超聲波流量計(jì) 流體計(jì)量系統(tǒng)的綠色“智造”先鋒

在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)與政策驅(qū)動(dòng)的雙重作用下，油氣輸送、智慧水務(wù)及化學(xué)化工等流體計(jì)量場(chǎng)景正面臨效率革命與智能化升級(jí)的迫切需求。

傳統(tǒng)機(jī)械式流量計(jì)雖在工業(yè)初期有效支撐了基礎(chǔ)計(jì)量需求，但其機(jī)械磨損、精度衰減與運(yùn)維困難等固有缺陷已難以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)精準(zhǔn)化、智能化與可持續(xù)發(fā)展的多維訴求。

在此背景下，超聲波流量計(jì)則憑借著高精度探測(cè)、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)侵入式安裝、無(wú)阻流部件、易于維護(hù)與綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了突破性發(fā)展，成為當(dāng)代高精度流體計(jì)量體系中不可或缺的重要一環(huán)。

該技術(shù)不僅是撬動(dòng)能源利用效率提升、支撐智慧管網(wǎng)建設(shè)、推動(dòng)綠色工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要支點(diǎn)，還是促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵助力之一。

超聲波流量計(jì)：以聲波為“尺”，以時(shí)間為“度”

超聲波流量計(jì)是一種能直接輸出數(shù)字流量信息的流體計(jì)量器件，通常涵蓋一對(duì)超聲換能器、測(cè)量表體以及由電子組件和微處理器系統(tǒng)組成的信號(hào)處理單元(SPU)，其主要通過(guò)串口方式輸出瞬時(shí)流量、總流量以及流體狀態(tài)等數(shù)字信息。

超聲換能器的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，并發(fā)射到流體介質(zhì)中，而后通過(guò)接收反射或散射的超聲波信號(hào)再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)電能與聲能的雙向轉(zhuǎn)換。

其通常采用對(duì)角線布局或反射式路徑設(shè)計(jì)，可靈活部署于管道內(nèi)外壁，形成非侵入式的測(cè)量結(jié)構(gòu)。

信號(hào)處理單元（SPU）主要用于對(duì)超聲換能器采集到的電信號(hào)進(jìn)行一系列處理，包括放大微弱信號(hào)以提高其幅值、濾波去除噪聲和干擾以提升信號(hào)質(zhì)量、進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)以便MCU/DSP處理，還會(huì)依據(jù)測(cè)量原理計(jì)算出流體的流速和流量，并通過(guò)特定接口將測(cè)量結(jié)果輸出給顯示設(shè)備或其他外部設(shè)備。

超聲波流量計(jì)在進(jìn)行流體計(jì)量時(shí)通常采用傳輸速度差法以精準(zhǔn)測(cè)量超聲波在順流與逆流環(huán)境中的傳播時(shí)間差，進(jìn)而推算出流體的流速與流量——當(dāng)流體靜止時(shí)，雙向聲波傳播時(shí)間相同；而流體流動(dòng)時(shí)，順流方向的聲波會(huì)被加速，逆流方向的聲波則被延緩。

如上圖所示，時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量流體流速Vm的基本原理是：通過(guò)測(cè)量超聲波在順流和逆流時(shí)傳播的時(shí)間差來(lái)計(jì)算流體的流速。

假設(shè)超聲波在靜止流體中的傳播速度為C，超聲波在順流與逆流環(huán)境下的傳播時(shí)間分別為T(mén)1和T2，超聲波傳播路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則其計(jì)算公式為：

時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量流體流量Qv的基本原理是：流量Qv等于流速Vm與管道橫截面積S的乘積，再乘以時(shí)間換算系數(shù)（將秒換算為小時(shí)，3600s=1h），其計(jì)算公式為：

值得一提的是，憑借著溫度補(bǔ)償、噪聲抑制和自診斷技術(shù)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代超聲波流量計(jì)已展現(xiàn)出了傳統(tǒng)機(jī)械流量計(jì)難以企及的性能高度。以超聲波燃?xì)獗頌槔?/p>

超聲波燃?xì)獗淼牧髁糠秶?圖源：GB/T 39841-2021

在量程比方面，超聲波燃?xì)獗碛?jì)的量程比通常＞150:1，遠(yuǎn)超渦輪流量表計(jì)、孔板流量表計(jì)與容積式流量表計(jì)等傳統(tǒng)流量表計(jì)的測(cè)量區(qū)間；

在始動(dòng)流量方面，超聲波燃?xì)獗碛?jì)的始動(dòng)流量最小可達(dá)3dm3/h，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)流量表計(jì)的最小計(jì)量精度，可精準(zhǔn)測(cè)量微小流量，為用戶與能源供應(yīng)商提供更準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

然而，現(xiàn)階段，我國(guó)在超聲波流量計(jì)方面的國(guó)產(chǎn)化程度嚴(yán)重偏低、市場(chǎng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀亟待突破。

超聲波流量計(jì)，國(guó)產(chǎn)迭代正當(dāng)時(shí)

由于我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，因此在國(guó)際市場(chǎng)中，高端傳感器產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)權(quán)仍掌握在國(guó)外少數(shù)的巨頭廠商手中。

但隨著國(guó)內(nèi)國(guó)產(chǎn)芯片、智能制造與人工智能的飛速發(fā)展，國(guó)家將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)突破的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)傳感器及芯片廠商已在中高端傳感器的研發(fā)及生產(chǎn)方面取得較快進(jìn)展。

而華普微，作為一家在高精度傳感器領(lǐng)域潛心耕耘了二十余年的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)服務(wù)品牌廠商，基于對(duì)超聲波流量傳感器領(lǐng)域前景的精準(zhǔn)判斷，正準(zhǔn)備在近期推出其集成自研信號(hào)處理芯片的超聲波流量傳感器解決方案，為高端傳感器產(chǎn)業(yè)的國(guó)產(chǎn)化替代做出貢獻(xiàn)。

展望未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算技術(shù)的深度融合，超聲波流量計(jì)將有望向著更智能、更集成、更互聯(lián)的方向邁進(jìn)。

一方面，通過(guò)與AI算法結(jié)合，其不僅能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)，還可預(yù)判管道異常、優(yōu)化流體輸送效率；另一方面，在碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，超聲波流量計(jì)將進(jìn)一步賦能能源審計(jì)與綠色生產(chǎn)，成為工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。