热式质量燃气表在不同气体中计量特性和自适应转换实验研究
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摘要：MEMS热式质量燃气表的计量准确与天然气组分变化存在相关性。本实验采用实流标定装置测量热式质量燃气表在8种不同组分12T天然气的计量性能，验证一款MEMS热式质量燃气表的气体组分识别功能。在所选择的不同气体组分实流测试中，该MEMS热式质量燃气表能够实现流过气体组分自动识别以及计量参数的自动切换，满足燃气表准确计量的要求。
关键词：MEMS热式质量民用燃气表;气体转换系数;天然气;气体自动组分识别;正压实流环道装置
中图分类号：TH814 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）06-0054-06
收稿日期：2018-08-30;收到修改稿日期：2018-09-27
作者简介：汪斌（1968-），男，四川成都市人，工程师，主要从事流量计量检定校准工作。
0 引言
民用燃气采用体积计量已有170多年的历史。但体积计量方式不能有效处理因温度压力变化引入的误差，同时数据远传和管理对于机械式体积计量方式，不可避免带来较高的附加成本。全电子燃气表早在20世纪80年代就开始研究和试用，但由于当时电子技术的局限，并未有市场化的产品。热式气体质量流量技术较好地解决了温度和压力补偿，不仅确保了准确性，也可满足数据传输和现代管理功能。特别是近年来MEMS（微机电系统）热式质量流量计量芯片技术的发展和成熟，使得该技术在传统基础上得到极大拓展，同时芯片制造技术的应用，使得MEMS燃气表在成本上具有较大优势。热式质量计量虽然和气体的组分有相关性，但该相关性本质与气体的热值有关，对于燃气最终按热值计量具有极大的应用前景[1]。因此，热式燃气计量技术在多个国家成为目前主要发展和应用的方向;特别是欧盟，意大利、瑞士、德国、法国和英国在21世纪以来都积极推进这一技术的实际应用。第一台采用MEMS热式质量流量芯片技术的燃气表由瑞士的ABB公司研制并在2002年面世[2]。意大利在2016年正式发布了基于MEMS流量芯片产品的热式燃气表的国家标准[3]，相应的欧盟标准也在积极制定中。意大利安装的热式燃气表已有上百万台，得到了用户的广泛认可。
将MEMS流量芯片应用于燃气的计量方面，国内从2006年开始也进行了积极的尝试[4]。限于法规的要求和产业的特殊性，目前尚局限于中小商业客户使用，使用量在2万台左右。在2017年发布的新的国家计量检定规程JJG1132-2017《热式气体质量流量计》[5]中，也涵盖了MEMS流量芯片计量技术。因此，对这一技术的研究和应用方面，我国处于全球先进水平。一些相应的地方和行业计量技术法规也在陆续制定和颁布中，对MEMS技术在国内燃气贸易计量领域的推广应用提供法规和依据。但如前所述，热式质量流量技术与燃气的组分具有相关性，在计量检定规程JJG1132-2017中，要求检定气体的组分或性状与实际测量介质相近，采用符合要求的天然气实流检定是最优选择。但是家用燃气表是量大面广的计量器具，全部实流检定也是不现实的。参考意大利国家标准UNI11625-2016[3]的要求，MEMS热式燃气表应具有气体组分自动识别技术，从而在空气和燃气模式下均能满足误差标准，不与目前国际通用计量法规相冲突。
按照目前燃气行业相关标准，根据国内部分天然气气源样本选择多种气样，本文设计了正压环道实流标定装置，并采用现有热式燃气表进行实流试验，来验证带有气体组分识别技术的热式燃气表的工作原理、实用性和计量准确性，为其在燃气贸易计量的广泛应用提供参考。
1 MEMS热式质量燃气表的设计及测量原理
1.1 MEMS热式质量燃气表的设计
MEMS热式质量燃气表的设计如图1所示。与现有的家用膜式燃气表的安装方式兼容。图中：1为MEMS热式质量流量传感器组件，置于内部的流道中;2为流体通道，3为稳流器，其作用是使通过传感组件的氣流在测量范围内保持稳定;所有的电子控制器件，包括4主控模块和显示器以及5电池模块，均置于6仪表壳体之外;7为电子控制盒前盖，可提供面板按钮操作和通信接口;8为控制阀门，可提供使用和安全控制;9为气流方向，便于安装。
1.2 MEMS热式质量燃气表的测量原理
按照国家标准GB/T 20727-2006（（封闭管道中流体流量的测量热式质量流量计》（IS014511）描述的测量原理[6]，根据量热式气体热式质量流量的计量公式，可推导如下公式：
qm=f/△·GCT（1）式中：qn——质量流量;
f——仪表系数;
△T——上下游温差;
GCF——气体转换系数（与流过气体热物性相关）。
如式（1）表达，质量流量与气流造成的上下游温差4T和气体转换系数GCF有关。传统热式测量技术中，加热头的尺寸通常在毫米范畴，由于自身功耗较大，对于流场有一定的干扰，尽管其重复性较好，但复现性难以达到计量要求;因此，该技术多应用在控制和监测领域，而不用作贸易计量的范畴。MEMS热式流量计量芯片的发明，为热式质量流量计量带来了革命性改变，MEMS芯片具有极为优良的隔热性能，加热头的结构尺寸缩小到几个微米，加热头的发热量也大大降低，其对周围流场的影响可以忽略不计，在计量性能上，重复性和复现性都能达到贸易计量的要求。另一方面，近年来微电子传感技术的飞跃发展，微功耗技术的广泛使用，进一步推动了以MEMS芯片技术为基础的热式气体质量流量计量技术的发展和完善。
量热式气体热式质量流量仪表主要测量单一洁净气体，一般选择氮气作为参比气体，以氮气的热物性参数为基础设定氮气的气体转换系数GCF为1。对于变组分气体的应用，视其具体应用要求，或采用实际气体标定，或采用试验气体的理论热物性参数计算转换因子来实现应用的需求。而对于以烷烃为主的天然气这种多组分气体，由于理论热物性参数难以计算，通常需要对特定试验气体实流标定。
MEMS热式流量计量芯片具有除测量热源上、下游温度的温度传感器外，也集成了动态测量天然气热物性参数的微电子传感器，与氮气的热物性参数相比可以实时得到被测气体热物性参数，完成气体组分识别，归一化处理后得到被测量天然气的气体转换系数GCF几从而实现燃气表在燃气和空气之间的计量特性转换，满足现行的燃气体积计量的法规要求。因此，现行的MEMS热式质量流量燃气表在定型时应进行包括多种类型满足要求的天然气与空气比对试验在内的型式评价试验，证明燃气表有相应的气体组分识别功能。这样，仪表厂出厂时用空气和天然气调校仪表系数合格，计量技术机构采用空气检定合格（贸易结算类强制检定），燃气公司在天然气介质变化时使用该燃气表的气体组分识别功能，获得气体转换系数GCF或气体热值胜且分修正，达到天然气按标准体积计量的目的。
1.3 MEMS热式质量燃气表的实际工作流程
MEMS热式质量流量传感芯片上集成了量热式流量传感器和气体热物性传感器。燃气表按照参比气体的气体转换系数GCF为1进行仪表系数校准，目的是校准流量传感器获得满足要求的空气计量准确度;燃气表还需要校准热物性传感器，选择满足要求的天然气样气校准热物性传感器，确保气体组分识别准确;燃气表的主控模块还需要相应的测控软件来保证气体组分识别功能正常。在实际工作中，当传感芯片测量到实际气体的热物性参数与参比气体的参数发生变化时，通过软件和数据库计算调整GCF来补偿因燃气组分变化而带来的误差，实现了动态检测、实时补偿（过程气体到参比气体的自动计量转换，或称为“自适应转换”）功能。MEMS热式质量燃气表的实际工作流程如图2所示。
2 正压实流环道装置
按照文献[7-8]的建议，“在操作条件下进行校准是校准的最佳方式”;以及对于质量流量计而言，检定标准应与被测介质相适应。为验证MEMS热式质量燃气表上述功能和计量性能能否满足产品型式评价大纲，需要对该燃气表进行上述所讨论的型式评价试验，试验内容包括多种类型满足要求的天然气与空气比对试验。为此，本文研制出一套天然气实流标准装置，并选取了8种具有代表性的天然气进行实流试验。
天然气实流标准装置设计成封闭式正压环道装置，工作压力3kPa，最大流量5m3/h。分成5个单元：气源、标准表单元、被测表单元、气体循环单元和数采控制系统，如图3所示。
1）气源采用4L或8L钢瓶转运输入，由化学标准物质供应商按照试验要求进行配制。氮气（N2）从市面采购，用来做基础测试气体和置换气体。
2）标准表单元由带温压修正和机电转换输出的湿式气体流量计构成。标准表在0.016～6m3/h范围内获得校准，并将拟合曲线输入数采控制系统。
3）被测表单元，可夹装用于测试的MEMS热式质量燃气表（如图1所示）。
4）气体循环单元，包括稳压过滤器、专用罗茨鼓风机、球阀、电动球阀和阻尼器等。罗茨鼓风机能够使进出口产生一定的压差，让气体流动，流量的大小与差压值有关。差压值通过变频器调节罗茨鼓风机转速的方式来控制，环道中的电动阀门亦可参与流量调节。过滤器及阻尼器可减少气流脉动，保持稳定流量输出。
3 城市天然气组分与气样选择
3.1 中国城市天然气现状
中国城镇燃气分作三大类，人工煤气、液化石油气和天然气。随着社会对节能减排和环保经济发展的需求，天然气干线管道和支线管网不断健全完善，在民用和商用的用气比重逐年上升，目前已经成为燃气领域的主导气源。
按照发热量指标（沃泊指数W）进行分类，民用和工商业用天然气可分为两类，10T和12T，如表1所示。
对于全国各地天然气气源的组分情况，根据多年积累的组分报告，对8家燃气公司气体组分情况进行了分析，将组分报告中的相对密度和高位热值，转换成沃泊指数，如表2所示。
从表中发现全国8家燃气公司天然气的沃泊指数都在47.95～2.5MJ/m3范围内，也就是说目前不论是西气、川气、单井气、LNG等，几乎都属于国家标准规定的12T类天然气范围内。所以，本MEMS热式质量燃气表自适应组分实验研究，采用12T类天然气作为实验的气体。
3.2 实验气样选择
实验气样参考国家标准GB/T13611-2006[9]和欧盟标准EN437：2003[11]进行选择，气样选择原则：1）从列表中选择沃泊指数上、下限的实验气体;2）选择标准气体;3）配制5组分实验气体以模拟实际天然气;沃泊指数分布在上述3种实验气体之间。
G2-A气样是12T的下限气样（国标12T3#，欧标G23），G2-F气样是12T的标准气样（国标12T0#，欧标G20），G2-H气样是12T的上限气样（国标12T1#，欧标G21）。G2-B、G2-C、G2-D、G2-E氣样为沃泊指数在44.8649.83 MJ/m3范围之间的气样，G2-G气样为沃泊指数在49.8353.81 MJ/m3范围之间的气样。实验气样如表3所示。
相对于气相色谱原理，MEMS热式质量燃气表的内置传感器不可能获得昂贵的在线色谱分析仪所能测试的气体组分参数，但是能够测量流过气体的热物性参数。在实际应用中，燃气表通过测量气体热物性参数具有对天然气组分变化的感知能力，并对因燃气组分变化带来的气体转换因子GCF进行实时修正，以达到燃气表测量实流天然气流量计量准确度的要求。
4 实验过程及数据分析
4.1 家用MEMS热式质量燃气表样机G4-1在
氮气中标定及误差特性
封闭式正压环道流量装置如图3所示，首先将样表G4-1夹装在被测表位置，用氮气置换环道内空气，提升管道压力至3kPa左右。通过调节罗茨泵和电动阀门改变流量点，对G4-1进行标定。获得G4-1误差特性，如图4所示，红色虚线表示误差容许范围，蓝色绿色点表示该流量点的测量误差。
4.2 样机G4-1在不同组分气样中测得的识别曲线
用表3中的8种气样分别输入环道，提升管道压力至3kPa，同样通过调节罗茨泵和电动阀门改变流量，测试各流量点对应的动态热物性值，测量值为G4-1的气体组分识别值。实验过程需注意置换充分和排空燃烧，确保实验安全和气样准确。G4-1燃气表所测得数据见图5。
如图5所示，其中最靠近的褐色线和黑色线，为G2-G和G2-H气样识别值，属于12T类热值较高气样;最靠近的紫色线、绿色线和红色线，为G2-A、G2-B和G2-C气样，属于12T类热值较低气样。由此可见，天然气热值变化与G4-1识别值成反向变化趋势，后者的变化范围在4%左右。
4.3 实验样机自适应状态下的误差特性
按照图2的MEMS热式质量燃气表自适应工作流程，样机G4-1内部数据库预置有一组天然气参比气体（100%CH4）的GCF。在实际工作中，燃气表根据图5测得的识别值，实时进行在线修正，遵照现行燃气计量法规及时调整因天然气组分变化引入的计量误差。
将表3选择的8种气样分别输入环道，测试G4-1误差特性，其结果满足贸易计量士1.5%的要求。误差特性如图6所示，图中红色虚线表示误差容许范围。
5 结束语
1）燃气表样机经过天然气实流试验，证明了MEMS家用热式质量燃气表在天然气组分变化的情况下，具有实时修正能力，表现出良好的误差特性（<±1.5%）。外形设计合理，操作方便，经氮气（空气）标定可使用于天然气，具有实用性。
2）本实验所采用的MEMS家用热式质量燃气表可以识别天然气组分的相对变化，测量结果存在规律性。
3）参比气体的系数GCF是在线实时校准误差的关键参数，同样通过软硬件和算法设计，可以使燃气表满足计量的要求。
4）本实验研究表明MEMS质量流量计量和热值计量存在相关性。這为今后实现热值计量的可能性提供了初步的实验依据。
参考文献
[1]HUANG L.City natural gas metering[M]//Natural Gas-Extraction to End Use，2012：181-208.
[2]MATTER D，KRAMER B，KLEINER T，et al.Microelectronic domestic gas meter with new technology[J].TechnischesMessen，2004，71：3-22.
[3]Norma Italiana，Contatori di gas-Contatori di gas con elementdi misuramassico-termico a circuitocapillare：UNI 11625[S].UNI EnteItaliano Di Normazione，2016.
[4]黄立基，雷励.MEMS流量传感技术及其最新进展[C]//2008年全国流量计量学术交流会论文集，2008.
[5]热式气体质量流量计：JJG1132-2017[S].北京：中国质检出版社，2017.
[6]封闭管道中流体流量的测量热式质量流量计：GB/T 20727-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.
[7]王东，雷励，张瑶.浅谈天然气流量实流标定装置[J].中国测试技术，2006，32（3）：29-32.
[8]罗凡，孙玉声.不同介质对质量流量计的校准误差影响[J].中国测试技术，2007，33（6）：52-54.
[9]城镇燃气分类和基本特性：GB/T 13611-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.
[10]天然气：GB17820-2012[S].北京：中国质检出版社，2012.
[11]Test gases-Test pressures一Appliances categories：EN437：2003+A1：2009[S].European Committee for Standardization，2009.
（编辑：莫婕）
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