CN112179431B - 一种气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体流量计，涉及气体计量设备领域，为解决现有气体计量方式存在的气体贸易计量不准确的问题而设计。该气体流量计包括计量单元和通信单元，计量单元包括气体流道、MEMS传感器组件及控制模块，气体流道提供被检测气体稳定的流场；MEMS传感器组件包括均与控制模块电连接的MEMS热飞行时间传感器和可燃气体浓度传感器，MEMS热飞行时间传感器包括沿气体流动方向依次设置的第一加热元件和多个热敏元件，多个热敏元件中的至少两个至第一加热元件的距离为非整数倍关系，MEMS热飞行时间传感器被配置为测量气体的体积流量和质量流量；通信单元与控制模块电连接。本发明提供的气体流量计计量结果准确。

Description

一种气体流量计

技术领域

本发明涉及气体计量设备领域，具体而言，涉及一种气体流量计。

背景技术

促进清洁能源的应用一直是世界各国应对全球气候变化的关键任务之一，其中，天然气作为清洁能源已被越来越多地用于民用厨具和供暖。目前，在城市民用天然气这一层次贸易计量，几乎所有国家/地区现行法规采用的计量方式均为体积计量，这种计量技术在测量原理上为机械技术，其计量值随温度和压力的变化而变化。但是，对于消费者而言，其所实际消费的为天然气的热值，而不是天然气的体积，天然气的热值取决于该气体中具有燃烧值的组分，因此，使用相同的体积计量，当供气源组分发生改变时，消费者所支付的体积费用与其热值也会有所不同，这就导致天然气在贸易计量过程中存在不公平现象，影响消费者利益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体流量计，以解决现有气体计量方式存在的气体贸易计量不准确的技术问题。

本发明提供的气体流量计，包括计量单元和通信单元。

所述计量单元包括气体流道、MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)传感器组件及控制模块，其中，所述气体流道提供被检测气体稳定的流场；所述MEMS传感器组件包括均与所述控制模块电连接的MEMS热飞行时间传感器和可燃气体浓度传感器，所述MEMS热飞行时间传感器包括沿气体流动方向依次设置的第一加热元件和多个热敏元件，多个所述热敏元件中的至少两个至所述第一加热元件的距离为非整数倍关系，所述MEMS热飞行时间传感器被配置为测量气体的体积流量和质量流量，所述可燃气体浓度传感器被配置为测量气体中具有燃烧值的组分浓度；所述通信单元与所述控制模块电连接，所述通信单元被配置为输出计量数据。

进一步地，所述气体流量计还包括气体缓冲室，所述气体缓冲室具有入口和出口，所述气体流道设置于所述气体缓冲室内，且所述气体流道的出气端与所述出口连接并导通，所述气体流道的进气端延伸至所述气体缓冲室内；所述入口和所述出口开设于所述气体缓冲室的同一表面。

进一步地，所述MEMS传感器组件还包括载板，所述MEMS热飞行时间传感器和所述可燃气体浓度传感器均固设于所述载板，所述载板插设于所述气体流道，且所述MEMS热飞行时间传感器位于所述气体流道内，所述可燃气体浓度传感器位于所述气体流道外。

进一步地，所述气体流道呈文丘里管状，所述MEMS热飞行时间传感器位于所述气体流道的喉部的中心位置。

进一步地，所述气体流道的外壁固设有集气罩，所述集气罩的罩口朝向所述气体缓冲室的腔室，所述集气罩内形成集气腔，所述集气腔通过开口与所述气体流道连通，所述载板插设于所述开口。

进一步地，所述开口处设置有过滤器，所述过滤器被配置为对自所述气体流道流向所述集气腔的气体过滤。

进一步地，所述气体流道包括沿气体流动方向依次设置的主流道和连接流道，所述主流道呈直管状，所述连接流道呈弯管状，所述连接流道用于与所述出口连接；所述MEMS热飞行时间传感器位于所述主流道内。

进一步地，所述主流道内设置有流量分配器，所述流量分配器包括多个依次套设的同轴管，且任意相邻两个所述同轴管的间距不大于位于最中心位置的所述同轴管的内径。

进一步地，所述流量分配器的轴向长度不小于所述主流道的轴向长度的1/3。

进一步地，所述气体流量计还包括电动阀，所述电动阀设置于所述入口处，所述电动阀与所述通信单元电连接，所述电动阀被配置为在设定状况时切断所述入口处的供气。

进一步地，所述气体流道的进气端设置有流场调节器。

进一步地，所述通信单元包括前盖、后盖和显示模块，所述前盖与所述后盖连接形成容纳腔，所述显示模块设置于所述容纳腔中，所述前盖开设有与所述显示模块相对的第一窗口，所述第一窗口处覆盖有透明面板，其中，所述透明面板具有数据防篡改功能。

进一步地，所述通信单元还包括电池电源模块，所述电池电源模块设置于所述容纳腔，所述前盖还开设有与所述电池电源模块相对的第二窗口，所述第二窗口处可拆卸地盖合有电池室盖。

进一步地，所述MEMS热飞行时间传感器还包括第一基体，所述热敏元件的数量为两个，所述第一加热元件和两个所述热敏元件均固设于所述第一基体；所述第一基体还设置有第一感温元件，所述第一感温元件被配置为感测气体的环境温度，且所述第一感温元件与所述控制模块电连接。

进一步地，所述第一基体还设置有唤醒元件，所述唤醒元件与所述控制模块电连接，所述唤醒元件被配置为在感受到气体温度变化时唤醒控制模块。

进一步地，所述可燃气体浓度传感器包括第二基体以及均设置于所述第二基体的可燃气体浓度感测元件、第二加热元件和第二感温元件，所述第二加热元件和所述第二感温元件均与所述控制模块电连接。

本发明气体流量计带来的有益效果是：

使用该气体流量计对气体流量进行测量的原理为：气体在气体流道中流动的过程中，将依次经过第一加热元件和多个热敏元件，由于各热敏元件至第一加热元件的距离已知，结合各热敏元件感应到气体的时间差，即可得到气体在气体流道中的流速，进而，根据气体流道的通流面积，即可得到气体的体积流量；与此同时，随着气体在气体流道的流动，各热敏元件还可以测得气体在当前位置的温度值，根据温度的衰减量，以及对应参考标准器的数值，得到气体此时所包含的分子数量，从而得到气体的质量流量，即：MEMS热飞行时间传感器获得气体的体积流量和质量流量。同时，所测气体的温度在不同测温传感器处所测得的数值，与气体本身的热物性相关联。MEMS热飞行时间传感器将同时测得的该组数据发送至控制模块，控制模块根据上述测得的体积流量和质量流量，即可经过计算得到气体当前的热导率、比热容等热物性参数。

当发现测得的气体热物性参数与校准时测量到的值不同时，控制模块将向可燃气体浓度传感器发出工作信号，利用可燃气体浓度传感器对当前气体中具有燃烧值的组分浓度进行测量。由于具有燃烧值的固定组分组合的单一气体均具有独有的综合热物性参数，并且可以转换为高位热值。因此，通过组合传感器测量的数据可确定气体介质的热物性，同时，根据测得的具有燃烧值的气体组分所占的比例，可获得被测量气体的高位热值。经计量单元计量得到的数据将发送至通信单元，由通信单元输出计量数据，以供贸易结算。

该气体流量计利用MEMS热飞行时间传感器，实现了气体体积流量和质量流量的测量，并且，通过在第一加热元件的下游设置多个热敏元件，并使其中至少两个热敏元件至第一加热元件的距离呈非整数倍关系，实现了对气体的热物性的测量。结合可燃气体浓度传感器对具有燃烧值的组分的测量，进一步获得被测气体的高位热值。从而，该气体流量计不仅可提供符合现行费率体系的贸易计量结果，同时，测得的气体高位热值可作为数据库和参考，以便于制定最公平、对城市燃气分销商和最终用户都有利的城市天然贸易计量体系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气体流量计的第一形式的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气体流量计的第二形式的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的气体流量计的结构分解图；

图4为本发明实施例提供的气体流量计的MEMS传感器组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的气体流量计的MEMS热飞行时间传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的气体流量计的可燃气体浓度传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的气体流量计的局部结构分解图；

图8为本发明实施例提供的气体流量计的局部结构侧视图；

图9为本发明实施例提供的气体流量计的局部结构剖视图。

附图标记说明：

010-计量单元；020-通信单元；030-密封电缆；

100-气体流道；200-MEMS传感器组件；300-控制模块；400-气体缓冲室；500-流量分配器；600-电动阀；700-流场调节器；800-显示模块；900-电池电源模块；

110-主流道；120-连接流道；130-进气端；140-出气端；150-集气罩；160-开口；170-防腐垫圈；180-连接垫圈；

210-MEMS热飞行时间传感器；220-可燃气体浓度传感器；230-载板；240-主连接焊盘；

211-第一基体；212-第一加热元件；213-第一热敏元件；214-第二热敏元件；215-第一感温元件；216-唤醒元件；217-第一连接焊盘；218-第一隔热腔；

221-第二基体；222-可燃气体浓度感测元件；223-第二加热元件；224-第二感温元件；225-第二连接焊盘；226-第二隔热腔；

410-盒体；420-盖体；421-入口；422-出口；430-密封圈；440-连接螺钉；

510-同轴管；

810-前盖；811-第一窗口；812-第二窗口；820-后盖；830-透明面板；840-电池室盖；

A-流道空间；B-腔室空间。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例提供的气体流量计的第一形式的结构示意图，图2为本实施例提供的气体流量计的第二形式的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例提供了一种气体流量计，包括计量单元010和通信单元020。

图3为本实施例提供的气体流量计的结构分解图，图4为本实施例提供的气体流量计的MEMS传感器组件200的结构示意图，图5为本实施例提供的气体流量计的MEMS热飞行时间传感器210的结构示意图。具体地，如图3所示，计量单元010包括气体流道100、MEMS传感器组件200及控制模块300，其中，气体流道100提供被检测气体稳定的流场；MEMS传感器组件200包括均与控制模块300电连接的MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220，MEMS热飞行时间传感器210包括沿气体流动方向依次设置的第一加热元件212、第一热敏元件213和第二热敏元件214，第二热敏元件214至第一加热元件212的距离是第一热敏元件213至第一加热元件212的距离的非整数倍，MEMS热飞行时间传感器210被配置为测量气体的体积流量和质量流量；可燃气体浓度传感器220被配置为测量气体中具有燃烧值的组分浓度。通信单元020与控制模块300电连接，通信单元020被配置为输出计量数据。

使用该气体流量计对气体流量进行测量的原理为：气体在气体流道100中流动的过程中，将依次经过第一加热元件212和多个热敏元件，由于各热敏元件至第一加热元件212的距离已知，结合各热敏元件感应到气体的时间差，即可得到气体在气体流道100中的流速，进而，根据气体流道100的通流面积，即可得到气体的体积流量；与此同时，随着气体在气体流道100的流动，各热敏元件还可以测得气体在当前位置的温度值，根据温度的衰减量，以及对应参考标准器的数值，得到气体此时所包含的分子数量，从而得到气体的质量流量，即：MEMS热飞行时间传感器210获得气体的体积流量和质量流量。同时，所测气体的温度在不同测温传感器处所测得的数值，与气体本身的热物性相关联。MEMS热飞行时间传感器210将同时测得的该组数据发送至控制模块300，控制模块300根据上述测得的体积流量和质量流量，即可经过计算得到气体当前的热导率、比热容等热物性参数。

当发现测得的气体热物性参数与校准时测量到的值不同时，控制模块300将向可燃气体浓度传感器220发出工作信号，利用可燃气体浓度传感器220对当前气体中具有燃烧值的组分浓度进行测量。由于具有燃烧值的固定组分组合的单一气体均具有独有的综合热物性参数，并且可以转换为高位热值。因此，通过组合传感器测量的数据可确定气体介质的热物性，同时，根据测得的具有燃烧值的气体组分所占的比例，可获得被测气体的高位热值。经计量单元010计量得到的数据将发送至通信单元020，由通信单元020输出计量数据，以供贸易结算。

该气体流量计利用MEMS热飞行时间传感器210，实现了气体体积流量和质量流量的测量，并且，通过在第一加热元件212的下游设置多个热敏元件，并使其中至少两个热敏元件至第一加热元件212的距离呈非整数倍关系，实现了对气体的热物性的测量。结合可燃气体浓度传感器220对具有燃烧值的组分的测量，可获得被测气体的高位热值。从而，该气体流量计不仅可提供符合现行费率体系的贸易计量结果，同时，测得的气体高位热值可作为数据库和参考，以便于制定最公平、对城市燃气分销商和最终用户都有利的城市天然贸易计量体系。

该气体流量计在工作过程中，控制模块300从MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220获取原始数据，进行放大，以及通过高精度数模转换器(ADC)将模拟数据转换为数字数据，以供MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)数据处理，其中采集的数据与在校准时存储的数据进行比较，以输出正确的计量值和气体介质的热导率和比热容等热物性参数。当发现测得的气体热物性参数与第一次测量和存储的值(校准时测得的值)不同时，可燃气体浓度传感器220将被唤醒并测量当前气体的组分。MCU随后将调用算法来计算气体高位热值。每一个这样的事件和相应的数据将被存储在控制模块300的多个存储器中，并同时传输到指定的数据或服务中心。

还需要说明的是，上述第一热敏元件213至第一加热元件212的距离指的是：沿气体的流动方向，第一热敏元件213的中心位置至第一加热元件212的中心位置的距离；类似地，上述第二热敏元件214至第一加热元件212的距离指的是：沿气体的流动方向，第二热敏元件214的中心位置至第一加热元件212的中心位置的距离。

具体地，本实施例中，第一加热元件212、第一热敏电阻和第二热敏电阻三者任意相邻的两者的距离在5-500μm之间，优选为30-150μm。并且，第一加热元件212、第一热敏电阻和第二热敏电阻均由温度敏感材料制成，例如：铂、镍或掺杂的多晶硅。

本实施例中，MEMS热飞行时间传感器210中，放置在第一加热元件212下游的第一热敏元件213和第二热敏元件214在气体介质携带热量时会感应到两组信号：衰减的总热量和热量从第一加热元件212分别到第一热敏元件213、第二热敏元件214的热传导时间。所测到的热量幅度变化将取决于质量流量和气体介质的热物性，而热传导时间将取决于气体介质的流动速度和气体介质的热物性。通过同时采集到以上二组参数，即：从第一热敏元件213到第一加热元件212的热传导时间及热传导的幅度变化，以及从第二热敏元件214到第一加热元件212的热传导时间及热传导的幅度变化，可获得气体成分无关的质量流量、体积流量和气体介质的热物性。

该MEMS热飞行时间传感器210中，数据处理不需要校准真空中的第一热敏元件213、第二热敏元件214和第一加热元件212的热响应来记录和区分复合时间响应，因为热衰减和瞬态时间测量值不同，当温度和压力保持恒定值时，可以使用其中一个进行校准。在这种配置和数据采集中，不需要必须在无流量或静态气体条件下测量气体热物性，并且，第一热敏元件213和第二热敏元件214为数据处理提供了额外的参数，以消除与气体特性相关的流速影响。

本实施例中，由于封闭管道中的流体具有一维的特征，与温度(T)及时间(t)瞬态有关的气体流速V将取决于热扩散系数(D)和强制对流方程：

因此，在静态条件下或V＝0时，可以测量热扩散系数。由于具有燃烧值的固定组分组合的单一天然气具有特定的热扩散系数，并且可以转换为高位热值，因此，MEMS热飞行时间传感器210所直接测量的数据可以确定气体介质的高位热值。在实际的燃气供应中，燃气的组分不会不断变化，特定组分的燃气供应会持续一段时间。此外，对于城市燃气应用，天然气的使用不会在全天不停地进行，因此，一旦测量到零流速，即可测量到当前气体的热物性。

当有两个热敏元件(第一热敏元件213和第二热敏元件214)位于与第一加热元件212不同的距离d_i时，通过求解每个热敏元件的测量值方程，可以动态消除未知和测量相关的热扩散系数，得到封闭管道中与气体性质无关的流速和质量流量：

上述公式(2)中，k为常数，表示不同传感器的差异系数。

优选地，本实施例中，第一加热元件212、第一热敏元件213和第二热敏元件214均为热敏电阻，且这些热敏电阻优选由铂、镍或掺杂多晶硅等温度敏感材料制成。

本实施例中，第一加热元件212为微加热器，其在工作时，加载如热脉冲、正弦波形或其他调制温度波形。优选地，加载至第一加热元件212的为正弦波调制温度波。

需要说明的是，本实施例中，仅以MEMS热飞行时间传感器210包括两个热敏元件为例对MEMS热飞行时间传感器210的感应过程进行说明，在其他实施例中，也可以包括多个热敏元件，此时，多个热敏元件中的至少两个至第一加热元件212的距离为非整数倍关系。

请继续参照图3，本实施例中，该气体流量计还可以包括气体缓冲室400，具体地，气体缓冲室400具有入口421和出口422，其中，气体流道100设置于气体缓冲室400内，且气体流道100的出气端140与上述出口422连接并导通，气体流道100的进气端130延伸至气体缓冲室400内；入口421和出口422开设于气体缓冲室400的同一表面。

该气体流量计在使用时，气源自入口421进入，并充满整个气体缓冲室400，之后，在压力的作用下，气体自进气端130进入气体流道100中，并经气体出气端140流向出口422，为用户供气。

通过设置气体缓冲室400，改变了气体的流动路径，实现了对气体的缓冲，并且，通过使气体缓冲室400中的气体进入气体流道100为用户端供气，减小了气体的通流面积，使得气体的流速加快，从而保证了MEMS热飞行时间传感器210感应气体参数的灵敏性，测量结果更加准确。另外，气体缓冲室400的设置，还使得气体中混合的颗粒或粉尘杂质能够沉降至气体缓冲室400的底部，利用气体缓冲室400进行收集，减小甚至消除了因气体中所混合的杂质对供气管道冲击而对供气管道造成的影响，同时，也降低了杂质对MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220的干扰，保证了测量精度，从而增加了本实施例气体流量计的可靠性。

此外，通过将入口421和出口422设置在气体缓冲室400的同一表面，使得本实施例气体流量计与现有的公用事业燃气表机械连接方式兼容，并能够在现有的燃气管道上无缝安装和替换现有流量计，安装方便。

优选地，本实施例中，气体流道100位于气体缓冲室400的上部。如此设置，很好地利用了压力引导气流上升的原理，实现了气体与杂质的有效分离。

请继续参照图4，本实施例中，MEMS传感器组件200还包括载板230，具体地，MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220均固设于载板230，载板230插设于气体流道100，且MEMS热飞行时间传感器210位于气体流道100内，可燃气体浓度传感器220位于气体流道100外。

以图4中虚线为界，左侧部分表示流道空间A，右侧部分表示腔室空间B，即：MEMS热飞行时间传感器210位于气体流道100内指的是MEMS热飞行时间传感器210位于流道空间A，可燃气体浓度传感器220位于气体流道100外指的是可燃气体浓度传感器220位于腔室空间B。

通过将MEMS热飞行时间传感器210设置于流道空间A中，使得MEMS热飞行时间传感器210能够对流动的气体进行测量，测量结果准确，通过将可燃气体浓度传感器220设置于腔室空间B中，使得可燃气体浓度传感器220被充满气体缓冲室400的气体介质包围，从而能够对可燃气体浓度进行准确测量。另外，载板230的设置，实现了MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220的集成式安装，便于MEMS传感器组件200在气体流道100上的固定。

优选地，本实施例中，气体流道100呈文丘里管状，MEMS热飞行时间传感器210位于气体流道100的喉部的中心位置。该气体流量计在工作过程中，气体在气体流道100中流过，通过将气体流道100设置成文丘里管状，使得气体获得更好的流动稳定性，同时，还使得气体在流道至气体流道100的喉部时，流速最高。通过使MEMS热飞行时间传感器210伸入喉部的中心位置，使得MEMS热飞行时间传感器210能够及时且准确地检测到气体的流量变化，提高了MEMS热飞行时间传感器210的测量灵敏度，满足了对小流量气体的测量需求。

优选地，载板230由陶瓷材料制成。如此设置，大大提高了载板230的耐腐蚀性，从而延长了MEMS传感器组件200的工作寿命。

优选地，载板230的厚度在1-2mm之间。如此设置，可以使气体在流过MEMS热飞行时间传感器210时形成边界层，从而使得MEMS热飞行时间传感器210对气体参数的测量始终在层流的条件下进行，测量结果准确。

请继续参照图4，本实施例中，载板230上还设置有主连接焊盘240，MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220均通过主连接焊盘240与控制模块300连接。

优选地，MEMS热飞行时间传感器210和可燃气体浓度传感器220通过焊接镀金引脚或金线与控制模块300进行连接。

请继续参照图5，本实施例中，MEMS热飞行时间传感器210还包括第一基体211，第一加热元件212、第一热敏元件213和第二热敏元件214均固设于第一基体211，并且，第一基体211还设置有第一感温元件215，第一感温元件215被配置为感测气体的环境温度，且第一感温元件215与控制模块300电连接。

该气体流量计在工作时，当气体在气体流道100中流经MEMS热飞行时间传感器210时，可以利用第一感温元件215对气体的环境温度(气体温度)进行测量，当第一感温元件215感受到气体的温度信号时，可以将温度信号反馈至控制模块300，由控制模块300对第一加热元件212的加热温度进行控制，使第一加热元件212可以在环境温度之上保持恒定的功率或恒定的温度，确保稳定的温度场，以相应温度对气体进行加热，提供对第一加热元件212的加热方案的控制，以保证对气体相应参数的精确测量。

优选地，第一基体211为硅基体。

请继续参照图5，本实施例中，第一基体211开设有第一隔热腔218，其中，第一隔热腔218被配置为阻止第一加热元件212产生的热量向第一基体211传导。如此设置，能够为第一加热元件212提供一定程度的热隔离，从而确保第一加热元件212的灵敏度。

优选地，本实施例中，通过离子深刻蚀或湿化学蚀刻形成第一隔热腔218，采用微米厚度的低应力氮化硅和氧化硅复合膜作为膜支撑。

请继续参照图5，本实施例中，还可以在第一基体211上设置唤醒元件216，具体地，唤醒元件216与控制模块300电连接，唤醒元件216被配置为在感受到气体温度变化时唤醒控制模块300。

如此设置，使得在气体流过时，控制模块300才被唤醒进入工作状态，从而无需使控制模块300始终保持在工作状态，省电节能。

优选地，本实施例中，唤醒元件216为热电堆，用于检测气体从静态到流量起始。热电堆对温度变化的检测不需要任何外部电源，当控制模块300在无气体流动进入休眠模式时，热电堆将用于检测气体引起的温度变化，并在检测到变化时，唤醒控制模块300。

请继续参照图5，本实施例中，第一加热元件212、第一热敏元件213、第二热敏元件214、第一感温元件215和唤醒元件216均通过绑定至第一连接焊盘217连接至控制模块300。

图6为本实施例提供的气体流量计的可燃气体浓度传感器220的结构示意图。如图6所示，可燃气体浓度传感器220包括第二基体221以及均设置于第二基体221的可燃气体浓度感测元件222、第二加热元件223和第二感温元件224，其中，第二加热元件223和第二感温元件224均与控制模块300电连接。其中，可燃气体浓度感测元件222包括金属氧化物。

该气体流量计在工作时，第二感温元件224用于测量气体的环境温度(气体温度)，当第二感温元件224感受到气体的温度信号时，可以将温度信号反馈至第二加热元件223，对第二加热元件223的加热温度和加热功率进行控制，利用第二加热元件223将可燃气体浓度感测元件222升高至其反应所需温度，从而实现对气体介质中具有燃烧值的组分的浓度的测量。

这种对可燃气体浓度进行测量的方式，利用第二感温元件224的温度反馈，提供对第二加热元件223的加热方案的控制，能够实现对气体相应参数的精确测量，测量结果准确。并且，如此设置，还使得在气体流过时，第二加热元件223才进入工作状态，从而无需使第二加热元件223始终保持在加热状态，省电节能。

优选地，可燃气体浓度感测元件222反应时的温度通常在200-400℃之间。

需要说明的是，在实际工作过程中，可以使第二加热元件223在两种不同的温度下运行，以消除热漂移和其他不利影响。

本实施例中，可燃气体浓度感测元件222由如氧化锌、氧化锡或氧化钨等金属氧化物制成。并且，在制作过程中可以向金属氧化物薄膜中添加贵金属掺杂剂，如：铂、钯或铑。

在其他实施例中，可燃气体浓度传感器220也可以采用红外传感原理或者化学/催化原理或者光学和声学传感原理实现对可燃气体浓度的测量。

请继续参照图6，本实施例中，第二基体221开设有第二隔热腔226，其中，第二隔热腔226被配置为阻止第二加热元件223产生的热量向第二基体221传导。如此设置，能够为第二加热元件223提供一定程度的热隔离，从而确保第二加热元件223的灵敏度。

优选地，可燃气体浓度传感器220也使用MEMS传感技术制造，如此设置，使得可燃气体浓度传感器220能够满足低功率模式和小型化设计要求。

具体地，第二基体221上由低应力氮化硅和二氧化硅制成薄膜，该薄膜可通过低压化学气相沉积制成，第二隔热腔226位于该薄膜的下方，且第二隔热腔226可通过等离子深刻蚀或化学刻蚀方法制成。

请继续参照图6，本实施例中，第二加热元件223、第二感温元件224和可燃气体浓度感测元件222均通过绑定至第二连接焊盘225连接至MEMS传感器组件200的主连接焊盘240，从而实现与控制模块300的电连接。

本实施例中，第二加热元件223和第二感温元件224优选采用热敏电阻。

请继续参照图1至图3，本实施例中，气体流量计还包括具有敞口的盒体410和用于封闭敞口的盖体420，具体地，盖体420与盒体410密封连接形成气体缓冲室400。其中，气体缓冲室400的入口421和出口422均开设于盖体420。

具体地，如图3所示，盖体420与盒体410通过密封圈430密封连接，并且，该气体流量计还包括多个连接螺钉440，各连接螺钉440用于将盖体420与盒体410固定在一起。如此设置，使得工作人员能够将盖体420与盒体410分离，以对其内部件进行维护。

优选地，盖体420与盒体410采用金属板制成，并且，可以为金属板进行防腐电镀或涂漆处理。类似地，入口421的螺纹管和出口422的螺纹管也采用经过防腐处理的金属制成。如此设置，能够大大提高气体缓冲室400的耐腐蚀性，从而延长本实施例气体流量计的工作寿命。

图7为本实施例提供的气体流量计的局部结构分解图，图8为本实施例提供的气体流量计的局部结构侧视图。请继续参照图5，并结合图7和图8，本实施例中，气体流道100的外壁固设有集气罩150，具体地，集气罩150的罩口朝向气体缓冲室400的腔室，集气罩150内形成集气腔，集气腔通过开口160与气体流道100连通，载板230插设于开口160。

当载板230插设于开口160后，MEMS热飞行时间传感器210位于气体流道100内(流道空间A)，与流动的气体直接接触，而可燃气体浓度传感器220则被保持在由集气罩150形成的集气腔中，在该集气腔中，气体可以通过扩散与流动介质自由交换，但气体则保持在相对静止状态，由可燃气体浓度传感器220对可燃气体浓度进行测量。

通过设置集气罩150，达到了对气体的聚拢效果，使得可燃气体浓度传感器220被气体包围，即：集气罩150的设置，允许可燃气体浓度传感器220在静态条件下与气体进行充分交换与测量，从而使得可燃气体浓度传感器220能够及时且准确地测得当前可燃气体浓度。

需要说明的是，本实施例中，集气罩150可以是图中示出的长方体状的结构形式，但不仅仅局限于此，还可以采用其他设置形式，如：半球形等，其只要是通过集气罩150的这种设置形式，能够达到对气体的聚拢目的即可，本实施例并不对集气罩150的具体形状进行限制。

具体地，本实施例中，可以在用于将集气罩150与气体流道100连通的开口160处设置过滤器，其中，过滤器被配置为对自气体流道100流向集气腔的气体过滤。如此设置，能够有效地过滤出油气、颗粒或其他异物等杂质，使得可燃气体浓度传感器220具有最佳的测试环境，减少了杂质对可燃气体浓度传感器220的不利影响，保证了所测得数据的精确性。

请继续参照图3，本实施例中，气体流道100可以包括沿气体流动方向依次设置的主流道110和连接流道120，其中，主流道110呈直管状，连接流道120呈弯管状，连接流道120用于与气体缓冲室400的出口422连接；MEMS热飞行时间传感器210位于主流道110内。

通过将气体流道100设置为主流道110和连接流道120两部分，一方面，能够利用气体在直管状的主流道110中流动的稳定性，对气体的相应参数进行精确测量，另一方面，能够利用呈弯管状的连接流道120实现与出口422的连接，从而便于气体流道100与气体缓冲室400的装配。

优选地，主流道110采用聚碳酸酯等耐腐蚀工程塑料注塑成型而成，连接流道120的材质与制作工艺与主流道110的材质即制作工艺相同。

优选地，连接流道120的弯折角度为90°。

请继续参照图3和图7，本实施例中，主流道110的进气端130的直径大于主流道110主体的直径。当气体由气体缓冲室400进入主流道110时，由于进气端130的直径大于主流道110主体的直径，即：通流面积将减小，从而使气体的流动速度加快，使得主流道110在低流量下具有更好更稳定的流场。

优选地，进气端130的直径是主流道110主体直径的1.2-1.5倍。

请继续参照图3，本实施例中，主流道110与连接流道120之间连接有防腐垫圈170。如此设置，不仅实现了主流道110与连接流道120的密封连接，避免了气体的泄漏，而且，防腐垫圈170的设置，还使得二者连接处具有一定的耐腐蚀性，从而延长了气体流道100的工作寿命。

请继续参照图3，本实施例中，该气体流量计还可以包括电动阀600，具体地，电动阀600设置于入口421处，电动阀600与通信单元020连接，电动阀600被配置为在设定状况时切断入口421处的供气。

当遭遇地震等紧急状况时，电动阀600可通过通信单元020的远程通信或控制模块300的控制切断燃气供应，以避免燃气泄漏，从而保证了本实施例气体流量计的安全性能。

此外，上述电动阀600还可以作为本地或远程的预付费执行机构使用。具体地，如：当用户欠费时，可以通过远程通信切断电动阀600，阻断燃气供应，以提示用户缴费。

需要说明的是，在气体流量计的正常工作状态下，电动阀600可以保持在常开状态。

请继续参照图3，本实施例中，电动阀600位于气体缓冲室400中，且电动阀600与气体缓冲室400的入口421之间设置有连接垫圈180，类似地，连接流道120与气体缓冲室400的出口422之间也设置有连接垫圈180。如此设置，保证了气体缓冲室400入口421和出口422处的密封性，避免了燃气的泄漏。

优选地，连接垫圈180由耐腐蚀材质制成。如此设置，能够延长连接垫圈180的使用寿命，从而延长本实施例气体流量计的工作寿命。

请继续参照图3和图7，本实施例中，气体流道100的进气端130可以设置流场调节器700。

该气体流量计在使用时，气体在进入气体流道100之前，将先经过流场调节器700，利用流场调节器700消除湍流以及不稳定波动，从而减少对测量过程的干扰，保证测量的准确性。

请继续参照图3，具体地，本实施例中，流场调节器700由格栅形成。

图9为本实施例提供的气体流量计的局部结构剖视图。请继续参照图8，并结合图9，本实施例中，主流道110内还可以设置流量分配器500，具体地，流量分配器500包括多个依次套设的同轴管510，且任意相邻两个同轴管510的间距不大于位于最中心位置的同轴管510的直径。该流量分配器500用于在确保所需流量动态范围的同时进一步稳定流量，以进一步提高流场的稳定性。

请继续参照图9，本实施例中，流量分配器500的轴向长度不小于主流道110的轴向长度的1/3。如此设置，能够实现对流量的可靠分配，从而保证了对流场的调节效果。

请继续参照图1至图3，本实施例中，通信单元020包括前盖810、后盖820和显示模块800，具体地，前盖810与后盖820连接形成容纳腔，显示模块800设置于容纳腔中，前盖810开设有与显示模块800相对的第一窗口811，并且，第一窗口811处覆盖有透明面板830，其中，透明面板830具有数据防篡改功能。

显示模块800的设置，使得用户能够实时观测到当前流量信息，并且，通过在第一窗口811处设置具有数据防篡改功能的透明面板830，还能够避免数据的恶意篡改，从而保证了本实施例气体流量计的使用安全性。

具体地，本实施例中，透明面板830的材质可以为玻璃，也可以为塑料，通过在其上覆盖防篡改透明金属膜涂层，即可达到数据防篡改目的。

优选地，显示模块800由低功率LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)制成。

请继续参照图3，本实施例中，通信单元020还包括电池电源模块900，其中，电池电源模块900设置于容纳腔，前盖810还开设有与电池电源模块900相对的第二窗口812，第二窗口812处可拆卸地盖合有电池室盖840。

通过设置电池电源模块900，实现了对通信单元020及控制模块300的独立供电。需要说明的是，对于一些需要大功率的通信协议，电池电源模块900仅用于为气体流量计的计量单元010和控制模块300供电，对于通信，则由外部电源通过数据端口供电，其中，数据端口可以集成到显示模块800的印刷电路板上。

本实施例中，前盖810还可以设置用户可操作键盘，该键盘用于密码控制的本地流量计参数设置、数据访问、诊断和第三方校准或计量校正。通信单元020中的远程数据通信模块优选采用可替换模块的形式，与显示模块800集成在同一印刷电路板上。远程数据通信优选通过如NB-IoT或GPRS或其他取决于气体流量计安装地所执行的通讯标准协议来工作。

在其他实施例中，远程数据通信也可以采用蓝牙、Zigbee、LoRa、红外传输等无线方式或者有线方式。

请继续参照图3，本实施例中，控制模块300通过密封电缆030与通信电源电连接，其中，密封电缆030安装在盒体410上。这种配置与现有的公用事业燃气表机械连接方式兼容，并能够在现有的燃气管道上无缝安装和替代现有气体流量计。

该气体流量计的工作原理为：电动阀600保持开启状态，气体经气体缓冲室400的入口421进入，并逐渐充满气体缓冲室400；之后，气体缓冲室400中的气体将经进气端130进入气体流道100，当MEMS热飞行时间传感器210中的唤醒元件216感受到气体温度变化时，将唤醒控制模块300，由控制模块300对第一感温元件215、第一加热元件212、第一热敏元件213和第二热敏元件214进行相应控制，以对气体的质量流量和体积流量进行采集，并据此计算得到气体当前的热导率、比热容等热物性参数。与此同时，第二感温元件224感受到气体的温度变化时，唤醒第二加热元件223，利用第二加热元件223为可燃气体浓度感测元件222提供反应所需的热量，对气体中具有燃烧值的组分浓度进行测量，以进行气体热物性到高位热值的转换，并将数据存储在控制模块300的存储器中。其中，存储器中的数据可通过本地数据端口进行下载，同时，这些数据也将通过远程数据通信发送到指定的数据或服务中心，相应的事件代码将显示在气体流量计的显示模块800上。

本实施例中，存储器的数量优选不少于三个，每个存储器均用于存储数据信息，以防发生器件故障。其中，存储器中的这些数据能够被在线检索，或按用户确定的时间间隔传输到指定的数据或服务中心。外部读卡器可通过本地数据端口进一步检索存储的数据。MCU将时刻比较这些数据，一旦出现任何差异，事件或警报将被登记和存储在不同的存储器中，这些存储器可以在现场检索，如果气体流量计连接到网络，则将该数据传输到指定的数据或服务中心。

需要说明的是，控制模块300还可以具有其他功能，如：检测电池电源模块900状态、流量异常和执行其他用户感兴趣的预先编程的任务。

还需要说明的是，本实施例所公开的气体流量计的各型号间具有相同的通信单元020，仅在气体缓冲室400的尺寸、入口421/出口422的螺纹管尺寸以及入口421到出口422的距离等机械参数不同，均根据应用所需满量程按照国际公用事业燃气表标准制造。并且，电动阀600和气体流道100等内部机械部件的相应尺寸也将相应调整，但所有电子部件完全相同。图1和图2分别展示了两个典型示例，其中，图1为入口421/出口422螺纹管直径为50mm的商用燃气表，相当于机械式G25型号；图2为入口421/出口422螺纹管直径为30mm的民用燃气表。

对于城市天然气贸易计量或其他相关气体计量，本发明提供了一种精准计量方案，该方案兼容当前气体组分无关的计量标准和费率体系，同时具有自动温度和压力补偿的优点。测得的气体热值与相关的气体成分数据有利于未来热值或能源价格计量体系的升级。即使采用现行的计费制度，这些数据也将有助于对供应链系统进行公正评估。该气体流量计可以通过网络进行数据记录和远程管理，而无需附加机械-电子数据转换，不仅降低了成本，而且，还能够保证数据准确性和安全性。另外，该气体流量计还允许对现有机械流量计无缝更换和安装，而无需附加改造，便于施工。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种气体流量计，其特征在于，包括计量单元(010)和通信单元(020)；所述计量单元(010)包括气体流道(100)、MEMS传感器组件(200)及控制模块(300)，其中，所述气体流道(100)提供被检测气体稳定的流场；所述MEMS传感器组件(200)包括均与所述控制模块(300)电连接的MEMS热飞行时间传感器(210)和可燃气体浓度传感器(220)，所述MEMS热飞行时间传感器(210)包括沿气体流动方向依次设置的第一加热元件(212)和多个热敏元件，多个所述热敏元件中的至少两个至所述第一加热元件(212)的距离为非整数倍关系，所述MEMS热飞行时间传感器(210)被配置为测量气体的体积流量和质量流量，所述可燃气体浓度传感器(220)被配置为测量气体中具有燃烧值的组分浓度；所述通信单元(020)与所述控制模块(300)电连接，所述通信单元(020)被配置为输出计量数据；

所述可燃气体浓度传感器(220)包括第二基体(221)以及均设置于所述第二基体(221)的可燃气体浓度感测元件(222)、第二加热元件(223)和第二感温元件(224)，所述第二加热元件(223)和所述第二感温元件(224)均与所述控制模块(300)电连接，所述第二感温元件；所述第二感温元件(224)用于感受到气体的温度并将所述温度信号反馈，所述控制器用于对所述第二加热元件(223)的加热温度和加热功率进行控制，所述第二加热元件(223)将所述可燃气体浓度感测元件(222)升高至其反应所需温度。

2.根据权利要求1所述的气体流量计，其特征在于，所述气体流量计还包括气体缓冲室(400)，所述气体缓冲室(400)具有入口(421)和出口(422)，所述气体流道(100)设置于所述气体缓冲室(400)内，且所述气体流道(100)的出气端(140)与所述出口(422)连接并导通，所述气体流道(100)的进气端(130)延伸至所述气体缓冲室(400)内。

3.根据权利要求2所述的气体流量计，其特征在于，所述MEMS传感器组件(200)还包括载板(230)，所述MEMS热飞行时间传感器(210)和所述可燃气体浓度传感器(220)均固设于所述载板(230)，所述载板(230)插设于所述气体流道(100)，且所述MEMS热飞行时间传感器(210)位于所述气体流道(100)内，所述可燃气体浓度传感器(220)位于所述气体流道(100)外。

4.根据权利要求3所述的气体流量计，其特征在于，所述气体流道(100)呈文丘里管状，所述MEMS热飞行时间传感器(210)位于所述气体流道(100)的喉部的中心位置。

5.根据权利要求3所述的气体流量计，其特征在于，所述气体流道(100)的外壁固设有集气罩(150)，所述集气罩(150)的罩口朝向所述气体缓冲室(400)的腔室，所述集气罩(150)内形成集气腔，所述集气腔通过开口(160)与所述气体流道(100)连通，所述载板(230)插设于所述开口(160)。

6.根据权利要求5所述的气体流量计，其特征在于，所述开口(160)处设置有过滤器，所述过滤器被配置为对自所述气体流道(100)流向所述集气腔的气体过滤。

7.根据权利要求2-6任一项所述的气体流量计，其特征在于，所述气体流道(100)包括沿气体流动方向依次设置的主流道(110)和连接流道(120)，所述主流道(110)呈直管状，所述连接流道(120)呈弯管状，所述连接流道(120)用于与所述出口(422)连接；所述MEMS热飞行时间传感器(210)位于所述主流道(110)内。

8.根据权利要求7所述的气体流量计，其特征在于，所述主流道(110)内设置有流量分配器(500)，所述流量分配器(500)包括多个依次套设的同轴管(510)，且任意相邻两个所述同轴管(510)的间距不大于位于最中心位置的所述同轴管(510)的内径。

9.根据权利要求8所述的气体流量计，其特征在于，所述流量分配器(500)的轴向长度不小于所述主流道(110)的轴向长度的1/3。

10.根据权利要求2-6任一项所述的气体流量计，其特征在于，所述气体流量计还包括电动阀(600)，所述电动阀(600)设置于所述入口(421)处，所述电动阀(600)与所述通信单元(020)电连接，所述电动阀(600)被配置为在设定状况时切断所述入口(421)处的供气。

11.根据权利要求1-6任一项所述的气体流量计，其特征在于，所述气体流道(100)的进气端(130)设置有流场调节器(700)。

12.根据权利要求1-6任一项所述的气体流量计，其特征在于，所述通信单元(020)包括前盖(810)、后盖(820)和显示模块(800)，所述前盖(810)与所述后盖(820)连接形成容纳腔，所述显示模块(800)设置于所述容纳腔中，所述前盖(810)开设有与所述显示模块(800)相对的第一窗口(811)，所述第一窗口(811)处覆盖有透明面板(830)，其中，所述透明面板(830)具有数据防篡改功能。

13.根据权利要求12所述的气体流量计，其特征在于，所述通信单元(020)还包括电池电源模块(900)，所述电池电源模块(900)设置于所述容纳腔，所述前盖(810)还开设有与所述电池电源模块(900)相对的第二窗口(812)，所述第二窗口(812)处可拆卸地盖合有电池室盖(840)。

14.根据权利要求1-6任一项所述的气体流量计，其特征在于，所述MEMS热飞行时间传感器(210)还包括第一基体(211)，所述热敏元件的数量为两个，所述第一加热元件(212)和两个所述热敏元件均固设于所述第一基体(211)；所述第一基体(211)还设置有第一感温元件(215)，所述第一感温元件(215)被配置为感测气体的环境温度，且所述第一感温元件(215)与所述控制模块(300)电连接。

15.根据权利要求14所述的气体流量计，其特征在于，所述第一基体(211)还设置有唤醒元件(216)，所述唤醒元件(216)与所述控制模块(300)电连接，所述唤醒元件(216)被配置为在感受到气体温度变化时唤醒控制模块(300)。

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