熱式測(cè)量原理：未來(lái)氫氣燃?xì)獗淼睦硐脒x擇

什么是熱式測(cè)量原理基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的量熱傳感器元件（見(jiàn)圖1a）是所有熱式流量傳感器的核心元件，比如燃?xì)獗碇惺褂玫膫鞲衅鳌鞲衅髟挥诠?a target="_blank">芯片表面的膜片，由一個(gè)微型加熱元件和上下游溫度傳感器組成。電流通過(guò)微型加熱元件時(shí)，膜片上產(chǎn)生溫度變化曲線。無(wú)氣流通過(guò)時(shí)，上下游溫度傳感器的溫度相同（見(jiàn)圖1b）。氣流流過(guò)膜片表面時(shí)產(chǎn)生熱流，膜片溫度曲線開(kāi)始波動(dòng)，導(dǎo)致上下游溫度傳感器的溫度發(fā)生變化（見(jiàn)圖1c）。由此產(chǎn)生的傳感器溫差即成為可精準(zhǔn)測(cè)量的傳感器信號(hào)——溫差越大，流過(guò)傳感器元件的氣體流速越大（流速函數(shù)）。

熱式流量測(cè)量法以熱對(duì)流物理效應(yīng)為原理，傳感器信號(hào)取決于兩個(gè)因素：一是流過(guò)膜片的氣體流速，二是被測(cè)混合天然氣的熱屬性。

因此，如果熱式流量傳感器預(yù)先針對(duì)特定氣體混合物進(jìn)行校準(zhǔn)，或通過(guò)預(yù)先設(shè)定程序，在流量測(cè)量過(guò)程中動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同混合氣體，就能實(shí)現(xiàn)氣體精準(zhǔn)測(cè)量。

燃?xì)獗砜梢杂糜跍y(cè)量將來(lái)可能出現(xiàn)的各種混合天然氣，并且混合成分可能隨時(shí)間而不斷變化。在實(shí)際應(yīng)用中難以做到預(yù)先針對(duì)所有可能出現(xiàn)的天然氣混合物單獨(dú)校準(zhǔn)，因此Sensirion熱式燃?xì)獗韨鞲衅鞑捎脤Ｓ械奶烊粴夂蜌錃鈩?dòng)態(tài)識(shí)別程序，即使天然氣混合成分發(fā)生改變，依然能準(zhǔn)確測(cè)量氣體流量。

測(cè)試設(shè)置

本文所展示的測(cè)試數(shù)據(jù)是通過(guò)熱式流量傳感器的動(dòng)態(tài)氣體識(shí)別程序記錄的。根據(jù)EN 437:2018標(biāo)準(zhǔn)，該程序針對(duì)H、L和E 型天然氣（含氫比例不超過(guò)23%）、純氫和接近純氫的氣體進(jìn)行了優(yōu)化。流量傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)溫度和壓力補(bǔ)償，單位為標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)(m3/h)。

流量傳感器測(cè)試使用的是普通燃?xì)獗順悠吠鈿?，流量傳感器位于出口端（?jiàn)圖2a）。測(cè)試混合氣體（見(jiàn)表1）由外部氣體供應(yīng)裝置提供。測(cè)試采用音速噴嘴作為流量基準(zhǔn)，在室溫下進(jìn)行。；流量測(cè)試裝置示意圖見(jiàn)圖2b。

混氫天然氣流量測(cè)量圖3為五個(gè)流量傳感器在參考?xì)怏w（空氣、甲烷和分別含5%、10%和23%氫氣的天然氣混合氣體）流量高達(dá)6m3/h（G4型燃?xì)獗恚r(shí)的相對(duì)測(cè)量誤差。黑線數(shù)值分別為± 3.5%和± 2.0%，代表歐洲計(jì)量器具指令(MID)2016/32/EC和國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML) R 137提出的關(guān)于1.5精度等級(jí)的經(jīng)溫度補(bǔ)償燃?xì)獗淼淖畲笤试S誤差限值。

五個(gè)被測(cè)流量傳感器的誤差曲線都在最大允許誤差范圍內(nèi)，也符合歐洲熱式燃?xì)獗順?biāo)準(zhǔn)EN 17526和超聲家用燃?xì)獗順?biāo)準(zhǔn)EN 14236規(guī)定的3%和1.5%的空氣-燃?xì)獗壤?/p>

本測(cè)試中含氫23%的天然氣為EN 437規(guī)定的G222型測(cè)試天然氣。根據(jù)EN 437，G222是用于測(cè)試二類混合天然氣燃?xì)庠O(shè)備的“極限測(cè)試氣體”，即最大允許混氫比例氣體。

氫氣流量測(cè)量

氫氣的熱值較低（比天然氣低三倍），因此必須大大提升氫氣流量才能保證通過(guò)燃?xì)獗淼哪芰肯嗤?。圖4為五個(gè)流量傳感器在參考?xì)怏w（100%氫氣和98%氫氣+2%二氧化碳）流量高達(dá)20m3/h時(shí)的相對(duì)測(cè)量誤差。2%是ISO 14687規(guī)定的A類氫氣所含雜質(zhì)的最大允許比例。同樣，MID1.5級(jí)燃?xì)獗恚ㄗ畲罅髁縌max為20m3/h）的誤差極限為±3.5%和±2.0%（黑線所示）。

可以看到，在測(cè)量純氫和CO2比例為2%的混氫時(shí)，燃?xì)獗淼男阅芏己艹錾Ａ硗庵档靡惶岬氖?，無(wú)論是流速為6m3/h的天然氣還是20m3/h的氫氣，傳感器（以及相應(yīng)燃?xì)獗恚┏叽缈墒冀K保持不變。

操作安全性

熱式流量傳感器測(cè)量天然氣或氫氣時(shí)無(wú)任何安全相關(guān)限制。即使流量傳感器電壓調(diào)節(jié)出現(xiàn)故障，微傳感器元件上的最高溫度和最大存儲(chǔ)熱能均遠(yuǎn)低于氫氣/空氣混合物的燃點(diǎn)和引燃能。這也是為什么多年來(lái)Sensirion的熱式流量測(cè)量技術(shù)能成功經(jīng)受住純氫氣體分析應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

緊湊尺寸，適用于各種混氫比例

用氫氣替代天然氣必須注意一個(gè)前提：按體積算氫氣的熱值比典型混合天然氣低三倍左右。這意味著在實(shí)際應(yīng)用中，如果燃?xì)庠O(shè)備使用的是純氫而非天然氣，則必須提供約三倍氣體量才能達(dá)到相同的加熱效果。原先的天然氣燃?xì)獗肀仨氝m應(yīng)由于加入氫氣而增加的氣體體積，因此需選擇尺寸更大的純體積式天然氣表，且具有較大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍（因?yàn)楸仨毰c天然氣和純氫氣兼容）。燃?xì)獗沓叽缱兇罂赡軐?dǎo)致成本增加，且需要更多安裝空間。使用無(wú)氫天然氣時(shí)，如果氣體體積超過(guò)燃?xì)獗沓跏荚O(shè)計(jì)值，可能會(huì)加重燃?xì)獗?a target="_blank">機(jī)械裝置磨損，縮短使用壽命。

同樣，由于氫氣比天然氣聲速高（大約三倍），超聲燃?xì)獗硪裁媾R挑戰(zhàn)。這意味著，必須把聲脈傳播通道物理拉長(zhǎng)，電子元件的測(cè)量速度也必須大大提升。為此，需要更大、更復(fù)雜、成本更高的燃?xì)獗怼?br />

相比之下，靜態(tài)熱式流量測(cè)量技術(shù)無(wú)需移動(dòng)任何部件即可直接測(cè)量質(zhì)量流量。因此，流量體積增加并不會(huì)導(dǎo)致額外磨損，也不會(huì)影響熱式燃?xì)獗硎褂脡勖?。與體積式燃?xì)獗砗统暼細(xì)獗聿煌?，熱式燃?xì)獗頍o(wú)論用于測(cè)量天然氣還是不同比例的混氫天然氣都能保持尺寸不變。熱式測(cè)量原理考慮的關(guān)鍵參數(shù)不是流經(jīng)燃?xì)獗淼臍怏w體積，而是相關(guān)混合氣體的雷諾數(shù)。雷諾數(shù)是流體動(dòng)力學(xué)中表示流場(chǎng)中流體為湍流（雷諾數(shù)大）還是層流（雷諾數(shù)小）的參數(shù)。比較純甲烷ReCH4（代表天然氣混合物）和純氫氣ReH2的雷諾數(shù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的燃?xì)獗硗鈿ば螤?，ReH2的雷諾數(shù)比ReCH4低6倍以上。即使假設(shè)氫氣流量增加3倍（以補(bǔ)償比天然氣低3倍的氫氣熱值），ReH2的雷諾數(shù)仍比ReCH4低2倍左右。與甲烷相比，氫氣的雷諾數(shù)較低，這意味著燃?xì)獗硗鈿ば螤钕嗤瑫r(shí)，即使氫氣體積流量增加3倍，測(cè)量情況依舊保持穩(wěn)定。

同樣，燃?xì)獗韷航邓揭膊粫?huì)隨氫氣流量增加而變大。燃?xì)獗韷航蹬c氣體密度×流速2成正比。氫氣密度比甲烷低14倍，所以當(dāng)氫氣流速比甲烷快3倍時(shí)，壓降其實(shí)更低。因此，同樣尺寸的燃?xì)獗砜梢苑判挠糜跍y(cè)量天然氣、混氫天然氣、甚至100%純氫。典型的G4熱式燃?xì)獗頊y(cè)量天然氣時(shí)最大流量可達(dá)6m3/h，測(cè)量氫氣時(shí)最大流量可超過(guò)20m3/h。此外，切換不同測(cè)量氣體時(shí)無(wú)需進(jìn)行重新校準(zhǔn)或更改設(shè)置，同一個(gè)傳感器可流暢適應(yīng)待測(cè)氣體變化。結(jié)論與展望本文所展示的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，熱式測(cè)量原理符合MID規(guī)定的各種天然氣/氫氣混合物測(cè)量精度和空氣-燃?xì)獗壤`差限制。即使測(cè)量100%純氫也沒(méi)有任何操作安全方面的限制。本身尺寸已經(jīng)十分緊湊的熱式燃?xì)獗砜梢圆皇芑鞖浔壤绊懯冀K保持大小不變，這是相對(duì)于機(jī)械式和超聲燃?xì)獗淼年P(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。使用熱式燃?xì)獗砜杀苊獍嘿F、大型的燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)，運(yùn)輸和安裝也更簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，燃?xì)獗淼募夹g(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在能夠作為智能計(jì)量表進(jìn)行通信。混氫天然氣可推動(dòng)燃?xì)獗硇袠I(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步現(xiàn)代化，從傳統(tǒng)機(jī)械式、體積式測(cè)量原理變?yōu)榫哂忻黠@氫氣測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)的現(xiàn)代技術(shù)。熱式燃?xì)獗硎谷細(xì)庥?jì)費(fèi)變得準(zhǔn)確公平，已惠及全球超過(guò)600萬(wàn)客戶。未來(lái)，氫氣混合氣體還將促進(jìn)這種緊湊的靜態(tài)計(jì)量技術(shù)更快普及。