天然氣計(jì)量每提升0.1%準(zhǔn)確度，就能減少1.8億立方米的天然氣損失，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

天然氣是壓縮流體，每立方燃?xì)獍哪芰咳Q于氣體的壓力和溫度，壓力和溫度的不同，天然氣燃燒的能量也不同。而且不同地點(diǎn)天然氣的化學(xué)組成可能明顯不同。一般來說，在從地下開采出來到使用的過程中，天然氣的主要成分是甲烷，再加上其他氣體形式的雜質(zhì)。1千克純甲烷燃燒后釋放大約55.5MJ的能量。但如果氣體中含有其它可燃物質(zhì)(例如乙烷、丙烷、丁烷)，能量密度則更大。這是因?yàn)楦唠A碳化合物燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能量比低階化合物高。但如果燃?xì)庵泻卸栊詺怏w(例如二氧化碳或氮?dú)?，能量密度(即氣體燃燒時(shí)釋放的熱量)將降低。燃?xì)夤緦?duì)配送中的天然氣質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，以確定混合物的準(zhǔn)確化學(xué)成分。實(shí)際上，考慮到產(chǎn)品的熱量變化，有些燃?xì)夤緦?duì)天然氣耗量應(yīng)用一個(gè)“熱量因子”。

目前天然氣計(jì)量的局限性

目前部署的大多數(shù)燃?xì)獗頌楦裟せ蚰ず惺秸帕苛髁坑?jì)。通過燃?xì)獗淼臍饬黩?qū)動(dòng)流量計(jì)的配件。膜盒每次擴(kuò)張和收縮時(shí)，將一定量的氣體傳遞到輸出端口。膜盒的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械連接，將一組閥門打開和關(guān)閉，將氣體推動(dòng)到相應(yīng)的計(jì)量室。驅(qū)動(dòng)閥門的相同機(jī)構(gòu)也驅(qū)動(dòng)機(jī)械式計(jì)數(shù)器，所以就知道準(zhǔn)確的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而推算出氣體的準(zhǔn)確體積。

膜盒式流量計(jì)的應(yīng)用已經(jīng)超過一個(gè)世紀(jì)，使用壽命可達(dá)數(shù)十年，但也存在局限性：純機(jī)械結(jié)構(gòu)，不能通信；如果沒有較大的外部硬件投資，機(jī)械式流量計(jì)不能將其測量值傳送到遠(yuǎn)端讀取；同時(shí)難以進(jìn)行溫度補(bǔ)償；并且，由于全部采用機(jī)械裝置，容易磨損。

電子式燃?xì)獗?/p>

盡管有多種替代技術(shù)可代替膜盒式流量計(jì)，但是有兩種電子式設(shè)計(jì)整合了燃?xì)獗韺?shí)際部署所需的精度、經(jīng)濟(jì)性和長期穩(wěn)定性。第一種燃?xì)獗硎褂眉訜嵩蜋C(jī)構(gòu)，用于測量運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的熱對(duì)流；第二種利用聲波在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的傳播特性。

這兩種方法都使用采樣法，而非正排量法。這些技術(shù)定期測量介質(zhì)的流速，從而推導(dǎo)出介質(zhì)的體積或流速。這類流量計(jì)必須假設(shè)采樣間隔期間的流速是恒定的——如果采樣率足夠高，則假設(shè)比較合理。但高采樣率又帶來了另一個(gè)問題：電池壽命。

膜盒式流量計(jì)直接利用被測氣體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行工作。而電子式流量計(jì)則需要電源才能工作，該電源由電池提供。流量計(jì)每次采樣都消耗少量的電池電量。測量氣體流速的頻率越高，電池電量消耗的就越快。

利用溫度傳感器測量流量要求熱源，以及確定熱量在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中如何流動(dòng)的方式。目前有兩種常用的基于溫度的傳感器：基于熱敏電阻的自熱式傳感器和基于熱電堆的獨(dú)立加熱傳感器。

熱敏電阻設(shè)計(jì)——通過熱流測量氣流

基于熱敏電阻的流量計(jì)使用一對(duì)經(jīng)過校準(zhǔn)的正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻，其中一個(gè)熱敏電阻通過其電阻變化表示溫度變化。對(duì)于PTC熱敏電阻，電阻值隨溫度升高而增大。通過熱敏電阻的電流足夠高時(shí)，電阻開始發(fā)熱，阻值增大并限制電流。

為了測量流速，在流動(dòng)介質(zhì)中安裝兩個(gè)熱敏電阻。其中一個(gè)熱敏電阻測量介質(zhì)的溫度，同時(shí)使另一個(gè)熱敏電阻中通過足夠高的電流，使其溫度升高并比介質(zhì)溫度高出一定值。在靜態(tài)氣體中，高溫?zé)崦綦娮鑼⑼ㄟ^輻射和對(duì)流的形式散發(fā)熱量(對(duì)熱敏電阻周圍的空氣加熱)。為熱敏電阻加熱的電能與通過輻射和對(duì)流散發(fā)的熱量嚴(yán)格平衡，因此熱敏電阻的溫度是穩(wěn)定的。

當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，熱敏電阻散熱中的對(duì)流分量增大，熱敏電阻溫度降低。驅(qū)動(dòng)電路檢測電流變化(即當(dāng)熱阻變冷時(shí)，對(duì)電流呈現(xiàn)較低阻值)，并增大熱敏電阻的電壓，以維持參考熱敏電阻和測量熱敏電阻之間的溫差恒定。將熱敏電阻與參考熱敏電阻之間的溫差維持在固定溫度所需的電壓是溫度的單調(diào)函數(shù)。因此，只需知道氣體的溫度和施加至高溫?zé)崦綦娮枭系碾妷?，系統(tǒng)即可計(jì)算出流量。

熱電傳感器設(shè)計(jì)——能效更高

基于熱電堆的獨(dú)立加熱傳感器。加熱器和兩個(gè)熱電堆傳感器安裝在一片采用微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的硅片上。在這些系統(tǒng)中，微小元件對(duì)兩個(gè)或更多溫度傳感器周圍的氣體進(jìn)行加熱。靜態(tài)氣體中，傳感器測得溫度相同。但如果氣體運(yùn)動(dòng)，位于加熱器下游的傳感器測得的溫度高于加熱器上游傳感器測得的溫度。這是因?yàn)榻橘|(zhì)流動(dòng)時(shí)變得越來越熱，被加熱的氣體流向下游傳感器、遠(yuǎn)離上游傳感器。

人們的第一印象可能會(huì)認(rèn)為這種系統(tǒng)也與基于熱敏電阻的燃?xì)獗硪粯?，存在相同的電池問題。但情況并非如此。因?yàn)镸EMS結(jié)構(gòu)非常小，加熱元件幾乎能夠瞬態(tài)打開，對(duì)氣體進(jìn)行加熱。所以不需要連續(xù)工作——加熱器根據(jù)需要打開并關(guān)閉，進(jìn)行采樣測量。

超聲流量計(jì)的出現(xiàn)

超聲流量計(jì)根據(jù)氣流同方向脈沖與氣流反方向脈沖的傳播時(shí)間差，即可確定氣流的流速。不同于熱電設(shè)計(jì)，其在單點(diǎn)不對(duì)氣流進(jìn)行采樣，而是向大部分介質(zhì)發(fā)送氣壓波，提供更高精度的流速指示。盡管大多數(shù)設(shè)計(jì)在管道內(nèi)部安裝變送器，但如果需要，也可將變送器安裝在管道外部。這種配置下，管道內(nèi)部就沒有影響氣體流動(dòng)的東西。

替代方案設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

MEMS熱電式流量傳感器和超聲流量傳感器是最常提及的住宅燃?xì)獗硖娲桨浮Ｄ敲磁c傳統(tǒng)的膜盒式燃?xì)獗硐啾?，這些流量計(jì)性能如何？兩者互比結(jié)果如何呢？

功耗管理

采樣式燃?xì)獗韯t沒有隨時(shí)可供使用的能源來驅(qū)動(dòng)其測量邏輯電路，而是由電池供電。公共儀表通常要求在最少維護(hù)的情況下工作10到20年。這就意味著您要么使用大容量電池，要么將功耗降至最低。

例如，合理容量的鋰亞硫電池(C規(guī)格電池)在3.6V下可提供8.5Ah的容量。對(duì)于這樣一塊電池，若要工作20年，燃?xì)獗硐牡钠骄娏骶筒坏贸^大約50μA。這一要求合理嗎？

估算采樣式燃?xì)獗淼墓臅r(shí)需要考慮三個(gè)因素：工作電流(即燃?xì)獗韺?shí)際測量時(shí)消耗的電池電流)、待機(jī)電流(即燃?xì)獗碓跍y量間隔期間消耗的電池電流)和采樣率。設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)超聲變送器進(jìn)行TOF測量的芯片和MEMS流量測量器件的待機(jī)電流均為亞微安級(jí)，可以假設(shè)其采樣率相當(dāng)。那么就剩下工作電流是唯一的差異化因素。

基于MEMS的熱電式流量傳感器在工作時(shí)需要大約1mA電流，并且必須保持工作70ms至100ms，取決于流速。最常引用的平均耗流為70μA...這是在考慮監(jiān)控微控制器之前。僅僅測量，每秒采樣就消耗大約70μA。

超聲TOF流量傳感器的功耗一般較低。工作電流較大(測量時(shí)大約為4.5mA，計(jì)算階段大約2.5mA)。但在發(fā)送命令后，只需短短幾毫秒即可完成。假設(shè)時(shí)間周期為5ms，平均電流為5mA，那么超聲流量傳感器的總功耗大約為每秒采樣25μA。

補(bǔ)償和氣體定律

公共事業(yè)單位在向最終用戶定價(jià)時(shí)，一般以每100標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCCF)的燃?xì)鉃閱挝弧?標(biāo)準(zhǔn)立方英尺指的是60°F以及1個(gè)大氣壓下的1立方英尺燃?xì)狻２煌瑴囟然驂毫ο碌?立方英尺燃?xì)鈱煌|(zhì)量的燃?xì)?，因此燃料量不同。所以，如果供氣時(shí)的溫度或壓力不是60°F和1個(gè)大氣壓，則必須包含補(bǔ)償因子，將測量值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)立方英尺。

目標(biāo)是計(jì)量交付的能量，排除其他因素。提供的能量取決于燃?xì)赓|(zhì)量和燃?xì)獾某煞?。但大多?shù)燃?xì)獗頊y量的是提供的燃?xì)怏w積而不是質(zhì)量。任何氣體的質(zhì)量、體積、溫度和壓力之間的關(guān)系符合氣體定律。波義耳定律描述恒定溫度下氣體壓力和體積的關(guān)系；查理定律描述恒定壓力下氣體體積和溫度的關(guān)系；蓋-呂薩克定律描述恒定體積下氣體壓力和溫度的關(guān)系；阿伏伽德羅定律指出，在恒定溫度和壓力下，氣體的摩爾數(shù)與體積成比例。

所以必須調(diào)節(jié)進(jìn)入燃?xì)獗淼膲毫ΑＨ绻试S壓力變化，就不可能僅僅憑靠體積確定氣體質(zhì)量。無論調(diào)節(jié)器的輸入壓力如何，從調(diào)節(jié)器輸出至燃?xì)獗淼膲毫Ρ还潭ㄔ诖蠹s0.25psig。通過周密調(diào)節(jié)燃?xì)獗淼膲毫?，就能避免壓力變化造成所提供能量的任何波?dòng)。

但是溫度呢？這正是熱電式流量傳感器和TOF流量傳感器的另一差異。

熱電式流量傳感器為質(zhì)量流量傳感器，既不是體積流量計(jì)(如膜盒式流量計(jì))也不是流速傳感器(如超聲流量計(jì))。熱電式流量傳感器檢測從加熱器流向熱電堆的熱量，并且該熱量隨氣體流速和密度而增大。然而，超聲流量計(jì)僅測量聲波的傳輸介質(zhì)的速度，以聲波在氣體中的速度為基準(zhǔn)。

所以，熱電式流量計(jì)在本質(zhì)上對(duì)溫度進(jìn)行了補(bǔ)償，因?yàn)樗鼫y量的是質(zhì)量流量，而非體積流量。超聲流量計(jì)必須測量氣體的溫度，并應(yīng)用氣體定律，將實(shí)際立方英尺轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)立體英尺。

還有一個(gè)補(bǔ)償因子必須考慮：氣體的組成。只要被測氣體與純甲烷差異不太大，聲波速度(進(jìn)而超聲流量計(jì)的精度)將保持恒定，波動(dòng)非常微小。如果氣體成分發(fā)生變化，氣體的能量含量將變化，燃?xì)夤久吭聦?duì)供氣進(jìn)行分析，從而考慮該因素。

由于熱電式流量傳感器測量質(zhì)量流量，對(duì)于燃?xì)怆s質(zhì)，熱電式流量傳感器的測量值將大于超聲傳感器的測量值。所以，兩種類型傳感器的補(bǔ)償因子將不同。

尋求更經(jīng)濟(jì)、更高精度和設(shè)計(jì)靈活的燃?xì)獗?，目前有兩種好的替代方案可取代傳統(tǒng)的膜盒式燃?xì)獗恚簾犭娛胶统暳髁繖z測技術(shù)。由于熱電式傳感器自帶閥芯體，所以使用熱電式傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)快、結(jié)構(gòu)簡單。但使用超聲檢測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)精度高、功耗低的設(shè)計(jì)。