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(diǎn)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?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?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(shí)長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|測量、無可動部件、無壓力損失、極高的計(jì)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?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、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(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(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)場測試，于2005年率先安裝了5000臺超聲波燃?xì)獗碇劣脩艏抑?，?008年全面使用超聲波燃?xì)獗?。目前國際上的超聲波燃?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)，都有著諸多專利。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?，但是大多?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(jià)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)獗碛脷怏w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%。國產(chǎn)超聲波燃?xì)獗淼暮诵碾y點(diǎn)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(gè)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(gè)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?，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??；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(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)性是需要克服的最重要一關(guān)。
四、超聲波燃?xì)獗碛脷怏w流量傳感器技術(shù)特點(diǎn)
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(shí)間計(jì)量芯片以及時(shí)差自動計(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)。針對家用燃?xì)獗硇枰某瑢捔砍瘫?、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(shí)，公司通過計(jì)算流體力學(xué)模擬，設(shè)計(jì)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?/p>
