熱式測量原理：未來氫氣燃氣表的理想選擇

什么是熱式測量原理基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的量熱傳感器元件（見圖1a）是所有熱式流量傳感器的核心元件，比如燃氣表中使用的傳感器。傳感器元件位于硅芯片表面的膜片，由一個微型加熱元件和上下游溫度傳感器組成。電流通過微型加熱元件時，膜片上產(chǎn)生溫度變化曲線。無氣流通過時，上下游溫度傳感器的溫度相同（見圖1b）。氣流流過膜片表面時產(chǎn)生熱流，膜片溫度曲線開始波動，導致上下游溫度傳感器的溫度發(fā)生變化（見圖1c）。由此產(chǎn)生的傳感器溫差即成為可精準測量的傳感器信號——溫差越大，流過傳感器元件的氣體流速越大（流速函數(shù)）。

熱式流量測量法以熱對流物理效應為原理，傳感器信號取決于兩個因素：一是流過膜片的氣體流速，二是被測混合天然氣的熱屬性。

因此，如果熱式流量傳感器預先針對特定氣體混合物進行校準，或通過預先設定程序，在流量測量過程中動態(tài)適應不同混合氣體，就能實現(xiàn)氣體精準測量。

燃氣表可以用于測量將來可能出現(xiàn)的各種混合天然氣，并且混合成分可能隨時間而不斷變化。在實際應用中難以做到預先針對所有可能出現(xiàn)的天然氣混合物單獨校準，因此Sensirion熱式燃氣表傳感器采用專有的天然氣和氫氣動態(tài)識別程序，即使天然氣混合成分發(fā)生改變，依然能準確測量氣體流量。

測試設置

本文所展示的測試數(shù)據(jù)是通過熱式流量傳感器的動態(tài)氣體識別程序記錄的。根據(jù)EN 437:2018標準，該程序針對H、L和E 型天然氣（含氫比例不超過23%）、純氫和接近純氫的氣體進行了優(yōu)化。流量傳感器的輸出信號經(jīng)溫度和壓力補償，單位為標準立方米/小時(m3/h)。

流量傳感器測試使用的是普通燃氣表樣品外殼，流量傳感器位于出口端（見圖2a）。測試混合氣體（見表1）由外部氣體供應裝置提供。測試采用音速噴嘴作為流量基準，在室溫下進行。；流量測試裝置示意圖見圖2b。

混氫天然氣流量測量圖3為五個流量傳感器在參考氣體（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6m3/h（G4型燃氣表）時的相對測量誤差。黑線數(shù)值分別為± 3.5%和± 2.0%，代表歐洲計量器具指令(MID)2016/32/EC和國際法制計量組織(OIML) R 137提出的關于1.5精度等級的經(jīng)溫度補償燃氣表的最大允許誤差限值。

五個被測流量傳感器的誤差曲線都在最大允許誤差范圍內(nèi)，也符合歐洲熱式燃氣表標準EN 17526和超聲家用燃氣表標準EN 14236規(guī)定的3%和1.5%的空氣-燃氣比例。

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

氫氣流量測量

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燃氣表的能量相同。圖4為五個流量傳感器在參考氣體（100%氫氣和98%氫氣+2%二氧化碳）流量高達20m3/h時的相對測量誤差。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級燃氣表（最大流量Qmax為20m3/h）的誤差極限為±3.5%和±2.0%（黑線所示）。

可以看到，在測量純氫和CO2比例為2%的混氫時，燃氣表的性能都很出色。另外值得一提的是，無論是流速為6m3/h的天然氣還是20m3/h的氫氣，傳感器（以及相應燃氣表）尺寸可始終保持不變。

操作安全性

熱式流量傳感器測量天然氣或氫氣時無任何安全相關限制。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熱能均遠低于氫氣/空氣混合物的燃點和引燃能。這也是為什么多年來Sensirion的熱式流量測量技術能成功經(jīng)受住純氫氣體分析應用的挑戰(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。這意味著在實際應用中，如果燃氣設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到相同的加熱效果。原先的天然氣燃氣表必須適應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，且具有較大的動態(tài)測量范圍（因為必須與天然氣和純氫氣兼容）。燃氣表尺寸變大可能導致成本增加，且需要更多安裝空間。使用無氫天然氣時，如果氣體體積超過燃氣表初始設計值，可能會加重燃氣表機械裝置磨損，縮短使用壽命。

同樣，由于氫氣比天然氣聲速高（大約三倍），超聲燃氣表也面臨挑戰(zhàn)。這意味著，必須把聲脈傳播通道物理拉長，電子元件的測量速度也必須大大提升。為此，需要更大、更復雜、成本更高的燃氣表。

相比之下，靜態(tài)熱式流量測量技術無需移動任何部件即可直接測量質(zhì)量流量。因此，流量體積增加并不會導致額外磨損，也不會影響熱式燃氣表使用壽命。與體積式燃氣表和超聲燃氣表不同，熱式燃氣表無論用于測量天然氣還是不同比例的混氫天然氣都能保持尺寸不變。熱式測量原理考慮的關鍵參數(shù)不是流經(jīng)燃氣表的氣體體積，而是相關混合氣體的雷諾數(shù)。雷諾數(shù)是流體動力學中表示流場中流體為湍流（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)，對于相同的燃氣表外殼形狀，ReH2的雷諾數(shù)比ReCH4低6倍以上。即使假設氫氣流量增加3倍（以補償比天然氣低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，這意味著燃氣表外殼形狀相同時，即使氫氣體積流量增加3倍，測量情況依舊保持穩(wěn)定。

同樣，燃氣表壓降水平也不會隨氫氣流量增加而變大。燃氣表壓降與氣體密度×流速2成正比。氫氣密度比甲烷低14倍，所以當氫氣流速比甲烷快3倍時，壓降其實更低。因此，同樣尺寸的燃氣表可以放心用于測量天然氣、混氫天然氣、甚至100%純氫。典型的G4熱式燃氣表測量天然氣時最大流量可達6m3/h，測量氫氣時最大流量可超過20m3/h。此外，切換不同測量氣體時無需進行重新校準或更改設置，同一個傳感器可流暢適應待測氣體變化。結(jié)論與展望本文所展示的測量數(shù)據(jù)表明，熱式測量原理符合MID規(guī)定的各種天然氣/氫氣混合物測量精度和空氣-燃氣比例誤差限制。即使測量100%純氫也沒有任何操作安全方面的限制。本身尺寸已經(jīng)十分緊湊的熱式燃氣表可以不受混氫比例影響始終保持大小不變，這是相對于機械式和超聲燃氣表的關鍵優(yōu)勢。使用熱式燃氣表可避免昂貴、大型的燃氣表設計，運輸和安裝也更簡單經(jīng)濟。近年來，燃氣表的技術進步主要體現(xiàn)在能夠作為智能計量表進行通信?；鞖涮烊粴饪赏苿尤細獗硇袠I(yè)實現(xiàn)進一步現(xiàn)代化，從傳統(tǒng)機械式、體積式測量原理變?yōu)榫哂忻黠@氫氣測量優(yōu)勢的現(xiàn)代技術。熱式燃氣表使燃氣計費變得準確公平，已惠及全球超過600萬客戶。未來，氫氣混合氣體還將促進這種緊湊的靜態(tài)計量技術更快普及。