用于流体污染分析的化学和速度组合传感器制造技术

用于定位化学品源的方法和系统包括用传感器在多个不同位置测量化学品浓度。来自成对位置的测量值互相关以确定一组位置的平均速度矢量。基于多个平均速度矢量确定收敛区域，以确定化学品源位置。

Combined chemical and velocity sensors for fluid pollution analysis

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于流体污染分析的化学和速度组合传感器
本专利技术总体上涉及流体速度测量，并且更具体地，涉及跟踪和定位污染物源。
技术介绍
定位例如漂移的化学品蒸气或流体的源的困难是由于湍流(turbulence)导致下游流动不规则性的增加。这种不规则性意味着瞬时化学传感器将检测到具有短期和长期变化二者的随时间变化的浓度。
技术实现思路
一种用于定位化学品源的方法，包括用传感器在多个不同位置测量化学品(chemical)浓度。来自成对位置的测量值互相关(Cross-correlate)以确定一组位置的平均速度矢量。基于多个平均速度矢量确定收敛区域，以确定化学品源位置。化学和速度组合传感器系统包括化学浓度传感器，其被配置为测量预定化学品浓度。传感器控制模块包括处理器，处理器被配置为对来自成对化学浓度传感器的测量值进行互相关并确定平均速度矢量。化学品源定位系统包括多个化学和速度组合传感器(CCVS)系统。每个CCVS系统具有配置为测量预定化学品浓度的化学浓度传感器和配置为使来自成对化学浓度传感器的测量值互相关并确定平均速度矢量的传感器控制模块。分析模块包括处理器，该处理器被配置为基于平均速度矢量来确定收敛区域，以确定化学品源位置。这些和其他特征和优点将从其说明性实施例的以下详细描述中变得显而易见，该详细描述将结合附图来阅读。附图说明以下描述将参考以下附图提供优选实施例的细节，其中：图1是根据本专利技术实施例的测量化学品或污染物流的方向的化学和速度组合传感器(combinedchemicalandvelocitysensor)(CCVS)的框图。图2是根据本专利技术的一个实施例的配置成定位化学品或污染物源的布置中的多个CCVS系统的框图；图3是根据本专利技术实施例的用于定位化学品物或污染物的源的方法的框图/流程图；图4是根据本专利技术实施例的传感器的框图；图5是根据本专利技术实施例的测量化学品或污染物流的方向的传感器控制模块的框图；图6是根据本专利技术实施例的定位化学品或污染物源的分析系统的框图；和图7是根据本专利技术的实施例的处理系统的框图。具体实施方式本专利技术的实施例提供对例如来自诸如管道垫和建筑物的复杂结构的化学品泄漏的检测和定位。这些实施例提供了空气中化学品浓度以及气流的方向和速度的同时且共处一地的测量。液体(例如水中的油)中化学品泄漏的检测利用了浓度测量和流体测量的类似组合。本专利技术的实施例提供对例如来自诸如管道垫和建筑物的复杂结构的化学品泄漏的检测和定位。这些实施例提供了空气中化学品浓度以及气流的方向和速度的同时且共处一地的测量。液体(例如水中的油)中化学品泄漏的检测利用了浓度测量和流体测量的类似组合。特别地，本实施例对空间中多个不同点处的化学品浓度以及局部流体方向和速度进行测量。化学品浓度测量值互相关，以确定化学品流向。多个这样的浓度/流体传感器的组合在本文中被称为化学和速度组合传感器(CCVS)。现在参考附图，其中相同的数字表示相同或相似的元件，首先参考图1。示出了CCVS100。CCVS100包括传感器102和控制模块104。传感器102每个都连接到控制模块104，并通过例如有线或无线连接来提供传感器数据。控制模块104确定化学品或污染物的流动的方向。每个传感器102测量化学品或污染物的浓度。传感器102可以在气体环境或液体环境中测量这些量。从每个CCVS100中的每个传感器102随时间测量的瞬时化学品少量(fraction)可以以长度几秒钟或几分钟的时间序列存储，取决于传感器102的速度和通过传感器102的流体的速度。较短的时间序列长度可能适用于速度更快的传感器102和较高的风速。两个特定传感器102之间的试用时间滞后可能是正值，也可能是负值，这与污染物首先到达传感器对中的一个或另一个传感器102的模式相对应。在一个实施例中，传感器102被定位在“原点”处，并且另外的传感器102被沿着三个正交尺寸轴的每一个定位。应当理解，传感器的这种布置仅仅是一种可能的配置。非共面的四个或更多个传感器102中的任何一组都可以用于为三维空间中的任意点提供方向。替代配置包括例如四面体配置，其中在CCVS100中每个传感器102与其他传感器102等距(equidistant)。本实施例在描述时特别注意包含四个传感器的CCVS配置，但是应该理解，其他传感器可以使用。在具有四个传感器102的CCVS100中，存在六对可以用于互相关的传感器对的组合。每对具有连接传感器102的空间矢量的方向不同，并且通常在流体元件的测量之间具有不同的时间滞后(timelag)。如果四个传感器102位于点ri,其中i＝(1，4)，并且如果点i和点j之间的滞后表示为τ_ij，则三个正交方向上平均传感器位置处的平均流速表示为：其中τij是点i和j之间的时间滞后，而(.)x表示点i和j之间的位置矢量的x方向分量(component)，其中(.)y和(.)z与y和z方向分量相似。这些方程式右侧的量是位于ri和rj的所有成对传感器102的总和。在四个传感器102(对应于六对不同的传感器102)的情况下，因子1/6取平均速度。通常，传感器102的任意数量N之间的对数是一次取两个的N的组合数，其表示为N！/(2！(N-2)！)。通常，传感器102之间的流体运动的时间变化的傅立叶变换功率谱是具有固定斜率的幂律(power-law)，反映了亚音速湍流的科莫戈罗夫(Komogorov)缩放。与该时间信号相关的是化学品污染物的空间分布，该空间分布也与不可压缩湍流的旋流模式多尺度相关。在这种流中，来自单个传感器102的浓度的测量随着空间分布的峰和谷的经过而随时间变化。任何时候的空间不规则性和任何地方的时间不规则性都无法详细预测，但是它们的统计特性可以在较大的区域和时间上平均，并且只能缓慢变化。可以使用互相关来将任何一个传感器102处化学品污染物的时间相关信号与任何其他传感器102处污染物的时间相关信号组合起来，以确定从一个传感器102到另一个的空间不规则模式漂移的最可能的时间滞后。该时间滞后与从一个传感器102指向另一个传感器的已知空间矢量相结合，得出了该方向的平均流速。对于几对传感器102及其成对的互相关和由此产生的滞后，可以在传感器102的平均位置给定的位置处确定平均流体速度的所有三个分量。平均流体速度是在用于互相关的时间间隔内由CCVS100的传感器102所包围的体积上平均的速度。作为示例，如果将第一传感器102处的时间相关信号指定为S1(t)，而将第二传感器102处的时间相关信号指定为S2(t)，则确定时间滞后τ12，使得两个时间限制ta和tb之间的互相关乘积最大。互相关乘积在本文中定义为：因此，来自每个CCVS100中的每对传感器102的时间序列与长度连续增加的时间滞后相乘。这些序列应该同步，以便每个序列中都有机会包含化学品浓度模式。可以使用基于在ta和tb之间测得的S1和S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于定位化学品源的计算机实现的方法，包括：/n用在多个不同位置的传感器测量化学品浓度；/n使用处理器对来自成对位置的测量值互相关以确定一组位置的平均速度矢量；以及/n基于多个平均速度矢量确定收敛区域以确定化学品源位置。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170517 US 15/597,6481.一种用于定位化学品源的计算机实现的方法，包括：
用在多个不同位置的传感器测量化学品浓度；
使用处理器对来自成对位置的测量值互相关以确定一组位置的平均速度矢量；以及
基于多个平均速度矢量确定收敛区域以确定化学品源位置。


2.如权利要求1所述的方法，其中确定收敛区域包括反转每个平均速度矢量的方向。


3.如权利要求1所述的方法，其中互相关测量值包括对在一对位置处在以时间滞后分开的时间处测量的浓度值的乘积进行积分，以产生互相关乘积C。


4.如权利要求3所述的方法，其中互相关测量还包括确定产生最大互相关乘积的时间滞后。


5.如权利要求4所述的方法，其中互相关乘积被计算为：



其中ta和tb是时间限制，S1(t)和S2(t)是在时间t来自第一传感器和第二传感器的测量值，以及τ是时间滞后。


6.如权利要求4所述的方法，还包括基于每对位置之间的距离的归一化总和除以对于每对位置的各个确定的时间滞后，确定平均速度矢量。


7.如权利要求1所述的方法，其中每组位置包括在各个位置的至少四个化学浓度传感器。


8.如权利要求7所述的方法，其中对来自成对位置的测量值互相关包括确定对于多个位置组的各个平均速度矢量。


9.一种化学和速度组合传感器，CCVS，系统，包括：
被配置为测量预定化学品浓度的多个化学浓度传感器；以及
传感器控制模块，包括处理器，处理器被配置为对来自成对化学浓度传感器的测量值进行互相关并确定平均速度矢量。

【专利技术属性】
技术研发人员：B埃尔梅格林，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US