红外流量传感器

一、燃气表行业背景分析近年来，我国加快推进“煤改气”工程建设，天然气已经成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。到2020年，天然气在一次能源消费结构中的占比力争达到10%左右，到 2030 年，占比提高到15%左右。在这些燃气迅速发展的利好消息促进下，燃气计量行业将迎来巨大的发展契机。膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定和价格低廉等优点，在我国城市燃气发展中得到广泛应用，随着计算机和微电子技术的发展，膜式表也逐步实现了智能化，目前在燃气计量行业仍然占据着主导地位。但膜式燃气表结构复杂、易磨损、易受管道介质温度压力等客观因素的影响，导致测量精度降低。热式（MEMS）燃气表是利用热传递原理测量燃气标准状况下流量的一种新型燃气计量器具，采用全电子结构，无机械运转部件，体积小、精度高。虽然可以针对特定天然气组分进行修正，但是从原理上还是易受多种不同气体组分影响，温度的影响修正也相对复杂，同时长期的污染物沉积使得MEMS芯片响应变慢影响精度，使得其应用受到限制。超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度和可结合更多的智能化应用等优势，引起国内外的高度重视，是近年来燃气计量领域的开发热点。 二、超声波燃气表的研究与应用现状其实早在上世纪九十年代，英国、德国等国的多家燃气公司已陆续开发了超声波燃气表。受当时超声波探头、计时芯片、电子技术等的因素限制，价格还是非常高昂，无法与传统膜式燃气表竞争。进入二十世纪后，超声波燃气表的关键部件价格大大降低，迎来了超声波燃气表的快速发展。日本东京燃气公司于2003年7月开展了超声波燃气表的各种现场测试，于2005年率先安装了5000台超声波燃气表至用户家中，在2008年全面使用超声波燃气表。目前国际上的超声波燃气表技术主要来源于松下、西门子等公司，他们在超声波领域深耕多年，从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机，都有着诸多专利。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波燃气表，但是大多数厂家还是使用松下的超声波燃气表传感器方案，也就是购买松下的电路板和超声波探测器，自己配套外壳组装成超声波燃气表。这样的模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格偏高，市场推广受到限制。我国燃气表产业生态已经基本建立，因此积极开展自主知识产权、可以满足燃气表规范要求的超声波气体流量传感器的技术研究，对于打破国外技术垄断、促进我国燃气表转型升级发展具有重要意义。 三、超声波燃气表用气体流量传感器核心关键（1）超声波换能器的自主研制。目前满足超声波燃气表计量要求的核心部件的超声波换能器基本都是进口，价格占总成本的40%。国产化的难点是其带宽以及高低温特性，既要保证较长的测试距离提高测试分辨率、较高灵敏度提高信噪比，还需要考虑不同温度下的测试漂移。 （2）燃气表的性能和稳定性问题。超声波燃气表由于无机械部件，理论上稳定性较传统膜式表要高很多，但膜式表在国内多年的使用中，已广泛被燃气表公司和客户接受。超声波燃气表如何在稳定性上达到燃气表公司的需求，打消燃气表公司的顾虑，是超声波燃气表迈向市场化的非常重要的一关。（3）气体污染问题。与膜式燃气表一样，由于超声波燃气表的常年运行，燃气中的粉尘或杂质会附着在超声波换能器上，影响换能器对信号的接收敏感度，从而影响燃气表测量准确度。（4）气源适应性问题。天然气密度比空气小，信号也较空气小；不同密度的气体通过超声波换能器后，其信号的波形会很不稳定。超声波信号传输会受传播介质、环境（温度、湿度、压力）以及管道内反射等各种因素影响，接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变化。因此，家用波燃气表要想进入家庭，并广泛使用，对气源的适应性是需要克服的最重要一关。 四、超声波燃气表用气体流量传感器技术特点四方光电公司自2008年开展对超声波气体传感器的研究以来，通过在超声波换能器、时间计量芯片以及时差自动计算方法、流程成分同时感知等领域取得突破，特别是在超声波氧气流量传感器、超声波沼气流量计等领域实现了规模化生产应用，具有较好的技术和产业基础。针对家用燃气表需要的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动气流测量等特殊要求，开发成功满足超声波燃气表用的超声波气体流量传感器。（1）“L”型流道结构设计。超声波燃气表用超声波气体流量传感器采用“L”型流道设计，包括腔体、进气口、出气口及两个超声波换能器，通过将气室腔体的横截面设置为圆形，将超声波信号在第一个换能器安装孔和第二换能器安装孔之间的传播路径设置为“L”型流道，如图1所示。 图1. 燃气表用超声波气体流量传感器结构原理图传统超声波燃气表气体流量计量气室的“W”型发射流道，“V”型对射单通单流道以及“N”型对射单通单流道，都是通过超声波在流道内产生一次或多次反射而形成的路径以增加超声波声程，间接增大了换能器的有效距离，从而获得更高测量精度。但其缺点是通过反射后探测器信号较弱，信噪比降低，对换能器的要求很高。因此造成成本也较高。采用“L”型流道、圆形横截面的超声波燃气模块，克服了现有超声波燃气表气体流量计量气室管道的横截面积较大，气室体积较大，成本较高的问题，以及两个超声波换能器之间传播距离较短，降低测量结果准确性的问题。同时，还避免了被测气体中的污染物污染超声波换能器，从而影响检测结果准确性的问题。（2）用双阈值过零检测与数据选择技术。以时差法超声波气体流量计为基础，采用双阈值过零检测与数据选择算法技术，区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。（3）自动调零算法。燃气表在温度、压力等外部因素变化条件下，对超声信号产生一定的影响，从而影响计量的时间差；此产生的时间差变化，可能只有ns级别，对高端流量几乎没影响；但对于低端流量，特别是Qmin，影响非常大，造成测量精度超过标准要求。另外，燃气表在无流量情况下的零点，可能受到超声波换能器零点的漂移影响，产生整体计量的漂移，对低端流量造成较大的影响，这是低端流量精度和稳定性超标最重要的原因。针对超声波换能器的零点漂移问题，在软件算法上，采用自动调零的处理算法，超声波燃气表采用可调整的零点，并根据超声波换能器的信号波动特点，软件上自动调整超声波燃气表的零点，保证在外部因素或内部因素作用下，超声波燃气表的零点随环境变化而适当做出调整，抵消由于零点漂移对低端流量产生的影响；同时，考虑电路整体对时间差值的影响，在软件算法上，补偿此部分对测量的影响。 五、超声波燃气表用气体流量传感器的应用基于专利的气体流量传感器硬件和软件核心技术，四方光电公司针对我国家用表以及五小工商户客户的需求，成功开发出超声波家用和商用燃气表。其核心传感器部件见图2：图2. 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件解决核心燃气表气体流量传感器后，就可以利用以往具有的外壳、皮膜阀、电源管理等组装燃气表。图3是采用超声波核心流量传感器的G4燃气表。 图3. G4超声波燃气表(内置国产化核心流量传感器)根据燃气表的计量要求，进行了宽量程的燃气表误差特性以及耐久性实验。 图4. G4超声波燃气表典型误差曲线 图5. G4超声波燃气表耐久性误差曲线由于我国超声波燃气表的国家标准还处于征求意见稿阶段，因此借鉴了EN-14236欧洲有关“ultrasonic-domestic-gas-meters”标准进行完整的测试。除以上图示的基本试验，还进行了线性度、压损、高低温、交变湿热、耐粉尘、脉动流量等试验。试验表明基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表均满足燃气表的各项指标要求。作者简介熊友辉博士，教授级高工。中国科协九大代表、中国仪器仪表学会理事、分析仪器分会副理事长。主持过科技部重大科学仪器设备开发专项、工信部物联网专项、湖北省重大科技专项等多项国家和省市科技项目。现任武汉四方光电科技有限公司总经理。 公司简介武汉四方光电科技有限公司是一家专业从事气体传感器、气体分析仪器及物联网解决方案的国家高新技术企业，其全资子公司——四方仪器自控系统有限公司，以自主知识产权的核心传感器技术为依托，陆续推出了红外/紫外烟气分析仪、红外煤气分析仪、红外天然气热值仪、激光拉曼气体分析仪等气体成分分析仪器，并先后研制了超声波气体流量计、超声波燃气表核心传感器部件、智能超声波燃气表等燃气流量测量产品。四方光电通过了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有关质量、环境、健康安全、汽车电子等体系认证，目前已与多家世界五百强企业建立长期配套合作关系。

用于测量细胞新陈代谢的新陈代谢分析仪和细胞外流量(Extracellular Flux，简称：XF)压力测试盒的供应商 Seahorse Bioscience 推出 XF 产品平台的低价产品 XFp 细胞外流量分析仪 (XFp Extracellular Flux Analyzer)。新的低价仪器将让更多的实验室可以获得 Seahorse 独特的技术。　　Seahorse 细胞外流量分析仪对两大产生能量的细胞路径 -- 线粒体呯吸和糖解进行实时压力测试、检测新陈代谢方面的重大变化，正如在1000多份同行互查的出版物中报道的那样。XFp 分析仪快速简便地提供与细胞外流量细胞线粒体应激试验 (XF Cell Mito Stress Test)、细胞外流量糖解压力测试盒 (XF Glycolysis Stress Test ) 和细胞外流量新陈代谢开关试验 (XF Metabolic Switch Test) 标准相同的新陈代谢试验。　　Seahorse Bioscience 推出 XF 产品平台的低价产品 XFp 细胞外流量分析仪。新的低价仪器将让更多的实验室可以获得 Seahorse 独特的技术。Seahorse Bioscience 行政总裁 Jay Teich 说：&ldquo 细胞外流量技术被快速採用与新发现激增同步发生。这些新发现涉及细胞新陈代谢、研究中的疾病和治疗，如癌症、免疫学、肥胖、糖尿病和神经煺行变性。我们发现许多科学家需要我们的技术，但却无法要求得到一个单独的 Seahorse 产品。 低价的 XFp 分析仪改变了这种情况。&rdquo 　　阿拉巴马大学伯明翰分校 (University University of Alabama Birmingham) 线粒体医学实验室 (Mitochondrial Medicine Laboratory) 负责人、病理学教授 Victor Darley-Usmar 博士说：&ldquo Seahorse 细胞外流量技术让主流科学家更容易了解新陈代谢的未解之迷。XFp 平台是为仅需要少量样本的实验定制的，这些实验可以让人终身为细胞的新陈代谢研究着迷。&rdquo 　　XFp 拥有一块正在申请专利的小片，这让它更适合将病人样本或与其它动物身上获得的珍贵样本进行两两比较。紧凑好用的 XFp 分析仪拥有直觉型、基于触摸屏的软件和改进过的工作流，这些令设计和运行细胞外流量试验变得简单和直接。细胞外流量分析仪和压力测试盒为细胞的新陈代谢测量设定的标准，让科学家可以将基因与蛋白质生物学数据和细胞功能联系起来。　　Seahorse Bioscience 简介　　Seahorse Bioscience 的新陈代谢分析仪和细胞外流量压力测试盒在细胞新陈代谢研究领域是行业标準。全球的科学家都清楚细胞新陈代谢在推进他们的研究上的作用。Seahorse Bioscience 成立于2001年，总部位于美国的麻省，在丹麦和中国设有办事处。更多信息请登入 www.seahorsebio.com。

道路交通，是城市的血液循环系统，正所谓道路兴则城市兴，交通安则民心安。然而，随着经济社会的发展，交通拥堵、市民“出行难”等“城市病”，也困扰着各地的公安交管部门，成为影响人民群众获得感、幸福感的重要因素。目前，智能交通系统（ITS），被看作是缓解交通拥堵、提高交通安全性、改善交通污染程度的重要技术手段。今天，小菲就来给大家说一个FLIR红外传感器帮助德国汉堡优化城市交通管理的案例，我们从中可以得到哪些启发呢？01:交通拥堵严重，亟需科学改善汉堡是德国的第二大城市，也是该国北部的主要港口城市，通过易北河与北海相连。汉堡声名远播，正迅速成为德国最创新精神的智慧城市。为应对畅通和可持续发展挑战，该市已启动60余项智慧城市计划。根据导航技术公司TOMTOM 2018年对德国城市进行的一项调查，汉堡的拥堵情况超过德国任何其他城市，甚至超过柏林。该研究显示，2018年，汉堡的通勤者在33%的驾车路途中都会遇到交通拥堵，这意味着驾车者每年因交通拥堵平均损失113小时。汉堡深感时间紧迫，希望能早日解决畅通问题。深入了解城市交通状况有助于汉堡减少拥堵作为欧洲具雄心的智慧城市项目之一，德国汉堡决定迎难而上，直面在城市交通和可持续性发展领域面临的诸多挑战。为了更好地了解城市状况，汉堡坚定地选择了交通数字化方案。采集交通数据，科学规划交通汉堡市政府相信，可以通过更好地了解交通状况来缓解拥堵问题。城市里哪些地方交通畅通，哪些地方经常堵车？如何交通分流才有意义？道路工程对交通畅通性有何影响？基于此类交通数据，汉堡交通管理局希望能更好地预测交通流量，更合理地进行实时决策。为了满足对高质量交通数据的迫切需求，汉堡市交通控制和基础设施公共服务提供商Hamburg Verkehrsanlagen GmbH (HHVA)采购了3,000多台FLIR红外传感器，用于车辆和自行车检测，并计划到2021年底全部安装在交通灯和路灯上。根据道路交通的繁忙程度，这些FLIR红外传感器可以帮助交通信号控制机（近乎）实时地调整交通信号。此外，海量交通数据还可以帮助交通管理者改善长期规划，减少拥堵。汉堡将在交通灯和路灯上安装3,000多台FLIR红外传感器，用于采集车辆和自行车数据其中，汉堡市选择FLIR ThermiCam2智能红外交通传感器用于车辆和自行车的检测。FLIR ThermiCam2在工作时不需要光线，而是利用车辆和骑行者散发的热能。这样，红外传感器就能远距离地检测车辆和自行车，即使光线不足、天气恶劣、漆黑的夜间也能应付自如。想要了解更多信息，扫描下方二维码领取：汉堡市HHVA使用FLIR的Thermicam2 V2X让救护车、公交车等特殊车辆实现了实时信息交互，将特殊车辆安装了OBU（车载单元），这样等它们驶近路口时，路侧的FLIR Thermicam2 V2X通过无线通讯获取到车辆即将到达停车线的信息，随机将绿灯请求信号发送给交通信号机，实现特殊车辆信号优先。此外，FLIR Thermicam2 V2X可以检测和跟踪进入路口等待区的行人和自行车并获取其地理坐标的位置信息，感知信息通过无线通讯传输给即将右转的公交车，避免公交车司机由于视觉盲区导致人车相撞的事故。FLIR Thermicam2 V2X智能红外传感器既完成了采集交通数据的任务，还扮演着车路协同RSU（路侧单元）的角色！想要更详细的了解它，扫描下方二维码：FLIR红外传感器采集的数据都可以被发送到云端平台——汉堡城市数据平台，使用户能实时评估数据。作为该平台的用户之一， 汉堡交警可以使用这些数据来优化交通信号灯的控制，加快了解决异常拥堵、道路施工等交通问题的速度。选择FLIR智能红外传感器的优势0124/7全天候红外监测，还保护用户隐私 FLIR智能红外传感器还能轻松解决普通可见光相机难以应对的阴影和强烈阳光的问题。如此，这意味着汉堡可以在各种条件下全天24小时密切监控各个交叉路口。汉堡可以在任何天气条件下全天24小时密切监控交叉路口的交通流另一个重要优势在于，FLIR红外传感器不存在隐私问题，而这正是可见光相机面临的主要障碍。尽管FLIR红外传感器能提供足够的细节用于分辨车辆类型（FLIR ThermiCam2可以区分5种车型）， 但它们无法看到驾驶员面部或车牌，很好地保障了市民的隐私。02收集车辆数据，合理规划停车管理FLIR红外传感器将用于两个独立的数据采集项目，两个项目都将在城市数据平台上进行管理。大多数红外传感器将用于采集汉堡大约420个交叉路口的机动交通数据。计划在每个交叉路口安装多台FLIR红外传感器，监控每个可能方向的交通流量。FLIR传感器能采集交通数据，包括流量、速度、占用率、车头时距、车间距和车型分类（包括乘用车、卡车和自行车）。可以分别为每个车道和每个车型提供综合交通数据。借助所有这些信息，交通管理者能更准确地预测交通流量，模拟交通流量发展，增减车道，更合理地做出停车管理决策等。FLIR红外传感器可以区分乘用车、卡车和骑行者03汇集自行车信息，预计重大活动影响安装在45盏路灯上的FLIR红外传感器将融入全汉堡自行车交通计数网络项目，收集自行车交通数据。这些红外传感器安装在市中心的重要自行车道、主要入口路线以及易北河过河点上（因过河点较少，这些点非常拥堵）。安装在45盏路灯上的FLIR传感器将融入全汉堡自行车流量计数网络项目，收集自行车流量数据汉堡城市道路网络中计数点在位置上经科学研究，能帮助有关部门调查天气、公共假期、重大活动、建筑工地、交通分流等因素对自行车流量的影响。据市政府官员称，使用FLIR红外传感器计算自行车交通流量具有突出的效率和成本效益优势。过去，自行车是通过地磁线圈、光学传感器甚至手动计数进行统计，而FLIR红外传感器可以安装在现有的照明基础设施上，可以24/7全天候监控自行车流量。04保障交通流畅，减少城市污染分布于汉堡各点的3,000多台FLIR红外传感器将帮助交通管理局预测交通状况，减少拥堵，并就道路工程或交通分流做出更合理的决策。不过，保持交通流量畅通还有一个好处，那就是可以减少闲置交通，从而改善城市的空气质量。德国政府已采纳欧盟清洁空气倡议，该倡议针对德国城市未来十年如何改善空气质量制定了严格的指导方针，FLIR ThermiCam2与ThermiCam V2X智能红外交通传感器帮助汉堡和德国实现这一目标。