一、燃气表行业背景分析

2020年，中国能源需求的保守预估值是50亿吨标准煤。满足上述需求，无论是增加国内能源供应还是利用国外资源，能源供给侧将面临巨大压力。我国煤炭为主能源结构产生的污染远超环境容量，环境承担力将面对严峻挑战；因此，调整煤炭主导的不合理能源结构刻不容缓。以气代煤是现有技术条件下，治理环境污染的有力举措。天然气作为清洁能源得到重点关注，消费量持续上升。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，无机械运转部件，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。超声波燃气表以其非接触测量、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、超声波燃气表的研究与应用现状

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燃气表。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，超声波燃气表的关键部件价格大大降低，迎来了超声波燃气表的快速发展。日本东京燃气公司于2003年7月开展了超声波燃气表的各种现场测试，于2005年率先安装了5000台超声波燃气表至用户家中，在2008年全面使用超声波燃气表。目前上的超声波燃气表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。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波燃气表，但是大多数厂家还是使用松下的超声波燃气表传感器方案，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燃气表。这样的模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格偏高，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、促进我国燃气表转型升级发展具有重要意义。

三、超声波燃气表用气体流量传感器核心关键

（1）超声波换能器的自主研制。目前满足超声波燃气表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%。国产超声波燃气表的核心难点在于超声波换能器的自主研发，超声波换能器的自主研发主要受限于其带宽以及高低温特性，一般在超声波燃气表的内管道上，两个超声波换能器之间的距离在50-70毫米之间。要求换能器的带宽达到±10%以上，测量到的第二个发射波的高度要尽可能高，好能够达到100mV以上。除此之外，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。超声波燃气表由于无机械部件，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。超声波燃气表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，是超声波燃气表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，由于超声波燃气表的常年运行，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*重要一关。

四、超声波燃气表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，具有较好的技术和产业基础。针对家用燃气表需要的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动气流测量等特殊要求，四方光电开发了带燃气密度测量功能的新型家用超声波燃气表。同时，公司通过计算流体力学模拟，设计了一种 L 型的超声波气室通道，进一步降低成本，提高抗污性能，从而加强了超声波燃气表的竞争力。 

图1：超声波燃气表模块及 L 型气室内部流场模拟

工商用燃气计量多采用工业膜式表以及罗茨表。为了确保测量准确，超声波气体流量计采用多组超声波探测器，成本和功耗较高。四方光电在家用燃气表模块研究经验基础上，通过流体力学模拟，在进气口处优化设计了整流罩，确保进入各个子腔室的燃气更加均匀平稳。由此，仅采用一组超声波探测器就能够完成工商业燃气表的测量，确保了准确性和低成本。

为进一步提高超声波燃气表模块性能并降低成本，公司通过对不同压电陶瓷片直径、厚度，基片的直径、厚度等进行有限元仿真分析，确定探测器材料以及结构尺寸，并进行相应的工艺方案研发，实现高灵敏度超声波探测器的自主生产。目前，四方光电燃气表用超声波探测器已小批量试制应用。

图2：燃气表用超声波探测器设计仿真

此外，四方光电还在核心的算法上实现创新，采用双阈值过零检测与数据选择技术、自动调零算法，精确计算气体流量，抵消由于零点漂移对流量测量产生的影响。

五、超声波燃气表用气体流量传感器的应用

基于的气体流量传感器硬件和软件核心技术，四方光电针对我国家用表以及五小工商户客户的需求，成功开发出超声波家用和商用燃气表。其核心传感器部件见图3：

图3. 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件

解决核心燃气表气体流量传感器后，就可以利用以往具有的外壳、皮膜阀、电源管理等组装燃气表。图4是采用超声波核心流量传感器的G4燃气表。

图4. G4超声波燃气表(内置国产化核心流量传感器)

根据燃气表的计量要求，进行了宽量程的燃气表误差特性以及耐久性实验。

图5. G4超声波燃气表典型误差曲线

图6. G4超声波燃气表耐久性误差曲线

四方光电借不仅鉴了EN-14236欧洲有关“ultrasonic-domestic-gas-meters”标准进行完整的测试，除以上图示的基本试验，四方光电还进行了线性度、压损、高低温、交变湿热、耐粉尘、脉动流量等试验。试验表明，四方光电基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表均满足燃气表的各项指标要求。