超声波流量计流体计量系统的绿色“智造”先锋

在全球能源结构转型加速推进与政策驱动的双重作用下，油气输送、智慧水务及化学化工等流体计量场景正面临效率革命与智能化升级的迫切需求。

传统机械式流量计虽在工业初期有效支撑了基础计量需求，但其机械磨损、精度衰减与运维困难等固有缺陷已难以适应现代工业对精准化、智能化与可持续发展的多维诉求。

在此背景下，超声波流量计则凭借着高精度探测、可实时监测、无侵入式安装、无阻流部件、易于维护与绿色环保等优势实现了突破性发展，成为当代高精度流体计量体系中不可或缺的重要一环。

该技术不仅是撬动能源利用效率提升、支撑智慧管网建设、推动绿色工业转型的重要支点，还是促进全球可持续发展的关键助力之一。

超声波流量计：以声波为“尺”，以时间为“度”

超声波流量计是一种能直接输出数字流量信息的流体计量器件，通常涵盖一对超声换能器、测量表体以及由电子组件和微处理器系统组成的信号处理单元(SPU)，其主要通过串口方式输出瞬时流量、总流量以及流体状态等数字信息。

超声波流量计应用原理示意图

超声换能器的作用是将电信号转换为超声波信号，并发射到流体介质中，而后通过接收反射或散射的超声波信号再将其转换为电信号，以实现电能与声能的双向转换。

其通常采用对角线布局或反射式路径设计，可灵活部署于管道内外壁，形成非侵入式的测量结构。

信号处理单元（SPU）主要用于对超声换能器采集到的电信号进行一系列处理，包括放大微弱信号以提高其幅值、滤波去除噪声和干扰以提升信号质量、进行模数转换将模拟信号转为数字信号以便MCU/DSP处理，还会依据测量原理计算出流体的流速和流量，并通过特定接口将测量结果输出给显示设备或其他外部设备。

超声波流量计在进行流体计量时通常采用传输速度差法以精准测量超声波在顺流与逆流环境中的传播时间差，进而推算出流体的流速与流量——当流体静止时，双向声波传播时间相同；而流体流动时，顺流方向的声波会被加速，逆流方向的声波则被延缓。

超声波流量计测量原理示意图（时差法）

如上图所示，时差法超声波流量计测量流体流速Vm的基本原理是：通过测量超声波在顺流和逆流时传播的时间差来计算流体的流速。

假设超声波在静止流体中的传播速度为C，超声波在顺流与逆流环境下的传播时间分别为T1和T2，超声波传播路径长度为L，则其计算公式为：

时差法超声波流量计测量流体流量Qv的基本原理是：流量Qv等于流速Vm与管道横截面积S的乘积，再乘以时间换算系数（将秒换算为小时，3600s=1h），其计算公式为：

值得一提的是，凭借着温度补偿、噪声抑制和自诊断技术等优势，现代超声波流量计已展现出了传统机械流量计难以企及的性能高度。以超声波燃气表为例：

超声波燃气表的流量范围图源：GB/T 39841-2021

在量程比方面，超声波燃气表计的量程比通常＞150:1，远超涡轮流量表计、孔板流量表计与容积式流量表计等传统流量表计的测量区间；

在始动流量方面，超声波燃气表计的始动流量最小可达3dm3/h，远超传统流量表计的最小计量精度，可精准测量微小流量，为用户与能源供应商提供更准确的流量数据。

然而，现阶段，我国在超声波流量计方面的国产化程度严重偏低、市场长期依赖进口的现状亟待突破。

由于我国传感器产业起步相对较晚，因此在国际市场中，高端传感器产业的主导权仍掌握在国外少数的巨头厂商手中。

但随着国内国产芯片、智能制造与人工智能的飞速发展，国家将传感器技术列为重点突破的领域，国内传感器及芯片厂商已在中高端传感器的研发及生产方面取得较快进展。

而华普微，作为一家在高精度传感器领域潜心耕耘了二十余年的物联网系统级服务品牌厂商，基于对超声波流量传感器领域前景的精准判断，正准备在近期推出其集成自研信号处理芯片的超声波流量传感器解决方案，为高端传感器产业的国产化替代做出贡献。

展望未来，随着物联网与边缘计算技术的深度融合，超声波流量计将有望向着更智能、更集成、更互联的方向迈进。

一方面，通过与AI算法结合，其不仅能实现实时流量监测，还可预判管道异常、优化流体输送效率；另一方面，在碳中和目标的驱动下，超声波流量计将进一步赋能能源审计与绿色生产，成为工业数字化转型的关键基础设施之一。