[發(fā)明專利]一種基于MEMS敏感元件的復(fù)合氣體流量計(jì)量裝置及其測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210353085.2
• 申請(qǐng)日: 2012-09-20
• 公開（公告）號(hào): CN103674120B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董勝龍;黃忠;李國(guó)國(guó);李龍;史進(jìn)超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 新奧科技發(fā)展有限公司
• 主分類號(hào): G01F1/00
• 分類號(hào): G01F1/00;G01F25/00
• 代理公司: 北京卓恒知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11394
• 代理人: 唐曙暉;劉明芳

一種基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置及其測(cè)量方法。該裝置由流量計(jì)外殼，已經(jīng)達(dá)到預(yù)定測(cè)量精度要求的MEMS流量傳感器和MEMS校準(zhǔn)傳感器，電路系統(tǒng)，連接電路系統(tǒng)和MEMS校準(zhǔn)傳感器和MEMS流量傳感器的連接插針。在實(shí)際的測(cè)量過程中，MEMS流量傳感器的輸出特性會(huì)隨著測(cè)量條件（環(huán)境溫度、氣體壓力、分子構(gòu)成、機(jī)械振動(dòng)等）而發(fā)生變化，因此，MEMS校準(zhǔn)傳感器不斷感知當(dāng)前的測(cè)量條件，然后通過校準(zhǔn)傳感器輸出（T，P，C）對(duì)流量傳感器的模擬信號(hào)及計(jì)算模型的影響量借助模擬或者數(shù)字的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得精準(zhǔn)的流量結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置，更具體地說，涉及采用MEMS流量傳感器和MEMS校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行在線標(biāo)定補(bǔ)償?shù)膹?fù)合氣體流量計(jì)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)

在燃?xì)庑袠I(yè)內(nèi)，傳統(tǒng)的機(jī)械計(jì)量，例如模式表、渦輪、腰輪等儀表占有絕大多數(shù)的比例，只有極少量超聲波表開始小范圍的試用。無論哪種機(jī)型，基于機(jī)械推動(dòng)原理的燃?xì)獗恚谑褂眠^程中不可避免地會(huì)因?yàn)闄C(jī)械老化而出現(xiàn)精度下降的現(xiàn)象，同時(shí)機(jī)械裝置的推動(dòng)也會(huì)造成壓力損失，進(jìn)而造成計(jì)量收費(fèi)上的損失。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，每年因?yàn)闄C(jī)械磨損造成的計(jì)量損耗占燃?xì)庀目偭康?%以上。以一個(gè)中等規(guī)模（100萬戶民用用戶，1000個(gè)工業(yè)用戶）的燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)企業(yè)為例，每年機(jī)械損耗造成的計(jì)量損失有10億人民幣以上，拓展到整個(gè)燃?xì)庑袠I(yè)，這個(gè)數(shù)字會(huì)達(dá)到上千億人民幣，造成的經(jīng)濟(jì)損失觸目驚心。

為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)量帶來的巨大損失，基于超聲波原理的燃?xì)獗碛?jì)和基于MEMS原理的工業(yè)流量計(jì)開始出現(xiàn)小批量試用，尚未實(shí)現(xiàn)完全商用。這兩類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路分別為：

1）超聲波表的原理是超聲波的傳播速度與所在介質(zhì)的流動(dòng)速度相關(guān)，通過對(duì)被測(cè)氣體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，然后將獲得的模擬信號(hào)通過導(dǎo)線引出能量介質(zhì)的傳輸環(huán)境，然后再通過A/D轉(zhuǎn)換和MCU的計(jì)算，獲得單位時(shí)間內(nèi)通過氣體的體積，進(jìn)而通過積分累加獲得通過氣體的總量，實(shí)現(xiàn)體積計(jì)量；和

2）用于工業(yè)精密制造領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)量的MEMS流量計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下使用高純度標(biāo)準(zhǔn)氣體做對(duì)比測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果直接存儲(chǔ)，然后用于該氣體的實(shí)時(shí)測(cè)量。然后在嚴(yán)格受控的工況條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行計(jì)量，可以達(dá)到預(yù)定的精度要求。

和傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量方法相比，MEMS測(cè)量技術(shù)具有小尺寸，大量程、高精度、高可靠度、低功耗、低成本等顯著優(yōu)勢(shì)。MEMS（Micro-Electro & Mechanism System）是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫，主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。此外，由于芯片在生產(chǎn)過程中已經(jīng)做了器件的老練處理，計(jì)算和控制精度會(huì)一直保持在較高的水平上，再加上電子測(cè)量在原理上比機(jī)械方法具有天然的優(yōu)勢(shì)，因此MEMS燃?xì)獗淼漠a(chǎn)品成熟度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力逐漸清晰。

但是，上述技術(shù)方案在用于復(fù)合氣體，特別是天然氣計(jì)量的過程中，都存在一些技術(shù)缺陷和應(yīng)用障礙，主要表現(xiàn)在：

1）輔助裝置帶來的額外成本增加

目前很多能量測(cè)量系統(tǒng)中，基于超聲波原理的方法和方案得到應(yīng)用。由于超聲波測(cè)量裝置的工作原理是:首先主動(dòng)產(chǎn)生一束超聲波；超聲波在通過被測(cè)介質(zhì)的時(shí)候，其傳播速度、方向、相位等特性發(fā)生變化；再通過一個(gè)可檢測(cè)超聲波傳播特性的器件，檢測(cè)上述變化，最后轉(zhuǎn)換為需要的物理量。所以在這類產(chǎn)品中，需要額外增加若干個(gè)的超聲波發(fā)射裝置，而這些附加的裝置，其成本、尺寸、重量、功耗數(shù)據(jù)往往會(huì)占整個(gè)設(shè)備的50%以上，降低了產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì)，阻礙了產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化的推動(dòng)。

2）體積計(jì)量原理在未來的拓展受限問題

從原理上來說，超聲波表是一種體積計(jì)量的裝置，雖然可以適應(yīng)目前的燃?xì)庥?jì)量市場(chǎng)需求。然而從國(guó)家戰(zhàn)略上看，更能反映燃?xì)鈱?shí)際使用狀況的質(zhì)量計(jì)量和熱值計(jì)量（質(zhì)量*單位熱值）在不遠(yuǎn)的未來一定會(huì)成為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。所以超聲波表無法適應(yīng)未來這些更加合理和科學(xué)的計(jì)量需求。