姚宇，1984年畢業于貴州大學物理系電子技術專業，隨后在江蘇省啟東防爆電器儀表廠、江蘇省南京玉環熱水器總廠、廣東省珠海市無線電廠擔任技術副廠長；曾任深圳華旭科技開發有限公司總工程師、長沙威勝集團技術顧問；現任北京慧怡工貿有限責任公司營運副總經理兼總工程師，同時擔任湖南常德牌水表有限公司、浙江博凱儀表有限公司、玉環友恒閥門有限公司的技術顧問。姚宇先生近30年的工作經歷一直和儀器儀表的技術研究密不可分。

熱量表作為供熱計量收費的關鍵基礎設備，當前中國的熱量表產品還存在很多的技術瓶頸，其精度、誤差限、可靠性、穩定性、使用壽命、及功耗等各方面性能和產品質量都有較大改進空間。近日，編者就超聲波熱量表的創新設計及發展趨勢等采訪了技術專家姚宇先生。像很多技術出身的人士一樣，姚宇先生的性格非常耿直，討論起有關超聲波熱量表的相關技術時侃侃而談、直截了當，分析問題頗有見地。同時，他也是一位性情中人，豁達中透著睿智。以下是訪談實錄：

姚宇：2003年，八部委聯合下發了《關于城鎮供熱體制改革試點工作的指導意見》，試點地區涉及全國北方15個省、區的47個城市，這為供熱計量儀表產業提供了一個潛在的巨大市場。隨后幾年，中國生產和經營熱量表的企業如雨后春筍般涌現，2007年前后，中國的熱表企業曾一度超過了100家。與此同時，歐洲的熱表生產企業如丹佛斯、西門子、蘭吉爾、荷德魯美特、恩樂曼、真蘭等大舉進入中國市場。2010年，中國熱量表產業迎來了一個空前巨大的市場高峰，全國銷售的熱量表超過了250萬只，2011年超過了300萬只，2012年約為300萬只 。到目前為止，中國的熱量表企業已經達到260家左右，這其中難免魚龍混雜。

據有關專家預測，到2020年，我國北方地區集中供暖面積將增長到100億平方米，僅就新增面積而言，熱量表的平均需求量達到600萬只/年以上，可以說蘊含的市場需求量巨大。在熱量表產業快速發展的同時，我們也要看到其面臨著諸多問題，譬如，中國供熱系統的水質等問題對熱量表的性能提出了更加苛刻的技術要求，加之市場需求量迅速膨脹，大家只求數量、不求質量，熱量表的產品質量可以說難以保證、良莠不齊。

姚宇：目前，大多數國內廠家所生產的戶用超聲波熱量表（口徑小于DN40）普遍都是仿造由德國蘭吉爾最早提出的U形反射式設計方案（當然也有一部分廠家采用X形對射、V形或W形反射等設計方案），而且其流量傳感器所用的管段幾乎都采用黃銅制造，我個人認為這樣的設計方案以及制作工藝存在如下不足：

•  超聲波經兩次45度角反射面反射后的信號衰減較大，一般接收端的信號幅值只有300mV左右。

•  反射面（不管是采用反射柱或支架的形式）造成管段壓力損失較大，所以管段的縮徑受到很大的限制，以DN20的超聲波熱量表管段為例，管段縮徑最小只能到Φ14。同時，反射面還會對水流造成擾動，從而會造成對流體的測量產生不穩定，特別是在小流量段。

•  反射面容易結水垢和銹垢，從而造成反射超聲波的能力變差，造成信號衰減進一步加劇，以致最后無法測到信號而使其完全失去基本功能；如果反射面處于管段的中央，某些尺寸較大的雜質容易卡在反射面與管段內壁之間；如果在反射面處不慎掛有帶狀柔性雜質，由于這種帶狀雜質會隨著流體流動而上下飄動，就會影響超聲波對流體的測量精度，甚至無法進行測量。

•  目前的超聲波熱量表的測量管段大多采用黃銅制造,而且黃銅的體膨脹系數較大，管段的內徑會隨溫度而發生變化，這就使其對流體的測量會隨溫度而產生差異。使用黃銅制作測量管段，其材料成本較高，有些廠家為了節約成本，將其管段做得很薄，比如部分廠家已經將管段的大部分地方的厚度降低到了只有1.8mm，這樣會使其使用壽命大幅度下降。此外，由于其內管徑也會隨著流體的壓力發生變化，所以對流體流量的測量精度和穩定性也會受到影響（特別是生產時的壓力與檢測和實際壓力不同時。

• 目前絕大多數的超聲波熱量表都沒有閥門，這除了使供熱企業不能具備遠程或定量控制外，另一個致命的問題就是當供電電池的電量用盡時，計量就會停止，而供熱還在進行，該表就形同虛設，將會給供熱企業造成經濟損失。

• 目前絕大多數的超聲波熱量表所用的電池都不是耐高溫電池（鋰錳或鋰氬電池），這種電池在60℃以上的高溫環境下，會很快使電池內的物質產生化學反應變成熱量消失，這也是目前有些熱量表的電池只能維持正常使用一到二年的原因之一。

• 目前的積分器和換能器的中心頻率是1MHz，這個頻率段對超聲波用于測量流體的流量而言，其分辨率還不夠高，我認為這也是造成目前的超聲波熱量表的計量精度和穩定性不好的原因之一。

• 目前絕大多數的熱量表的電子部分都不具備在水下或潮濕環境長期正常工作的性能，并沒有實現真正意義上的IP68設計，有些熱量表采用對電子灌膠的方法實現防潮防水，但還是無法完成真正意義上的IP68要求。

目前安裝于我國的熱量表，絕大多數的質量堪憂。事實上，大多數都沒有真正投入使用，一旦投入真正的使用，可能有很大一部分將處于無法反映真實的計量狀態。

姚宇：鑒于目前超聲波熱量表所存在的問題，我認為可以采取如下設計思想應對：

• 將管段設計成π形。我認為我們可以跳出傳統的U形、V形或W形的慣性設計思路，將管段設計成π形帶來的好處是流體的流向結構比較簡單，同時其整體設計也較為合理。

• 取消管段內的反射面。即管段內不再有反射面，將超聲波的傳播方式從反射式傳播改為對射式傳播。目前也有一些廠家采用了如X形的對射式傳播形式，但考慮欠周到。

• 在管段上加入閥門設計。有些廠家在目前的U形設計上已經加入了閥門，但浪費了很多波路（超聲波所傳播的路徑）資源。

•  對供電電池、積分器及電子電路和執行器部分進行完整式密封設計，并達到整體IP68的防護設計。改變現時采用灌膠的辦法來實現對電子以及執行器的密封隔離，目前這種灌膠的方法一方面可靠性不高，經常會造成灌封不全而造成電子部分漏水等問題；另一方面也給維修帶來不方便，同時還增加了生產成本。

姚宇：是的，要徹底解決超聲波熱量表在使用中的主要問題，除了在設計上要注重細節之外，對其中的核心部件在生產和產品質量上也要有相應的要求，要不然一切都會變成浮云。前面提出的測量管段是超聲波熱表核心部件和流量傳感器的重要組成部分，此外還有溫度傳感器、換能器、積算器、供電電池等。目前的溫度傳感器從技術上來說應該不存在障礙，我想談一談對另外幾個核心部件的要求。

我認為換能器首先要經得住水錘（脈沖壓力應大于10MPa）和高低溫（20℃-90℃）的沖擊；其次，換能器的表面要有較強的防水垢和銹垢集聚的功能；其次是要有很好的耐久性能（諧振頻率、電容量、阻抗以及靈敏度），以及很好的穩定性，建議將中心頻率從現在的1MHz改成2MHz。

可以采用球墨鑄鐵代替黃銅制造測量管段，并對鐵質管段進行特殊的表面處理。這一方面提高了管段的強度；另一方面可以大幅度降低熱量表的生產成本，即降低了表具在貴重金屬中的投入。而且有關實踐表明，對鐵質表面進行特殊處理后，可以實現其鹽霧試驗時間1000小時，相當于在水中50年不會銹蝕。同時，可以在管段內插入陶瓷管，因為陶瓷管的內徑在0℃-200℃的溫度范圍內基本不變化，如果我們在管段內的波路段插入陶瓷管，則超聲波對流體的測量將會更加穩定。

此外，對積分模塊的要求。我的建議是將時間測量從目前的1MHz改為2MHz，從而提高其分辨率；其次，加入閥控功能，以實現對各表具的流量控制；再加入射頻式數據讀寫模式，這樣可以實現預付費及無費關閥功能。熱量表的供電模塊我建議采用耐高溫電池或可充電電池及智能型充電器系統。目前的鋰電池（鋰氬或鋰錳電池）在60℃以上的高溫環境的日自損太高，即電池內的電能物質通過化學反應生熱而不是通過可控放電而造成損耗的機率大概為1%左右，耐高溫電池同樣在60℃以上的高溫環境中日自損率經我們初步測試在0.05%，3600mAH的電池足可以支持熱量表正常工作10年以上。

姚宇：超聲波用于熱量表在我國已經發展了十幾年了，雖然這個過程經歷了很多的坎坷，但在各個廠家及專業人士的不斷進取和努力下也逐步得到完善，而且我相信在大家的不斷努力下會越來越成熟可靠和實用。我覺得超聲波技術在涉水流量計量中的應用中會派生如下產品：

•  超聲波遠程抄讀和控制的冷熱量表和水表。目前大多數的冷熱量表還只實現遠程抄讀，而并不帶控制功能；目前已有廠家在生產具有遠程抄讀和控制的超聲波水表。

•  超聲波預付費冷熱量表和水表。目前已有廠家在進行生產，這是屬于具有中國特色的產品。

•  超聲波預付費及遠程抄讀和控制一體的冷熱量表和水表。這對現有的表計技術提出了更高水平的要求，是未來的技術發展趨勢。

總之，我個人覺得將超聲波技術應用于熱量表和水表是將來的必然趨勢。理由之一是水表在我國經歷了半個多世紀的機械式計量的方式，在電能表從機械徹底轉變成全電子方式后，供水行業對水表全電子化的要求日益強烈。理由之二是熱量表和水表的銷售旺季有一定的互補關系，熱量表的銷售旺季一般在每年的3-9月，而水表的銷售旺季一般在每年的6-12月，兩者的有效結合有利于生產企業的市場整合。理由之三是超聲波熱量表和超聲波水表可以在相同的校表設備進行生產，有利于生產廠家對設備的利用率。

目前很多做熱量表的廠家只關注熱量表的單一生產，這是一種對市場資源和生產資源的浪費。我國每年所需水表大概8000萬只，如果將其30%轉換為使用超聲波智能水表，會有2400萬只的需求量，其市場潛力非常巨大，我們可以考慮將雞蛋放到不同的籃子里，不妨將將放在熱量表市場的部分精力轉移到智能水表上來。

不管怎么說，要將熱量表和水表的蛋糕做大，只是一味的抄襲仿制是不能解決問題的，一定要有創新，創新的目的也不是為創新而創新，而是為了將產品真正做得更好。只有將產品做好了，才能使企業走得更穩、才能做得更大，行業才會有翻天覆地的變化。