基于专利分析的超声波液位计技术原理探讨

黄文 李兰玉 文生明 王昆朋

摘 要：鉴于目前工业液位测量领域对超声波液位计的需求不断增长，其核心技术仍为几家国外公司所掌握的现状，本文从超声液位计原理出发，对超声波液位计的技术发展路线进行梳理，以期为技术人员了解该技术的发展脉络提供借鉴。

关键词：超声波液位计；技术原理；专利分析

中图分类号：TH816 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0058-04

Discussion on the Technology Principle of Ultrasonic Liquid Level Meter Based on Patent Analysis

HUANG Wen LI Lanyu WEN Shengming WANG Kunpeng

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

Abstract： In view of the increasing demand for ultrasonic level gauge in the field of industrial level measurement， the core technology of ultrasonic level gauge is still mastered by several foreign companies. Based on the principle of ultrasonic level meter， this paper combed the technical development route of ultrasonic level meter， in order to provide reference for technical personnel to understand the development of this technology.

Keywords： ultrasonic；liquid level gauge；patent analysis

1 超聲波液位计技术发展概况

人类对超声技术的研究是从1880年发现压电效应开始的。1917年，法国研究用超声波探测潜艇，法国科学家P.Langevin利用石英晶体制成超声夹心式换能器，在水下进行超声发射和接收，这是世界上的第一部声呐。接着，镍、铝-铁合金等磁致伸缩换能器出现；20世纪50年代钦酸钡压电陶瓷的研究应用；60年代以后，压电陶瓷推广使用并不断发展，使超声换能器的研制进入了一个崭新的蓬勃发展时期。虽然1934年就有人提出用超声波进行探伤的设想，但从20世纪60年代才引起广泛重视[1，2]。

目前，国内高精度超声波液位测量仪表的发展主要采用引进加吸收等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品，图1是全球主要申请人申请数量的分布，日本、德国各占四位。排名前三的申请人有中国广州的中山欧麦克仪器设备有限公司、日本理光集团和德国VEGA格里沙贝两合公司。中山欧麦克仪器设备有限公司是德国欧麦克仪器在中国的生产中心，主要负责在线水质检测仪器的研发生产和销售；老牌公司日本理光集团一直致力于光学仪器的研究，在超声波流量检测方面发展迅猛；排名第三、第六、第七、第八的仍然是德国的公司，其中，德国VEGA格里沙贝两合公司的50系列超声波液位计最大量程为15m，其精度高达量程的0.2%，是目前国外超声波液位计中精度较高的。

2 超声波液位计原理

超声波液位测量是利用超声波在气体、液体和固体介质中传播的回声测距原理进行测量，故超声波物位传感器有气介式、液介式和固介式三类。根据探头的工作方式，又有自发、自收的单探头方式和收、发分开的双探头方式。以单探头超声波液位计为例，对超声波液位计工作原理进行介绍，其探头既可以安装在液面底部，也可

以安装在容器底的外部，如图2所示，处理电路中时钟电路定时出发发射电路发出电脉冲，激励超声探头发射超声脉冲。脉冲穿过容器壁进入被测液体，在被测液体表面上发射回来，再由超声塔头转换成电信号，最后送至处理电路中处理。图2左侧所示的单探头方式，探头起着发射和接受双重作用，液面高度与超声波在被测液体中声速C和来回传播时间t成正比例关系，即

[H=C2t] （1）

根据超声波液位计的工作原理，从超声波液位计发射/接收传感器、超声波液位计电路和超声波液位计测量原理及修正方法，对目前各种关键技术进行梳理，并对重点专利申请及技术发展路线（如图3所示）进行分析。

2.1 超声波液位计发射/接收传感器

超声波液位计发射/接收传感器是超声波的液位计发射/接收超声波的重要元器件，超声波探头的质量、安装位置严重影响超声波液位计的精度。从1976年开始，具有如下代表性的专利文献，涉及超声波换能器的安装、结构、保护等。

在超声波探头安装位置方面，主要有以下代表专利文献。DE3431741A1公开了一种封闭容器液位检测器，将超声波传感器固定于容器底部，通过反射原理测量液位。US4958518A公开了一种摩托车油箱油位监测器，具有一种支撑反向对接的超声波换能器，其限定了一个到达底部开口的轴向超声波测量路径，提高了测量准确度并降低了成本。DE59201292D公开了一种检测容器中液体有无的检测方法，包括两个超声波接收器和一个超声波换能器，安装在容器外侧壁上，超声波换能器发射超声波信号，一部分超声信号经过容器内壁的反射回第一接收器，剩下的超声波信号经过容器中的结构元件反射到第二接收器，将信号处理后与上下阈值进行比较来确定容器中液体的有无，提高了容器中气液未完全分离时测量的可靠性。

随着技术的进步，对超声波换能器的结构进行了研究，目的在于进一步提高测量精度。DE3570325D公开了一种超声波检测传感器，用于水下，具有装设于基板上且带有端子的厚膜电路，在两个塑料箔片（炭聚物或硅衬底）之间放置至少一个金属箔片，使得具有相同声速和材料密度的探针使用数量减少。EP0465878A2公开了一种压电陶瓷超声换能器，使用长板形压电陶瓷部，压电陶瓷部在相反的两面具有不同的金属镀层区，将两个压电陶瓷部竖直放置在储油容器中的一个腔室中，接收信号在上部传感器和下部传感器之间进行变化。DE4328792C1公开了液体填充量检测器，包括压电超声波发射接收传感器，提出在基板上放置匹配层，在两个匹配层之间设置压电层，增加了超声波能量且减小了声音衰减时间常数。DE4330747C1公开了一种超声波换能器，具有一个一体成型的第一材料壳体，壳体底座上具有一个压力元件，在壳体底座上压力元件的对立面有一个第二材料的适配体，壳体内部填充吸音材料来覆盖压力元件，提高了机械鲁棒性，配置和安装简单。

为防止外在的干扰信号或环境中的污染物对超声波换能器的干扰，EP0815954A2公开了一种超声波换能器，具有斗型金属壳体，圆筒形内壁和底板用来接收和发射超声波，使用蒸汽沉积或溅射形成金属层覆盖压电圆盘下部的第二电极内侧的绝缘层，压电圆盘上侧的第二电极和金属层接入电子测量电路，在压电圆盘上的金属氧化物粉末环氧树脂中设置金属网进行屏蔽，且屏蔽网与喷镀金属层连接，电磁屏蔽的使用在可接受的成本内使得超声波换能器具有高传导率和带宽。JP2004325129A公开了一种超声波传感器驱动频率的选择方法，通过测量反射波的强度来改变超声波传感器驱动频率，使超声波传感器在可变的液位测量时间范围内具有最优驱动频率。US2006236766A1公开了一种超声波束成形装置，具有阳极处理铝板制成的基板，包括上下同轴对称的圆锥面，圆锥面的中心对称轴形成一个圆孔，降低了超声波束发射能量，提高了分辨率。DE102010021869A1公开了一种超声波换能器，其发射和接收表面包括具有硅乳酸的防灰层，其中硅乳酸嵌入高分子膜中，防止有害环境中液滴、烟雾剂等的吸附，提高了换能器的功能。

2.2 超声波液位计电路

超声波液位计电路是对超声波测量信号进行处理，得到最终测量结果的重要手段，而关于其的专利文献量不大。其中较为有代表性的专利主要包括以下几个。

EP0829734B1公开了一种测量两个换能器信号时间差的方法，并公开了具体测量电路，具有可靠的测量精度。JP2004257981A公开了一种超声波液位计，控制器与超声波传感器现联，测量发射声波的回波时间，将发射接收时间差作为反射边缘，如果反射边缘值小于特定值则减小传感器驱动时间，增加边缘值后液位检测基于回波时间，使其能测量低水平的液位。

2.3 超声波液位计测量原理及修正方法

该技术分支是超声波液位计领域中较大的一个分支。超声波液位计测量原理主要有反射式、透射式等方法，并通过参考板、温度进行校正。

反射式原理的超声波液位计是本领域常用的超声波液位测量方法。DE2745251A1公开了一种冶金过程中熔融物高度的无触点测量，使用脉冲回波式测量法进行液位测量。DE3330063C2公开了一种畸形容器的液位指示装置，具有一个插入容器的超声波波导管，其从最高液位延伸到最低液位，并与容器形状匹配，波导管上还具有不连续的标记，通过浸入液体中标记和液面以上的标记的超声波反射信号来估算液位，适用于燃料液位测量且无可动部件。

对透射式原理的超声波液位计的研究，文献量较少，主要有以下专利文献。DE3149909A1公开了一种高黏度材料液位控制器，具有在传感器框架上相对设置的超声波传感器，第一超声波换能器发射超声波穿过材料到达第二超声波换能器。随着技术的发展，超声波液位计的测量精度成为了主要研究对象，由此，出现了多种消除噪声、修正测量结果的方法。DE3440513A1公开了一种燃料箱液体体积超声波测量，换能器周期性的发射超声波脉冲并被液面反射回来，通过评定渡越时间来得到体积，减小渡越时间信号的频率并对信号序列进行修改，以通过电缆输送给评估单元，消除了噪声的影响且没有增加额外成本。DE3703658A1公开了一种汽车燃料罐液位检测装置，测量超声波从罐底到液面的传播时间，并通过燃料温度对其进行修正，从而得到液面高度，减小了电缆的需求。DE4308373 A1公开了超声波脉冲回波距离传感器，回波信号特征可以是时间、最大幅值和波形，也可以是单回波阻尼期望值、信号幅值的时间位置和前述的回波形状，将回波信号和噪声回波进行分离，消除了多次反射生成的噪声信号带来的误差。

DE50014106D公开了一种液位测量装置，具有超声波传感器，测量超声波发射和接受的渡越时间，同时在通气底部附近设置一个具有预定距离的反射器，比较超声波液面渡越时间和被反射器反射的超声波渡越时间，确定液面高度，提高了测量的可靠性。EP2045586A1公开了一种液体填充量的测量方法，通过时延法测量液面高度，同时采用无接触式温度传感器测量多点温度，对温度进行补偿，提高了测量精度。DE102009042869A1公开了一种超声波液位计的检查方法，通过确定反射信号轮廓特征值，将其与参考特征值进行比较来确定是否发出报警信息，提醒用户操作不正确。WO2013013395A1公开了一种液位测量装置，超声波换能器通过一个分配器发射和接收超声波，分配器分布在容器整个高度范围内，即分布的超声波到达容器中的液体或气体并反射回来，通过分析信号的幅值平移来确定液位，防止了气泡、泡沫、湍流、密度和声速的影响。

3 结论

本文介绍了超声波液位计的基本原理，并根据液位计的主要技术分支，介绍了所涉及的超声波发射/接收传感器、超声波液位计电路及测量结果的修正方法，分析了多篇具有代表性的专利文献，通过对超声波液位计技术原理的分析，可以有效帮助超声波液位测量领域的企业知识产权管理人员及研发人员把握技术发展的脉络，为研发方向进行高效指引。

参考文献：

[1]J.克劳特科洛默.超声检测技术[M].广东：广东科技出版社，1984.

[2]《超声波探伤》编写組.超声波探伤[M].北京：电力工业出社，1980.