高玉江
国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心
摘 要：基于声学效应的温度测量技术以其优异的性能在工业领域具有广泛的应用，本文从专利申请状况和专利技术分析两个方面，分析基于声学效应的温度测量专利技术。
关键词：声学效应；温度；专利；速度
温度是科学和工程学中的一个基本变量，在大量的工业过程中，对于温度的测量是非常重要的，一般来说，温度测量方法分为接触测量法和非接触测量法两大类。接触测量法中，测量装置的测温元件需要与被测介质直接接触，典型的有温度计、热点有、热电阻等；非接触测量法中，测量装置的测温元件不必与被测介质直接接触，在接触测温不便使用的场合下使用，比较典型的有光学测温方法、红外测温法、图像测温法、辐射测温方法以及声学效应测温法。其中，声学效应测温法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率变化来求解温度或温度场，具有测量精度高、测量范围大、测量空间大、非接触实时性强、抗干扰等优点，在工业温度检测中应用越来越广泛。
早在1687年，牛顿就推导出了声学测温的原理公式。到了1873年，有人第一次提出了利用测量声学参数来确定气体环境下的热力条件。直到上世纪七十年代初期，声学测温技术才作为一门新兴的科学技术正式被提出。随着电子技术和计算机技术的发展，声学测温技术由于其自身具有的优越性能，80年代中期以来不断受到各国学者及工程技术人员的关注。到了九十年代初期，国外声层析成像测温系统已被开发成产品并迅速商业化，被应用到燃煤和燃油火力发电厂、垃圾发电站、化学用品回收锅炉、水泥回转窑、延迟炼焦器等工业的热力过程控制中。
一、基于声学效应的温度测量专利申请概述
从 1911 年英国CYRO DE ANDRADE MARTINS COSTA向英国专利局提交了第一份声高温计的专利申请（公开号为GB191125265A）开始，到 1961 年通过动力公司使用振动频率检测炉温，声学效应测温技术逐渐得到广泛应用。
截至 2021 年 4 月，在Incopat 数据库中检索到涉及声学效应测温技术的全球专利申请共计 2738 项。通过统计分析，得到全球主要国家或地区有关声学效应测温技术的专利申请量。主要集中在中国、美国、日本、德国和英国等国家。其中，中国在本领域的专利申请量占据了绝对优势，数量高达643 件，占全球总申请量的 23.5%；美国的申请量位居第二，数量为579件；日本以 453 件，位居申请量的第三名；德国和英国分别位列第四、第五名。
以5年为一个统计区间，得到图 1中、美、日1960年以来专利申请趋势图。从图 1 可以看出，美国在该技术领域布局专利较早，每5年约有50件较为平稳的申请量，充分说明美国一直重视声学效应测温技术的发展。日本申请量较为平稳，每5年约为5件的申请量。中国从1988年第一件专利申请开始，此后的的10年间并没有关注该项技术，直到2004年以后，逐渐重视声学效应测温技术的专利申请，特别是2010年以后，出现了井喷式的发展，这与我国工业该时期的快速发展密切相关，需要进行相关领域温度检测的技术升级。
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分析本领域国内外主要申请人的专利申请数量，得到如图 2、图 3 所示的国内外主要申请人专利申请量图。
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由图 2 可以看出，国内主要申请人有国家电网、华北电力大学、上海交通大学、美的集团以及浙江大学。其中，国家电网的以94件申请量处于绝对优势，充分表明声学效应测温在电力系统具有广泛的应用。
由图 3 可以看出，在本领域申请量较多的有西门子、日立、通用电气、霍尼韦尔、三菱、松下、阿尔斯通。其中，西门子以88件的申请量具有较大优势，充分表明西门子在声学效应测温技术领域具有较高的技术储备。
二、基于传播速度的声学效应温度测量专利技术分析
声学效应的温度测量技术主要包括基于声音的传播速度和共振频率得到温度信息。基于声音的传播速度的相关专利技术有：单路径声学测温、多路径二位温度场测量以及三维温度场声学测量。
美国卡登公司在专利文献US5597962 A中给出了一种利用声音单路径传播速度进行测温的相关技术，提出一种测定流体流动的装置，径向供应装置系由径向设置于上游与下游处的第一换能器14与第二换能器16所组成，第一、二换能器可交替地作为发送器与接收器，以便产生超声波信号，从而在上、下游处沿第一、第二换能器间的径向路径交替地通过流体； 斜向供应装置最好是设置在管外的对角位置处的第三、四换能器，该第三、四换能器可交替地作为发送器与接收器，以便产生超声波信号而沿斜向路径通过流体，径向路径邻近于斜向路径，因而换能器对流体的相同部分取样；测定装置最好包括信号处理装置，用以分别根据第一和第二换能器间与第三和第四变能器间传送的超声波信号传送速度来测定流体在管中的流动。
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沈阳航空航天大学在专利文献CN102243112 A中给出了一种利用多路径二位温度场测量技术，提出一种基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测系统，包括声波发生器，声波接收器，滤波器，控制柜，电磁阀，继电器，PLC控制器，数据采集卡和工业计算机；声波发生器和声波接收器安装在锅炉炉膛受热面的周围，滤波器与声波接收器连接，滤波器依次连接控制柜、数据采集卡和工业计算机；电磁阀与声波发生器和声波接收器连接，电磁阀依次连接继电器、PLC控制器和控制柜。其定位原理为： 由N个声波传感器阵元组成的阵列，可以得到至少(N-1)个独立的时延，因为要对目标进行定位，至少需要三个阵元组成的声波传感器阵列。由于十字形阵列具有分维持性（指二维参量可分开估计），且阵列冗余度也较小，因此，采用平面四元十字阵阵形。
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华北电力大学在专利文献CN105241574 A中给出了一种利用三维温度场声学测量技术，提出一种考虑声线弯曲行为的炉内三维温度场声学重建方法，在三维炉膛表面处布置若干个声波收发器，将炉膛划分为n个网格，声波收发器之间形成了m条有效声波路径，穿过炉膛内部各个网格。计算在声波直线传播情况下，每条路径穿过各个网格的长度，形成矩阵L。测量声波在各路径上传播时间，形成矩阵t，重建出各网格的几何中心点处声速和温度。根据求得的温度重建温度场，利用费马原理得到各路径的声线轨迹，求出每条路径穿过各个网格的长度，形成考虑声线弯曲的重建矩阵L′。再由矩阵L′和矩阵t，重建出各网格的几何中心点处声速和温度。重复上述过程，利用迭代方法逐渐逼近温度场的精确值。本发明能够追踪出声线传播路径，提高了温度场重建精度。
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三、结语
本文分析了声学效应温度测量的专利申请和专利技术状况，国内外创新主体都非常重视相关技术的应用创新和专利布局。如何提升声学效应温度测量精度和应用范围是未来主要研究的课题。
参考文献
[1] 声学法温度场检测技术研究[D]，彭珍，沈阳工业大学，2008年.
[2] 正则化声学层析成像温度分布的重建研究，楚攀 等,南方能源建设[J]. 2020,7，2020年12月，68-74.