基于專利分析的超聲波液位計技術原理探討

黃文 李蘭玉 文生明 王昆朋

摘 要：鑒于目前工業液位測量領域對超聲波液位計的需求不斷增長，其核心技術仍為幾家國外公司所掌握的現狀，本文從超聲液位計原理出發，對超聲波液位計的技術發展路線進行梳理，以期為技術人員了解該技術的發展脈絡提供借鑒。

關鍵詞：超聲波液位計；技術原理；專利分析

中圖分類號：TH816 文獻標識碼：A 文章編號：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 超聲波液位計技術發展概況

人類對超聲技術的研究是從1880年發現壓電效應開始的。1917年，法國研究用超聲波探測潛艇，法國科學家P.Langevin利用石英晶體制成超聲夾心式換能器，在水下進行超聲發射和接收，這是世界上的第一部聲吶。接著，鎳、鋁-鐵合金等磁致伸縮換能器出現；20世紀50年代欽酸鋇壓電陶瓷的研究應用；60年代以后，壓電陶瓷推廣使用并不斷發展，使超聲換能器的研制進入了一個嶄新的蓬勃發展時期。雖然1934年就有人提出用超聲波進行探傷的設想，但從20世紀60年代才引起廣泛重視[1，2]。

目前，國內高精度超聲波液位測量儀表的發展主要采用引進加吸收等手段，還有許多合資企業代理國外相應產品，圖1是全球主要申請人申請數量的分布，日本、德國各占四位。排名前三的申請人有中國廣州的中山歐麥克儀器設備有限公司、日本理光集團和德國VEGA格里沙貝兩合公司。中山歐麥克儀器設備有限公司是德國歐麥克儀器在中國的生產中心，主要負責在線水質檢測儀器的研發生產和銷售；老牌公司日本理光集團一直致力于光學儀器的研究，在超聲波流量檢測方面發展迅猛；排名第三、第六、第七、第八的仍然是德國的公司，其中，德國VEGA格里沙貝兩合公司的50系列超聲波液位計最大量程為15m，其精度高達量程的0.2%，是目前國外超聲波液位計中精度較高的。

2 超聲波液位計原理

超聲波液位測量是利用超聲波在氣體、液體和固體介質中傳播的回聲測距原理進行測量，故超聲波物位傳感器有氣介式、液介式和固介式三類。根據探頭的工作方式，又有自發、自收的單探頭方式和收、發分開的雙探頭方式。以單探頭超聲波液位計為例，對超聲波液位計工作原理進行介紹，其探頭既可以安裝在液面底部，也可

以安裝在容器底的外部，如圖2所示，處理電路中時鐘電路定時出發發射電路發出電脈沖，激勵超聲探頭發射超聲脈沖。脈沖穿過容器壁進入被測液體，在被測液體表面上發射回來，再由超聲塔頭轉換成電信號，最后送至處理電路中處理。圖2左側所示的單探頭方式，探頭起著發射和接受雙重作用，液面高度與超聲波在被測液體中聲速C和來回傳播時間t成正比例關系，即

[H=C2t] （1）

根據超聲波液位計的工作原理，從超聲波液位計發射/接收傳感器、超聲波液位計電路和超聲波液位計測量原理及修正方法，對目前各種關鍵技術進行梳理，并對重點專利申請及技術發展路線（如圖3所示）進行分析。

2.1 超聲波液位計發射/接收傳感器

超聲波液位計發射/接收傳感器是超聲波的液位計發射/接收超聲波的重要元器件，超聲波探頭的質量、安裝位置嚴重影響超聲波液位計的精度。從1976年開始，具有如下代表性的專利文獻，涉及超聲波換能器的安裝、結構、保護等。

在超聲波探頭安裝位置方面，主要有以下代表專利文獻。DE3431741A1公開了一種封閉容器液位檢測器，將超聲波傳感器固定于容器底部，通過反射原理測量液位。US4958518A公開了一種摩托車油箱油位監測器，具有一種支撐反向對接的超聲波換能器，其限定了一個到達底部開口的軸向超聲波測量路徑，提高了測量準確度并降低了成本。DE59201292D公開了一種檢測容器中液體有無的檢測方法，包括兩個超聲波接收器和一個超聲波換能器，安裝在容器外側壁上，超聲波換能器發射超聲波信號，一部分超聲信號經過容器內壁的反射回第一接收器，剩下的超聲波信號經過容器中的結構元件反射到第二接收器，將信號處理后與上下閾值進行比較來確定容器中液體的有無，提高了容器中氣液未完全分離時測量的可靠性。

隨著技術的進步，對超聲波換能器的結構進行了研究，目的在于進一步提高測量精度。DE3570325D公開了一種超聲波檢測傳感器，用于水下，具有裝設于基板上且帶有端子的厚膜電路，在兩個塑料箔片（炭聚物或硅襯底）之間放置至少一個金屬箔片，使得具有相同聲速和材料密度的探針使用數量減少。EP0465878A2公開了一種壓電陶瓷超聲換能器，使用長板形壓電陶瓷部，壓電陶瓷部在相反的兩面具有不同的金屬鍍層區，將兩個壓電陶瓷部豎直放置在儲油容器中的一個腔室中，接收信號在上部傳感器和下部傳感器之間進行變化。DE4328792C1公開了液體填充量檢測器，包括壓電超聲波發射接收傳感器，提出在基板上放置匹配層，在兩個匹配層之間設置壓電層，增加了超聲波能量且減小了聲音衰減時間常數。DE4330747C1公開了一種超聲波換能器，具有一個一體成型的第一材料殼體，殼體底座上具有一個壓力元件，在殼體底座上壓力元件的對立面有一個第二材料的適配體，殼體內部填充吸音材料來覆蓋壓力元件，提高了機械魯棒性，配置和安裝簡單。

為防止外在的干擾信號或環境中的污染物對超聲波換能器的干擾，EP0815954A2公開了一種超聲波換能器，具有斗型金屬殼體，圓筒形內壁和底板用來接收和發射超聲波，使用蒸汽沉積或濺射形成金屬層覆蓋壓電圓盤下部的第二電極內側的絕緣層，壓電圓盤上側的第二電極和金屬層接入電子測量電路，在壓電圓盤上的金屬氧化物粉末環氧樹脂中設置金屬網進行屏蔽，且屏蔽網與噴鍍金屬層連接，電磁屏蔽的使用在可接受的成本內使得超聲波換能器具有高傳導率和帶寬。JP2004325129A公開了一種超聲波傳感器驅動頻率的選擇方法，通過測量反射波的強度來改變超聲波傳感器驅動頻率，使超聲波傳感器在可變的液位測量時間范圍內具有最優驅動頻率。US2006236766A1公開了一種超聲波束成形裝置，具有陽極處理鋁板制成的基板，包括上下同軸對稱的圓錐面，圓錐面的中心對稱軸形成一個圓孔，降低了超聲波束發射能量，提高了分辨率。DE102010021869A1公開了一種超聲波換能器，其發射和接收表面包括具有硅乳酸的防灰層，其中硅乳酸嵌入高分子膜中，防止有害環境中液滴、煙霧劑等的吸附，提高了換能器的功能。

2.2 超聲波液位計電路

超聲波液位計電路是對超聲波測量信號進行處理，得到最終測量結果的重要手段，而關于其的專利文獻量不大。其中較為有代表性的專利主要包括以下幾個。

EP0829734B1公開了一種測量兩個換能器信號時間差的方法，并公開了具體測量電路，具有可靠的測量精度。JP2004257981A公開了一種超聲波液位計，控制器與超聲波傳感器現聯，測量發射聲波的回波時間，將發射接收時間差作為反射邊緣，如果反射邊緣值小于特定值則減小傳感器驅動時間，增加邊緣值后液位檢測基于回波時間，使其能測量低水平的液位。

2.3 超聲波液位計測量原理及修正方法

該技術分支是超聲波液位計領域中較大的一個分支。超聲波液位計測量原理主要有反射式、透射式等方法，并通過參考板、溫度進行校正。

反射式原理的超聲波液位計是本領域常用的超聲波液位測量方法。DE2745251A1公開了一種冶金過程中熔融物高度的無觸點測量，使用脈沖回波式測量法進行液位測量。DE3330063C2公開了一種畸形容器的液位指示裝置，具有一個插入容器的超聲波波導管，其從最高液位延伸到最低液位，并與容器形狀匹配，波導管上還具有不連續的標記，通過浸入液體中標記和液面以上的標記的超聲波反射信號來估算液位，適用于燃料液位測量且無可動部件。

對透射式原理的超聲波液位計的研究，文獻量較少，主要有以下專利文獻。DE3149909A1公開了一種高黏度材料液位控制器，具有在傳感器框架上相對設置的超聲波傳感器，第一超聲波換能器發射超聲波穿過材料到達第二超聲波換能器。隨著技術的發展，超聲波液位計的測量精度成為了主要研究對象，由此，出現了多種消除噪聲、修正測量結果的方法。DE3440513A1公開了一種燃料箱液體體積超聲波測量，換能器周期性的發射超聲波脈沖并被液面反射回來，通過評定渡越時間來得到體積，減小渡越時間信號的頻率并對信號序列進行修改，以通過電纜輸送給評估單元，消除了噪聲的影響且沒有增加額外成本。DE3703658A1公開了一種汽車燃料罐液位檢測裝置，測量超聲波從罐底到液面的傳播時間，并通過燃料溫度對其進行修正，從而得到液面高度，減小了電纜的需求。DE4308373 A1公開了超聲波脈沖回波距離傳感器，回波信號特征可以是時間、最大幅值和波形，也可以是單回波阻尼期望值、信號幅值的時間位置和前述的回波形狀，將回波信號和噪聲回波進行分離，消除了多次反射生成的噪聲信號帶來的誤差。

DE50014106D公開了一種液位測量裝置，具有超聲波傳感器，測量超聲波發射和接受的渡越時間，同時在通氣底部附近設置一個具有預定距離的反射器，比較超聲波液面渡越時間和被反射器反射的超聲波渡越時間，確定液面高度，提高了測量的可靠性。EP2045586A1公開了一種液體填充量的測量方法，通過時延法測量液面高度，同時采用無接觸式溫度傳感器測量多點溫度，對溫度進行補償，提高了測量精度。DE102009042869A1公開了一種超聲波液位計的檢查方法，通過確定反射信號輪廓特征值，將其與參考特征值進行比較來確定是否發出報警信息，提醒用戶操作不正確。WO2013013395A1公開了一種液位測量裝置，超聲波換能器通過一個分配器發射和接收超聲波，分配器分布在容器整個高度范圍內，即分布的超聲波到達容器中的液體或氣體并反射回來，通過分析信號的幅值平移來確定液位，防止了氣泡、泡沫、湍流、密度和聲速的影響。

3 結論

本文介紹了超聲波液位計的基本原理，并根據液位計的主要技術分支，介紹了所涉及的超聲波發射/接收傳感器、超聲波液位計電路及測量結果的修正方法，分析了多篇具有代表性的專利文獻，通過對超聲波液位計技術原理的分析，可以有效幫助超聲波液位測量領域的企業知識產權管理人員及研發人員把握技術發展的脈絡，為研發方向進行高效指引。

參考文獻：

[1]J.克勞特科洛默.超聲檢測技術[M].廣東：廣東科技出版社，1984.

[2]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京：電力工業出社，1980.