具有虚假警报辨别的超声波气体泄漏检测器制造技术

一种超声波气体泄漏检测器被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超声波与虚假警报超声波。示例性实施方案包括用于检测超声波能量并提供传感器信号的传感器系统，和响应于所述传感器信号的电子控制器。在一个示例性实施方案中，所述电子控制器被配置成提供：阈值比较器函数，以将代表感测的超声波能量与气体检测阈值进行比较；和人工神经网络(ANN)函数，其用于处理从数字传感器信号得到的信号并应用被配置为辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数。输出函数根据阈值比较器输出和ANN输出生成检测器输出。传感器系统可包括宽带传感器和一个或多个窄带传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术背景超声波气体泄漏检测器测量当气体从较高的压力逸出至周围空气时由湍流产生的声压波。这种气体泄漏检测器用作工业安全设备用于监控易燃或有毒气体的不希望地或意外地释放入空气中。在泄漏进一步增多之前，需快速确定泄漏，以便允许及时采取补救行动。常规超声波气体泄漏检测器为阈值设备，其无法辨别由其它人造源或天然源(例如，机器、放电、声学扬声器或生物源)产生的超声波与真实气体泄漏产生的超声波。利用这种超声波气体泄漏检测器来减少虚假警报，防止假性跳脱以及避免成本高且无保证的进程关闭的方法是提高警报阈值水平，使其高于背景超声波水平数分贝。提高警报阈值水平的缺点是减小了气体泄漏的检测距离，从而减小了总的覆盖区域，或直至泄漏非常严重才发现，经常造成灾难性后果。另一种针对虚假警报的预防是使用长时间延时，在发生危险气体泄漏的情况下，长时间延时会导致不希望的补救行动耽搁，这抵消了超声波气体泄漏检测器所固有的反应时间快的优点。常规超声波气体泄漏检测器(其功能取决于阈值和延时)的另一个缺点是无法有效且现场核实其性能，且在保证测试间隔内无法进行功能性安全检验。常规气体泄漏检测器无法区分由真实气体释放发出的声音与由用于周期性系统性能检验的远距离超声波测试源发出的声音。对于工业设施而言，这是导致绕过关键保证测试或显著操作成本负担的主要不便。在没有由禁用警报而导致的中断的情况下，常规超声波气体泄漏检测器使得维修人员无法对气体泄漏检测器进行测试。附图简述通过结合附图阅读以下详细描述，本领域的技术人员将很容易理解本公开的特征和优点，其中：图1是具有虚假警报辨别的超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意框图。图2是图1中的检测系统的特征的功能框图。图3是图2中的检测系统利用的预处理函数的示例性流程图。图4图示了图2中的检测系统利用的人工神经网络(ANN)处理的示例性实施方案。图5是具有虚假警报辨别力的超声波气体泄漏检测系统的另一个示例性实施方案的功能框图。图6是利用单个声传感器的超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意框图。图7是利用多个具有窄带频率响应的声传感器的超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意框图。图8是利用多个具有窄带频率响应的声传感器和具有宽频率响应的声传感器的超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意框图。图9是图8中的多个声传感器的频率响应的图形表示。图10是图8中的多频谱超声波气体泄漏检测系统的特征的功能框图。图11是图8中的超声波气体泄漏检测系统利用的预处理函数的示例性流程图。图12图示了图8中的多频谱超声波气体泄漏检测系统利用的人工神经网络(ANN)处理的示例性实施方案。图13是多频谱超声波气体泄漏检测系统的另一个示例性实施方案的功能框图。具体实施方式在以下详细描述以及数个附图中，相同元件以相同附图标记表示。出于说明的目的，附图未按比例绘制，且相对特征尺寸可能被放大。图1图示了示例性超声波气体泄漏检测系统1的示意框图，其包括作为感测元件的超声波传声器2。在示例性实施方案中，超声波传声器2可以是例如由丹麦霍尔特的G.R.A.S.Sound and Vibration、德国格费尔的Microtech Gefell GmbH，或丹麦奈鲁姆的Bruel Kjaer制造的预极化压力传声器。超声波区域定义为超出人类听觉的频率范围，健康年轻成人的听觉频率大约从20kHz开始。与较低的超声波频率相比，较高的超声波频率在空气中衰减得更快，因此超声波气体泄漏检测系统的实际应用通常是针对小于100kHz的频率。在另一个示例性实施方案中，超声波传声器2可以是光纤传声器(FOM)。适于该目的的示例性FOM由德国韦德马克的Sennheiser Electronic GmbH制造。光纤传声器的另一个制造商是以色列Moshav Mazor的Optoacoustics。在再另一个示例性实施方案中，超声波传声器2可以是基于MEMS(微电子机械系统)技术的微型传声器，其可在远超15kHz可听范围且在100kHz外的超声波频率范围工作。这种MEMS传声器可安装在印刷电路板(PCB)上，并容纳在允许超声波能量传递至感测元件的环境坚固的机械外壳内。可以此方式使用的示例性MEMS传声器是由伊利诺斯州伊塔斯加的Knowles Acoustics制造的SiSonicTM表面安装传声器。在适于在危险地方操作的示例性实施方案中，MEMS传声器可容纳在阻焰器后面。这种阻焰器在允许声能从外部环境流动至传声器的同时，阻止点燃的火焰从传声器外壳结构内传输至外部环境。这种保护方法被称为防爆或防焰。为行业和政府监管机构所广泛接受的防爆或防焰设计标准中的一些有加拿大标准协会的CSA C22.2第30-M1986号、工厂互保研究中心(Factory Mutual)的FM 3600和3615，以及国际电工委员会的IEC 60079-0和IEC 60079-1。其它保护方法可用于其它环境保护要求，例如如国际电工委员会的IEC 60529中描述的防止固体物、液体进入以及机械冲击。无论传声器类型以及所利用的保护概念如何，由传声器2生成的模拟信号被模拟数字转换器(ADC)3转换成数字信号。在示例性实施方案中，ADC 3提供了具有12-位带符号整数分辨率和200kHz的采样速率的信号4。在示例性实施方案中，超声波气体泄漏检测系统1包括电子控制器5，例如数字信号处理器(DSP)、ASIC或基于微型计算机或微处理器的系统。在示例性实施方案中，信号处理器5可包括DSP，然而可替代地，其它应用和实施方案中可采用其它装置或逻辑电路。在示例性实施方案中，信号处理器5还包括作为串行通信接口(SCI)的双通用异步收发器(UART)51、串行外围接口(SPI)52、内部ADC 53、用于外部存储器(SRAM)21的外部存储器接口(EMIF)54和用于片上数据存储器的非易失存储器(NVM)55。Modbus 91或HART 92协议可用作通过UART 51进行串行通信的接口。这两个协议以及其它用于将现场仪表接口连接至用户计算机或可编程逻辑控制器(PLC)的协议(例如，PROFIbus、Fieldbus和CANbus)在过程工业中是熟知的。在示例性实施方案中，信号处理器5通过SPI 52从ADC 3接收数字检测器信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超声波与附近的其它机械源、电气源、声源或生物源产生的虚假警报超声波，所述检测器包括：传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号；电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，所述电子控制器包括：阈值比较器，其将代表感测的超声波能量的传感器信号值与气体检测阈值进行比较以确定所述传感器信号值是否超过所述气体检测阈值，从而提供指示是否可能已检测出气体泄漏的阈值比较器输出；人工神经网络(ANN)，其用于处理从所述数字传感器信号得到的信号，并且应用被配置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的ANN输出；输出决策，其用于根据所述阈值比较器输出和所述ANN输出生成检测器输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.27 US 13/535,182;2013.03.13 US 13/802,4101.一种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄
漏入空气中产生的超声波与附近的其它机械源、电气源、声源或生物
源产生的虚假警报超声波，所述检测器包括：
传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号；
电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，
所述电子控制器包括：
阈值比较器，其将代表感测的超声波能量的传感器信号值与气体
检测阈值进行比较以确定所述传感器信号值是否超过所述气体检测
阈值，从而提供指示是否可能已检测出气体泄漏的阈值比较器输出；
人工神经网络(ANN)，其用于处理从所述数字传感器信号得到的
信号，并且应用被配置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，
并提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的ANN输出；
输出决策，其用于根据所述阈值比较器输出和所述ANN输出生
成检测器输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器为MEMS传声
器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器为光纤传声器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中代表感测的超声波能量的
所述传感器信号值为计算的声压值。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述输出决策提供至少四
种输出状态，其中：
第一输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与
阈值比较器输出信号指示可能已检测到气体泄漏的组合；
第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示可能已检测到气体泄漏的组合；
第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及
第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示未检测到气体泄漏的组合。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第二输出状态与断定
所述声压值并非由真实气体泄漏引起的检测状态对应。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第三输出状态与检测
到在量值上不足以产生小于所述气体检测阈值的声压值的真实气体
的泄漏对应。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第三输出状态与检测
到轻微泄漏对应。
9.一种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄
漏入空气中产生的超声波与虚假警报超声波，所述检测器包括：
传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号；
电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，
所述电子控制器被配置成提供：
预处理函数，其包括被配置为对所述数字传感器信号进行联合时
频信号预处理以提供预处理信号的算法；
声压计算函数，其响应于所述预处理信号以提供代表由所述传感

\t器感测的声压的计算声压值；
阈值比较器函数，其将所述计算声压值与气体检测阈值进行比较
以确定所述计算声压值是否超过所述气体检测阈值，并提供指示是否
已超过所述气体检测阈值的阈值比较器输出；
人工神经网络(ANN)函数，其用于处理所述预处理信号并应用被
配置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已
检测到气体泄漏的ANN决策的ANN输出；
输出函数，其用于根据所述阈值比较器输出和所述ANN输出生
成检测器输出。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述算法适于执行离散傅
里叶变换、具有移动时窗的短时傅里叶变换或离散小波变换之一。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述传感器为超声波传声
器。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述检测器输出提供至少
四种输出状态，其中：
第一输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与
阈值比较器输出信号指示可能已检测到气体泄漏的组合；
第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示可能已检测到气体泄漏的组合；
第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及
第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示未检测到气体泄漏的组合。
13.根据权利要求12所述的系统，其还包括警报继电器，且其
中由所述电子控制器生成的所述检测器输出被配置成在所述第一输
出状态的情况下激活所述警报继电器。
14.根据权利要求9所述的系统，其中所述ANN函数包括应用
存储于所述电子控制器的存储器中的预定训练连接权重，所述权重是
暴露至由真实气体泄漏、包括机械源、电气源、声源或生物源的虚假
警报源以及真实气体泄漏与虚假警报源的组合产生的超声波的多个
组合的结果。
15.一种超声波气体泄漏检测器，其被配置为辨别由压缩气体泄
漏入空气中产生的超声波与虚假警报，所述检测器包括：
传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号；
电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，
所述电子控制器被配置成提供：
计算函数，其用于生成代表感测的超声波能量的传感器信号值；
人工神经网络(ANN)函数，其用于处理从所述数字传感器信号得
到的信号，并应用被配置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，
并且提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的ANN输出，所述ANN
输出包括至少两种输出状态，其中第一ANN输出状态指示已检测到
气体泄漏，且第二ANN输出状态指示未检测到气体泄漏；
系统输出函数，其用于生成指示所述ANN输出和所述传感器信
号值的检测器输出。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统输出函数根据
所述ANN输出生成第一检测器输出，和指示所述传感器信号值的第
二检测器输出。
17.根据权利要求15所述的系统，其中代表感测的超声波能量
的所述传感器信号值为计算声压值。
18.根据权利要求15所述的系统，其中：
所述电子控制器还被配置为提供包括算法的预处理函数，所述算
法被配置为对所述数字传感器信号进行联合时频信号预处理以提供
预处理信号；且
所述计算函数和所述ANN函数均对所述预处理信号进行处理以
提供所述传感器信号值和所述ANN输出。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述算法适于执行离散
傅里叶变换、具有移动时窗的短时傅里叶变换或离散小波变换之一。
20.根据权利要求15所述的系统，其还包括：
阈值比较器函数，其将所述计算声压值与气体检测阈值进行比较
以确定所述计算声压值是否超过所述气体检测阈值，并提供指示是否
已超过所述气体检测阈值的阈值比较器输出；
输出函数，其用于根据所述阈值比较器输出与所述ANN输出的
组合生成检测器输出。
21.一种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄
漏入空气中产生的超声波与附近的其它机械源、电气源、声源或生物
源产生的虚假警报超声波，所述检测器包括：
传感器系统，其用于检测超声波能量并提供传感器信号，所述传
感器系统包括宽带传感器和至少一个窄带传感器；
电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，
所述电子控制器包括：
阈值比较器，其将代表感测的超声波能量的传感器信号值与气体
检测阈值进行比较以确定所述传感器信号值是否超过所述气体检测
阈值，从而提供指示是否已检测出气体泄漏的阈值比较器输出；
人工神经网络(ANN)，其用于处理从所述数字传感器信号得到的
信号，并应用被配置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并
且提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的ANN输出；
输出决策，其用于基于所述阈值比较器输出和所述ANN输出生
成检测器输出。
22.根据权利要求21所述的检测器，其中所述宽带传感器为
MEMS传声器和光纤传声器之一。
23.根据权利要求21所述的检测器，其中所述窄带传感器为压
电传声器。
24.根据权利要求21所述的检测器，其中所述代表感测的超声
波能量的传感器信号值为计算的声压值。
25.根据权利要求24所述的检测器，其中所述输出决策提供至
少四种输出状态，其中
第一输出状态来自ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与阈值
比较器输出信号指示可能已检测到气体泄漏的组合；
第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示可能已检测到气体泄漏的组合；
第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与
所述阈值比较器输出信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及
第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄...

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