【仪表网 仪表产业】超声波流量计量技术之于表计产业，犹如传感器技术之于集成电路产业，在我国的发展还处于技术粗糙、竞争丛林的“前现代”状态。接下来，笔者尝试从市场、技术和竞争的维度，综述超声波流量计量技术的现状。
从结构上来看
超声波流量计量设备可以分为管段式(spool piece)、内联式(inline)、外夹式(clamp on)及其它，如下图1所示：
图1 超声波流量计量设备的结构分类(Krohne)
从技术原理的角度来看
超声波流量计量设备可以分为传播时间(transmit-time)、多普勒(Doppler)以及混合式(hybrid)，如下图2、3所示：
图2 传播时间原理
图3 多普勒原理
从应用产业的角度来看
超声波流量计量设备可以分为水(与废水)管理、油和气、化学、发电、制药、空间技术及其它，主要区分在于流动介质的状态，即液态、气态或混合态(液固、气固、气液)。
按照Allied Market Research统计，2020年全球超声波流量计量设备市场的规模大约在6.5亿美元，2028年预计将会达到9.6亿美金，2021-2028的年复合增长率约为5.1%，如下图4所示：
图4 Allied Market Research全球超声波流量市场分析报告
显然，上述统计并未考虑民用市场，即应用于公共事业管理的超声波流量表计市场的庞大体量和快速增长。仅就中国而言，这一市场的总潜在市场(TAM: total addressable market)即达到了超过21亿美金(水表：按照单价30美金，产量7千万只估算)和15亿美金(燃气表：按照单价50美金，产量3千万只估算)。
当然，Allied Market Research的统计更多基于可服务市场(SAM: service available market)，反映了全球工业等市场中超声波流量计量设备的占有情况。随着中国厂商从民用市场向工业等市场进攻，可以预见这一市场的规模将会呈倍数增长。
超声波流量计量设备在工业等市场的增长逻辑主要来自于以下几个技术优势：
一、非介入式
超声波流量计量设备的换能器可以不与流动介质接触，不干扰流场，因而非常适用于腐蚀性或研磨性的介质，适用于不同的管道材质等，如下图5所示；
图5 一种非介入式(外夹式)超声波流量计量设备
二、便携性
超声波流量计量设备适用不同的安装方式，可以快速安装，也可以用于超大的管径(比如4米)。
当前，超声波流量计量设备已经被广泛应用于诸多工业场景，如石油和天然气消费计量、水和污水测量、HVAC系统中的制冷和制热流体计量、管道系统中的泄漏检测等等。
Allied Market Research认为工业等市场中超声波流量计量设备快速增长的原因有以下三点：
密闭输送的油气产业对流量计量的需求；
工业过程控制对精确计量的需求；
相对其它计量方式的技术优势。
笔者看来，公共事业管理也即民用市场中，超声波流量计量设备将会更快增长的原因也有三个方面：
一、大势所趋
饮用水和天然气资源的根本性匮乏，快速城镇化带来的人均消耗大幅度提高，叠加全球经济周期和当下世界局势的影响，水价和气价的快速上涨是必然趋势。
图6 欧洲天然气期货价格趋势图
二、超声波水、气表的性能优势
更高的精度稳定性，更实时的数据获取，可以帮助水、气公共事业部门像电力公司那样，对动态载荷进行更加细致、精确、可靠的分析，为更加可持续的供应提供解决方案；更宽的动态范围，尤其是泄漏检测功能集成在表计端，特别适合于因应燃气泄漏导致恶性事故频发的情况。
三、成本优势
显然，当下的超声波水、气表价格还是高于传统机械水表和膜式气表。但是，随着整个价值链上游技术的成熟和创新技术的不断导入，可以预见超声波技术将会因为材料成本的大幅下降和生命周期的持续延长而形成采购与维护成本的双重优势。其中一种低成本方案的结构如下图7所示。
图7 一种新型超声波基表封装结构
从区域角度来看，亚太地区无疑是超声波流量计量设备的最大市场，其次是欧洲和北美。中国和印度市场的多个相关产业的快速发展，为亚太地区的市场作出了主要贡献。
欧洲是增速最快的市场，化学、发电、油气产业以及污水管理等产业将会为该地区的市场增长提供全新的机会。
2020年，外夹式超声波流量计量设备占有最高的市场份额，同时保持着最高的年复合增长率约5.9%，得益于其便携、易安装和更少的管道切断时长。
根据换能器安装类型，工业等市场的主要超声波流量计量设备的市场占有率如下图8所示：
图8 按换能器安装类型的超声波流量计量设备的市场占有率
从技术分类来看，传播时间原理的超声波流量计量设备因其具备更高的精度而占有更大的市场优势，如下图9所示：
图9 按技术类型的超声波流量计量设备的市场占有率
按照应用分类，油气产业是超声波流量计量设备最大的市场，水和污水管理则是增速最快的市场，如下图10 所示：
图10 按应用分类的超声波流量计量设备的市场占有率
以上部分主要分析了超声波流量计量设备的分类及其市场趋势。
在Allied Market Research的统计数据之外，我们还应看到更加广阔的公共事业管理也即民用市场的快速嬗变。毫无疑问，技术创新将会进一步提高产品的精度、稳定性和可靠性，同时进一步降低系统成本，包括维护成本。
比如，2020年艾默生(Emerson)推出了Daniel T-200，一种基于金属3D打印工艺的钛封装换能器，用于油气产业密闭运输中的超声波气体流量计量。相比传统工艺，这种换能器具备更高的可靠性、运行时间以及安全性，如下图11所示：
图11 艾默生Daniel T-200钛封装3D打印换能器
Daniel T-200采用3D打印的微型金属喇叭阵列，由几何结构错综复杂的钛合金喇叭和充当谐波振荡器与匹配层的钛膜构成，通过钛金属外壳增强信号强度，可以增加声能输出，提高信噪比和测量准确度。
超声波流量计量设备的主要厂商包括Badge Meter、Baker Hughes、艾默生、Endress+Hauser、Faure Herman、富士电机、霍尼韦尔、Krohne、西门子以及Spectris。与领先品牌相比，中国本土品牌在技术积累、产品覆盖、全球化拓展方面依然存在极大的差距。
本土品牌走出丛林竞争的关键，也许在于以下两点：
学习领先品牌，提高品类覆盖，占领中、高毛利市场；
投入技术创新，采用新材料、新工艺、新技术来强化细分品类的竞争优势。
写在最后
计量是传感器技术中的明珠，超声波流量计量广泛而又深入的涉及到材料、机械、流体、声学、自动化、微电子等学科，只有在每一个领域内扎实的投入并在系统层面进行融汇，同时大胆尝试创新技术，也许才能帮助我们一步步站到全球领先的潮头。
以上一家之言，言者无罪，闻者足戒？
文章来源：《环球表计》2022年上半年刊
文章作者：黄孙峰
文章标题：《超声波流量计量技术综述》
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