CN103674120A - 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 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置及其测量放法。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***，连接电路***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。

Description

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

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***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***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。 

3）被测对象受限和变化跟踪问题 

现有的MEMS工业流量计，只在单纯的标准气体和工作环境条件下标定和使用，对于复杂多变的 

天然气使用环境，如何跟踪传感器的输出变化特性，缺乏必要的技术手段，此外，由于工艺、市场、产品性能等问题没有根本解决，目前这种产品仍处于试验阶段，没有得到市场化的推广应用。 

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低，精度高、适应性强，能够对计量条件变化实时补偿和修正，适用于燃气表等复合气体计量环境的MEMS复合气体流量计装置。 

为此，本发明提供一种MEMS复合气体流量计装置，该装置包括：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***，连接电路***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T、气体压力P、分子构成C、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，获得精准的流量信号。 

本发明提供一种用于MEMS复合气体流量计装置校准的电路***，电路***由模拟校准、AD转换和数字运算处理器模块构成，其中校准模拟信号中的工作环境对传感器模拟电路应相的信号在模拟校准电路的作用下对流量传感器输出的流量模拟信号进行初步校准，得到修正后的模拟流量信号；校准模拟信号中的其它信号和修正后的模拟流量信号经过模数转换后进入数字运算处理器，数字运算处理器甄别出校准信号中间接影响流量的因素，借助专门的校准算法对数字流量信号进行进一步的校准，进而获得精准的流量信号。 

本发明提供一种利用MEMS复合气体流量计装置测量复合气体流量的方法。首先，在流量采集周期上，MEMS流量传感器在气体流动的作用下获得流量相关的传感电信号(V₀)；与此同时校准传感器也在校准信号采样周期上采集校准所需的信息组(A₁,A₂,A₃,A₄)和(B₁,B₂,B₃)，其中(A₁,A₂,A₃,A₄)反映的是工作环境对传感器模拟电路性能的影响量，也就是直接影响流量传感器输出特性的量，分别为模拟偏移、放大变形、振荡过激和累积效应等因素，这部分影响量经过专门的模拟校准电路，对原始的流量输入信号进行初步的模拟校准，得到校准后的模拟流量信号(V₁)，(B₁,B₂,B₃)就是间接影响流量传感器输出结果或者说是影响计量模型的量。 

本发明的技术方案概括如下： 

1、一种基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置，包括： 

流量计外壳，其包括被测量气体流通于其中的管道； 

MEMS流量传感器，提供与所测气体流量相关的输出信号； 

MEMS校准传感器，输出用于对MEMS流量传感器测量的结果进行实时校准的直接反映流量传感器输出的电器特性信号和间接反映流量传感器输出的环境信息信号； 

电路***，其设置在所述流量计外壳外部，通过连接插针与MEMS流量传感器相连接，用于MEMS对校准传感器输出信号的采集、对MEMS流量传感器测量信号的采集、校准、以及所述被测气体的流量计算。 

2、根据以上1项所述的气体流量计量装置，其中两组传感器以结构嵌入加封胶的形式固定，沿气体流动方向前后放置，电路***位于两组传感器的上方。 

3、根据以上1项所述的气体流量计量装置，其中所述的两组传感器位于腔体中，以加强其对气体的冲击力，腔体为半包围结构，传感器的敏感表面与气体接触。 

4、根据以上1项所述的气体流量计量装置，其中所述的MEMS流量传感器是基于MEMS工艺制造的传感器，是基于压力、加速度、侧倾、热式温差、热式加速度感知原理中的一种或者若干种的组合制成的传感器。 

5、根据以上1项所述的气体流量计量装置，其中所述的MEMS校准传感器是采用MEMS工艺的复合信号传感模组，其可以提供直接反映流量传感器输出的电气特性信息(A₁,A₂,A₃,A₄)和间接反映流量传感器输出结果的环境信息(B₁,B₂,B₃)。 

6、根据以上5项所述的气体流量计量装置，其中所述的电气特性信息包括：A₁-模拟偏移、A₂-放大变形、A₃-振荡过激和A₄-累积效应。 

7、根据以上5项所述的气体流量计量装置，其中所述的环境信息信号包括：B₁-温度、B₂-压力、B₃-气体构成。 

8、根据以上1项所述的气体流量计量装置，其中所述的电路***由模拟校准电路、AD转换模块和数字运算处理器模块构成，其中模拟校准电路，用于校准模拟信号中的工作环境对传感器模拟电路相应的信号在模拟校准电路的作用下对流量传感器输出的流量模拟信号进行初步校准，得到修正后的模拟流量信号；AD转换模块用于将校准模拟信号中的其它信号和修正后的模拟流量信号转换成相应的数字信号；数字运算处理器模块，用于甄别出校准信号中间接影响流量的因素，借助专门的校准算法对数字流量信号进行进一步的校准，进而获得精准的流量信号。 

9、根据以上8项所述的气体流量计量装置，其中所述的模拟校准电路包括模拟加法器、模拟乘法器、模拟微分器、模拟积分器以及***器件，在印刷电路板PCB上固定构成电路***。 

10、利用以上1-9中任何一项所述的基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置进行气体流量测量的方法，包括以下步骤： 

a)，开始计量； 

b)，通过流量传感器测量与被测气体流量相关的模拟流量信号，并输出到模拟校准电路； 

c)，通过校准传感器测量由工作状况带来的信号偏移量，提取模拟校准信息一部分并输出到模拟校准电路，另一部分输出到模数转换器转换成数字校准信息； 

d），在模拟校准电路中，利用步骤c)得到的模拟校准信息对流量传感器输出的模拟流量信号进行初步校准，得到流量初步校准信号，并输出到模数转换器转换成数字流量信号； 

e)，判断是否需要数字校准，如果是，用数字校准信息对数字流量信号进行校准，得到校准后的数字流量信号，依据校准后的数字流量信号换算气体流量值； 

f），如果不是，则利用步骤d）中的数字信号直接进行换算得到气体流量值。 

11、根据以上10项所述的测量方法，其中模拟校准信息对模拟流量信号校准的步骤包括:模拟偏移的影响： 

将A₁与模拟流量输出信号同时输入模拟加法电路，得到模拟偏移量校准后的流量信号；放大变形的影响： 

将A₂与模拟流量输出信号同时输入模拟乘法电路，得到模拟放大变形校准后的流量信号；振荡过激的影响： 

将A₃与模拟流量输出信号同时输入模拟微分电路，得到振荡过激校准后的流量信号；累计效应的影响： 

将A₄与模拟流量输出信号同时输入模拟积分电路，得到累积效应校准后的流量信号；其中，A₁、A₂、A₃、A₄分别为模拟偏移、放大变形、振荡过激和累积效应。 

12、根据以上10项所述的测量方法，其中数字校准信息对数字流量信号校准的步骤包括: 

1）零点漂移的影响： 

D_V2=D_V1–D_B1； 

2）器件灵敏度的影响： 

D_V2=D_V1*D_B2； 

3）模型非线性的影响： 

D_V2=f(D_V1，D_B3)；其中f(x,y)为一个非线性函数，特定的器件组合构成各自的表型的形式。 

比如对于可能为高阶多项式：DV1=(an*DB3**n+an-1*DB3**(n-1)+...a1*DB3+a0) 

或者三角函数：DV1=a1*cos(b0*DB3)+a2*sin*(b1*DB3) 

或者反比关系：DV1=a0/DB3+a1/DB3**2+... 

其中**符号为幂函数，**m即m次方。 

附图说明

附图1给出了本发明MEMS流量计的总体结构。 

附图2给出MEMS流量传感信号的在线校准电路***结构图。 

附图3为流量传感信号完成在线校准过程实现流量测量的总流程。 

具体实施方式

参照附图1，给出了本发明MEMS流量计的总体结构一个实施例。从图1中可以发现，基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置包括，流量计外壳1-3，电路***1-1，流量传感器安装结构1-6。流量传感器安装结构1-6包括两组MEMS传感器，其中一组流量传感器1-7，用于检测气体的流量；另一组校准传感器1-5，用于对流量传感信息的校准，以及连接电路***和两组MEMS传感器的连接插针1-2。两组传感器与电路***通过导线连接，以结构嵌入+封胶的形式固定，两组传感器以气体流动方向前后放置，电路***位于两组传感器的上方。两组传感器位于腔体中以加强其对气体的冲击力，腔体为半包围结构，传感器的敏感表面与气体接触。流量传感器是基于MEMS工艺的传感器，其原理可以是压力、加速度、侧倾、热式温差、热式功率加速度等感知原理的一种或者若干种的组合，流量传感器的机械安装结构保证传感器可以感测气体流速的变化，并通过传感器的模拟信号输出，同时保护流量传感器不被气体计量过程的充气力和气体压力破坏或者失准，其具体结构可以采用整流后表面贴装、***式探针或者等速分流结构来实现，但不局限于上述几种结构。 

校准传感器是采用MEMS工艺的复合信号传感模组，输出对流量传感器校准所需要的信息，输出信号涵盖流量传感器工作过程中所需的校准信息，包括直接反应流量传感器输出的电气特性，例如模拟偏移、放大变形、振荡过激和累积效应等因素，也包括间接影响流量传感器输出结果的环境信息，比如温度、压力、气体构成等因素引起的例如零点、灵敏度和模型非线性。校准传感器的机械安装结构保证校准传感器的输出不受被测气体流速变化的影响， 同时可以感知到流量校准信号可以被校准传感器感知，可以采取包括但不局限于半封闭腔体、单面开口结构、自振荡流场稳定结构等实现。 

在流量计工作期间，能够对流量传感器的输出结果产生影响的有（T，P，C，V），其中T为温度，P为压力，C为气体构成，V为待测量的气体流速。而校准传感器则输出（T，P，C）对流量传感器的模拟信号以及计算模型的影响量，通常表现为直流偏移、线性放大、微分振荡和累积效应等电路形态，借助下述模拟或者数字的方法进行校准。 

基于附图2，附图2给出MEMS流量传感信号的在线校准电路***结构图。电路***由模拟校准电路2-1、AD转换模块2-2和数字运算处理器模块2-3以及2-4PCB及***器件构成，模拟校准电路2-1包括模拟加法器、模拟乘法器、模拟微分器、模拟积分器以及电阻电容等***器件，在印刷电路板PCB上通过焊接、键合等手段固定构成电路***。其中校准模拟信号中的工作环境对传感器模拟电路应相的信号在模拟校准电路的作用下对流量传感器输出的模拟流量信号进行初步校准，得到修正后的模拟流量信号；校准模拟信号中的其它信号和修正后的模拟流量信号经过模数转换后进入数字运算处理器，数字运算处理器甄别出校准信号中间接影响流量的因素，借助专门的校准算法对数字流量信号进行进一步的校准，进而获得精准的流量信号。PCB和***器件的功能为保障整个电路***的正常运行。 

基于附图3，附图3为流量传感信号完成在线校准过程实现流量测量的总流程。首先是在流量采集周期上，MEMS流量传感器在气体流动的作用下获得流量相关的传感电信号(V₀)；与此同时校准传感器也在校准信号采样周期上采集校准所需的信息组(A₁,A₂,A₃,A₄)和(B₁,B₂,B₃)，其中(A₁,A₂,A₃,A₄)反映的是工作环境对传感器模拟电路性能的影响量，分别为模拟偏移、放大变形、振荡过激和累积效应等因素，这部分影响量经过专门的模拟校准电路，对原始的流量输入信号进行初步的模拟校准，得到校准后的模拟流量信号(V₁)。 

利用上述模拟校准信号对原始流量信号V₀进行模拟校准的方法有： 

1)模拟偏移的影响： 

将A₁与模拟流量输出信号同时输入模拟加法电路，得到模拟偏移量校准后的流量信号。 

2)放大变形的影响： 

将A₂与模拟流量输出信号同时输入模拟乘法电路，得到模拟放大变形校准后的流量信号。 

3)振荡过激的影响： 

将A₃与模拟流量输出信号同时输入模拟微分电路，得到振荡过激校准后的流量信号。 

4)累计效应的影响： 

将A₄与模拟流量输出信号同时输入模拟积分电路，得到累积效应校准后的流量信号。 

其中上述步骤1)到4)的顺序可以根据具体的电路特性而调整，最后得到模拟初步校准后的流量信号V₁。 

而(B₁,B₂,B₃)反映的是工作环境对气体计量模型的影响，包括零点漂移、器件灵敏度、模型非线性等影响量，这部分影响要经过A/D转换后变为对应的数字校准信号(D_B1，D_B2,D_B3),初步校准后的流量信号V₁经过A/D转换后变为D_V1,两路数字信号一起进入数字运算处理器，以数字运算的形式对流量计算模型进行进一步的数字校准，最后得到精准的流量信息，再以此为依据进行流量计算。 

利用上述数字校准信号对流量信号进行数字校准的方法有： 

5)零点漂移的影响： 

D_V2=D_V1-D_B1

6)器件灵敏度的影响： 

D_V2=D_V1*D_B2

7)模型非线性的影响： 

D_V2=f(D_V1，D_B3);其中f(x,y)为一个非线性函数，特定的器件组合构成各自的表型的形式。 

比如对于可能为高阶多项式：DV1=(an*DB3**n+an-1*DB3**(n-1)+...a1*DB3+a0) 

或者三角函数：DV1=a1*cos(b0*DB3)+a2*sin*(b1*DB3) 

或者反比关系：DV1=a0/DB3+a1/DB3**2+... 

其中**符号为幂函数，**m即m次方。 

其中上述步骤5)到7)的顺序可以根据具体的电路特性而调整，最后得到模型修正后的流量计算结果D₂。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以后各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

1-1电路*** 

1-2连接插针 

1-3流量计外壳 

1-4校准传感器安装结构 

1-5MEMS校准传感器 

1-6流量传感器安装结构 

1-7MEMS流量传感器 

2-1模拟校准电路 

2-2A/D转换模块 

2-3数字运算处理器 

2-4PCB及***器件。  

Claims (12)

1.一种基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置，包括：

流量计外壳，其包括被测量气体流通于其中的管道；

MEMS流量传感器，提供与所测气体流量相关的输出信号；

MEMS校准传感器，输出用于对MEMS流量传感器测量的结果进行实时校准的直接反映流量传感器输出的电器特性信号和间接反映流量传感器输出的环境信息信号；

电路***，其设置在所述流量计外壳外部，通过连接插针与MEMS流量传感器相连接，用于MEMS对校准传感器输出信号的采集、对MEMS流量传感器测量信号的采集、校准、以及所述被测气体的流量计算。

2.如权利要求1所述的气体流量计量装置，其中两组传感器以结构嵌入加封胶的形式固定，沿气体流动方向前后放置，电路***位于两组传感器的上方。

3.如权利要求1所述的气体流量计量装置，其中所述的两组传感器位于腔体中，以加强其对气体的冲击力，腔体为半包围结构，传感器的敏感表面与气体接触。

4.如权利要求1所述的气体流量计量装置，其中所述的MEMS流量传感器是基于MEMS工艺制造的传感器，是基于压力、加速度、侧倾、热式温差、热式加速度感知原理中的一种或者若干种的组合制成的传感器。

5.如权利要求1所述的气体流量计量装置，其中所述的MEMS校准传感器是采用MEMS工艺的复合信号传感模组，其可以提供直接反映流量传感器输出的电气特性信息和间接反映流量传感器输出结果的环境信息。

6.如权利要求5所述的气体流量计量装置，其中所述的电气特性信息包括：模拟偏移、放大变形、振荡过激和累积效应。

7.如权利要求5所述的气体流量计量装置，其中所述的环境信息信号包括：温度、压力、气体构成。

8.如权利要求1所述的气体流量计量装置，其中所述的电路***由模拟校准电路、AD转换模块和数字运算处理器模块构成，其中模拟校准电路，用于校准模拟信号中的工作环境对传感器模拟电路相应的信号在模拟校准电路的作用下对流量传感器输出的流量模拟信号进行初步校准，得到修正后的模拟流量信号；AD转换模块用于将校准模拟信号中的其它信号和修正后的模拟流量信号转换成相应的数字信号；数字运算处理器模块，用于甄别出校准信号中间接影响流量的因素，借助专门的校准算法对数字流量信号进行进一步的校准，进而获得精准的流量信号。

9.如权利要求8所述的气体流量计量装置，其中所述的模拟校准电路包括模拟加法器、模拟乘法器、模拟微分器、模拟积分器以及***器件，在印刷电路板PCB上固定构成电路***。

10.一种利用如权利要求1所述的基于MEMS敏感元件的气体流量计量装置进行气体流量测量的方法，包括以下步骤：

a),开始计量；

b)，通过流量传感器测量与被测气体流量相关的模拟流量信号，并输出到模拟校准电路；

c)，通过校准传感器测量由工作状况带来的信号偏移量，提取模拟校准信息一部分并输出到模拟校准电路，另一部分输出到模数转换器转换成数字校准信息；

d），在模拟校准电路中，利用步骤c)得到的模拟校准信息对流量传感器输出的模拟流量信号进行初步校准，得到流量初步校准信号，并输出到模数转换器转换成数字流量信号；

e)，判断是否需要数字校准，如果是，用数字校准信息对数字流量信号进行校准，得到校准后的数字流量信号，依据校准后的数字流量信号换算气体流量值；

f），如果不是，则利用步骤d）中的数字信号直接进行换算得到气体流量值。

11.如权利要求10所述的测量方法，其中模拟校准信息对模拟流量信号校准的步骤包括:模拟偏移的影响：

将A₁与模拟流量输出信号同时输入模拟加法电路，得到模拟偏移量校准后的流量信号；放大变形的影响：

将A₂与模拟流量输出信号同时输入模拟乘法电路，得到模拟放大变形校准后的流量信号；振荡过激的影响：

将A₃与模拟流量输出信号同时输入模拟微分电路，得到振荡过激校准后的流量信号；累计效应的影响：

将A₄与模拟流量输出信号同时输入模拟积分电路，得到累积效应校准后的流量信号；其中，A₁、A₂、A₃、A₄分别为模拟偏移、放大变形、振荡过激和累积效应。

12.如权利要求10所述的测量方法，其中数字校准信息对数字流量信号校准的步骤包括:

1）零点漂移的影响：

D_V2=D_V1–D_B1；

2）器件灵敏度的影响：

D_V2=D_V1*D_B2；

3）模型非线性的影响：

D_V2=f(D_V1，D_B3)；其中f(x,y)为一个非线性函数，特定的器件组合构成各自的表型的形式。

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