【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】超聲波流量計(jì)量技術(shù)之于表計(jì)產(chǎn)業(yè)，猶如傳感器技術(shù)之于集成電路產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)的發(fā)展還處于技術(shù)粗糙、競(jìng)爭(zhēng)叢林的“前現(xiàn)代”狀態(tài)。接下來(lái)，筆者嘗試從市場(chǎng)、技術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)的維度，綜述超聲波流量計(jì)量技術(shù)的現(xiàn)狀。
 

　　從結(jié)構(gòu)上來(lái)看
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備可以分為管段式(spool piece)、內(nèi)聯(lián)式(inline)、外夾式(clamp on)及其它，如下圖1所示：
 

圖1 超聲波流量計(jì)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)分類(lèi)(Krohne)
 

　　從技術(shù)原理的角度來(lái)看
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備可以分為傳播時(shí)間(transmit-time)、多普勒(Doppler)以及混合式(hybrid)，如下圖2、3所示：
 

圖2 傳播時(shí)間原理
 

圖3 多普勒原理
 

　　從應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的角度來(lái)看‍
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備可以分為水(與廢水)管理、油和氣、化學(xué)、發(fā)電、制藥、空間技術(shù)及其它，主要區(qū)分在于流動(dòng)介質(zhì)的狀態(tài)，即液態(tài)、氣態(tài)或混合態(tài)(液固、氣固、氣液)。
 

　　按照Allied Market Research統(tǒng)計(jì)，2020年全球超聲波流量計(jì)量設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)模大約在6.5億美元，2028年預(yù)計(jì)將會(huì)達(dá)到9.6億美金，2021-2028的年復(fù)合增長(zhǎng)率約為5.1%，如下圖4所示：
 

圖4 Allied Market Research全球超聲波流量市場(chǎng)分析報(bào)告
 

　　顯然，上述統(tǒng)計(jì)并未考慮民用市場(chǎng)，即應(yīng)用于公共事業(yè)管理的超聲波流量表計(jì)市場(chǎng)的龐大體量和快速增長(zhǎng)。僅就中國(guó)而言，這一市場(chǎng)的總潛在市場(chǎng)(TAM: total addressable market)即達(dá)到了超過(guò)21億美金(水表：按照單價(jià)30美金，產(chǎn)量7千萬(wàn)只估算)和15億美金(燃?xì)獗恚喊凑諉蝺r(jià)50美金，產(chǎn)量3千萬(wàn)只估算)。
 

　　當(dāng)然，Allied Market Research的統(tǒng)計(jì)更多基于可服務(wù)市場(chǎng)(SAM: service available market)，反映了全球工業(yè)等市場(chǎng)中超聲波流量計(jì)量設(shè)備的占有情況。隨著中國(guó)廠(chǎng)商從民用市場(chǎng)向工業(yè)等市場(chǎng)進(jìn)攻，可以預(yù)見(jiàn)這一市場(chǎng)的規(guī)模將會(huì)呈倍數(shù)增長(zhǎng)。
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備在工業(yè)等市場(chǎng)的增長(zhǎng)邏輯主要來(lái)自于以下幾個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
 

　　一、非介入式
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備的換能器可以不與流動(dòng)介質(zhì)接觸，不干擾流場(chǎng)，因而非常適用于腐蝕性或研磨性的介質(zhì)，適用于不同的管道材質(zhì)等，如下圖5所示；
 

圖5 一種非介入式(外夾式)超聲波流量計(jì)量設(shè)備
 

　　二、便攜性
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備適用不同的安裝方式，可以快速安裝，也可以用于超大的管徑(比如4米)。
 

　　當(dāng)前，超聲波流量計(jì)量設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)場(chǎng)景，如石油和天然氣消費(fèi)計(jì)量、水和污水測(cè)量、HVAC系統(tǒng)中的制冷和制熱流體計(jì)量、管道系統(tǒng)中的泄漏檢測(cè)等等。
 

　　Allied Market Research認(rèn)為工業(yè)等市場(chǎng)中超聲波流量計(jì)量設(shè)備快速增長(zhǎng)的原因有以下三點(diǎn)：
 

　　密閉輸送的油氣產(chǎn)業(yè)對(duì)流量計(jì)量的需求；
 

　　工業(yè)過(guò)程控制對(duì)精確計(jì)量的需求；
 

　　相對(duì)其它計(jì)量方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
 

　　筆者看來(lái)，公共事業(yè)管理也即民用市場(chǎng)中，超聲波流量計(jì)量設(shè)備將會(huì)更快增長(zhǎng)的原因也有三個(gè)方面：
 

　　一、大勢(shì)所趨
 

　　飲用水和天然氣資源的根本性匱乏，快速城鎮(zhèn)化帶來(lái)的人均消耗大幅度提高，疊加全球經(jīng)濟(jì)周期和當(dāng)下世界局勢(shì)的影響，水價(jià)和氣價(jià)的快速上漲是必然趨勢(shì)。
 

圖6 歐洲天然氣期貨價(jià)格趨勢(shì)圖
 

　　二、超聲波水、氣表的性能優(yōu)勢(shì)
 

　　更高的精度穩(wěn)定性，更實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)獲取，可以幫助水、氣公共事業(yè)部門(mén)像電力公司那樣，對(duì)動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行更加細(xì)致、精確、可靠的分析，為更加可持續(xù)的供應(yīng)提供解決方案；更寬的動(dòng)態(tài)范圍，尤其是泄漏檢測(cè)功能集成在表計(jì)端，特別適合于因應(yīng)燃?xì)庑孤?dǎo)致惡性事故頻發(fā)的情況。
 

　　三、成本優(yōu)勢(shì)
 

　　顯然，當(dāng)下的超聲波水、氣表價(jià)格還是高于傳統(tǒng)機(jī)械水表和膜式氣表。但是，隨著整個(gè)價(jià)值鏈上游技術(shù)的成熟和創(chuàng)新技術(shù)的不斷導(dǎo)入，可以預(yù)見(jiàn)超聲波技術(shù)將會(huì)因?yàn)椴牧铣杀镜拇蠓陆岛蜕芷诘某掷m(xù)延長(zhǎng)而形成采購(gòu)與維護(hù)成本的雙重優(yōu)勢(shì)。其中一種低成本方案的結(jié)構(gòu)如下圖7所示。
 

圖7 一種新型超聲波基表封裝結(jié)構(gòu)
 

　　從區(qū)域角度來(lái)看，亞太地區(qū)無(wú)疑是超聲波流量計(jì)量設(shè)備的最大市場(chǎng)，其次是歐洲和北美。中國(guó)和印度市場(chǎng)的多個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為亞太地區(qū)的市場(chǎng)作出了主要貢獻(xiàn)。
 

　　歐洲是增速最快的市場(chǎng)，化學(xué)、發(fā)電、油氣產(chǎn)業(yè)以及污水管理等產(chǎn)業(yè)將會(huì)為該地區(qū)的市場(chǎng)增長(zhǎng)提供全新的機(jī)會(huì)。
 

　　2020年，外夾式超聲波流量計(jì)量設(shè)備占有最高的市場(chǎng)份額，同時(shí)保持著最高的年復(fù)合增長(zhǎng)率約5.9%，得益于其便攜、易安裝和更少的管道切斷時(shí)長(zhǎng)。
 

　　根據(jù)換能器安裝類(lèi)型，工業(yè)等市場(chǎng)的主要超聲波流量計(jì)量設(shè)備的市場(chǎng)占有率如下圖8所示：
 

圖8 按換能器安裝類(lèi)型的超聲波流量計(jì)量設(shè)備的市場(chǎng)占有率
 

　　從技術(shù)分類(lèi)來(lái)看，傳播時(shí)間原理的超聲波流量計(jì)量設(shè)備因其具備更高的精度而占有更大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，如下圖9所示：
 

圖9 按技術(shù)類(lèi)型的超聲波流量計(jì)量設(shè)備的市場(chǎng)占有率
 

　　按照應(yīng)用分類(lèi)，油氣產(chǎn)業(yè)是超聲波流量計(jì)量設(shè)備最大的市場(chǎng)，水和污水管理則是增速最快的市場(chǎng)，如下圖10 所示：
 

圖10 按應(yīng)用分類(lèi)的超聲波流量計(jì)量設(shè)備的市場(chǎng)占有率
 

　　以上部分主要分析了超聲波流量計(jì)量設(shè)備的分類(lèi)及其市場(chǎng)趨勢(shì)。
 

　　在A(yíng)llied Market Research的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之外，我們還應(yīng)看到更加廣闊的公共事業(yè)管理也即民用市場(chǎng)的快速嬗變。毫無(wú)疑問(wèn)，技術(shù)創(chuàng)新將會(huì)進(jìn)一步提高產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，包括維護(hù)成本。
 

　　比如，2020年艾默生(Emerson)推出了Daniel T-200，一種基于金屬3D打印工藝的鈦封裝換能器，用于油氣產(chǎn)業(yè)密閉運(yùn)輸中的超聲波氣體流量計(jì)量。相比傳統(tǒng)工藝，這種換能器具備更高的可靠性、運(yùn)行時(shí)間以及安全性，如下圖11所示：
 

圖11 艾默生Daniel T-200鈦封裝3D打印換能器
 

　　Daniel T-200采用3D打印的微型金屬喇叭陣列，由幾何結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的鈦合金喇叭和充當(dāng)諧波振蕩器與匹配層的鈦膜構(gòu)成，通過(guò)鈦金屬外殼增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，可以增加聲能輸出，提高信噪比和測(cè)量準(zhǔn)確度。
 

　　超聲波流量計(jì)量設(shè)備的主要廠(chǎng)商包括Badge Meter、Baker Hughes、艾默生、Endress+Hauser、Faure Herman、富士電機(jī)、霍尼韋爾、Krohne、西門(mén)子以及Spectris。與領(lǐng)先品牌相比，中國(guó)本土品牌在技術(shù)積累、產(chǎn)品覆蓋、全球化拓展方面依然存在極大的差距。
 

　　本土品牌走出叢林競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，也許在于以下兩點(diǎn)：
 

　　學(xué)習(xí)領(lǐng)先品牌，提高品類(lèi)覆蓋，占領(lǐng)中、高毛利市場(chǎng)；
 

　　投入技術(shù)創(chuàng)新，采用新材料、新工藝、新技術(shù)來(lái)強(qiáng)化細(xì)分品類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
 

　　寫(xiě)在最后
 

　　計(jì)量是傳感器技術(shù)中的明珠，超聲波流量計(jì)量廣泛而又深入的涉及到材料、機(jī)械、流體、聲學(xué)、自動(dòng)化、微電子等學(xué)科，只有在每一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)扎實(shí)的投入并在系統(tǒng)層面進(jìn)行融匯，同時(shí)大膽嘗試創(chuàng)新技術(shù)，也許才能幫助我們一步步站到全球領(lǐng)先的潮頭。
 

　　以上一家之言，言者無(wú)罪，聞?wù)咦憬洌?br /> 

　　文章來(lái)源：《環(huán)球表計(jì)》2022年上半年刊