CN101796409A - 检测器系统和检测或确定气体混合物内特定气体的方法 - Google Patents
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Abstract
为了以精确和可靠的方式实现气体检测，但同时不消耗太多的能量，提供了一种气体检测系统，其一般包括一对两个不同的气体检测器。第一检测器(DLP)持续地激活，并实质上对局部气体混合物的非特定变化进行感测。作为对该变化的反应，该对检测器中的第二检测器(DHP)被激活。该检测器(DHP)执行一种特定气体或者几种特定气体的浓度确定。该第二检测器(DHP)可以是如下类型，即它消耗更多功率但在返回到仅第一检测器(DLP)被激活的非激活状态之前短时段内激活。然而，第一检测器(DLP)是使用较小功率的类型。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域。具体地说，本发明涉及特别是在存在气体爆炸危险的区域内应用的具有低能耗的气体检测器。
背景技术
具体地说，在石油开采平台上以及处理和加工烃的工厂中，能够尽快检测出泄漏的可燃气体的存在是很重要的。实际上，目前石油开采平台上重复发生的气体泄漏中百分之五十以上是以人工方式检测的。这种检测具有偶然性并且表明了需要安装更多的气体检测器。要在石油开采平台上使用的气体检测器必需满足严格的技术要求。它们必需极其可靠、敏感、防暴(EX approved)并且必须能够长时间处于恶劣天气条件下。存在能够满足这些要求的高技术设备，但是每个检测器价格极高，并且安装成本高昂，其中的原因在于它们必须以固定线路链接到中心。这限制了面积的覆盖。希望有更廉价的气体检测器类型。
因此检测器装置采用无线类型是一个优点(具体地说，是由于安装成本的原因)。然后，同时关心的是对各检测器装置使用单独的电源(例如，电池供电)。然而，与此同时检测器必须持续地处于“开(ON)”，并且常规的气体检测器通常汲取(draw)的电流如此之大以至于电池供电变得不切实际或者不可能。
具体地说，这种类型的气体检测器能够精确判定特定气体类型的浓度，例如，比更加“非专用”的检测器能耗高得多的甲烷检测器，该“非专用”检测器能够检测气体混合物的变化但不能确切地判定向该混合物中添加了哪种气体。
(非专用检测器类型的示例是利用静电、电磁或者压电激活的声学传感器。专用检测器类型的示例是能够专门用于例如甲烷、C3H8、CO2、天然气而制成的光声(photo acoustical)传感器和其他的红外传感器。)
对于气体检测器的布置所关心的其他方面是，在缺乏电力和数据通信并且人们不能进行固定检测器安装的平台上的检修孔或油罐(tank)内以及矿井中，区域是有限的。
因此需要如下的检测器，其不仅确实能效高，而且能够对被认为在给定区域内存在危险的特定气体进行良好的测量。
在专利申请EP 1 316 799 A2中公开了现有技术的一个示例，其中，针对特定气体的气体检测器被用来控制通风系统。该公开主要涉及计算激活阈值的算法。
国际专利申请WO 00/16091 A1描述了针对多种特定气体的气体传感器组，其中，通过多路复用器(multiplexer)对用于单一气体的传感器的控制装置进行断电和加电以避免来自各传感器的信号的串扰。
专利申请US-2004065140 A1、GB-2364807 A、JP-2002109656 A和US-6321588 B1示出了用于监视工厂中几乎不能接近的地方的气体浓度变化或气体泄漏的系统和方法。这些系统和方法包括至少一个传感器和借助于能够断电或者利用了脉动电池的传感器和其他组件的节能方法。
该领域中现有技术的这些示例没有解决上述问题。本发明力求满足以上对价格合理和高能效气体检测器的需求。
发明内容
为解决上述问题并满足上述需求，根据本发明，提供了一种检测或者确定气体混合物中至少一种特定气体的检测器系统，其中，该检测器系统的特性在于其包括：
-至少一个第一检测器，其持续地监视所述气体混合物以检测所述混合物的成分变化，以及
-至少一个第二检测器，其能够确定所述气体混合物中的所述至少一种特定气体的浓度，其中，所述第二检测器被设置成当所述第一检测器检测到所述变化时被激活。
根据本发明的检测器系统的有利和优选的实施方式从所附从属专利权利要求2-19显现出来。
本发明还包括另一个方面。在本发明的第二方面中借助于检测或者确定气体混合物中至少一种特定气体的方法来实现本发明，并且所述方法的特殊特征在于其包括以下步骤：
-利用至少一个第一检测器持续地监视所述气体混合物以检测所述混合物的成分变化，
-当所述第一检测器检测到所述变化时激活至少一个第二检测器，以及
-所述第二检测器执行对所述气体混合物中所述至少一种特定气体的浓度的确定。
根据本发明的方法的有利和优选的实施方式将从所附从属专利权利要求21-34显现出来。
附图说明
下面将描述本发明的实施方式，并且给出附图的说明，其中
-图1示出了根据本发明的检测器系统的主要实施方式的框图，
-图2示出了关于系统中检测器之间的协作的功能图，以及
-图3示出了根据本发明的检测器系统的一个特定实施方式，其中以独立控制器作为第一检测器组与第二检测器组之间的链路。
具体实施方式
图1示出了本发明的第一实施方式的示意图。主方框是具有如电子设备和传感器之类的必要装置的第一气体检测器DLP和靠近DLP设置并具有相应的必要装置的第二气体检测器DHP。DLP要求来自能量供应B的很少电力供应PL，而激活状态下的DHP要求来自电源B的更多能量供应PH。第一检测器中DLP中的传感器能够检测环境大气(不限于自然的大气，而可以是检测器正在监视的环境中的任何现有的气体混合物)中的气体成分的变化，但是不一定能够区分不同的特定气体。在可能作出错误检测的意义上来说，甚至不需要非常可靠。另一气体检测器DHP被设置成对一种特定气体或者一些特定气体(这些特定气体被认为对控制实际环境是重要的)的浓度进行测量，从而仅当第一检测器DLP检测到大气成分的变化时才由第一检测器DLP激活另一气体检测器DHP。该“专用”检测器或传感器DHP是如下类型，即它使用比第一检测器DLP更大量的能量PH，但在多数时间内是不激活的。如果该第二检测器DHP确认了第一检测器DLP的检测(即，发现足够高浓度的实际危险气体)，则它在信号链路L上向接收机R发送消息。在一个特殊实施方式中，利用根据Zigbee标准的无线链路执行分析结果到接收机R的传送。
本发明的一个重要的实施方式是如图1所示链接至另一检测器DHP的控制单元CU。该控制单元被设置成对来自检测器DHP的表示实际特定气体的测得浓度水平的输出信号(或者多种特定气体的几个输出信号)进行评估。有利的是，控制单元CU由微处理器构成。它可以是具有经由线路的信号链路的独立单元，其可以与气体测量单元DHP共处一地，或者其可以使用无线电链路。在这种情况下，“专用”检测器/测量单元DHP必须配备有无线电发射机。这进一步增大了检测器的电流汲取，但这是可以接受的，因为如上所述，我们讨论的是检测器DHP的短时激活时段。
因此，在上述这种情况下，控制单元CU可以与接收机R共处一地，即，接收机R因此而可以被看成是控制单元CU的一部分(即，与图1所示的情况相反)。
控制单元CU的一个功能可以是在紧接着在通过将激活信号发送回DHP而表明该一种或该多种特定气体的非危险浓度水平的测量之后对第二检测器DHP进行去激活。(在没有控制单元的一个另选实施方式中，DHP可以具有在超时时自动去激活的集成计时器)。
控制单元CU的另一功能是当测得浓度水平在危险范围内时向外部发出信号，即如图1所示，该信号被发送到远程接收机单元R。该信号是通过通信装置L来发送，该通信装置L可以是无线电链路并优选地是具有低发射效应的短距离类型，或者是通过大气或通过光纤的光学链路。然后，必须设置必要的公知类型的发射机和接收机装置、控制单元CU和接收机单元R。(在没有控制单元的一个另选实施方式中，DHP本身可以具有集成微型发射机，该集成微型发射机向接收机R传送表示测得值的信号)。
无论怎样，这种控制单元CU已经存储有大气中实际特定气体的浓度的一定阈值，并且该控制单元将相对于该阈值而对测得值进行检验以确定是否应当对DHP进行去激活，或者确定是否应当向接收机R发出信号。(注意：为了不消耗比从控制单元CU向接收机单元R传送信号的情况所需要的电力更多的电力，例如如果测量值没有表现出进一步的快速增长，则可以再次对第二检测器DHP进行去激活。即使在测量到过浓度(over-concentration)之后也可以应用“合理去激活”的算法。然后在给定时间之后进行新的激活)。
作为控制单元CU的进一步发展的步骤，它可以包含测得气体浓度值的记录和存储单元。或者，这种记录单元可以设置在接收机R内。
在人员和/或昂贵设备所在区域中，与气体检测系统相关的自然且重要的功能是可以由监视人员追踪的即时警报信号。这种警报或警告设备可以设置在接收单元R中，通常是在监视中心内。或者，这种警报或警告设备可以集成在控制单元CU中或者第二检测器DHP本身当中。这种警报装置可以包括例如闪烁型的警告灯、汽笛或警报喇叭形式的声源以及用于由人员穿戴的接收单元的振动设备。
此外，接收单元R还可以链接到如下设备，该设备确保了位于设置有给出警报的检测器系统的区域(而通常与是否使用了给出人能感觉到的警报的设备无关)内的生产或加工设备立即停机。
上面提到，控制单元CU可以无线地链接到第二检测器DHP，以从该检测器接收信号。无线链路还可以在另一方向上工作(例如，与去激活功能相关)，因此DHP必须具有集成的无线电接收机。
在本发明的一个重要的实施方式中，单个控制单元CU服务于多个第二检测器DHP。控制单元CU的一个重要的功能是对单个阈值是可重新编程的，既可以针对相对于浓度确定的特定气体，也可以针对第二检测器DHP的单个单元。如果控制单元CU设置在中心并且与接收单元R在一起、集成有接收单元R、或者作为接收单元R的替换，可以由操作者设定这种阈值。
根据本发明，如上所述，该检测器系统可以用于对石油开采平台上的气体泄漏或者工厂中大量被输送和加工的烃(即油和气)进行检测。在这种情况下，重要的是对自然大气进行现场(in situ)监视使得能足够快速地检测到环境中的气体泄漏。在这种情况下，我们讨论的是也会有爆炸风险烃气(例如，甲烷)检测。
根据本发明的检测器系统还可以设置在不同环境中并用于测量不同的危险气体，例如，氯作为其中成分的气体、氟化碳(fluoride carbon)气体、氢气、氧气、硫化氢、一氧化碳和二氧化碳。此外，所关注的还有氦气、水蒸汽和SF6气体。
本发明的主要问题如上所述是实现持续但节能的检测，这是通过如下原理而实现的，即，消耗较少能量的非专用气体检测器持续地工作并且每当检测到变化时将专用检测器唤醒，然后该专用检测器在被再次去激活之前测量特定气体的浓度。因此，消耗较多能量的专用检测器仅激活较短时段。这意味着系统能够利用电池供电而长时间工作。
检测器DLP可以包括如下类型的传感器，即，该类型传感器在现场检测实际气体混合物的平均分子量的变化并因此而检测实际气体混合物的非特定分子量的变化。该非专用检测器应当是“超敏感的”，即，它比实际必要的情形更频繁地给出警报，但从不会漏掉对变化的警报，即，即使微小的变化也会导致DHP的唤醒。
有利的是，第一检测器DLP可以包括如下类型的传感器，即，该类型的传感器主要使用利用了静电或压电激活的微声学传感器。
此外，作为替代的是，还可以使用专用于一种独特气体的第一检测器DLP，只要该检测器适合持续的电池供电，即，其汲取足够小的功率。这种检测器的类型是对测量具有低精度，并且频繁给出错误警报，但这没有太大关系。这种检测器中的传感器类型的示例是用于指示甲烷的金属氧化物半导体传感器和电化学电池。
作为将在该检测器DLP中使用的具有低能耗的合适的非专用传感器的示例，在优选的实施方式中，可以使用2007年2月19日授权的挪威专利323259中描述的微型气体传感器。
对于另一专用检测器DHP，在本发明的有利实施方式中，它包括基于特定气体吸收红外辐射的能力而工作的传感器。所谓NDIR(非扩散IR)气体传感器和光声传感器可作为候选，特别是由半导体技术制造的微型化的传感器。对此请参考挪威专利第321281号(2006年4月18日授权)，其示出了特别适于这种检测器的光源。
在特定实施方式中，第二检测器DHP具有由如下微处理器所代表的集成智能，该微处理器具有根据来自第一检测器DLP的信号水平或信号类型来选择要测量(预设的一组气体中的)哪种独特气体的功能。如果第一检测器立即发出指示了成分确实发生变化的信号，这可以解释为实际气体组成的大泄漏，并且这可能意味着应当首先检测独特气体。在起始(starting)信号不太强烈的情况下，可能关注不同的顺序。
在这种情况下，前提条件是单个第二检测器DHP具有测量多种特定气体的能力。这是可以实现的，并且例如通过多IR型传感器来实现，其中，按照每种气体处于一个具有窗口的室中的方式来包含实际气体。
对于几个第一检测器和第二检测器的情况，集成处理器智能可以基于哪个第一检测器DHP给出了触发信号来确定哪个检测器DHP将被激活并执行浓度测量。第二检测器DHP处的处理器能够通过识别来自单个第一检测器DLP的信号而处理这种确定。
图2示出了根据本发明的检测器系统的运行。该图中左部分具有传感器SLP的低能耗非专用检测器无限循环地对气体混合物(其可以是环境大气，但也可以是管道中的气体混合物等)进行监视，并检查该混合物的成分是保持恒定还是发生改变。(如上所述，有可能的是，它能够对特定气体的浓度水平进行监视)。只要成分保持恒定，检测器就继续该监视而不进行任何另外的动作。然而，如果成分改变处于能够被检测到的幅度内，则位于该图右侧的以更高功耗执行特定分析的检测器中的传感器SHP被激活(唤醒)。如果分析结果例如表明该气体混合物中烃HC的百分比小于或等于2500ppm，这意味着非专用传感器SLP作出了错误的测量，或者检测到的气体混合物的成分变化与HC的减小无关，或者最终出现的HC的变化没有超过被认为危险的限度。右侧检测器自身对功率进行修正以减小整个系统的功耗。然而，如果通过测量到比例如2500ppm更高的烃浓度而确认了左侧检测器的估计，则给出警报。
图3示出了本发明的另一实施方式。这里以控制器CU2的形式引入第一检测器DLP与第二检测器DHP之间的“链路”。包括微处理器和被选择作为单元之间的无线链路(例如，短距离无线电)的类型的发射机/接收机设备的该控制器CU2可以承担如下任务，即对来自单个第一检测器DLP的输入信号进行排序，以决定将利用全部第二检测器DHP或利用这些第二检测器DHP中的特定单个检测器来确定哪种特定气体的浓度。优选地可设置在中心的CU2对各单个检测器在系统中的布置进行总体掌握，并能够由人员根据变化(例如，新检测器的部署、阈值水平的变化等)来进行重新编程。假设所有检测器配置有发射机/接收机设备。
从图1中可以看出，在本发明的一个简单的实施方式中，两个接近设置的检测器DLP和DHP都具有来自于公共电池B的电源。这是电源的典型形式，但并不限于电池电源。在具有“可收集(harvestable)”能量形式(例如，太阳光、风或者持续的振动)的地方，可以建立向检测器供电的能量收集系统。不排除使用已知类型的不间断电源的可能性。
以上假设了第一非专用检测器DLP和第二专用检测器DHP位于彼此靠近的位置处。在特定实施方式中，这可能意味着它们组装在一起，并且能够被制造成一个单元甚至是微型化类型。但是，在利用了几个检测器的根据本发明的检测器系统的不同实施方式中，这些检测器可能能够被置于不同位置处。在这种情况下，即使两种不同类型的检测器被布置成彼此相距几十米的距离，也可以将石油开采平台限定为一个位置。这种布置可以使得CU或CU2了解一种特定气体或几种特定气体的扩散状况。
Claims (34)
1.一种检测或者确定气体混合物中至少一种特定气体的检测器系统，该检测器系统包括至少一个第一检测器(DLP)，该至少一个第一检测器持续地监视所述气体混合物以检测所述混合物的成分变化，
其特征在于，所述系统包括至少一个第二检测器(DHP)，该至少一个第二检测器能够确定所述气体混合物中的所述至少一种特定气体的浓度，其中，所述第二检测器(DHP)被设置成当所述第一检测器(DLP)检测到所述变化时被激活(C)。
2.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，控制单元(CU)可操作地链接到所述第二检测器(DHP)并对来自该第二检测器的浓度测量信号进行评估。
3.根据权利要求2所述的检测器系统，
其特征在于，所述控制单元(CU)被设置成当所述浓度测量信号表示所述至少一种特定气体的低于预定值的浓度时使所述第二检测器(DHP)去激活。
4.根据权利要求2所述的检测器系统，
其特征在于，所述控制单元(CU)被设置成当所述浓度测量信号表示所述至少一种特定气体的高于预定值的浓度时经由通信装置(L)向接收机单元(R)发出信号。
5.根据权利要求4所述的检测器系统，
其特征在于，所述控制单元(CU)和所述接收机单元(R)中的至少一个包括用于记录测得气体浓度值的记录单元。
6.根据权利要求4所述的检测器系统，
其特征在于，所述接收机单元(R)、所述控制单元(CU)和所述第二检测器(DHP)中的至少一个包括警告装置或警报装置。
7.根据权利要求6所述的检测器系统，
其特征在于，所述警告装置或警报装置是基于发出光、声和振动中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的检测器系统，
其特征在于，所述通信装置(L)包括光学链路和无线电链路中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的检测器系统，
其特征在于，所述控制单元(CU)无线地链接到所述第二检测器(DHP)。
10.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述检测器(DLP，DHP)被布置在所述自然大气中以对该自然大气进行监视。
11.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述第二检测器(DHP)具有确定以下至少一种的浓度的特定能力：气态烃、氟化碳、含氯气体、SF6、水蒸汽、氦气、氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳和氧气。
12.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述第一检测器(DLP)是如下类型，其能耗极低且适合于持续电池供电。
13.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述第一检测器(DLP)包括对所述气体混合物中平均分子量的变化进行检测的传感器。
14.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述第一检测器(DLP)包括基于微声学原理的传感器。
15.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述第二检测器(DHP)包括以下传感器中的一种：基于所述至少一种特定气体吸收红外辐射能力的传感器和基于光声原理的传感器。
16.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述第一检测器(DLP)具有检测所述至少一种气体的特定能力，但是具有更低精度要求和低能耗。
17.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述至少一个第二检测器(DHP)具有内置的处理器智能，该处理器智能能够基于来自所述第一检测器(DLP)的信号水平而选择确定所述特定气体中的一种独特气体。
18.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述至少一个第一检测器(DLP)与所述至少第二检测器(DHP)之间的无线信号链路经由如下中央控制器(CU2)，该中央控制器(CU2)至少能够对来自单个第一检测器(DLP)的输入信号进行排序并确定必须由所述第二检测器(DHP)中的至少一个来确定哪种特定气体的浓度。
19.根据权利要求1所述的检测器系统，
其特征在于，所述检测器(DLP，DHP)中每一个的电源是以下至少一种：
-不间断电源，
-电池(B)，以及
-能量收集装置。
20.一种检测或者确定气体混合物中至少一种特定气体的方法，其中，所述气体混合物由至少一个第一检测器(DLP)持续地监视以检测所述混合物的成分变化，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-当所述第一检测器(DLP)检测到所述变化时，激活(C)至少一个第二检测器(DHP)，以及
-所述第二检测器(DHP)执行对所述气体混合物中所述至少一种特定气体的所述浓度的所述确定。
21.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，控制单元(CU)可操作地链接到所述第二检测器(DHP)并对来自该第二检测器的浓度测量信号进行评估。
22.根据权利要求21所述的方法，
其特征在于，当所述浓度测量信号表示所述至少一种特定气体的低于预定值的浓度时，所述控制单元(CU)使所述第二检测器(DHP)去激活。
23.根据权利要求21所述的方法，
其特征在于，当所述浓度测量信号表示所述至少一种特定气体的高于预定值的浓度时，所述控制单元(CU)经由通信装置(L)向接收机单元(R)发出信号。
24.根据权利要求23所述的方法，
其特征在于，所述控制单元(CU)和所述接收机单元(R)中的至少一个使用记录单元对测得气体浓度值进行记录。
25.根据权利要求23所述的方法，
其特征在于，当所述至少一种特定气体的浓度高于所述预定值时，所述接收机单元(R)、所述控制单元(CU)和所述第二检测器(DHP)中的至少一个使用警告装置或警报装置发出警报。
26.根据权利要求25所述的方法，
其特征在于，借助于光、声和振动中的至少一种发出警告或警报。
27.根据权利要求23所述的方法，
其特征在于，所述控制单元(CU)经由通信装置(L)发出信号，该通信装置包括光学链路和无线电链路中的至少一种。
28.根据权利要求21所述的方法，
其特征在于，所述控制单元(CU)与所述第二检测器(DHP)之间的所述信号链路无线地执行。
29.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述检测器(DLP，DHP)对自然大气进行监视。
30.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述第二检测器(DHP)执行以下至少一种的浓度确定：气态烃、氟化碳、含氯气体、SF6、水蒸汽、氦气、氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳和氧气。
31.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述第一检测器(DLP)中的传感器对所述气体混合物中平均分子量的变化进行检测。
32.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述第一检测器(DLP)具体地检测所述至少一种气体，但具有低精度和低能耗。
33.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述至少一个第二检测器(DHP)中的内置处理器智能基于从所述第一检测器(DLP)接收的信号水平，选择执行对所述特定气体中一种独特气体的确定。
34.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述检测器(DLP，DHP)中的每一个从以下至少一种接收能量：
-不间断电源，
-电池(B)，以及
-用于收集可再生能量的装置。
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