超声波测流体流量专利技术综述

吕扬

一、概述

在工业生产过程中，温度、压力、流量时工业过程测量的三大参数，其中流量作为工业过程中的一个重要检测参数，在自动化检测领域占据着重要的位置。流量计作为标准计量器具在石油、化工、煤炭、电力、交通、冶金及人民日常生活等国民经济的各个领域获得广泛地应用。

超声波流量计研究具有近80年的历史。最早是在1931年，Rutten发表了关于利用声波测量管道流体流量的理论基础；在1957年左右，Grosso作了关于超声波流量计发展的一些技术理论评述；在20世纪50年代，基于频差法的MAXSON流量计研制成功，其主要用于测量航空燃料，这意味着超声流量计从此由研究阶段进入了应用阶段；在20世纪60年代末，出现了多普勒效应的超声波流量计，有关超声波流量计的大量专利也相继问世，随着电子技术的不断发展，在20世纪70年代，超声波流量计的性能逐步提高，其应用也得到了推广，理论研究也逐渐增多。

我国自行研发超声波流量计比较晚。20世纪90年代由同济大学声学研究室、上海光华仪表厂、唐山仪表厂等单位开始研制超声波流量计，并逐步应用到煤气流量计量中。目前国内有华中科技大学、天津大学、浙江大学、清华大学深圳研究生院、哈尔滨工业大学等高等院校都在进行超声波流量计的研究，也已取得了一定的研究成果，并且国内生产超声波流量计的公司已经有几十家，但与国外的超声波流量计研究相比差距较大。

二、超声波流量计专利申请分析

本文利用国家知识产权局网站的专利检索与服务系统，主要对超声波流量计在中国的专利申请量进行分析，通过关键词和分类号相结合的方式在中文数据库CNABS进行检索，统计的专利申请数据截止到2017年12月31日。

（一）年度专利申请量分析

中国的超声波流量计的专利申请最早起始于1985年；在经历了1985年至2002年的发展期后，超声波流量计在中国的专利申请量呈逐步增涨状态，并于2003年时，达到了申请量的小高峰，专利申请量首次突破50件/年；在2004年至2006年期间，专利申请量几乎保持平稳状态，每年专利申请量相差无几；在2007年至2012年期间，专利申请量出现了迅猛增长；在2012年以后，专利申请量大体处于高申请量且平稳的状态，并于2016年达到专利申请量的顶峰，突破350件/年，主要原因是在该时期内关于超声波流量计的研究方向处于稳定状态。

（二）重要申请人

超声波流量计在中国的专利申请申请人中，大部分申请人来自于企业，申请量占国内申请总量的77%，这与该项技术本身的技术特征及其在工业中的应用范围有直接关系；其次，部分申请人来自各院校、科研院所，其申请量占国内申请总量的12%，而个人申请占申请总量的11%。

超声波流量计在中国的主要专利申请人的申请量排名前四位的都是外国公司，美国的丹尼尔测量和控制公司和日本的松下柱式会社为该领域的主要研究者，两公司在中国的申请量仅相差22件；国内的重庆市伟岸测器制造股份有限公司位于中国申请人的申请量的第一名、位于国内主要申请人的申请量的第五名，该公司在超声波流量测量领域的专利申请数量仅有41件；位于国内申请人的申请量的第七名的是浙江大学，也是唯一一个在国内申请人申请量排名前8名中的院校、科研院所类机构，其申请了34件专利。

总体而言，从统计结果中可以看出，人们对利用超声波技术进行流量测量的关注度处于逐渐增高的趋势，中国对利用超声波流量测量的技术还处于起步阶段，院校、科研院所对该技术的研究并不集中；相对而言，国外的企业，如美国和日本，在该领域的技术水平已经相对成熟，并且具有相对专一的公司在对该项技术进行持续的研究，国外的很多专利申请都走向授权，这也成为了影响国内在该领域的技术发展中一个重要因素。

三、重点技术发展

围绕超声波流量计技术领域的专利申请内容进行分析，其重点技术发展主要集中在提高检测精度、抗干扰性以及检测灵敏度等方面；在具体的技术研发中，又从超声波声道设置、超声波换能元器件、检测数据处理算法以及测量方法等方面进行改进。因此，本文从将从以下几方面对超声波流量计的重点技术理论以及相关专利申请进行分析。

（一）测量对象

根据超声波流量计适用的流道不同，可分为管道流量计、渠道流量计和河流流量计，而渠道流量计和河流流量计使用时区别并不大。其中管道类超声波流量计占据相当大的比重，占据申请总量的97%，而渠道类超声波流量计和河流类超声波流量计一共仅占据申请总量的3%，也就是说明在利用超声波测量流体流量技术中管道类的测量是其最重要的应用，其相关技术也一直处于研究和改进中。

用于河流和渠道的超声波流量计一般含有多个测速换能器和一个测水位换能器。专利CN101852629A公开了一种渠道或河道用超声波流量传感器阵列及其布置方法，在渠道或河道上设置阵列框架，阵列框架由多根立柱构成，多组立柱布置在渠道或河道上，多个声路检测阵列上的多对传感器在渠道或河道内布成阵列结构。

用于管道的超声波流量计一般是指用于有压管道的流量计。专利CN108051036A公开了一种非满管的超声波流量计，包括三对超声波传感器以及中央处理器。通过第一超声波传感器与第二超声波传感器相互发送和接收第一超声波和第二超声波，第三超声波传感器向液面发送并接收从液面反射回来的第三超声波，中央处理器根据第一超声波和第二超声波的传输时间计算得到液体流速，根据第三超声波的传输时间计算得到液体高度，最后根据液体流速和液体高度计算得到液体流量信息，实现了测量非满管液体流量的目的。

（二）测量方式

目前常用的测量方式有单声道超声波流量测量和多声道超声波流量测量。

单声道在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道。专利CN205156980U公开了一种耐高温外夹传感器，具体的，声楔通过高温耦合剂与压电陶瓷片进行高温耦合，将橡胶弹性体放于压电陶瓷片上，并将测量引线引出，用压板通过橡胶弹性体将压电陶瓷片与声楔紧密压接，将压接件整体嵌入到壳体内，支撑架用于安装支撑，实际测量中使用该方式制成的两支传感器，可进行高温或常温液体流量测量。

多声道超声波流量计是在被测管道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。专利CN104412071公开了一种流体测量装置，具体的为一种多声道的流体流量测量装置，具备在流入口与流出口之间并列地设置的多个测量流路、设置于多个测量流路并用于求出在该测量流路中流通的流体流量的流量测定部、求出由各个流量测定部求出的流量的平均值的平均流量运算部以及获取表示由平均流量运算部求出的平均值与由流量测定部求出的各个流量之间的关系的指标值并判断该指标值是否在规定值以上的流量比较部。

四、总结

本文对利用超声波测量流体流量技术的专利申请进行了整理和分析，重点分析了超声波流量计的测量对象、测量原理及测量方法，专利年度申请量的变化、申请人、申请人类型的分布，并结合核心专利申请，分析了超声波测量流体流量技术的改进以及研究发展方向。近年来，国内的企业和高校、科研院所对超声波测量流体流量技术的研究不断加深，相信超声波测量流体流量技术领域的专利申请也会稳步增长。对超声波测量流体流量技术相关专利的了解，可以帮助审查员了解该领域的技术发展和技术分支，掌握国内外主要申请人的技术发展脉络，准确地理解技术方案，初步判断是否具有创造性，并根据申请涉及的技术方案所处的发展阶段，找到相关现有技术，提高检索与审查效率。