多参量MEMS气体质量流量计

　　1　各类流量计的发展

　　气体流量计量技术也是始于机械技术。从现代流量计量技术的角度来看,气体流量计量技术的发展可以以20世纪50年代作为分水岭, 50年代前的技术可称之为传统流量计量技术,而50年代以后的技术称之为现代流量计量技术,80年代后期发展起来的电子技术则代表当前计量技术的发展方向。这两种技术尽管经过了长期的实际使用验证,有着其相应的优点,但其缺点也是十分明显的。以上个世纪20年代即用于天然气输气干线上的节流式孔板流量计而言,无论是早期的分体化或现在的一体化构造,其突出优点是结构简单,性能稳定可靠,但其量程狭窄,一般不超过5∶1,并且压力损耗大,影响其精度的因素繁多,其输出信号为模拟信号,重复性也较差。涡轮流量计虽然在精度、重复性和量程方面都较孔板流量计有了很大的提高。但由于涡轮不断地转动造成轴承磨损,从而其精度不易长期得到保证。此外,管道内流体的流动特性乃至流体的物理特性的变动都会对其测量精度产生很大的影响。容积式流量计(膜式,椭圆齿轮式及腰轮式流量计)的量程范围较宽,最大可达到150∶1,且相对而言计量精度也较高,无需外接能源,安装条件及气体的质量对流量计的工作都无太大的影响,但由于气体具热涨冷缩的温度效应,因而温度效应造成的误差往往远大于其标准的精度。同时单一容积量测不能区分气体的差异,这使得公平贸易难以实现。另外,因其主要部件为固定大小的气体容积室,使得其体积庞大。目前在工业发达国家中,容积式的流量计的使用特别是容积式商用表的使用比例已呈逐年下降的趋势。由于上述计量技术均为机械技术,为适应当代数据传输和管理的需要,在其应用中各类相应功能的电子附件(通常称之为二次装置,如机电转换器、电子显示、电子管理系统等)也成为了必不可少的配件,但与此同时其成本也大大提高。

　　现代气体流量计量技术的代表是科里奥利质量流量计、热质量流量计(也称为“热丝”或热线式质量流量计)、超声波流量计和振动式流量计(如涡街流量计等)。在这些流量技术中,机械技术的成份越来越少,电子技术的成份越来越多。同时对气体的测量更注重于其质量的计量,而不仅仅是测量其容积。而美国早在1978年就通过了法令,规定天然气的贸易以天然气的实际能量含量作为贸易标准,用户按标准的热值来付费。在上述流量计中,科里奥利质量流量计精度较高,但若流体的密度不大(如小流量的气体)则往往无法测量。涡街流量计压力损耗小,量程较宽及精度高,但在流量计两侧的直管段必须较长,对小流量或低雷诺数的流体测量误差较大。超声波流量计在气体计量中的应用是自上个世纪90年代以来发展最快的一种技术。超声波流量计是全电子式的,很容易与当代的通信技术或网络管理技术相结合。它的特点是精度高、无压力损耗、量程宽。目前超声波流量计应用的主要障碍是稳定超声波发射器的制造难度较高,其成本,特别是小流量计的成本远高于类似的机械技术产品。