超聲流量計的市場分析

從產品發展史看，超聲流量計（以下簡稱USF ）、電磁流量計和科里奧利質量流量計（下簡稱質量流量計）是在上世紀60-70年代引入市場。因為它們都屬于無阻流測量同時也無任何可動部件，所以使用和維護上要比傳統的孔板、渦輪流量計等要簡便；另一方面，這三種流量計的測量精度高銷售價格卻在不斷下調，這使得業內外人士均看好它們的發展前景。如果說超聲、電磁和質量流量計在當今的流量計市場呈三足鼎立之勢，絕大多數的人士均會表示贊同。但從銷售金額和臺數看，USF要落后于電磁和質量流量計。當前在應用行業上，USF也不具有電磁流量計在造紙或污水行業，質量流量計在石化行業那樣的優勢地位。人們不禁疑問USF是否跟得上同時代其它兩類流量計的發展速率？但如果分析USF近年的技術和市場發展后，就會得出這樣的結論，USF市場是一個充滿著生機和機遇的市場。


    超聲流量計的發展

     USF早期僅在給排水和部分石化行業主要用作管網流量評估和過程控制。經過30多年的發展，USF涉及了工業領域的各行業，從應用數量上觀察主要是在給水、排水、油氣、煉化和能源計量等行業，應用也從簡單的流量監測擴展到流體的貿易交接計量等，如圖2。


     （2）超聲流量計的技術進步

     技術革新使USF在應用范圍獲得擴展，如智能化信號處理技術，放寬了介質中所含氣泡和固體顆粒的限制條件；通過增加傳感器聲道等措施，不僅改善了流態對測量的影響，同時使得測量精度有顯著突破。

     （2.1）超聲傳感器聲道布置改進：流體在測量管內流動，現場管道和介質情況各不相同，所以速度分布形成的流態也各有不同。典型的流態分布可分為湍流層和層流層。而實際情況更為負雜，還有不少情況屬于湍流層和層流層的中間狀態過渡層。研究表明：相同流量當流態分別為層流或紊流時，對于采用單聲道USF，兩者引入最大測量誤差可達到30%。雖然大多數單聲道USF都具有自動校正流速分布影響技術，但實際精度大都在 2-5% F.S之間。一般說來聲道數愈高，精度愈高。多年前的研究結果已證明增加聲道的數量可以提高測量的精度。現在市場上的雙聲道USF測量誤差為0.5% M.V，三聲道0.3％ M .V和五聲道的精度可達到0.15% M .V。為減少流態變化對測量結果的影響，單靠增加聲道數是不夠的。聲道的合理布置是提高精度的關鍵，這需要混合邏輯算法作為基礎，也是各相關制造商的專利所在。如圖3示五聲道超聲波作類似斷層狀掃描可覆蓋整個流速分布，所以不管流態的實際分布如何，USF的精度均可達到0.15%。另外一種方法是多次反射式,它的特點在于多次反射造成聲道也相應延長，從而易于后位電子線路處理，對于小口徑的瞬時分辨率要求相應減低。如圖4示，多反射式USF以螺旋狀路徑(發射換能器→1→2→3→4→5→接收換能器)掃描測量管流通空間。這樣可以提高測量精度，減少流速分布畸變影響。流量測量范圍可以從層流開始，可測液體最大流速為10m/s。范圍度在25:1時誤差≤±0.5%M.V；范圍度在100:1時則≤±1%M.V。這種方案的測量精度高，對轉換器的要求也較低，但也存在不足。如被測介質為易固化介質，當超聲波以管壁作為反射面時，管壁有沉積物時反射會比一般情況要多加上多次反射后超聲波的強度就不足以保證測量信號穩定。所以貿易交接計量（Custody Transfer ,CT）中未推薦這種形式的USF。

     （2.2）數字信號處理技術對測量的貢獻：除了在傳感器上的改進，數字信號處理（DSP）技術在USF上的應用對測量的可靠性提高起了關鍵作用。眾所周知，幾乎所有的流量計都對流態所含的氣泡和固體顆粒有所限制。由于氣泡和固體顆粒對超聲傳播而言都有相當的衰減性， USF測量中對此也有限制條件。DSP的采用和新穎的數字濾波技術很好地解決了由氣泡和固體形成的噪聲信號處理。最優信號檢測和連續信號質量檢測保證了現在的USF測量比過去更穩定和可靠。


     （2.3）可測介質范圍的擴展：USF早期應用局限在液體流量計量，近年國外氣體用USF發展很快，常用的可測氣體有空氣、沼氣和氮氣等。國際上天然氣工業的發展，更加促進了USF在氣體的應用。英國市場已經在用超聲家用燃(煤)氣表大宗替換傳統皮膜式家用煤氣表，在中國市場，也有國內公司開始涉足這一市場應用。目前市場上管道式氣體用的USF的最大管徑可達到1100mm，最多的有6個聲道，精度可以達到0.1%的等級。夾持式氣體用超聲的管徑最大可達到1500mm，最多可以有8聲道，精度在0。5－1％測量值之間。近年國際市場較為引入注目的超聲氣應用，就是中國的西氣東輸項目。在這一世界最長的氣體輸送管線上，每年要輸送超過40億美金的天然氣，總計有13套超聲氣體流量計應用在這一管線應用。

     （2.4）安裝形式的多樣：早期測量液體的USF必須在測量管上打孔裝超聲換能器，換能器直接向液體發射或從液體接收聲波。1975年后有了能在管外夾裝換能器測量管內液體流量的外部夾持持（又稱便攜式）USF，成了一種真正不接觸介質的流量儀表。外夾式USF適用于管網作移動選點非固定安裝測量，幾十年來各制造廠競相開發和推廣應用，外夾裝式USF市場繁榮。在流程工業中小管徑應用方面，USF往往是非優先選用儀表，特別是對導電性液體。因外夾裝式USF現場測量精度較低，可靠性差，缺乏品種間競爭力，因此近年中小管徑USF視線又轉向非外夾裝式，向帶超聲換能器和測量管段的超聲流量傳感器的方向發展。管道用USF近年的發展很快還開發了一些極端條件和特殊應用場合的類型，如常規的USF最高溫度可到150℃-200℃（根據不同廠商的類型），而在石化行業中有不少高壓高溫中的應用，市場上某些USF可以承受的最高溫度可達到500℃，壓力1500bar。對于容易固化或者結晶的介質如硫磺，USF可以有保溫夾套的結構，以確保介質在管內不凝固。

     3 用戶認可度提高：

     USF近年獲得很多關注，主要得益于其在高精度的貿易交接計量中的應用。如1996歐洲天然氣制造商協會（GERG）通過了〈〈多聲道USF用于天然氣計量〉〉的報告，1998年美國天然氣協會AGA發布了AGA9號報告〈〈用多聲道USF測量天然氣流量〉〉；之后不久國際化標準化組織ISO于同年１２月也發布了ISO/TR-１２７６５〈〈用時間傳播法USF測量封閉管內的流體流量〉〉報告。這些報告在很大程度上促進了USF的銷量。中國2001年編制了氣體USF測量天然氣的國家標準。

    超聲流量計的市場預測 

     隨著USF的技術的不斷成熟和用戶對它的逐漸認可，USF市場正以前所未有的發展速度向前發展。ARC（Auotmation Research Corp）2001年給出2001-2005年USF的年復合增長率（Compound Annual Growth Rate,CARG）為10.5%，,到2005年全球USF的銷售額可以達到3.65億美金，82,100 套的市場規模。Frost Sulliven 2002年給出的預測為 14.6%,Flow Research2002年的預測為15.3%，遠遠高于其它流量計的增長率。這主要基于以下的幾個方面的原因：

     與其它類型的流量計相比USF所適用的介質和范圍要寬；

     USF價格不斷下降和有資源稀缺性決定石油、天然氣等資源等價格上漲的共同作用；

     在氣體和液體貿易計量上的行業認可如美國石油協會API和OIML在液體貿易計量的認可，AGA在氣體貿易計量認可和美國供水協會AWWA在水行業認可（預計2004通過）；

     傳感器制造技術的革新，如多聲道數傳感器使得流量測量精度的提高，DSP技術使USF對氣泡和固體含量的限制條件下降和信號穩定性的提高。

     基于上述的原因，我們不會再懷疑USF是和電磁流量計和質量流量計并列成為最具發展前景的流量計的資格。不用過多久我們就會談USF一出，誰與爭鋒的問題了。