【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】超聲波流量計量技術(shù)之于表計產(chǎn)業(yè)，猶如傳感器技術(shù)之于集成電路產(chǎn)業(yè)，在我國的發(fā)展還處于技術(shù)粗糙、競爭叢林的“前現(xiàn)代”狀態(tài)。接下來，筆者嘗試從市場、技術(shù)和競爭的維度，綜述超聲波流量計量技術(shù)的現(xiàn)狀。
從結(jié)構(gòu)上來看
超聲波流量計量設(shè)備可以分為管段式(spool piece)、內(nèi)聯(lián)式(inline)、外夾式(clamp on)及其它，如下圖1所示：
圖1 超聲波流量計量設(shè)備的結(jié)構(gòu)分類(Krohne)
從技術(shù)原理的角度來看
超聲波流量計量設(shè)備可以分為傳播時間(transmit-time)、多普勒(Doppler)以及混合式(hybrid)，如下圖2、3所示：
圖2 傳播時間原理
圖3 多普勒原理
從應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的角度來看
超聲波流量計量設(shè)備可以分為水(與廢水)管理、油和氣、化學(xué)、發(fā)電、制藥、空間技術(shù)及其它，主要區(qū)分在于流動介質(zhì)的狀態(tài)，即液態(tài)、氣態(tài)或混合態(tài)(液固、氣固、氣液)。
按照Allied Market Research統(tǒng)計，2020年全球超聲波流量計量設(shè)備市場的規(guī)模大約在6.5億美元，2028年預(yù)計將會達到9.6億美金，2021-2028的年復(fù)合增長率約為5.1%，如下圖4所示：
圖4 Allied Market Research全球超聲波流量市場分析報告
顯然，上述統(tǒng)計并未考慮民用市場，即應(yīng)用于公共事業(yè)管理的超聲波流量表計市場的龐大體量和快速增長。僅就中國而言，這一市場的總潛在市場(TAM: total addressable market)即達到了超過21億美金(水表：按照單價30美金，產(chǎn)量7千萬只估算)和15億美金(燃氣表：按照單價50美金，產(chǎn)量3千萬只估算)。
當然，Allied Market Research的統(tǒng)計更多基于可服務(wù)市場(SAM: service available market)，反映了全球工業(yè)等市場中超聲波流量計量設(shè)備的占有情況。隨著中國廠商從民用市場向工業(yè)等市場進攻，可以預(yù)見這一市場的規(guī)模將會呈倍數(shù)增長。
超聲波流量計量設(shè)備在工業(yè)等市場的增長邏輯主要來自于以下幾個技術(shù)優(yōu)勢：
一、非介入式
超聲波流量計量設(shè)備的換能器可以不與流動介質(zhì)接觸，不干擾流場，因而非常適用于腐蝕性或研磨性的介質(zhì)，適用于不同的管道材質(zhì)等，如下圖5所示；
圖5 一種非介入式(外夾式)超聲波流量計量設(shè)備
二、便攜性
超聲波流量計量設(shè)備適用不同的安裝方式，可以快速安裝，也可以用于超大的管徑(比如4米)。
當前，超聲波流量計量設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)場景，如石油和天然氣消費計量、水和污水測量、HVAC系統(tǒng)中的制冷和制熱流體計量、管道系統(tǒng)中的泄漏檢測等等。
Allied Market Research認為工業(yè)等市場中超聲波流量計量設(shè)備快速增長的原因有以下三點：
密閉輸送的油氣產(chǎn)業(yè)對流量計量的需求；
工業(yè)過程控制對精確計量的需求；
相對其它計量方式的技術(shù)優(yōu)勢。
筆者看來，公共事業(yè)管理也即民用市場中，超聲波流量計量設(shè)備將會更快增長的原因也有三個方面：
一、大勢所趨
飲用水和天然氣資源的根本性匱乏，快速城鎮(zhèn)化帶來的人均消耗大幅度提高，疊加全球經(jīng)濟周期和當下世界局勢的影響，水價和氣價的快速上漲是必然趨勢。
圖6 歐洲天然氣期貨價格趨勢圖
二、超聲波水、氣表的性能優(yōu)勢
更高的精度穩(wěn)定性，更實時的數(shù)據(jù)獲取，可以幫助水、氣公共事業(yè)部門像電力公司那樣，對動態(tài)載荷進行更加細致、精確、可靠的分析，為更加可持續(xù)的供應(yīng)提供解決方案；更寬的動態(tài)范圍，尤其是泄漏檢測功能集成在表計端，特別適合于因應(yīng)燃氣泄漏導(dǎo)致惡性事故頻發(fā)的情況。
三、成本優(yōu)勢
顯然，當下的超聲波水、氣表價格還是高于傳統(tǒng)機械水表和膜式氣表。但是，隨著整個價值鏈上游技術(shù)的成熟和創(chuàng)新技術(shù)的不斷導(dǎo)入，可以預(yù)見超聲波技術(shù)將會因為材料成本的大幅下降和生命周期的持續(xù)延長而形成采購與維護成本的雙重優(yōu)勢。其中一種低成本方案的結(jié)構(gòu)如下圖7所示。
圖7 一種新型超聲波基表封裝結(jié)構(gòu)
從區(qū)域角度來看，亞太地區(qū)無疑是超聲波流量計量設(shè)備的最大市場，其次是歐洲和北美。中國和印度市場的多個相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為亞太地區(qū)的市場作出了主要貢獻。
歐洲是增速最快的市場，化學(xué)、發(fā)電、油氣產(chǎn)業(yè)以及污水管理等產(chǎn)業(yè)將會為該地區(qū)的市場增長提供全新的機會。
2020年，外夾式超聲波流量計量設(shè)備占有最高的市場份額，同時保持著最高的年復(fù)合增長率約5.9%，得益于其便攜、易安裝和更少的管道切斷時長。
根據(jù)換能器安裝類型，工業(yè)等市場的主要超聲波流量計量設(shè)備的市場占有率如下圖8所示：
圖8 按換能器安裝類型的超聲波流量計量設(shè)備的市場占有率
從技術(shù)分類來看，傳播時間原理的超聲波流量計量設(shè)備因其具備更高的精度而占有更大的市場優(yōu)勢，如下圖9所示：
圖9 按技術(shù)類型的超聲波流量計量設(shè)備的市場占有率
按照應(yīng)用分類，油氣產(chǎn)業(yè)是超聲波流量計量設(shè)備最大的市場，水和污水管理則是增速最快的市場，如下圖10 所示：
圖10 按應(yīng)用分類的超聲波流量計量設(shè)備的市場占有率
以上部分主要分析了超聲波流量計量設(shè)備的分類及其市場趨勢。
在Allied Market Research的統(tǒng)計數(shù)據(jù)之外，我們還應(yīng)看到更加廣闊的公共事業(yè)管理也即民用市場的快速嬗變。毫無疑問，技術(shù)創(chuàng)新將會進一步提高產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性，同時進一步降低系統(tǒng)成本，包括維護成本。
比如，2020年艾默生(Emerson)推出了Daniel T-200，一種基于金屬3D打印工藝的鈦封裝換能器，用于油氣產(chǎn)業(yè)密閉運輸中的超聲波氣體流量計量。相比傳統(tǒng)工藝，這種換能器具備更高的可靠性、運行時間以及安全性，如下圖11所示：
圖11 艾默生Daniel T-200鈦封裝3D打印換能器
Daniel T-200采用3D打印的微型金屬喇叭陣列，由幾何結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜的鈦合金喇叭和充當諧波振蕩器與匹配層的鈦膜構(gòu)成，通過鈦金屬外殼增強信號強度，可以增加聲能輸出，提高信噪比和測量準確度。
超聲波流量計量設(shè)備的主要廠商包括Badge Meter、Baker Hughes、艾默生、Endress+Hauser、Faure Herman、富士電機、霍尼韋爾、Krohne、西門子以及Spectris。與領(lǐng)先品牌相比，中國本土品牌在技術(shù)積累、產(chǎn)品覆蓋、全球化拓展方面依然存在極大的差距。
本土品牌走出叢林競爭的關(guān)鍵，也許在于以下兩點：
學(xué)習(xí)領(lǐng)先品牌，提高品類覆蓋，占領(lǐng)中、高毛利市場；
投入技術(shù)創(chuàng)新，采用新材料、新工藝、新技術(shù)來強化細分品類的競爭優(yōu)勢。
寫在最后
計量是傳感器技術(shù)中的明珠，超聲波流量計量廣泛而又深入的涉及到材料、機械、流體、聲學(xué)、自動化、微電子等學(xué)科，只有在每一個領(lǐng)域內(nèi)扎實的投入并在系統(tǒng)層面進行融匯，同時大膽嘗試創(chuàng)新技術(shù)，也許才能幫助我們一步步站到全球領(lǐng)先的潮頭。
以上一家之言，言者無罪，聞?wù)咦憬洌?br />
文章來源：《環(huán)球表計》2022年上半年刊
文章作者：黃孫峰
文章標題：《超聲波流量計量技術(shù)綜述》
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