,丈量规模为0~1500m3/h。在进行天然气实流检测前,经过软件设定单一线性气体修正因子为0.7845。实流检测装置的丈量规模为26~10000m3/h,不确认度为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,选用MEMS质量流量计对天然气进行交易计量是可行的。日本东京燃气公司在对MEMS质量流量计的评估中,对气体组分改变的状况进行了研究。结果表明,当气体组分改变不大时,对丈量精度的影响细小。这符合大多数使用状况,一般某个城市的燃气气源相对安稳。当气源组分改变很大时(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,以对气源组分改变进行修正或补偿。这在必定条件下会影响MEMS质量流量计的功耗,缩短电池寿命。 



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