超聲波流量計專利技術(shù)綜述

宋蔚 張秀麗

摘 要：鑒于目前超聲波流量測量領(lǐng)域?qū)Τ暡髁坑嫷男枨蟪掷m(xù)增長，其核心技術(shù)仍為國外幾家公司所掌握的現(xiàn)狀，本文立足于專利文獻(xiàn)，從超聲波流量計的原理出發(fā)，對超聲波流量計專利申請和技術(shù)功效進(jìn)行了梳理，有助于技術(shù)人員了解重要申請人的相關(guān)技術(shù)分布。

關(guān)鍵詞：超聲波;流量計;專利分析

中圖分類號：TH816文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0153-03

Summary of Patent Technology for Ultrasonic Flowmeter

SONG Wei ZHANG Xiuli

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， CNIPA，Zhengzhou Henan 450018）

Abstract： Although the demand for ultrasonic flowmeter is increasing rapidly in the field of ultrasonic flow measurement， the core technologies are still possessed by a few foreign companies， based on the theory of ultrasonic flowmeter， this paper analyzed the patent application status and the technical effects of the patent applications. This paper provided an aid for technicians to understand the inventive concepts in this field by offering technology distribution of important applicants.

Keywords： ultrasonic;flowmeter;patent analysis

超聲波具有兩個重要特性：一是定向性，超聲波在均勻媒介中基本上是沿直線傳播的，因此可以實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射和定向接收;二是穿透性很強(qiáng)，其在不同媒介分界面處可發(fā)生透射、反射和折射現(xiàn)象[1]。由于超聲波在流體中傳播會產(chǎn)生頻差、時差、相位差等，測量出上述與流體相關(guān)的信息即可根據(jù)公式計算出流體流速及流量。

1 超聲波流量計的類型

超聲波流量計根據(jù)測量原理可分為：時差法流量計、相位差法流量計、多普勒流量計、噪聲法流量計、旋渦法流量計等[2]，下面簡單介紹幾種常用的類型。

時差（相位差）法流量計：超聲波在待測流體內(nèi)傳播時，二者的速度會疊加，導(dǎo)致超聲波在相同距離內(nèi)順著流體傳播時間短，逆著流體傳播時間長，該時間差與流體的流速之間呈線性關(guān)系，時差法流量計就是依據(jù)這個原理測量流速的。相位差流量計的原理與時差法類似，不同的是利用超聲波順流和逆流的相位差來測量流體的流速。

多普勒流量計：基于多普勒效應(yīng)，被測流體中的顆粒相當(dāng)于觀測者，隨著懸浮物的移動，超聲波換能器接收到的頻率也隨之變化，這是多普勒流量計的測量原理。多普勒流量計適合測量具有一定懸浮顆粒的流體。

2 國內(nèi)外專利申請情況

2.1 國內(nèi)外總體情況分析

通過在incoPat專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、篩選得到超聲波流量計的專利申請7 819項(xiàng)，圖1為國內(nèi)外申請量對比圖，檢索時間截至2020年2月18日。由于專利文獻(xiàn)從提出申請到公開需要一定的時間，因此，圖1中有關(guān)2018年到2019年申請量的下降不排除是樣本數(shù)據(jù)不完整造成的。

由圖1可知，全球超聲波流量計專利技術(shù)發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。

2.1.1 技術(shù)起步階段。20世紀(jì)60年代，超聲波流量計從理論研究狀態(tài)逐漸向應(yīng)用狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并且隨著多普勒超聲波流量計的誕生，相關(guān)專利也由此誕生。

2.1.2 技術(shù)發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提升，時差法超聲流量計的性能逐步提升。20世紀(jì)70年代中后期，頻差法超聲波流量計被提出，該種超聲波流量計聲速受溫度的影響遠(yuǎn)小于時差法超聲波流量計，并且在靈敏度和測量范圍方面有了很大提高，加上80年代初各種微處理器的陸續(xù)出現(xiàn)，使得超聲波流量計的申請出現(xiàn)了一個小高峰。我國專利申請?jiān)谌蚣夹g(shù)發(fā)展階段的末期才開始起步。

2.1.3 快速增長階段。20世紀(jì)90年代，隨著新型材料和工藝的發(fā)展，超聲波換能器的性能有了較大提升。進(jìn)入21世紀(jì)后，高速信號處理器技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)成功應(yīng)用于超聲波流量計中，超聲波流量計的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性都得到了提升。我國陸續(xù)制定了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，進(jìn)一步推動了超聲波流量計的技術(shù)發(fā)展，20世紀(jì)末21世紀(jì)初，我國進(jìn)入相關(guān)專利申請的快速增長階段。

2.2 國外主要申請人排名

圖2展示了國外主要申請人在超聲波流量計領(lǐng)域申請專利的情況。從圖2可知，排名前十的企業(yè)主要集中在日本、美國和瑞士，其中松下電器、丹尼爾測量和控制公司、恩德斯豪斯集團(tuán)位列前三，位居首位的松下電器的申請量明顯大于其他申請人的申請量。位列第二的丹尼爾測量和控制公司的流量計量產(chǎn)品、計量系統(tǒng)在油氣行業(yè)一直處于全球領(lǐng)先地位。恩德斯豪斯研發(fā)制造的高技術(shù)水準(zhǔn)的測量及自動化儀表廣泛應(yīng)用于世界各地的工業(yè)領(lǐng)域。

2.3 在華主要申請人分析

圖3展示了該領(lǐng)域在華申請的前十位的申請人排名。其中，松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社的申請量表明了其在我國的專利布局策略。可見，在該領(lǐng)域占領(lǐng)我國市場的仍然是國外公司。國內(nèi)自主研發(fā)超聲波流量計的絕大部分為儀表公司，其中浙江天信儀表科技有限公司主營各種類型的水表和流量計，因此在超聲波流量計方面也有一定的研究;重慶市偉岸測器制造股份有限公司和上海一諾儀表有限公司等的主營業(yè)務(wù)均是自動化儀器儀表的開發(fā)和生產(chǎn)，因此在該方面有一定的申請比重。

3 超聲波流量計技術(shù)功效分析

本文選取國內(nèi)申請量排名前三的申請人的專利進(jìn)行分析。由圖4可以看出，通過改進(jìn)超聲波換能器結(jié)構(gòu)、提高精度是一個研發(fā)熱點(diǎn)，其次是通過優(yōu)化算法來提高超聲波流量計的測量精度，此外，降低功耗也是比較重要的研究方向。總體來說，提高測量精度是超聲波流量計的重點(diǎn)研究方向。

4 重點(diǎn)專利分析

國外申請人在超聲波流量計領(lǐng)域具有申請時間早、核心技術(shù)多的特點(diǎn)。本文結(jié)合incoPat中的合享價值度指標(biāo)，統(tǒng)計了前三位國外申請人的高價值專利，并進(jìn)行技術(shù)分析。

4.1 松下電器

JP2004184423A公開了一種超聲換能器和超聲波流量計，在壓電體上設(shè)置聲匹配層，保護(hù)器設(shè)置在壓電體的固定位置上并與聲匹配層接觸，提供了一種具有較高的制造成品率和可靠性的超聲波換能器。WO0055581A1公開了一種超聲波流量計，在下游接收器面向測量通道的開口處設(shè)置第一控制構(gòu)件，用于限制流體流入該開口，并在上游測量通道中設(shè)置第二控制構(gòu)件，用于限制流入下游開口的流體。上述控制構(gòu)件減少了湍流和渦旋的發(fā)生，提高了測量精度和流量測量的上限。

4.2 丹尼爾測量和控制公司

US8186229B2公開了一種具有端口蓋組件的超聲波流量計，端口蓋組件的設(shè)置用以防止電纜與換能器組件出現(xiàn)電脫離，減少了維護(hù)的頻率，降低了維護(hù)的成本。US6550345B1公開了一種管道中分層流動的測量技術(shù)。該技術(shù)包括三路測量支路，分別對應(yīng)三對超聲波換能器，三個測量支路分別穿過兩個流層以及兩個流層分界處。其解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能測量分層流動的管道中流體的流速和流量的技術(shù)問題。

4.3 恩德斯豪斯集團(tuán)

US7469599B2公開了一種安裝在安全殼上的流量計，由于兩個超聲換能器的間距原則上僅取決于超聲測量信號的張開角，因此，可以在制造時將上述間距固定，由此大幅降低了安裝成本，無須因系統(tǒng)更改而進(jìn)行后續(xù)調(diào)整。US7194363B2公開了一種超聲波流量計，改進(jìn)點(diǎn)在于提供一種電源管理系統(tǒng)，將通過輸入、輸出單元提供給流量計的功率進(jìn)行能量有效分配，可以在低功耗期間存儲能量，并在高功耗期間重新供應(yīng)所存儲的能量，避免了能量的浪費(fèi)。

5 結(jié)語

本文對超聲波流量計國內(nèi)外專利申請趨勢和技術(shù)側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行梳理，有助于相關(guān)企業(yè)全面了解超聲波流量測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時在了解現(xiàn)有專利狀況的基礎(chǔ)上尋找新的突破口，把握技術(shù)發(fā)展方向，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步推動國內(nèi)超聲波流量測量技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉陽.超聲波流量檢測技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2017：8.

[2]殷光.超聲波流量測量技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2012：5.