本文节选自《环球观察》2018年12月号。

燃气表行业背景分析

近年来，我国加快“煤改气”工程建设，天然气已成为我国现代清洁能源体系的主要能源之一。 到2020年，天然气在一次能源消费结构中的比重力争达到10%左右，到2030年，比重提高到15%左右。 在这些燃气快速发展的利好消息推动下，燃气计量行业将迎来巨大的发展机遇。 隔膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定、价格低廉，在我国城市燃气发展中得到**应用。 随着计算机和微电子技术的发展，隔膜仪表逐渐走向智能化，目前在气体计量行业仍然占据主导地位。 但隔膜式燃气表结构复杂，易磨损，且易受管道介质温度、压力等客观因素影响，导致测量精度降低。 热式（MEMS）燃气表是一种利用传热原理测量标准条件下燃气流量的新型燃气测量仪表。 采用全电子结构，无机械操作部件，体积小，精度高。 虽然可以针对特定的天然气组分进行修正，但原则上仍然容易受到多种不同气体组分的影响，而且温度影响的修正也相对复杂。 同时，长期的污染物沉积会减慢MEMS芯片的响应速度并影响其精度，使其应用​​受到限制。 超声波燃气表以其非接触式测量、无运动部件、无压力损失、极高的测量精度以及能够与更多智能应用结合等优点，受到国内外的高度关注。 它是近年来气体测量领域的发展。 热点。

超声波燃气表的研究及应用现状

事实上，早在20世纪90年代，英国、德国等国家的多家燃气**就已相继开发出超声波燃气表。 由于当时超声波探头、计时芯片、电子技术等因素的限制，价格仍然很高，无法与传统隔膜燃气表竞争。 进入20世纪后，超声波燃气表关键部件的价格大幅下降，迎来了超声波燃气表的快速发展。 2003年7月，对超声波燃气表进行了各项现场试验。 2005年，用户家中安装超声波燃气表5000台。 2008年全面使用超声波燃气表。 目前，国际超声波燃气表技术主要来自松下、西门子等**。 他们深耕超声波领域多年，拥有从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机的多项**。 虽然国内不少燃气表企业已经开始**超声波燃气表，但大多数厂家仍然采用松下的超声波燃气表传感器方案，即采购松下的电路板和超声波探测器，自行配套外壳组装成超声波燃气表。 。 这种模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格较高，限制了其市场推广。 我国燃气表产业生态已基本建立。 因此，积极开展具有自主知识产权、满足燃气表规范要求的超声波燃气流量传感器的技术研究，对于打破国外技术垄断、促进我国燃气表转型升级具有重要意义。

超声波燃气表气体流量传感器的核心关键

超声波燃气表气体流量传感器技术特点

四方光电自2008年开始超声波气体传感器研究以来，在超声波换能器、时间测量芯片、自动时间差计算方法、过程元件同步传感等领域取得了突破，特别是在超声波氧气流量传感器和超声波沼气传感器方面。 流量计等领域已实现规模化生产和应用，拥有良好的技术和产业基础。 针对家用燃气表所需的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动空气流量测量的特殊要求，我们成功**出满足超声波燃气表要求的超声波气体流量传感器。

图1 燃气表用超声波气体流量传感器结构示意图

传统超声波燃气表燃气流量测量室的“W”型发射流道、“V”型穿火式单程单流道和“N”型穿火式单程单流道都是超声波在流道中产生。 一次或多次反射形成的路径增加了超声波的声程，间接增加了换能器的有效距离，从而实现更高的测量精度。 但其缺点是反射后探测器信号较弱，信噪比降低，而且对换能器的要求很高，因此成本也较高。 本实用新型克服了现有超声波燃气表气体流量测量气室管道截面积大、气室容积大、成本高的问题，且具有“L”形流道、圆形截面的超声波气体模块。两个超声波换能器之间的传播距离较短，减少了测量结果精度不高的问题。 同时也避免了被测气体中的污染物污染超声波换能器，从而影响检测结果的准确性的问题。

针对超声波换能器的零点漂移问题。 软件算法方面，采用自动调零处理算法。 超声波燃气表采用可调零点。 软件根据超声波换能器的信号波动特性，自动调整超声波燃气表的零点，保证超声波燃气表的零点根据外部因素或内部因素进行调整。 作用下，超声波燃气表的零点随着环境变化进行适当调整，抵消零点漂移对低端流量的影响； 同时，考虑到整个电路对时间差的影响，软件算法补偿了这部分对低端流量的影响。 测量效果。

气体流量传感器在超声波燃气表中的应用

四方光电**基于燃气流量传感器软硬件**核心技术，针对我国家用表计及五家小型工商业客户的需求，成功**出超声波家用、商用燃气表。 其核心传感器部件如图2所示：

图2 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件

解决了核心燃气表燃气流量传感器后，可以利用以往已有的外壳、隔膜阀、电源管理等来组装燃气表。 图3是使用超声波核心流量传感器的G4燃气表。

图3 G4超声波燃气表（内置国产芯流量传感器）

根据燃气表的计量要求，进行了大范围的燃气表误差特性和耐久性实验。

图4 G4超声波燃气表误差曲线

图5 G4超声波燃气表耐用误差曲线

由于我国超声波燃气表国家标准还处于起草阶段，因此依据EN-14236欧洲“--gas-”标准进行了完整的测试。 除了上图所示的基本测试外，还进行了线性、压力损失、高低温、湿热交变、防尘、脉动流等测试。 测试表明，基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表满足燃气表的各项指标要求。

关于作者

熊友辉博士，教授级高级工程师。 中国科协第九次全国代表大会代表、中国仪器仪表学会理事、分析仪器分会副理事长。 主持科技部重大科学仪器设备研制专项、工信部物联网专项、湖北省重大科技专项等多项国家、省、市科技项目项目。 现任总经理。

熊博士在环球仪表2018中国国际仪表行业年会上作精彩分享

**简介

是一家**从事气体传感器、气体分析仪器及物联网解决方案的国家**企业。 其全资子**依托具有自主知识产权的核心传感器技术，先后推出红外/紫外烟气分析仪。 、红外气体分析仪、红外天然气热值计、激光拉曼气体分析仪等气体成分分析仪器，并开发了超声波气体流量计、超声波燃气表核心传感器部件、智能超声波燃气表等气体流量测量产品。 四方光电已通过质量、环境、健康安全、汽车电子等相关体系**，并与多家世界500强企业建立了长期配套合作关系。