一、燃?xì)獗硇袠I(yè)背景分析

近年來，我國(guó)加快推進(jìn)“煤改氣”工程建設(shè)，天然氣已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。到2020年，天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比力爭(zhēng)達(dá)到10%左右，到 2030 年，占比提高到15%左右。在這些燃?xì)庋杆侔l(fā)展的利好消息促進(jìn)下，燃?xì)庥?jì)量行業(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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)城市燃?xì)獍l(fā)展中得到廣泛應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，膜式表也逐步實(shí)現(xiàn)了智能化，目前在燃?xì)庥?jì)量行業(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(cè)量精度降低。熱式（MEMS）燃?xì)獗硎抢脽醾鬟f原理測(cè)量燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)狀況下流量的一種新型燃?xì)庥?jì)量器具，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(duì)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(duì)復(fù)雜，同時(shí)長(zhǎng)期的污染物沉積使得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(cè)量、無可動(dòng)部件、無壓力損失、*的計(jì)量精度和可結(jié)合更多的智能化應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，引起國(guó)內(nèi)外的高度重視，是近年來燃?xì)庥?jì)量領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)。

二、超聲波燃?xì)獗淼难芯颗c應(yīng)用現(xiàn)狀

其實(shí)早在上世紀(jì)九十年代，英國(guó)、德國(guó)等國(guó)的多家燃?xì)夤疽殃懤m(xù)開發(fā)了超聲波燃?xì)獗怼Ｊ墚?dāng)時(shí)超聲波探頭、計(jì)時(shí)芯片、電子技術(shù)等的因素限制，價(jià)格還是非常高昂，無法與傳統(tǒng)膜式燃?xì)獗砀?jìng)爭(zhēng)。進(jìn)入二十世紀(jì)后，超聲波燃?xì)獗淼年P(guān)鍵部件價(jià)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(chǎng)測(cè)試，于2005年安裝了5000臺(tái)超聲波燃?xì)獗碇劣脩艏抑校?008年全面使用超聲波燃?xì)獗怼Ｄ壳吧系某暡ㄈ細(xì)獗砑夹g(shù)主要來源于松下、西門子等公司，他們?cè)诔暡I(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)，都有著諸多自主研發(fā)技術(shù)。雖然國(guó)內(nèi)現(xiàn)有多家燃?xì)獗砉?/span>已開始研發(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)獗韨鞲衅鞣桨福簿褪琴?gòu)買松下的電路板和超聲波探測(cè)器，自己配套外殼組裝成超聲波燃?xì)獗怼＿@樣的模式使得國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的超聲波燃?xì)獗韮r(jià)格偏高，市場(chǎng)推廣受到限制。我國(guó)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(shí)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(duì)于打破國(guó)外技術(shù)壟斷、促進(jìn)我國(guó)燃?xì)獗磙D(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展具有重要意義。

三、超聲波燃?xì)獗?/span>用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?jì)量要求的核心部件的超聲波換能器基本都是進(jìn)口，價(jià)格占總成本的40%。國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)是其帶寬以及高低溫特性，既要保證較長(zhǎng)的測(cè)試距離提高測(cè)試分辨率、較高靈敏度提高信噪比，還需要考慮不同溫度下的測(cè)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(guó)內(nèi)多年的使用中，已廣泛被燃?xì)獗砉竞涂蛻艚邮堋３暡ㄈ細(xì)獗砣绾卧诜€(wěn)定性上達(dá)到燃?xì)獗砉镜男枨螅蛳細(xì)獗砉镜念檻]，是超聲波燃?xì)獗磉~向市場(chǎng)化的非常重要的一關(guān)。

（3）氣體污染問題。與膜式燃?xì)獗硪粯樱捎诔暡ㄈ細(xì)獗淼某Ｄ赀\(yùn)行，燃?xì)庵械姆蹓m或雜質(zhì)會(huì)附著在超聲波換能器上，影響換能器對(duì)信號(hào)的接收敏感度，從而影響燃?xì)獗頊y(cè)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(hào)也較空氣小；不同密度的氣體通過超聲波換能器后，其信號(hào)的波形會(huì)很不穩(wěn)定。超聲波信號(hào)傳輸會(huì)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(hào)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(duì)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?/span>氣體流量傳感器技術(shù)特點(diǎn)

四方光電公司自2008年開展對(duì)超聲波氣體傳感器的研究以來，通過在超聲波換能器、時(shí)間計(jì)量芯片以及時(shí)差自動(dòng)計(jì)算方法、流程成分同時(shí)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(jì)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用，具有較好的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。針對(duì)*表需要的超寬量程比、寬溫度范圍、抗污能力、脈動(dòng)氣流測(cè)量等特殊要求，開發(fā)成功滿足超聲波燃?xì)獗碛玫某暡怏w流量傳感器。

（1）“L”型流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。超聲波燃?xì)獗碛贸暡怏w流量傳感器采用“L”型流道設(shè)計(jì)，包括腔體、進(jìn)氣口、出氣口及兩個(gè)超聲波換能器，通過將氣室腔體的橫截面設(shè)置為圓形，將超聲波信號(hào)在個(gè)換能器安裝孔和第二換能器安裝孔之間的傳播路徑設(shè)置為“L”型流道，如圖1所示。

圖1. 燃?xì)獗碛贸暡怏w流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

傳統(tǒng)超聲波燃?xì)獗須怏w流量計(jì)量氣室的“W”型發(fā)射流道，“V”型對(duì)射單通單流道以及“N”型對(duì)射單通單流道，都是通過超聲波在流道內(nèi)產(chǎn)生一次或多次反射而形成的路徑以增加超聲波聲程，間接增大了換能器的有效距離，從而獲得更高測(cè)量精度。但其缺點(diǎn)是通過反射后探測(cè)器信號(hào)較弱，信噪比降低，對(duì)換能器的要求很高。因此造成成本也較高。采用“L”型流道、圓形橫截面的超聲波燃?xì)饽K，克服了現(xiàn)有超聲波燃?xì)獗須怏w流量計(jì)量氣室管道的橫截面積較大，氣室體積較大，成本較高的問題，以及兩個(gè)超聲波換能器之間傳播距離較短，降低測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的問題。同時(shí)，還避免了被測(cè)氣體中的污染物污染超聲波換能器，從而影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的問題。

（2）用雙閾值過零檢測(cè)與數(shù)據(jù)選擇技術(shù)。以時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)為基礎(chǔ)，采用雙閾值過零檢測(cè)與數(shù)據(jù)選擇算法技術(shù)，區(qū)別于超聲波自動(dòng)增益控制法，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過關(guān)聯(lián)幅值與飛行時(shí)間周期變化的關(guān)系，根據(jù)幅值判斷飛行時(shí)間是否發(fā)生周期性變化，從實(shí)際測(cè)量得到多個(gè)結(jié)束方波脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間值中選擇合適的結(jié)果，作為終的飛行時(shí)間，從而計(jì)算氣體流量。

（3）自動(dòng)調(diào)零算法。燃?xì)獗碓跍囟取毫Φ韧獠恳蛩刈兓瘲l件下，對(duì)超聲信號(hào)產(chǎn)生一定的影響，從而影響計(jì)量的時(shí)間差；此產(chǎn)生的時(shí)間差變化，可能只有ns級(jí)別，對(duì)流量幾乎沒影響；但對(duì)于低端流量，特別是Qmin，影響非常大，造成測(cè)量精度超過標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，燃?xì)獗碓跓o流量情況下的零點(diǎn)，可能受到超聲波換能器零點(diǎn)的漂移影響，產(chǎn)生整體計(jì)量的漂移，對(duì)低端流量造成較大的影響，這是低端流量精度和穩(wěn)定性超標(biāo)重要的原因。

針對(duì)超聲波換能器的零點(diǎn)漂移問題，在軟件算法上，采用自動(dòng)調(diào)零的處理算法，超聲波燃?xì)獗聿捎每烧{(diào)整的零點(diǎn)，并根據(jù)超聲波換能器的信號(hào)波動(dòng)特點(diǎn)，軟件上自動(dòng)調(diào)整超聲波燃?xì)獗淼牧泓c(diǎn)，保證在外部因素或內(nèi)部因素作用下，超聲波燃?xì)獗淼牧泓c(diǎn)隨環(huán)境變化而適當(dāng)做出調(diào)整，抵消由于零點(diǎn)漂移對(duì)低端流量產(chǎn)生的影響；同時(shí)，考慮電路整體對(duì)時(shí)間差值的影響，在軟件算法上，補(bǔ)償此部分對(duì)測(cè)量的影響。

五、超聲波燃?xì)獗碛?/span>氣體流量傳感器的應(yīng)用

基于自主研發(fā)技術(shù)的氣體流量傳感器硬件和軟件核心技術(shù)，四方光電公司針對(duì)我國(guó)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D2：

圖2. 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)獗怼D3是采用超聲波核心流量傳感器的G4燃?xì)獗?/span>。

圖3. G4超聲波燃?xì)獗?內(nèi)置國(guó)產(chǎn)化核心流量傳感器)

根據(jù)燃?xì)獗淼挠?jì)量要求，進(jìn)行了寬量程的燃?xì)獗碚`差特性以及耐久性實(shí)驗(yàn)。

圖4. G4超聲波燃?xì)獗?/span>典型誤差曲線

圖5. G4超聲波燃?xì)獗砟途眯哉`差曲線

由于我國(guó)超聲波燃?xì)獗淼膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)還處于征求意見稿階段，因此借鑒了EN-14236歐洲有關(guān)“ultrasonic-domestic-gas-meters”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完整的測(cè)試。除以上圖示的基本試驗(yàn)，還進(jìn)行了線性度、壓損、高低溫、交變濕熱、耐粉塵、脈動(dòng)流量等試驗(yàn)。試驗(yàn)表明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?xiàng)指標(biāo)要求。

作者簡(jiǎn)介

熊友輝博士，教授級(jí)高工。中國(guó)*九大代表、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)理事、分析儀器分會(huì)副理事長(zhǎng)。主持過*重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)、*物聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)、湖北省重大科技專項(xiàng)等多項(xiàng)國(guó)家和省市科技項(xiàng)目。現(xiàn)任武漢四方光電科技有限公司總經(jīng)理。

公司簡(jiǎn)介

武漢四方光電科技有限公司是一家專業(yè)從事氣體傳感器、氣體分析儀器及物聯(lián)網(wǎng)解決方案的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，其全資子公司——湖北銳意自控系統(tǒng)有限公司，以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心傳感器技術(shù)為依托，陸續(xù)推出了紅外/紫外煙氣分析儀、紅外煤氣分析儀、紅外天然氣熱值儀、激光拉曼氣體分析儀等氣體成分分析儀器，并先后研制了超聲波氣體流量計(jì)、超聲波燃?xì)獗砗诵膫鞲衅鞑考⒅悄艹暡ㄈ細(xì)獗淼热細(xì)饬髁繙y(cè)量產(chǎn)品。四方光電通過了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有關(guān)質(zhì)量、環(huán)境、健康安全、汽車電子等體系認(rèn)證，目前已與多家世界五建立長(zhǎng)期配套合作關(guān)系。