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一、燃气表行业背景分析
近年来,我国加快推进“煤改气”工程建设,天然气已经成为我国
现代 洁能源体系的主体能源之一。到 2020 年,天然气在一次能源消
费结构中的占比力争达到 10%左右,到 2030 年,占比提高到 15%左
右。在这些燃气迅速发展的利好消息促进下,燃气计量行业将迎来巨
大的发展契机。膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定和价格低廉等优
点,在我国城市燃气发展中得到广泛应用,随着计算机和微 电子技术
的发展,膜式表也逐步实现了智能化,目前在燃气计量行业仍然占据
着主导地位。但膜式燃气表结构复杂、易磨损、易受管道介质温度压
力等客观因素的影响,导致测量精度降低。热式(MEMS)燃气表是利
用热传递原理测量燃气标准状况下流量的一种新型燃气计量器具,采
用全电子结构,无机械运 部件,体积小、精度高。虽然可以针对特定
天然气组分进行修正,但是从原理上还是易受多种不同气体组分影响,
温度的影响修正也相对复杂,同时长期的污染物沉积使得 MEMS 芯
片响应变慢影响精度,使得其应用受到限制。超声波气体流量传感器
以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度和可结
合更多的智能化应用等优势,引起国内外的高度重视,是近年来燃气
计量领域的开发热点。
二、超声波气体流量传感器的研究与应用现状
其实早在上世纪九十年代,英国、德国等国的多家燃气公司已陆
续开发了超声波气体流量传感器。受当时超声波探头、计时芯片、 电
子技术等的因素限制,价格还是非常高昂,无法与传统膜式燃气表竞
争。进入二十世纪后,超声波气体流量传感器的关键部件价格大大降
低,迎来了超声波气体流量传感器的快速发展。日本东京燃气公司于
2003 年 7 月开展了超声波气体流量传感器的各种现场测试,于 2005
年率先安装了 5000 台超声波气体流量传感器至用户家中,在 2008 年
全面使用超声波气体流量传感器。目前国际上的超声波气体流量传感
器技术主要来源于松下、西门子等公司,他们在超声波领域深耕多年,
从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机,都有着诸多专
利。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波气体流量传感器,
但是大多数厂家还是使用松下的超声波气体流量传感器传感器方案,
也就是购买松下的 电路板和超声波探测器,自己配套外壳组装成超声
波气体流量传感器。这样的模式使得国内厂家生产的超声波气体流量
传感器价格偏高,市场推广受到限制。我国燃气表产业生态已经基本
建立,因此积极开展自主知识产权、可以满足燃气表规范要求的超声
波气体流量传感器的技术研究,对于打破国外技术垄断、促进我国燃
气表 型升级发展具有重要意义。
三、超声波气体流量传感器用气体流量传感器核心关键
(1)超声波换能器的自主研制。目前满足超声波气体流量传感器
计量要求的核心部件的超声波换能器基本都是进口,价格占总成本
的 40%。国产化的难点是其带宽以及高低温特性,既要保证较长的测
试距离提高测试分辨率、较高灵敏度提高信噪比,还需要考虑不同温
度下的测试漂移。
(2)燃气表的性能和稳定性问题。超声波气体流量传感器由于无
机械部件,理论上稳定性较传统膜式表要高很多,但膜式表在国内多
年的使用中,已广泛被燃气表公司和客户接受。超声波气体流量传感
器如何在稳定性上达到燃气表公司的需求,打消燃气表公司的顾虑,
是超声波气体流量传感器迈向市场化的非常重要的一关。
(3)气体污染问题。与膜式燃气表一样,由于超声波气体流量传
感器的常年运行,燃气中的粉尘或杂质会附着在超声波换能器上,影
响换能器对信号的接收敏感度,从而影响燃气表测量准确度。
(4)气源适应性 问题。天然气密度比空气小,信号也较空气小;不
同密度的气体通过超声波换能器后,其信号的波形会很不稳定。超声
波信号传输会受传播介质、环境(温度、湿度、压力)以及管道内反射
等各种因素影响,接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变
化。因此,家用波燃气表要想进入家庭,并广泛使用,对气源的适应性
是需要克服的最重要一关。
四、超声波气体流量传感器用气体流量传感器技术特点
四方光电公司自 2008 年开展对超声波气体传感器的研究以来,通
过在超声波换能器、时间计量芯片以及时差自动计算方法、流程成分
同时感知等领域取得突破,特别是在超声波氧气流量传感器、超声波
沼气流量计等领域实现了规模化生产应用,具有较
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