宋蔚 張秀麗

摘 要：鑒于目前超聲波流量測(cè)量領(lǐng)域?qū)Τ暡髁坑?jì)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，其核心技術(shù)仍為國(guó)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(jì)的原理出發(fā)，對(duì)超聲波流量計(jì)專利申請(qǐng)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(qǐng)人的相關(guān)技術(shù)分布。

關(guān)鍵詞：超聲波;流量計(jì);專利分析

中圖分類號(hào)：TH816文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(gè)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(huì)產(chǎn)生頻差、時(shí)差、相位差等，測(cè)量出上述與流體相關(guān)的信息即可根據(jù)公式計(jì)算出流體流速及流量。

1 超聲波流量計(jì)的類型

超聲波流量計(jì)根據(jù)測(cè)量原理可分為：時(shí)差法流量計(jì)、相位差法流量計(jì)、多普勒流量計(jì)、噪聲法流量計(jì)、旋渦法流量計(jì)等[2]，下面簡(jiǎn)單介紹幾種常用的類型。

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

多普勒流量計(jì)：基于多普勒效應(yīng)，被測(cè)流體中的顆粒相當(dāng)于觀測(cè)者，隨著懸浮物的移動(dòng)，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(jì)的測(cè)量原理。多普勒流量計(jì)適合測(cè)量具有一定懸浮顆粒的流體。

2 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)情況

2.1 國(guó)內(nèi)外總體情況分析

通過(guò)在incoPat專利數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、篩選得到超聲波流量計(jì)的專利申請(qǐng)7 819項(xiàng)，圖1為國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)量對(duì)比圖，檢索時(shí)間截至2020年2月18日。由于專利文獻(xiàn)從提出申請(qǐng)到公開需要一定的時(shí)間，因此，圖1中有關(guān)2018年到2019年申請(qǐng)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(jì)專利技術(shù)發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了三個(gè)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(jì)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(jì)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(shí)差法超聲流量計(jì)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(jì)被提出，該種超聲波流量計(jì)聲速受溫度的影響遠(yuǎn)小于時(shí)差法超聲波流量計(jì)，并且在靈敏度和測(cè)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(jì)的申請(qǐng)出現(xiàn)了一個(gè)小高峰。我國(guó)專利申請(qǐng)?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(zhǎng)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(hào)處理器技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)成功應(yīng)用于超聲波流量計(jì)中，超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性都得到了提升。我國(guó)陸續(xù)制定了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，進(jìn)一步推動(dòng)了超聲波流量計(jì)的技術(shù)發(fā)展，20世紀(jì)末21世紀(jì)初，我國(guó)進(jìn)入相關(guān)專利申請(qǐng)的快速增長(zhǎng)階段。

2.2 國(guó)外主要申請(qǐng)人排名

圖2展示了國(guó)外主要申請(qǐng)人在超聲波流量計(jì)領(lǐng)域申請(qǐng)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(guó)和瑞士，其中松下電器、丹尼爾測(cè)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(qǐng)量明顯大于其他申請(qǐng)人的申請(qǐng)量。位列第二的丹尼爾測(cè)量和控制公司的流量計(jì)量產(chǎn)品、計(jì)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(cè)量及自動(dòng)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(qǐng)人分析

圖3展示了該領(lǐng)域在華申請(qǐng)的前十位的申請(qǐng)人排名。其中，松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的申請(qǐng)量表明了其在我國(guó)的專利布局策略。可見，在該領(lǐng)域占領(lǐng)我國(guó)市場(chǎng)的仍然是國(guó)外公司。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)超聲波流量計(jì)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(yíng)各種類型的水表和流量計(jì)，因此在超聲波流量計(jì)方面也有一定的研究;重慶市偉岸測(cè)器制造股份有限公司和上海一諾儀表有限公司等的主營(yíng)業(yè)務(wù)均是自動(dòng)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(qǐng)比重。

3 超聲波流量計(jì)技術(shù)功效分析

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

4 重點(diǎn)專利分析

國(guó)外申請(qǐng)人在超聲波流量計(jì)領(lǐng)域具有申請(qǐng)時(shí)間早、核心技術(shù)多的特點(diǎn)。本文結(jié)合incoPat中的合享價(jià)值度指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了前三位國(guó)外申請(qǐng)人的高價(jià)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(jì)，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(jì)，在下游接收器面向測(cè)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(cè)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(cè)量精度和流量測(cè)量的上限。

4.2 丹尼爾測(cè)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(jì)，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(dòng)的測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)包括三路測(cè)量支路，分別對(duì)應(yīng)三對(duì)超聲波換能器，三個(gè)測(cè)量支路分別穿過(guò)兩個(gè)流層以及兩個(gè)流層分界處。其解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能測(cè)量分層流動(dòng)的管道中流體的流速和流量的技術(shù)問(wèn)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(jì)，由于兩個(gè)超聲換能器的間距原則上僅取決于超聲測(cè)量信號(hào)的張開角，因此，可以在制造時(shí)將上述間距固定，由此大幅降低了安裝成本，無(wú)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(jì)，改進(jìn)點(diǎn)在于提供一種電源管理系統(tǒng)，將通過(guò)輸入、輸出單元提供給流量計(jì)的功率進(jìn)行能量有效分配，可以在低功耗期間存儲(chǔ)能量，并在高功耗期間重新供應(yīng)所存儲(chǔ)的能量，避免了能量的浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)超聲波流量計(jì)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)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(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)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(dòng)國(guó)內(nèi)超聲波流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉陽(yáng).超聲波流量檢測(cè)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(cè)量技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2012：5.