一、燃?xì)獗硇袠I(yè)背景分析

2020年，中國能源需求的保守預(yù)估值是50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。滿足上述需求，無論是增加國內(nèi)能源供應(yīng)還是利用國外資源，能源供給側(cè)將面臨巨大壓力。我國煤炭為主能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的污染遠(yuǎn)超環(huán)境容量，環(huán)境承擔(dān)力將面對嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；因此，調(diào)整煤炭主導(dǎo)的不合理能源結(jié)構(gòu)刻不容緩。以氣代煤是現(xiàn)有技術(shù)條件下，治理環(huán)境污染的有力舉措。天然氣作為清潔能源得到重點關(guān)注，消費(fèi)量持續(xù)上升。在這些燃?xì)庋杆侔l(fā)展的利好消息促進(jìn)下，燃?xì)庥嬃啃袠I(yè)將迎來巨大的發(fā)展契機(jī)。

膜式燃?xì)獗硪蚱浼夹g(shù)成熟、質(zhì)量穩(wěn)定和價格低廉等優(yōu)點，在我國城市燃?xì)獍l(fā)展中得到廣泛應(yīng)用，隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，膜式表也逐步實現(xiàn)了智能化，目前在燃?xì)庥嬃啃袠I(yè)仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。但膜式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磨損、易受管道介質(zhì)溫度壓力等客觀因素的影響，導(dǎo)致測量精度降低。熱式（MEMS）燃?xì)獗硎抢脽醾鬟f原理測量燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)狀況下流量的一種新型燃?xì)庥嬃科骶?，采用全電子結(jié)構(gòu)，無機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件，體積小、精度高。雖然可以針對特定天然氣組分進(jìn)行修正，但是從原理上還是易受多種不同氣體組分影響，溫度的影響修正也相對復(fù)雜，同時*的污染物沉積使得MEMS芯片響應(yīng)變慢影響精度，使得其應(yīng)用受到限制。超聲波燃?xì)獗硪云浞墙佑|測量、無可動部件、無壓力損失、*的計量精度和可結(jié)合更多的智能化應(yīng)用等優(yōu)勢，引起國內(nèi)外的高度重視，是近年來燃?xì)庥嬃款I(lǐng)域的開發(fā)熱點。

二、超聲波燃?xì)獗淼难芯颗c應(yīng)用現(xiàn)狀

其實早在上世紀(jì)九十年代，英國、德國等國的多家燃?xì)夤疽殃懤m(xù)開發(fā)了超聲波燃?xì)獗?。受?dāng)時超聲波探頭、計時芯片、電子技術(shù)等的因素限制，價格還是非常高昂，無法與傳統(tǒng)膜式燃?xì)獗砀偁帯＿M(jìn)入二十世紀(jì)后，超聲波燃?xì)獗淼年P(guān)鍵部件價格大大降低，迎來了超聲波燃?xì)獗淼目焖侔l(fā)展。日本東京燃?xì)夤居?003年7月開展了超聲波燃?xì)獗淼母鞣N現(xiàn)場測試，于2005年*安裝了5000臺超聲波燃?xì)獗碇劣脩艏抑校?008年全面使用超聲波燃?xì)獗?。目前上的超聲波燃?xì)獗砑夹g(shù)主要來源于松下、西門子等公司，他們在超聲波領(lǐng)域深耕多年，從流道結(jié)構(gòu)、軟件算法、超聲波換能器及模塊到整機(jī)。雖然國內(nèi)現(xiàn)有多家燃?xì)獗砉疽验_始研發(fā)超聲波燃?xì)獗恚谴蠖鄶?shù)廠家還是使用松下的超聲波燃?xì)獗韨鞲衅鞣桨?，也就是購買松下的電路板和超聲波探測器，自己配套外殼組裝成超聲波燃?xì)獗?。這樣的模式使得國內(nèi)廠家生產(chǎn)的超聲波燃?xì)獗韮r格偏高，市場推廣受到限制。我國燃?xì)獗懋a(chǎn)業(yè)生態(tài)已經(jīng)基本建立，因此積極開展自主知識產(chǎn)權(quán)、可以滿足燃?xì)獗硪?guī)范要求的超聲波氣體流量傳感器的技術(shù)研究，對于打破國外技術(shù)壟斷、促進(jìn)我國燃?xì)獗磙D(zhuǎn)型升級發(fā)展具有重要意義。

三、超聲波燃?xì)獗碛?/span>氣體流量傳感器核心關(guān)鍵

（1）超聲波換能器的自主研制。目前滿足超聲波燃?xì)獗碛嬃恳蟮暮诵牟考某暡〒Q能器基本都是進(jìn)口，價格占總成本的40%。國產(chǎn)超聲波燃?xì)獗淼暮诵碾y點在于超聲波換能器的自主研發(fā)，超聲波換能器的自主研發(fā)主要受限于其帶寬以及高低溫特性，一般在超聲波燃?xì)獗淼膬?nèi)管道上，兩個超聲波換能器之間的距離在50-70毫米之間。要求換能器的帶寬達(dá)到±10%以上，測量到的第二個發(fā)射波的高度要盡可能高，好能夠達(dá)到100mV以上。除此之外，還需要考慮不同溫度下的測試漂移。

（2）燃?xì)獗淼男阅芎头€(wěn)定性問題。超聲波燃?xì)獗碛捎跓o機(jī)械部件，理論上穩(wěn)定性較傳統(tǒng)膜式表要高很多，但膜式表在國內(nèi)多年的使用中，已廣泛被燃?xì)獗砉竞涂蛻艚邮?。超聲波燃?xì)獗砣绾卧诜€(wěn)定性上達(dá)到燃?xì)獗砉镜男枨?，打消燃?xì)獗砉镜念檻]，是超聲波燃?xì)獗磉~向市場化的非常重要的一關(guān)。

（3）氣體污染問題。與膜式燃?xì)獗硪粯?，由于超聲波燃?xì)獗淼某Ｄ赀\(yùn)行，燃?xì)庵械姆蹓m或雜質(zhì)會附著在超聲波換能器上，影響換能器對信號的接收敏感度，從而影響燃?xì)獗頊y量準(zhǔn)確度。

（4）氣源適應(yīng)性問題。天然氣密度比空氣小，信號也較空氣?。徊煌芏鹊臍怏w通過超聲波換能器后，其信號的波形會很不穩(wěn)定。超聲波信號傳輸會受傳播介質(zhì)、環(huán)境（溫度、濕度、壓力）以及管道內(nèi)反射等各種因素影響，接收到的超聲波信號通常存在著波形變化、幅值變化。因此，家用波燃?xì)獗硪脒M(jìn)入家庭，并廣泛使用，對氣源的適應(yīng)性是需要克服的重要一關(guān)。

四、超聲波燃?xì)獗碛脷怏w流量傳感器技術(shù)特點

四方光電公司自2008年開展對超聲波氣體傳感器的研究以來，通過在超聲波換能器、時間計量芯片以及時差自動計算方法、流程成分同時感知等領(lǐng)域取得突破，特別是在超聲波氧氣流量傳感器、超聲波沼氣流量計等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用，具有較好的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。針對*表需要的超寬量程比、寬溫度范圍、抗污能力、脈動氣流測量等特殊要求，四方光電開發(fā)了帶燃?xì)饷芏葴y量功能的新型家用超聲波燃?xì)獗?。同時，公司通過計算流體力學(xué)模擬，設(shè)計了一種 L 型的超聲波氣室通道，進(jìn)一步降低成本，提高抗污性能，從而加強(qiáng)了超聲波燃?xì)獗淼母偁幜Α?nbsp;

圖1：超聲波燃?xì)獗砟K及 L 型氣室內(nèi)部流場模擬

工商用燃?xì)庥嬃慷嗖捎霉I(yè)膜式表以及羅茨表。為了確保測量準(zhǔn)確，超聲波氣體流量計采用多組超聲波探測器，成本和功耗較高。四方光電在*表模塊研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上，通過流體力學(xué)模擬，在進(jìn)氣口處優(yōu)化設(shè)計了整流罩，確保進(jìn)入各個子腔室的燃?xì)飧泳鶆蚱椒€(wěn)。由此，僅采用一組超聲波探測器就能夠完成工商業(yè)燃?xì)獗淼臏y量，確保了準(zhǔn)確性和低成本。

為進(jìn)一步提高超聲波燃?xì)獗砟K性能并降低成本，公司通過對不同壓電陶瓷片直徑、厚度，基片的直徑、厚度等進(jìn)行有限元仿真分析，確定探測器材料以及結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的工藝方案研發(fā)，實現(xiàn)高靈敏度超聲波探測器的自主生產(chǎn)。目前，四方光電燃?xì)獗碛贸暡ㄌ綔y器已小批量試制應(yīng)用。

圖2：燃?xì)獗碛贸暡ㄌ綔y器設(shè)計仿真

此外，四方光電還在核心的算法上實現(xiàn)創(chuàng)新，采用雙閾值過零檢測與數(shù)據(jù)選擇技術(shù)、自動調(diào)零算法，精確計算氣體流量，抵消由于零點漂移對流量測量產(chǎn)生的影響。

五、超聲波燃?xì)獗碛脷怏w流量傳感器的應(yīng)用

氣體流量傳感器硬件和軟件核心技術(shù)，四方光電針對我國家用表以及五小工商戶客戶的需求，成功開發(fā)出超聲波家用和商用燃?xì)獗怼Ｆ浜诵膫鞲衅鞑考妶D3：

圖3. 家用和商用超聲波燃?xì)獗砗诵膫鞲衅鞑考?/span>

解決核心燃?xì)獗須怏w流量傳感器后，就可以利用以往具有的外殼、皮膜閥、電源管理等組裝燃?xì)獗?。圖4是采用超聲波核心流量傳感器的G4燃?xì)獗怼?/span>

圖4. G4超聲波燃?xì)獗?內(nèi)置國產(chǎn)化核心流量傳感器)

根據(jù)燃?xì)獗淼挠嬃恳?，進(jìn)行了寬量程的燃?xì)獗碚`差特性以及耐久性實驗。

圖5. G4超聲波燃?xì)獗淼湫驼`差曲線

圖6. G4超聲波燃?xì)獗砟途眯哉`差曲線

四方光電借不僅鑒了EN-14236歐洲有關(guān)“ultrasonic-domestic-gas-meters”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完整的測試，除以上圖示的基本試驗，四方光電還進(jìn)行了線性度、壓損、高低溫、交變濕熱、耐粉塵、脈動流量等試驗。試驗表明，四方光電基于超聲波氣體流量傳感器核心模塊的燃?xì)獗砭鶟M足燃?xì)獗淼母黜椫笜?biāo)要求。

六、四方光電超聲波燃?xì)獗懋a(chǎn)品介紹

公司簡介

四方光電股份有限公司2003年成立于“武漢-中國光谷”，占地20000+平方米，是一家專業(yè)從事氣體傳感器、氣體分析儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的*。公司開發(fā)了基于非分光紅外(NDIR)、光散射探測(LSD)、超聲波(Ultrasonic)、紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)、熱導(dǎo)(TCD)、激光拉曼(LRD)等原理的氣體傳感技術(shù)平臺，形成了氣體傳感器、氣體分析儀器兩大類產(chǎn)業(yè)生態(tài)、幾十款不同產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的家電、汽車、醫(yī)療、環(huán)保、工業(yè)、能源計量等領(lǐng)域。  

四方光電是湖北省*知識產(chǎn)權(quán)示范建設(shè)企業(yè)，建設(shè)有湖北省氣體分析儀器儀表工程技術(shù)研究中心、湖北省企業(yè)技術(shù)中心，承擔(dān)了國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項、*物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項等國家科技開發(fā)項目。公司及子公司湖北銳意入選*2019年工業(yè)強(qiáng)基傳感器“一條龍” 應(yīng)用計劃示范企業(yè)。憑借*的技術(shù)積淀、良好的產(chǎn)品性能及化視野，公司已取得多家國內(nèi)外企業(yè)的認(rèn)可，產(chǎn)品銷往全國并出口到八十多個國家和地區(qū)。