一、燃氣表行業背景分析
2020年，中國能源需求的保守預估值是50億噸標準煤。滿足上述需求，無論是增加國內能源供應還是利用國外資源，能源供給側將面臨巨大壓力。我國煤炭為主能源結構產生的污染遠超環境容量，環境承擔力將面對嚴峻挑戰；因此，調整煤炭主導的不合理能源結構刻不容緩。以氣代煤是現有技術條件下，治理環境污染的有力舉措。天然氣作為清潔能源得到重點關注，消費量持續上升。在這些燃氣迅速發展的利好消息促進下，燃氣計量行業將迎來巨大的發展契機。
膜式燃氣表因其技術成熟、質量穩定和價格低廉等優點，在我國城市燃氣發展中得到廣泛應用，隨著計算機和微電子技術的發展，膜式表也逐步實現了智能化，目前在燃氣計量行業仍然占據著主導地位。但膜式燃氣表結構復雜、易磨損、易受管道介質溫度壓力等客觀因素的影響，導致測量精度降低。熱式(MEMS)燃氣表是利用熱傳遞原理測量燃氣標準狀況下流量的一種新型燃氣計量器具，采用全電子結構，無機械運轉部件，體積小、精度高。雖然可以針對特定天然氣組分進行修正，但是從原理上還是易受多種不同氣體組分影響，溫度的影響修正也相對復雜，同時長期的污染物沉積使得MEMS芯片響應變慢影響精度，使得其應用受到限制。超聲波燃氣表以其非接觸測量、無可動部件、無壓力損失、極高的計量精度和可結合更多的智能化應用等優勢，引起國內外的高度重視，是近年來燃氣計量領域的開發熱點。
二、超聲波燃氣表的研究與應用現狀
其實早在上世紀九十年代，英國、德國等國的多家燃氣公司已陸續開發了超聲波燃氣表。受當時超聲波探頭、計時芯片、電子技術等的因素限制，價格還是非常高昂，無法與傳統膜式燃氣表競爭。進入二十世紀后，超聲波燃氣表的關鍵部件價格大大降低，迎來了超聲波燃氣表的快速發展。日本東京燃氣公司于2003年7月開展了超聲波燃氣表的各種現場測試，于2005年率先安裝了5000臺超聲波燃氣表至用戶家中，在2008年全面使用超聲波燃氣表。目前國際上的超聲波燃氣表技術主要來源于松下、西門子等公司，他們在超聲波領域深耕多年，從流道結構、軟件算法、超聲波換能器及模塊到整機，都有著諸多專利。雖然國內現有多家燃氣表公司已開始研發超聲波燃氣表，但是大多數廠家還是使用松下的超聲波燃氣表傳感器方案，也就是購買松下的電路板和超聲波探測器，自己配套外殼組裝成超聲波燃氣表。這樣的模式使得國內廠家生產的超聲波燃氣表價格偏高，市場推廣受到限制。我國燃氣表產業生態已經基本建立，因此積極開展自主知識產權、可以滿足燃氣表規范要求的超聲波氣體流量傳感器的技術研究，對于打破國外技術壟斷、促進我國燃氣表轉型升級發展具有重要意義。
三、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器核心關鍵
(1)超聲波換能器的自主研制。目前滿足超聲波燃氣表計量要求的核心部件的超聲波換能器基本都是進口，價格占總成本的40%。國產超聲波燃氣表的核心難點在于超聲波換能器的自主研發，超聲波換能器的自主研發主要受限于其帶寬以及高低溫特性，一般在超聲波燃氣表的內管道上，兩個超聲波換能器之間的距離在50-70毫米之間。要求換能器的帶寬達到±10%以上，測量到的第二個發射波的高度要盡可能高，好能夠達到100mV以上。除此之外，還需要考慮不同溫度下的測試漂移。
(2)燃氣表的性能和穩定性問題。超聲波燃氣表由于無機械部件，理論上穩定性較傳統膜式表要高很多，但膜式表在國內多年的使用中，已廣泛被燃氣表公司和客戶接受。超聲波燃氣表如何在穩定性上達到燃氣表公司的需求，打消燃氣表公司的顧慮，是超聲波燃氣表邁向市場化的非常重要的一關。
(3)氣體污染問題。與膜式燃氣表一樣，由于超聲波燃氣表的常年運行，燃氣中的粉塵或雜質會附著在超聲波換能器上，影響換能器對信號的接收敏感度，從而影響燃氣表測量準確度。
(4)氣源適應性問題。天然氣密度比空氣小，信號也較空氣小；不同密度的氣體通過超聲波換能器后，其信號的波形會很不穩定。超聲波信號傳輸會受傳播介質、環境(溫度、濕度、壓力)以及管道內反射等各種因素影響，接收到的超聲波信號通常存在著波形變化、幅值變化。因此，家用波燃氣表要想進入家庭，并廣泛使用，對氣源的適應性是需要克服的最重要一關。
四、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器技術特點
四方光電公司自2008年開展對超聲波氣體傳感器的研究以來，通過在超聲波換能器、時間計量芯片以及時差自動計算方法、流程成分同時感知等領域取得突破，特別是在超聲波氧氣流量傳感器、超聲波沼氣流量計等領域實現了規模化生產應用，具有較好的技術和產業基礎。針對家用燃氣表需要的超寬量程比、寬溫度范圍、抗污能力、脈動氣流測量等特殊要求，四方光電開發了帶燃氣密度測量功能的新型家用超聲波燃氣表。同時，公司通過計算流體力學模擬，設計了一種 L 型的超聲波氣室通道，進一步降低成本，提高抗污性能，從而加強了超聲波燃氣表的競爭力。
