一、燃氣表行業背景分析

2020年，中國能源需求的保守預估值是50億噸標準煤。滿足上述需求，無論是增加國內能源供應還是利用國外資源，能源供給側將面臨巨大壓力。我國煤炭為主能源結構產生的污染遠超環境容量，環境承擔力將面對嚴峻挑戰；因此，調整煤炭主導的不合理能源結構刻不容緩。以氣代煤是現有技術條件下，治理環境污染的有力舉措。天然氣作為清潔能源得到重點關注，消費量持續上升。在這些燃氣迅速發展的利好消息促進下，燃氣計量行業將迎來巨大的發展契機。

膜式燃氣表因其技術成熟、質量穩定和價格低廉等優點，在我國城市燃氣發展中得到廣泛應用，隨著計算機和微電子技術的發展，膜式表也逐步實現了智能化，目前在燃氣計量行業仍然占據著主導地位。但膜式燃氣表結構復雜、易磨損、易受管道介質溫度壓力等客觀因素的影響，導致測量精度降低。熱式（MEMS）燃氣表是利用熱傳遞原理測量燃氣標準狀況下流量的一種新型燃氣計量器具，采用全電子結構，無機械運轉部件，體積小、精度高。雖然可以針對特定天然氣組分進行修正，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雜，同時*的污染物沉積使得MEMS芯片響應變慢影響精度，使得其應用受到限制。超聲波燃氣表以其非接觸測量、無可動部件、無壓力損失、*的計量精度和可結合更多的智能化應用等優勢，引起國內外的高度重視，是近年來燃氣計量領域的開發熱點。

二、超聲波燃氣表的研究與應用現狀

其實早在上世紀九十年代，英國、德國等國的多家燃氣公司已陸續開發了超聲波燃氣表。受當時超聲波探頭、計時芯片、電子技術等的因素限制，價格還是非常高昂，無法與傳統膜式燃氣表競爭。進入二十世紀后，超聲波燃氣表的關鍵部件價格大大降低，迎來了超聲波燃氣表的快速發展。日本東京燃氣公司于2003年7月開展了超聲波燃氣表的各種現場測試，于2005年*安裝了5000臺超聲波燃氣表至用戶家中，在2008年全面使用超聲波燃氣表。目前上的超聲波燃氣表技術主要來源于松下、西門子等公司，他們在超聲波領域深耕多年，從流道結構、軟件算法、超聲波換能器及模塊到整機。雖然國內現有多家燃氣表公司已開始研發超聲波燃氣表，但是大多數廠家還是使用松下的超聲波燃氣表傳感器方案，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氣表。這樣的模式使得國內廠家生產的超聲波燃氣表價格偏高，市場推廣受到限制。我國燃氣表產業生態已經基本建立，因此積極開展自主知識產權、可以滿足燃氣表規范要求的超聲波氣體流量傳感器的技術研究，對于打破國外技術壟斷、促進我國燃氣表轉型升級發展具有重要意義。

三、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器核心關鍵

（1）超聲波換能器的自主研制。目前滿足超聲波燃氣表計量要求的核心部件的超聲波換能器基本都是進口，價格占總成本的40%。國產超聲波燃氣表的核心難點在于超聲波換能器的自主研發，超聲波換能器的自主研發主要受限于其帶寬以及高低溫特性，一般在超聲波燃氣表的內管道上，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到±10%以上，測量到的第二個發射波的高度要盡可能高，好能夠達到100mV以上。除此之外，還需要考慮不同溫度下的測試漂移。

（2）燃氣表的性能和穩定性問題。超聲波燃氣表由于無機械部件，理論上穩定性較傳統膜式表要高很多，但膜式表在國內多年的使用中，已廣泛被燃氣表公司和客戶接受。超聲波燃氣表如何在穩定性上達到燃氣表公司的需求，打消燃氣表公司的顧慮，是超聲波燃氣表邁向市場化的非常重要的一關。

（3）氣體污染問題。與膜式燃氣表一樣，由于超聲波燃氣表的常年運行，燃氣中的粉塵或雜質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，從而影響燃氣表測量準確度。

（4）氣源適應性問題。天然氣密度比空氣小，信號也較空氣小；不同密度的氣體通過超聲波換能器后，其信號的波形會很不穩定。超聲波信號傳輸會受傳播介質、環境（溫度、濕度、壓力）以及管道內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，家用波燃氣表要想進入家庭，并廣泛使用，對氣源的適應性是需要克服的重要一關。

四、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器技術特點

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域實現了規模化生產應用，具有較好的技術和產業基礎。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，四方光電開發了帶燃氣密度測量功能的新型家用超聲波燃氣表。同時，公司通過計算流體力學模擬，設計了一種 L 型的超聲波氣室通道，進一步降低成本，提高抗污性能，從而加強了超聲波燃氣表的競爭力。 

圖1：超聲波燃氣表模塊及 L 型氣室內部流場模擬

工商用燃氣計量多采用工業膜式表以及羅茨表。為了確保測量準確，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*表模塊研究經驗基礎上，通過流體力學模擬，在進氣口處優化設計了整流罩，確保進入各個子腔室的燃氣更加均勻平穩。由此，僅采用一組超聲波探測器就能夠完成工商業燃氣表的測量，確保了準確性和低成本。

為進一步提高超聲波燃氣表模塊性能并降低成本，公司通過對不同壓電陶瓷片直徑、厚度，基片的直徑、厚度等進行有限元仿真分析，確定探測器材料以及結構尺寸，并進行相應的工藝方案研發，實現高靈敏度超聲波探測器的自主生產。目前，四方光電燃氣表用超聲波探測器已小批量試制應用。

圖2：燃氣表用超聲波探測器設計仿真

此外，四方光電還在核心的算法上實現創新，采用雙閾值過零檢測與數據選擇技術、自動調零算法，精確計算氣體流量，抵消由于零點漂移對流量測量產生的影響。

五、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器的應用

氣體流量傳感器硬件和軟件核心技術，四方光電針對我國家用表以及五小工商戶客戶的需求，成功開發出超聲波家用和商用燃氣表。其核心傳感器部件見圖3：

圖3. 家用和商用超聲波燃氣表核心傳感器部件

解決核心燃氣表氣體流量傳感器后，就可以利用以往具有的外殼、皮膜閥、電源管理等組裝燃氣表。圖4是采用超聲波核心流量傳感器的G4燃氣表。

圖4. G4超聲波燃氣表(內置國產化核心流量傳感器)

根據燃氣表的計量要求，進行了寬量程的燃氣表誤差特性以及耐久性實驗。

圖5. G4超聲波燃氣表典型誤差曲線

圖6. G4超聲波燃氣表耐久性誤差曲線

四方光電借不僅鑒了EN-14236歐洲有關“ultrasonic-domestic-gas-meters”標準進行完整的測試，除以上圖示的基本試驗，四方光電還進行了線性度、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氣表均滿足燃氣表的各項指標要求。

六、四方光電超聲波燃氣表產品介紹

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，是一家專業從事氣體傳感器、氣體分析儀器研發、生產和銷售的*。公司開發了基于非分光紅外(NDIR)、光散射探測(LSD)、超聲波(Ultrasonic)、紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)、熱導(TCD)、激光拉曼(LRD)等原理的氣體傳感技術平臺，形成了氣體傳感器、氣體分析儀器兩大類產業生態、幾十款不同產品，廣泛應用于國內外的家電、汽車、醫療、環保、工業、能源計量等領域。  

四方光電是湖北省*知識產權示范建設企業，建設有湖北省氣體分析儀器儀表工程技術研究中心、湖北省企業技術中心，承擔了國家重大科學儀器設備開發專項、*物聯網發展專項等國家科技開發項目。公司及子公司湖北銳意入選*2019年工業強基傳感器“一條龍” 應用計劃示范企業。憑借*的技術積淀、良好的產品性能及化視野，公司已取得多家國內外企業的認可，產品銷往全國并出口到八十多個國家和地區。