[发明专利]一种基于MEMS敏感元件的复合气体流量计量装置及其测量方法

说明书

一种基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置及其测量方法。该装置由流量计外壳，已经达到预定测量精度要求的MEMS流量传感器和MEMS校准传感器，电路系统，连接电路系统和MEMS校准传感器和MEMS流量传感器的连接插针。在实际的测量过程中，MEMS流量传感器的输出特性会随着测量条件（环境温度、气体压力、分子构成、机械振动等）而发生变化，因此，MEMS校准传感器不断感知当前的测量条件，然后通过校准传感器输出（T，P，C）对流量传感器的模拟信号及计算模型的影响量借助模拟或者数字的方法进行校准，获得精准的流量结果。

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置，更具体地说，涉及采用MEMS流量传感器和MEMS校准传感器进行在线标定补偿的复合气体流量计量装置及其测量方法。

背景技术

在燃气行业内，传统的机械计量，例如模式表、涡轮、腰轮等仪表占有绝大多数的比例，只有极少量超声波表开始小范围的试用。无论哪种机型，基于机械推动原理的燃气表，在使用过程中不可避免地会因为机械老化而出现精度下降的现象，同时机械装置的推动也会造成压力损失，进而造成计量收费上的损失。根据行业统计，每年因为机械磨损造成的计量损耗占燃气消耗总量的6%以上。以一个中等规模（100万户民用用户，1000个工业用户）的燃气运营企业为例，每年机械损耗造成的计量损失有10亿人民币以上，拓展到整个燃气行业，这个数字会达到上千亿人民币，造成的经济损失触目惊心。

为了应对传统机械计量带来的巨大损失，基于超声波原理的燃气表计和基于MEMS原理的工业流量计开始出现小批量试用，尚未实现完全商用。这两类产品的设计思路分别为：

1）超声波表的原理是超声波的传播速度与所在介质的流动速度相关，通过对被测气体的运动情况进行检测，然后将获得的模拟信号通过导线引出能量介质的传输环境，然后再通过A/D转换和MCU的计算，获得单位时间内通过气体的体积，进而通过积分累加获得通过气体的总量，实现体积计量；和

2）用于工业精密制造领域内标准气体测量的MEMS流量计，在标准条件下使用高纯度标准气体做对比测试，并将测试结果直接存储，然后用于该气体的实时测量。然后在严格受控的工况条件下对标准气体进行计量，可以达到预定的精度要求。

和传统的机械测量方法相比，MEMS测量技术具有小尺寸，大量程、高精度、高可靠度、低功耗、低成本等显著优势。MEMS（Micro-Electro & Mechanism System）是微机电系统的缩写，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。此外，由于芯片在生产过程中已经做了器件的老练处理，计算和控制精度会一直保持在较高的水平上，再加上电子测量在原理上比机械方法具有天然的优势，因此MEMS燃气表的产品成熟度和市场竞争力逐渐清晰。

但是，上述技术方案在用于复合气体，特别是天然气计量的过程中，都存在一些技术缺陷和应用障碍，主要表现在：

1）辅助装置带来的额外成本增加

目前很多能量测量系统中，基于超声波原理的方法和方案得到应用。由于超声波测量装置的工作原理是:首先主动产生一束超声波；超声波在通过被测介质的时候，其传播速度、方向、相位等特性发生变化；再通过一个可检测超声波传播特性的器件，检测上述变化，最后转换为需要的物理量。所以在这类产品中，需要额外增加若干个的超声波发射装置，而这些附加的装置，其成本、尺寸、重量、功耗数据往往会占整个设备的50%以上，降低了产品的成本优势，阻碍了产业化和市场化的推动。

2）体积计量原理在未来的拓展受限问题

从原理上来说，超声波表是一种体积计量的装置，虽然可以适应目前的燃气计量市场需求。然而从国家战略上看，更能反映燃气实际使用状况的质量计量和热值计量（质量*单位热值）在不远的未来一定会成为国家强制标准。所以超声波表无法适应未来这些更加合理和科学的计量需求。