超聲波流量計 流體計量系統(tǒng)的綠色“智造”先鋒

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

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

在此背景下，超聲波流量計則憑借著高精度探測、可實時監(jiān)測、無侵入式安裝、無阻流部件、易于維護與綠色環(huán)保等優(yōu)勢實現(xiàn)了突破性發(fā)展，成為當(dāng)代高精度流體計量體系中不可或缺的重要一環(huán)。

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

超聲波流量計：以聲波為“尺”，以時間為“度”

超聲波流量計是一種能直接輸出數(shù)字流量信息的流體計量器件，通常涵蓋一對超聲換能器、測量表體以及由電子組件和微處理器系統(tǒng)組成的信號處理單元(SPU)，其主要通過串口方式輸出瞬時流量、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轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并發(fā)射到流體介質(zhì)中，而后通過接收反射或散射的超聲波信號再將其轉(zhuǎn)換為電信號，以實現(xiàn)電能與聲能的雙向轉(zhuǎn)換。

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

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

超聲波流量計在進行流體計量時通常采用傳輸速度差法以精準測量超聲波在順流與逆流環(huán)境中的傳播時間差，進而推算出流體的流速與流量——當(dāng)流體靜止時，雙向聲波傳播時間相同；而流體流動時，順流方向的聲波會被加速，逆流方向的聲波則被延緩。

如上圖所示，時差法超聲波流量計測量流體流速Vm的基本原理是：通過測量超聲波在順流和逆流時傳播的時間差來計算流體的流速。

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)境下的傳播時間分別為T1和T2，超聲波傳播路徑長度為L，則其計算公式為：

時差法超聲波流量計測量流體流量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，再乘以時間換算系數(shù)（將秒換算為小時，3600s=1h），其計算公式為：

值得一提的是，憑借著溫度補償、噪聲抑制和自診斷技術(shù)等優(yōu)勢，現(xiàn)代超聲波流量計已展現(xiàn)出了傳統(tǒng)機械流量計難以企及的性能高度。以超聲波燃氣表為例：

超聲波燃氣表的流量范圍 圖源：GB/T 39841-2021

在量程比方面，超聲波燃氣表計的量程比通常＞150:1，遠超渦輪流量表計、孔板流量表計與容積式流量表計等傳統(tǒng)流量表計的測量區(qū)間；

在始動流量方面，超聲波燃氣表計的始動流量最小可達3dm3/h，遠超傳統(tǒng)流量表計的最小計量精度，可精準測量微小流量，為用戶與能源供應(yīng)商提供更準確的流量數(shù)據(jù)。

然而，現(xiàn)階段，我國在超聲波流量計方面的國產(chǎn)化程度嚴重偏低、市場長期依賴進口的現(xiàn)狀亟待突破。

超聲波流量計，國產(chǎn)迭代正當(dāng)時

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

但隨著國內(nèi)國產(chǎn)芯片、智能制造與人工智能的飛速發(fā)展，國家將傳感器技術(shù)列為重點突破的領(lǐng)域，國內(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)級服務(wù)品牌廠商，基于對超聲波流量傳感器領(lǐng)域前景的精準判斷，正準備在近期推出其集成自研信號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)的國產(chǎn)化替代做出貢獻。

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

一方面，通過與AI算法結(jié)合，其不僅能實現(xiàn)實時流量監(jiān)測，還可預(yù)判管道異常、優(yōu)化流體輸送效率；另一方面，在碳中和目標的驅(qū)動下，超聲波流量計將進一步賦能能源審計與綠色生產(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。