超声波流量计专利技术综述

宋蔚 张秀丽

摘 要：鉴于目前超声波流量测量领域对超声波流量计的需求持续增长，其核心技术仍为国外几家公司所掌握的现状，本文立足于专利文献，从超声波流量计的原理出发，对超声波流量计专利申请和技术功效进行了梳理，有助于技术人员了解重要申请人的相关技术分布。

关键词：超声波;流量计;专利分析

中图分类号：TH816文献标识码：A文章编号：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

超声波具有两个重要特性：一是定向性，超声波在均匀媒介中基本上是沿直线传播的，因此可以实现定向发射和定向接收;二是穿透性很强，其在不同媒介分界面处可发生透射、反射和折射现象[1]。由于超声波在流体中传播会产生频差、时差、相位差等，测量出上述与流体相关的信息即可根据公式计算出流体流速及流量。

1 超声波流量计的类型

超声波流量计根据测量原理可分为：时差法流量计、相位差法流量计、多普勒流量计、噪声法流量计、旋涡法流量计等[2]，下面简单介绍几种常用的类型。

时差（相位差）法流量计：超声波在待测流体内传播时，二者的速度会叠加，导致超声波在相同距离内顺着流体传播时间短，逆着流体传播时间长，该时间差与流体的流速之间呈线性关系，时差法流量计就是依据这个原理测量流速的。相位差流量计的原理与时差法类似，不同的是利用超声波顺流和逆流的相位差来测量流体的流速。

多普勒流量计：基于多普勒效应，被测流体中的颗粒相当于观测者，随着悬浮物的移动，超声波换能器接收到的频率也随之变化，这是多普勒流量计的测量原理。多普勒流量计适合测量具有一定悬浮颗粒的流体。

2 国内外专利申请情况

2.1 国内外总体情况分析

通过在incoPat专利数据库进行检索、筛选得到超声波流量计的专利申请7 819项，图1为国内外申请量对比图，检索时间截至2020年2月18日。由于专利文献从提出申请到公开需要一定的时间，因此，图1中有关2018年到2019年申请量的下降不排除是样本数据不完整造成的。

由图1可知，全球超声波流量计专利技术发展至今，大致经历了三个发展阶段。

2.1.1 技术起步阶段。20世纪60年代，超声波流量计从理论研究状态逐渐向应用状态转变，并且随着多普勒超声波流量计的诞生，相关专利也由此诞生。

2.1.2 技术发展阶段。20世纪70年代，随着电子技术的发展和制造水平的提升，时差法超声流量计的性能逐步提升。20世纪70年代中后期，频差法超声波流量计被提出，该种超声波流量计声速受温度的影响远小于时差法超声波流量计，并且在灵敏度和测量范围方面有了很大提高，加上80年代初各种微处理器的陆续出现，使得超声波流量计的申请出现了一个小高峰。我国专利申请在全球技术发展阶段的末期才开始起步。

2.1.3 快速增长阶段。20世纪90年代，随着新型材料和工艺的发展，超声波换能器的性能有了较大提升。进入21世纪后，高速信号处理器技术和现代数字信号处理技术成功应用于超声波流量计中，超声波流量计的准确性、稳定性都得到了提升。我国陆续制定了相关国家标准和规程，进一步推动了超声波流量计的技术发展，20世纪末21世纪初，我国进入相关专利申请的快速增长阶段。

2.2 国外主要申请人排名

图2展示了国外主要申请人在超声波流量计领域申请专利的情况。从图2可知，排名前十的企业主要集中在日本、美国和瑞士，其中松下电器、丹尼尔测量和控制公司、恩德斯豪斯集团位列前三，位居首位的松下电器的申请量明显大于其他申请人的申请量。位列第二的丹尼尔测量和控制公司的流量计量产品、計量系统在油气行业一直处于全球领先地位。恩德斯豪斯研发制造的高技术水准的测量及自动化仪表广泛应用于世界各地的工业领域。

2.3 在华主要申请人分析

图3展示了该领域在华申请的前十位的申请人排名。其中，松下电器产业株式会社的申请量表明了其在我国的专利布局策略。可见，在该领域占领我国市场的仍然是国外公司。国内自主研发超声波流量计的绝大部分为仪表公司，其中浙江天信仪表科技有限公司主营各种类型的水表和流量计，因此在超声波流量计方面也有一定的研究;重庆市伟岸测器制造股份有限公司和上海一诺仪表有限公司等的主营业务均是自动化仪器仪表的开发和生产，因此在该方面有一定的申请比重。

3 超声波流量计技术功效分析

本文选取国内申请量排名前三的申请人的专利进行分析。由图4可以看出，通过改进超声波换能器结构、提高精度是一个研发热点，其次是通过优化算法来提高超聲波流量计的测量精度，此外，降低功耗也是比较重要的研究方向。总体来说，提高测量精度是超声波流量计的重点研究方向。

4 重点专利分析

国外申请人在超声波流量计领域具有申请时间早、核心技术多的特点。本文结合incoPat中的合享价值度指标，统计了前三位国外申请人的高价值专利，并进行技术分析。

4.1 松下电器

JP2004184423A公开了一种超声换能器和超声波流量计，在压电体上设置声匹配层，保护器设置在压电体的固定位置上并与声匹配层接触，提供了一种具有较高的制造成品率和可靠性的超声波换能器。WO0055581A1公开了一种超声波流量计，在下游接收器面向测量通道的开口处设置第一控制构件，用于限制流体流入该开口，并在上游测量通道中设置第二控制构件，用于限制流入下游开口的流体。上述控制构件减少了湍流和涡旋的发生，提高了测量精度和流量测量的上限。

4.2 丹尼尔测量和控制公司

US8186229B2公开了一种具有端口盖组件的超声波流量计，端口盖组件的设置用以防止电缆与换能器组件出现电脱离，减少了维护的频率，降低了维护的成本。US6550345B1公开了一种管道中分层流动的测量技术。该技术包括三路测量支路，分别对应三对超声波换能器，三个测量支路分别穿过两个流层以及两个流层分界处。其解决了现有技术中不能测量分层流动的管道中流体的流速和流量的技术问题。

4.3 恩德斯豪斯集团

US7469599B2公开了一种安装在安全壳上的流量计，由于两个超声换能器的间距原则上仅取决于超声测量信号的张开角，因此，可以在制造时将上述间距固定，由此大幅降低了安装成本，无须因系统更改而进行后续调整。US7194363B2公开了一种超声波流量计，改进点在于提供一种电源管理系统，将通过输入、输出单元提供给流量计的功率进行能量有效分配，可以在低功耗期间存储能量，并在高功耗期间重新供应所存储的能量，避免了能量的浪费。

5 结语

本文对超声波流量计国内外专利申请趋势和技术侧重点进行梳理，有助于相关企业全面了解超声波流量测量技术的发展现状，同时在了解现有专利状况的基础上寻找新的突破口，把握技术发展方向，加强技术创新，进一步推动国内超声波流量测量技术的发展。

参考文献：

[1]刘阳.超声波流量检测技术研究[D].西安：西安石油大学，2017：8.

[2]殷光.超声波流量测量技术研究[D].西安：西安石油大学，2012：5.