姚宇，1984年毕业于贵州大学物理系电子技术专业，随后在江苏省启东防爆电器仪表厂、江苏省南京玉环热水器总厂、广东省珠海市无线电厂担任技术副厂长；曾任深圳华旭科技开发有限公司总工程师、长沙威胜集团技术顾问；现任北京慧怡工贸有限责任公司营运副总经理兼总工程师，同时担任湖南常德牌水表有限公司、浙江博凯仪表有限公司、玉环友恒阀门有限公司的技术顾问。姚宇先生近30年的工作经历一直和仪器仪表的技术研究密不可分。
热量表作为供热计量收费的关键基础设备，当前中国的热量表产品还存在很多的技术瓶颈，其精度、误差限、可靠性、稳定性、使用寿命、及功耗等各方面性能和产品质量都有较大改进空间。近日，编者就超声波热量表的创新设计及发展趋势等采访了技术专家姚宇先生。像很多技术出身的人士一样，姚宇先生的性格非常耿直，讨论起有关超声波热量表的相关技术时侃侃而谈、直截了当，分析问题颇有见地。同时，他也是一位性情中人，豁达中透着睿智。以下是访谈实录：
供热计量（以下简称“HM”）：姚总，首先很感谢您接受我们的采访。供热计量改革极大的推动了热量表产业的快速发展，您作为在该领域研究多年的技术专家，能否简要介绍一下目前我国热量表产业的发展现状。
姚宇：2003年，八部委联合下发了《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》，试点地区涉及全国北方15个省、区的47个城市，这为供热计量仪表产业提供了一个潜在的巨大市场。随后几年，中国生产和经营热量表的企业如雨后春笋般涌现，2007年前后，中国的热表企业曾一度超过了100家。与此同时，欧洲的热表生产企业如丹佛斯、西门子、兰吉尔、荷德鲁美特、恩乐曼、真兰等大举进入中国市场。2010年，中国热量表产业迎来了一个空前巨大的市场高峰，全国销售的热量表超过了250万只，2011年超过了300万只，2012年约为300万只 。到目前为止，中国的热量表企业已经达到260家左右，这其中难免鱼龙混杂。
据有关专家预测，到2020年，我国北方地区集中供暖面积将增长到100亿平方米，仅就新增面积而言，热量表的平均需求量达到600万只/年以上，可以说蕴含的市场需求量巨大。在热量表产业快速发展的同时，我们也要看到其面临着诸多问题，譬如，中国供热系统的水质等问题对热量表的性能提出了更加苛刻的技术要求，加之市场需求量迅速膨胀，大家只求数量、不求质量，热量表的产品质量可以说难以保证、良莠不齐。
HM：超声波热量表可以说已经成为目前比较符合国内供热现状的热计量仪表，请您具体谈一谈国产超声波热量表产品的主要特点、存在哪些问题以及如何影响产品性能。
姚宇：目前，大多数国内厂家所生产的户用超声波热量表（口径小于DN40）普遍都是仿造由德国兰吉尔最早提出的U形反射式设计方案（当然也有一部分厂家采用X形对射、V形或W形反射等设计方案），而且其流量传感器所用的管段几乎都采用黄铜制造，我个人认为这样的设计方案以及制作工艺存在如下不足：
• 超声波经两次45度角反射面反射后的信号衰减较大，一般接收端的信号幅值只有300mV左右。
• 反射面（不管是采用反射柱或支架的形式）造成管段压力损失较大，所以管段的缩径受到很大的限制，以DN20的超声波热量表管段为例，管段缩径最小只能到Φ14。同时，反射面还会对水流造成扰动，从而会造成对流体的测量产生不稳定，特别是在小流量段。
• 反射面容易结水垢和锈垢，从而造成反射超声波的能力变差，造成信号衰减进一步加剧，以致最后无法测到信号而使其完全失去基本功能；如果反射面处于管段的中央，某些尺寸较大的杂质容易卡在反射面与管段内壁之间；如果在反射面处不慎挂有带状柔性杂质，由于这种带状杂质会随着流体流动而上下飘动，就会影响超声波对流体的测量精度，甚至无法进行测量。
• 目前的超声波热量表的测量管段大多采用黄铜制造,而且黄铜的体膨胀系数较大，管段的内径会随温度而发生变化，这就使其对流体的测量会随温度而产生差异。使用黄铜制作测量管段，其材料成本较高，有些厂家为了节约成本，将其管段做得很薄，比如部分厂家已经将管段的大部分地方的厚度降低到了只有1.8mm，这样会使其使用寿命大幅度下降。此外，由于其内管径也会随着流体的压力发生变化，所以对流体流量的测量精度和稳定性也会受到影响（特别是生产时的压力与检测和实际压力不同时。
• 目前绝大多数的超声波热量表都没有阀门，这除了使供热企业不能具备远程或定量控制外，另一个致命的问题就是当供电电池的电量用尽时，计量就会停止，而供热还在进行，该表就形同虚设，将会给供热企业造成经济损失。
• 目前绝大多数的超声波热量表所用的电池都不是耐高温电池（锂锰或锂氩电池），这种电池在60℃以上的高温环境下，会很快使电池内的物质产生化学反应变成热量消失，这也是目前有些热量表的电池只能维持正常使用一到二年的原因之一。
• 目前的积分器和换能器的中心频率是1MHz，这个频率段对超声波用于测量流体的流量而言，其分辨率还不够高，我认为这也是造成目前的超声波热量表的计量精度和稳定性不好的原因之一。
• 目前绝大多数的热量表的电子部分都不具备在水下或潮湿环境长期正常工作的性能，并没有实现真正意义上的IP68设计，有些热量表采用对电子灌胶的方法实现防潮防水，但还是无法完成真正意义上的IP68要求。
目前安装于我国的热量表，绝大多数的质量堪忧。事实上，大多数都没有真正投入使用，一旦投入真正的使用，可能有很大一部分将处于无法反映真实的计量状态。
HM：超声波信号的衰减问题，反射面容易造成压损、结垢影响测量精度，以及整表的防水、防潮功能等应该是属于设计阶段重点考虑的问题，也是困扰行业人士的难点，对于这些问题，您有什么解决思路？
姚宇：鉴于目前超声波热量表所存在的问题，我认为可以采取如下设计思想应对：
• 将管段设计成π形。我认为我们可以跳出传统的U形、V形或W形的惯性设计思路，将管段设计成π形带来的好处是流体的流向结构比较简单，同时其整体设计也较为合理。
• 取消管段内的反射面。即管段内不再有反射面，将超声波的传播方式从反射式传播改为对射式传播。目前也有一些厂家采用了如X形的对射式传播形式，但考虑欠周到。
• 在管段上加入阀门设计。有些厂家在目前的U形设计上已经加入了阀门，但浪费了很多波路（超声波所传播的路径）资源。
• 对供电电池、积分器及电子电路和执行器部分进行完整式密封设计，并达到整体IP68的防护设计。改变现时采用灌胶的办法来实现对电子以及执行器的密封隔离，目前这种灌胶的方法一方面可靠性不高，经常会造成灌封不全而造成电子部分漏水等问题；另一方面也给维修带来不方便，同时还增加了生产成本。
HM：对于超声波热量表的生产和制造来说，要达到产品良好的整体性能，除了在设计阶段采用创新的设计理念、良好的设计思路，还离不开在实施阶段对其核心部件的特定要求，您对此有什么看法和建议？
姚宇：是的，要彻底解决超声波热量表在使用中的主要问题，除了在设计上要注重细节之外，对其中的核心部件在生产和产品质量上也要有相应的要求，要不然一切都会变成浮云。前面提出的测量管段是超声波热表核心部件和流量传感器的重要组成部分，此外还有温度传感器、换能器、积算器、供电电池等。目前的温度传感器从技术上来说应该不存在障碍，我想谈一谈对另外几个核心部件的要求。
我认为换能器首先要经得住水锤（脉冲压力应大于10MPa）和高低温（20℃-90℃）的冲击；其次，换能器的表面要有较强的防水垢和锈垢集聚的功能；其次是要有很好的耐久性能（谐振频率、电容量、阻抗以及灵敏度），以及很好的稳定性，建议将中心频率从现在的1MHz改成2MHz。
可以采用球墨铸铁代替黄铜制造测量管段，并对铁质管段进行特殊的表面处理。这一方面提高了管段的强度；另一方面可以大幅度降低热量表的生产成本，即降低了表具在贵重金属中的投入。而且有关实践表明，对铁质表面进行特殊处理后，可以实现其盐雾试验时间1000小时，相当于在水中50年不会锈蚀。同时，可以在管段内插入陶瓷管，因为陶瓷管的内径在0℃-200℃的温度范围内基本不变化，如果我们在管段内的波路段插入陶瓷管，则超声波对流体的测量将会更加稳定。
此外，对积分模块的要求。我的建议是将时间测量从目前的1MHz改为2MHz，从而提高其分辨率；其次，加入阀控功能，以实现对各表具的流量控制；再加入射频式数据读写模式，这样可以实现预付费及无费关阀功能。热量表的供电模块我建议采用耐高温电池或可充电电池及智能型充电器系统。目前的锂电池（锂氩或锂锰电池）在60℃以上的高温环境的日自损太高，即电池内的电能物质通过化学反应生热而不是通过可控放电而造成损耗的机率大概为1%左右，耐高温电池同样在60℃以上的高温环境中日自损率经我们初步测试在0.05%，3600mAH的电池足可以支持热量表正常工作10年以上。
HM：姚总，最后请您谈一谈超声波热量表行业的技术发展趋势以及未来展望。
姚宇：超声波用于热量表在我国已经发展了十几年了，虽然这个过程经历了很多的坎坷，但在各个厂家及专业人士的不断进取和努力下也逐步得到完善，而且我相信在大家的不断努力下会越来越成熟可靠和实用。我觉得超声波技术在涉水流量计量中的应用中会派生如下产品：
• 超声波远程抄读和控制的冷热量表和水表。目前大多数的冷热量表还只实现远程抄读，而并不带控制功能；目前已有厂家在生产具有远程抄读和控制的超声波水表。
• 超声波预付费冷热量表和水表。目前已有厂家在进行生产，这是属于具有中国特色的产品。
• 超声波预付费及远程抄读和控制一体的冷热量表和水表。这对现有的表计技术提出了更高水平的要求，是未来的技术发展趋势。
总之，我个人觉得将超声波技术应用于热量表和水表是将来的必然趋势。理由之一是水表在我国经历了半个多世纪的机械式计量的方式，在电能表从机械彻底转变成全电子方式后，供水行业对水表全电子化的要求日益强烈。理由之二是热量表和水表的销售旺季有一定的互补关系，热量表的销售旺季一般在每年的3-9月，而水表的销售旺季一般在每年的6-12月，两者的有效结合有利于生产企业的市场整合。理由之三是超声波热量表和超声波水表可以在相同的校表设备进行生产，有利于生产厂家对设备的利用率。
目前很多做热量表的厂家只关注热量表的单一生产，这是一种对市场资源和生产资源的浪费。我国每年所需水表大概8000万只，如果将其30%转换为使用超声波智能水表，会有2400万只的需求量，其市场潜力非常巨大，我们可以考虑将鸡蛋放到不同的篮子里，不妨将将放在热量表市场的部分精力转移到智能水表上来。
不管怎么说，要将热量表和水表的蛋糕做大，只是一味的抄袭仿制是不能解决问题的，一定要有创新，创新的目的也不是为创新而创新，而是为了将产品真正做得更好。只有将产品做好了，才能使企业走得更稳、才能做得更大，行业才会有翻天覆地的变化。
