定向超声波气体泄漏检测器制造技术

一种定向超声波气体泄漏检测器的实施例包括间隔开的MEMS麦克风阵列，每个麦克风响应于来自气体泄漏源的入射空中超声波能量以生成麦克风信号。波束成形处理器响应于来自该阵列的麦克风信号，以生成处理器输出信号，该处理器输出信号指示入射在该阵列上的超声波能量的估计到达角。该阵列可以设置在防爆外壳结构中以在危险场所操作，或者被实施为本征安全设备。在另一实施例中，显示器响应于处理器输出信号以生成表示被监视的场景的图像，其中波束方向上的入射能量的估计幅值叠加在该图像上。

Directional ultrasonic gas leak detector

An embodiment of a directional ultrasonic gas leak detector includes an open MEMS microphone array, each microphone generating a microphone signal in response to an incident air ultrasonic energy from a gas leak source. The beamformer processor generates a processor output signal in response to a microphone signal from the array, the processor output signal indicating the estimated angle of arrival of the ultrasonic energy incident on the array. The array can be set up in an explosion proof enclosure structure to operate in hazardous locations or to be implemented as an intrinsic safety device. In another embodiment, the display responds to the processor output signal to generate an image representing the monitored scene, wherein the estimated magnitude of the incident energy in the beam direction is superimposed on the image.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】定向超声波气体泄漏检测器
技术介绍
超声波气体泄漏检测器测量当气体从较高压力逃逸到环境大气时由湍流生成的声压波。这种气体泄漏检测器用作工业安全设备，以监测可燃气体或有毒气体不必要地或意外地释放到大气中。泄漏需要在其幅值进一步增加之前快速标识，以便允许及时采取补救动作。超声波气体泄漏检测器具有优于其它气体检测器类型的优点，这在于气体不需要到达检测器；即使泄漏气体被风分散，也可以检测到气体泄漏。常规的超声波气体泄漏检测器是全向的，并且在提供关于加压气体泄漏的大小和持续时间的有用信息的同时，不向维护人员提供关于气体泄漏的位置的任何信息。作为视线光学检测器的常规的开放路径检测器也不提供泄漏位置信息。常规点检测器(诸如催化、红外或电化学检测器)需要以增加的费用彼此接近地放置，以提供更精确的泄漏位置信息。红外气体云成像相机是昂贵的，它们的灵敏度随着被监测的气体而变化很大，并且它们的性能很大程度上取决于泄漏气体云和背景温度之间的差别。由于这样的原因，红外气体云成像相机不容易在工业固定气体检测装置中采用。因此，需要把泄漏位置或至少泄漏方向的益处增加到超声波气体泄漏检测设备。
技术实现思路
定向超声波气体泄漏检测器的实施例包括间隔开的MEMS麦克风阵列，每个麦克风响应于来自气体泄漏源的入射空中超声波能量以生成麦克风信号。波束成形处理器响应于来自阵列的麦克风信号，以生成处理器输出信号，该处理器输出信号指示入射在阵列上的超声波能量的估计到达角。该阵列可以设置在防爆外壳结构中以在危险场所操作，或者实施为本征安全设备。在另一实施例中，显示器响应于处理器输出信号以生成表示被监视的场景的图像，其中波束方向上的入射能量的估计幅值被叠加在图像上。附图说明当结合附图阅读时，本领域技术人员将根据以下具体实施方式容易地理解本公开的特征和优点，其中：图1是MEMS麦克风和相关联的电子器件的2维阵列的示例性实施例的示意性方框图。图2是声音以与麦克风阵列轴线成一定角度θ入射的MEMS麦克风的线性阵列的图示。图3是在超声波麦克风阵列的时间延迟与求和(time-delay-and-sum)波束成形中使用的软件算法的示例性实施例。图4以横截面描绘了用于气体泄漏检测器系统的示例性防爆外壳结构和系统。图4A图示了用于接纳图4所描绘的系统的示例性外壳结构和系统。图4B图示了气体泄漏检测器的另一实施例，其中感测头远离主系统外壳。图4C图示了防爆外壳结构中的声学检测器系统的另一实施例。图5是图示了如上文关于图1至图3所描述的用于麦克风阵列的本征安全电路的简化电路示意图。图6是图1至图3的定向超声波气体泄漏检测器的特征的示意性方框图。图7是采用麦克风阵列的定向超声波气体泄漏检测器的实施例的特征的功能方框图。图8是定向超声波气体泄漏检测器的另一实施例的特征的功能方框图。图9是使用图1的2维波束成形阵列来定位的实验室超声波源的示例性实施例，并且其中所定位的实验室超声波源位置叠加在可见图像上。图10示意性地描绘了表示被监视的场景的显示器，其中定向超声波检测器具有以设备为中心的视场。具体实施方式在以下具体实施例中并且在附图中的几个附图中，相同的元件使用相同的附图标记来标识。附图不按比例绘制，并且为了说明的目的，相关的特征尺寸可能被夸大。市场上的超声波气体泄漏检测器可以利用单个预极化压力麦克风，诸如由丹麦Holte的G.R.A.S.SoundandVibration、德国Gefell的MicrotechGefellGmbH、或者丹麦Naerum的BruelKjaer制造的。超声波区域被限定为超过人类听觉的频率范围，起点为健康的年轻成年人的约20kHz。较高的超声波频率在空气中比较低频率更快地衰减，并且超声波气体泄漏检测系统的实践应用通常用于小于100kHz的频率。在示例性实施例中，定向超声波气体泄漏检测器包括间隔开的麦克风阵列。每个麦克风响应于来自设置在阵列的范围内的气体泄漏源的入射空中宽带超声波能量，以生成麦克风信号。波束成形处理器响应于来自该阵列的麦克风信号，以生成处理器输出信号，该处理器输出信号指示从设置在该阵列的范围内(例如，距该阵列30米至50米的范围内)的气体泄漏源入射在阵列上的超声波能量的估计到达角。该阵列可以容纳在防爆外壳结构中，或者该检测器可以被设计为本征安全设备，以满足由管理机构团体限定的危险场所中的操作要求。在该情景中，危险场所是包含或可能包含可燃气体、蒸汽或灰尘的可燃浓度的区域。麦克风优选地与阵列中的相邻麦克风间隔开不大于5mm的间隔距离。在示例性实施例中，在阵列中利用的超声波麦克风可以是基于MEMS(微机电系统)技术的微型麦克风，其可以在超过15kHz的可听范围并且超出100kHz的超声波频率范围内很好地操作。MEMS麦克风可以安装在印刷电路板(PCB)上、并且容纳在批准用于危险场所的环境耐用机械外壳中，其准许超声波能量传递到感测元件。美国公开2009/0060246A1和2014/0000347A1详述了这种MEMS麦克风在工业超声波气体泄漏检测器中的实施，并且这些专利公开的全部内容通过引用并入本文。离散的预极化不锈钢超声波麦克风提供优良的超声波性能，但是被包装成用于工业气体泄漏检测器的阵列太大且昂贵。MEMS麦克风是比较微型的，并且本身被放置在电路板上以形成麦克风阵列。在示例性实施例中，总共九个MEMS麦克风(1至9)的二维阵列在电路板10(图1)上的相交和垂直方向的两组五个线性阵列中均匀且相等地间隔开。为了在两个垂直方向上实现均匀且相等的间隔，阵列以“T”的形状来定位：这是由MEMS麦克风包装所规定的，其是矩形而不是正方形或圆形。在气体泄漏的超声波检测的示例性实施例中，电路板上的麦克风阵列区域通常将不超过10平方厘米。由麦克风生成的信号由ADC11数字化，并且由具有嵌入式软件的处理器(通常指示为12)处理。对于产生数字输出的麦克风，处理器可以处理这样的数字信号而不需要ADC11。在示例性实施例中，N个全向MEMS麦克风在一列中均匀间隔开，其中，N至少为2。图2是五个MEMS麦克风(1，2，3，4和5)的线性阵列20的图示，其中麦克风间间距为d，并且声音以与麦克风阵列轴线成一定角度θ入射。波束成形是用于定向信号传输或接收的传感器阵列中的信号处理技术，后者是麦克风的情况。适用于使用均匀线性阵列(ULA)进行波束成形的一些规则是：a)麦克风数目的增加可以增强被限定为阵列增益的阵列的信噪比，并且在相干信号和非相干噪声的条件下由10log(N)单位为(dB)给出，其中，N是麦克风的数目。阵列增益可以帮助增加检测距离。增加N还导致物理上较大的阵列。b)使用更大数目个麦克风而增加总阵列长度D会改善空间分辨率。D被称为孔径尺寸，并且在N个麦克风被相等间隔开距离d的情况下，D＝(N-1)d。对于宽边方向，半功率波束宽度与λ/D成比例，其中，λ是入射能量的波长，因此是波长的函数。c)麦克风间麦克风间距d确定可以被控制而没有混叠效应的最高频率fmax。最高频率fmax的声学波长是最短波长λmin，并且麦克风间距d必须满足准则d<λmin/2以防止空间混叠。对于空气中的声速为340m/sec并且麦克风间距d＝3.4mm，λmin为6.8mm，fmax＝50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向超声波气体泄漏检测器，包括：电路，包括间隔开的MEMS麦克风阵列，每个所述麦克风响应于来自气体泄漏源的入射空中超声波能量以生成麦克风信号，所述气体泄漏源设置在所述阵列的范围内；和波束成形处理器，响应于来自所述MEMS麦克风阵列的所述麦克风信号，以生成处理器输出信号，所述处理器输出信号指示在所述阵列的范围内从所述气体泄漏源入射在所述阵列上的超声波能量的估计到达角。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.24 US 14/495,7391.一种定向超声波气体泄漏检测器，包括：电路，包括间隔开的MEMS麦克风阵列，每个所述麦克风响应于来自气体泄漏源的入射空中超声波能量以生成麦克风信号，所述气体泄漏源设置在所述阵列的范围内；和波束成形处理器，响应于来自所述MEMS麦克风阵列的所述麦克风信号，以生成处理器输出信号，所述处理器输出信号指示在所述阵列的范围内从所述气体泄漏源入射在所述阵列上的超声波能量的估计到达角。2.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述阵列是二维阵列，并且所述阵列的所述麦克风在两个正交方向上均匀且相等地间隔开以形成至少两个线性阵列。3.根据权利要求2所述的检测器，其中，所述波束成形处理器被配置成：对第一均匀线性阵列和第二均匀线性阵列中的每个均匀线性阵列独立地执行波束控制处理。4.根据权利要求2所述的检测器，其中，所述阵列的所述麦克风与所述阵列中的相邻MEMS麦克风间隔开不大于5mm的间隔距离。5.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述处理器被配置成：仅当所述入射超声波能量的声压级超过阈值时，才指示所述超声波能量的估计到达角。6.根据权利要求1所述的检测器，还包括：显示器，用于显示由所述检测器在所述范围内监视的场景的图像，包括通过其传递气体或存储气体的设备；所述显示器响应于所述处理器输出信号以描绘重叠在所述图像上的气体泄漏源的位置。7.根据权利要求6所述的检测器，其中，所述显示器还响应于所述处理器输出信号以描绘所述气体泄漏源的强度。8.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述处理器输出信号包括表示所检测到的气体泄漏的方位角和仰角坐标的信号。9.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述波束成形处理器被配置成对所述阵列信号执行时间延迟与求和波束成形。10.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述检测器阵列安装到电路板，并且所述麦克风覆盖不大于约10平方厘米的面积。11.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述端口的开口尺寸不大于约10平方厘米。12.根据权利要求1所述的检测器，还包括：防爆外壳结构，所述阵列和所述处理器设置在所述外壳结构内，所述外壳结构包括端口，入射超声波能量通过所述端口从气体泄漏源传递到所述阵列。13.根据权利要求12所述的检测器，还包括阻焰器结构，所述阻焰器结构覆盖所述外壳结构的所述端口。14.根据权利要求12所述的检测器，还包括疏水膜，所述疏水膜设置在所述端口中或覆盖所述端口。15.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述电路包括连接到所述麦克风阵列的阻挡电路，所述阻挡电路被配置成限制施加到所述麦克风阵列的功率，以防止点燃爆炸性气体混合物。16.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述处理器响应于来自所述MEMS麦克风阵列的所述麦克风信号，以处理多个波束方向并且生成处理器输出信号，所述处理器输出信号指示在所述波束方向中生成最大响应的一个波束方向上入射在所述阵列上的超声波能量的估计到达角。17.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述波束成形处理器响应于来自设置在距所述阵列50米范围内的气体泄漏源的宽带入射空中超声波能量，以生成所述处理器输出信号。18.一种定向超声波能量检测器，包括：间隔开的MEMS麦克风的二维阵列，每个所述麦克风响应于来自设置在所述阵列的范围内的源的入射空中超声波能量，以生成麦克风信号；处理器，响应于来自所述MEMS麦克风阵列的所述麦克风信号，以处理多个波束方向并且生成处理器输出信号，所述处理器输出信号指示从每个所述波束方向入射在所述阵列上的超声波能量的估计幅值；和显示器，响应于所述处理器输出信号并且用于生成表示被监视的场景的图像，其中所述波束方向上的入射能量的所述估计幅值被叠加在所述图像上。19.根据权利要求18所述的检测器，其中，所述检测器阵列安装到电路板，并且所述麦克风覆盖不大于约10...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·赫西诺夫，S·B·巴利加，J·G·罗梅罗，
申请(专利权)人：通用显示器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US