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世界计量日|陶瓷传感器“破译”超声密码 燃气精准计量新时代或将开启

李春梅  李波   来源:大众新闻·鲁中晨报

2025-05-20 11:37:42原创

编者按:

5月20日是国际计量日(World Metrology Day)。

1875年5月20日,为了保证在国际范围内计量单位和物理量测量的统一,17个国家的代表在巴黎签订了“米制公约”,建立并保存国际原器进行各国基准的比对和技术协调,建立国际单位制并负责改进计量工作。

2025年是《米制公约》签署150周年,主题为“历久弥新,普惠众生”。从150年前到现在,计量“求精准、度万物、量天地、衡公平”的作用和目的没有变,但计量领域、方法和围绕计量甚至测量的科技发展,却翻天覆地。

老工业城市淄博,依托产业和科技创新优势,在精准测量这一细分赛道上持续发力,刻出新精度,攀上新高度。

还有大概一个月的时间,淄博宇声计量科技有限公司总经理孙兆海和他的团队,将迎来宇声智能超声波燃气表的型式试验结果。通过型式试验这一国家标准验证试验后,超声波燃气表系列产品就可以正式上市了。

具备100%自主知识产权、超声计量软硬件100%国产化,该系列超声波燃气表的上市,或将开启燃气计量新时代。

超声波燃气表是一种利用超声波技术进行气体流量测量的仪表,相比目前普遍使用的机械膜式燃气表,在性能稳定性、计量精度、测量范围以及使用寿命等方面优势明显。

举例说,传统的膜式燃气表,始动流量一般高于10升每小时,机械磨损也会导致误差增大;而宇声的民用智能超声波燃气表始动流量低于1升每小时,微小流量也能精确计量,还能防盗气、早期泄露分析预警,因为没有机械磨损,计量精度不会随着时间变化而变化,使用寿命可达10-15年。

超声波燃气表的优势来源于由超声波传感器、流道和计量测控电路三部分组成的机芯模块,而用特殊陶瓷敏感材料——压电陶瓷研制的超声波传感器,更是机芯的“核心”。

控制陶瓷的成分和烧结条件等,将改变陶瓷的微观结构,使陶瓷材料对磁性、温度、压力和光强变化特别敏感,再加上陶瓷材料耐腐蚀、硬度高、易成型、高温性能稳定、更经济实惠等优点,近年来这类压电陶瓷在世界范围内成为传感器领域的“新宠”。

但是,如何让压电陶瓷“破译”超声“密码”,对超声波“敏感”而且性能稳定,很长时间来都是一个难题,目前,国际上也仅有少数公司具备超声计量模组设计能力。

看着付出十多年心血的超声波燃气表,孙兆海很感慨。

孙兆海另一个身份是淄博宇海电子陶瓷有限公司董事长,公司是国内最早从事压电陶瓷元件生产的专业厂家、中国电子元件行业协会创始会员,由国营淄博无线电瓷件厂改制而来。基于在压电陶瓷领域的研发实力,宇海电子吸引到海外专家,由此开始了超声波传感器的研发。

虽然有40多年的行业经验,孙兆海面对新材料的研发还是忍不住感慨:“太难了!数不清楚做了多少次实验!”

首先是选材料。超声波压电传感器涉及到的材料比较多,每一个厂家的产品,材料组份都不一样。为了找到合适的材料,科研团队选择了十几个厂家的材料,逐一分析;

然后是提纯。传感器所用的陶瓷材料不能含铝等杂质,提纯精度要求极高,过程非常繁复,一种材料的提纯,常常要耗费几个月时间;

在制备工艺上,要找到陶瓷材料最佳的研磨时间、最合适的粒径大小、适宜的合成温度等,十几个工序必须多次重复进行……

“仅仅一个传感器材料,就用了两年多才研制出来。”

研发团队一位负责人介绍,好在大家的心血没有白费,材料的性能在国内是一流的:国家标准要求通过23±2℃等温度环境下的频率、电路和阻抗等关键性能指标,但为了适应更广地域范围的温度环境,宇声的超声波传感器能在-40℃—60℃的温度范围内正常工作,还适用于来自各地不同气源、不同组份的天然气和液化天然气(LNG),具备广谱适用性。

材料和换能器研发成功后,团队随即开始对流道和计量测控电路进行研究。2016年成立淄博宇声计量科技有限公司,设计完成民用和工商业全系列超声波燃气表产品,完成知识产权专利保护,并具备批量化生产能力。初步形成以淄博为中心的超声波计量产业基地,包含流道注塑、壳体压铸、外形生产、SMT加工、计量数据服务等上下游配套产业链。

“具备100%自主知识产权、超声计量软硬件100%国产化,并且达到国际先进水平。”孙兆海自豪地介绍,宇声超声波燃气表,是国内第一款自主研发的采用超声波气体流量技术的测量仪表。目前,该产品已在新疆、浙江、广东和河南等多个省区进行了使用测试,性能受到广泛好评。

未来,“做全球超声波计量核心技术领导者,为先进的超声波智能表技术领先世界贡献中国智慧”,成为宇声计量的愿景。

(大众日报淄博融媒体中心记者李春梅 李波)

责任编辑:李中丽