CN106687818A

CN106687818A - 定向超声波气体泄漏检测器

Info

Publication number: CN106687818A
Application number: CN201580051390.8A
Authority: CN
Inventors: J·赫西诺夫; S·B·巴利加; J·G·罗梅罗
Original assignee: GEN MONITORS
Current assignee: MSA Technology LLC
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-05-17
Also published as: EP3198294B1; WO2016048710A1; EP3198294A1; US9482592B2; US20160084729A1; CN115060428A

Abstract

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。

Description

定向超声波气体泄漏检测器

背景技术

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。

发明内容

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.Sound and Vibration、德国Gefell的Microtech Gefell GmbH、或者丹麦Naerum的Bruel Kjaer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2009/0060246 A1和2014/0000347 A1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ADC 11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ADC 11。

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f_max。最高频率f_max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<λ_min/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，λ_min为6.8mm，f_max＝50kHz；这样的波束成形器可以用于低于50kHz的超声波频率，而没有导致方向性图案的主瓣的副本的混叠效应。对于尺寸大约为3mm的MEMS麦克风，可能的最小麦克风间间距也大约为3mm，致使f_max值为50kHz左右。

d)超声波的大气衰减是频率的函数，并且从40kHz处的大约1dB/m增加到170kHz处的大约10dB/m。因此，在实践中，超声波气体泄漏检测器设计限于低于大约75kHz的频率；由于大气衰减，相同的频率限制可能应用于波束成形，由于上述对麦克风间间距的实际限制而进一步限制为50kHz。因为量级为0.1kg/sec的工业标准泄漏率，所以超声波气体泄漏检测器的气体泄漏范围至多为几十米。

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。图中最右侧的MEMS麦克风1比其左侧的MEMS麦克风2更早地接收声音；该差异被称为到达时间差(TDOA)。在远场近似中，与声音的麦克风间距和波长相比较，声源更远。这种近似在气体泄漏几米远的情况下有效。在远场中在阵列的范围内接收的声音波前可以被认为是平面的而非是球形的；对于平面波前，用于在连续麦克风之间接收声音的时间δt的差异为：

δt＝(d*cosθ)/v (1)

其中，v是声音在空气中的速度，通常为340m/sec。在频域中，该延迟会导致由麦克风接收的信号之间的相移。延迟与麦克风阵列的入射角和几何形状直接有关。给定麦克风阵列的几何形状，延迟或相位差异可以用于估计入射能量的入射到达角。

被称为延迟与求和波束成形的技术可以用于估计入射角θ。如果时间延迟被添加到来自每个麦克风的记录信号，其等于由额外行进时间引起的延迟并且与其相对，则将产生彼此完全同相的信号。对这些同相信号求和将致使相长干涉，其将通过阵列中的若干个麦克风来放大该结果，并且产生指向性图案中的主瓣。这被称为时间延迟与求和波束成形。对于DOA(到达方向)估计(也被称为AOA(到达角))，可以迭代地测试所有可能方向的时间延迟。如果猜测错误，则信号将相消干扰，从而致使输出信号减小，而正确的猜测将导致上文所描述的信号放大。在实践中，时间延迟被连续地扫掠，从而导致从初始角度(通常为0度)到最终角度(通常为180度)的波束控制(beamsteering)。控制角通过对公式1求逆来获得：

θ＝cos^-1(δt*v/d) (2)

在示例性实施例中，控制角在72个步幅中以2.5度步幅而增加，从而提供180度的波束控制。对于图1的两个垂直ULA中的每个垂直ULA独立地执行该波束控制。由参照垂直于平面阵列的轴的两个垂直ULA生成的方位角和仰角(Ф，θ)角度坐标会产生声音扫掠锥体(cone of sound sweep)。在示例性实施例中，在每个步幅角，对n个数据样本的来自图1的阵列中的每个MEMS麦克风的信号以150kHz进行采样，其中，n可以是256。

图3示出了时间延迟与求和波束成形的功能软件实施方式的示例性实施例。对n个数据样本的来自MEMS麦克风的信号(101至105)进行采样，其中，n可以是256，采样率为150kHz；在图1和图2中五个麦克风在这里被示出为ULA，但是对于波束成形，ULA可以具有大于最少两个的任何数目个麦克风。所采样的数据流通过乘以偶数个111或奇数个112而被分成偶数值和奇数值。在113中组合偶数(I同相)数据和奇数(Q异相或正交)数据以产生复数，其对于随后的软件处理来说更容易生成与沿着到达方向(DOA)的相长干涉相对应的峰值幅值。这种同相正交技术在数字信号处理中是众所周知的。在113处产生的复数乘以扫描因数114，该扫描因数114是由控制角θ(等式2)的余弦和正弦构成的复数。

扫描因数(n)＝复数(cos(θ_n),(sin(θ_n)) (3)

其中，n是0度和180度之间(例如，在72个步幅中)的控制角方向。

来自其它MEMS麦克风中的每个MEMS麦克风的数据被类似地处理115，并且来自所有MEMS麦克风的经处理的信号被求和116。对求和的数据116求平均117，并且被归一化118为在所有扫描角上计算的最大值。对于从0度到180度的每个扫描角120，继续该过程119。在所有控制角上获得的最大归一化值方向是超声波的DOA。

连续执行图3中所描述的计算，并且在一个示例性实施例中，对于上文所描述的参数(采样率150kHz、每步幅256个数据样本、72个步幅)，完整的0度至180度扫描的时间大约为0.1秒。使用上文所描述的波束成形参数，时间延迟与求和波束成形器因此每十分之一秒能够生成DOA绘图121一次。可以在十次扫描上对波束成形绘图求平均，从而给出大约一秒的响应时间。应当指出，如果存在超过一个超声波源，则波束成形绘图可以指示多于一个DOA矢量；向用户提供整个波束成形扫描中的局部最大峰值的相对强度，从而使得能够相应地采取动作。波束成形扫描中的主瓣峰值的幅值指示超声波源的强度。单个平面麦克风阵列计算到达方向，而不计算距超声波源的距离；因而，远处的强超声波源可以生成与更靠近麦克风阵列的较弱的超声波源相同的SPL和主瓣峰值尺寸。

在示例性实施例中，仅当超声波SPL高于指定阈值时，DOA才具有意义，例如，65dB可以用作阈值，在该阈值以下可以生成警告而非警报。

对于诸如图1所示的示例性2维阵列，对于每个ULA独立地执行DOA计算，提供两个独立的角度(Ф，θ)，其提供加压气体泄漏相对于垂直于平面麦克风阵列的轴线的方位角和仰角方向。在待检测的气体泄漏源为几米远的远场近似中，图1的MEMS麦克风阵列的事实在于“T”的形状在“+”形式的更自然和居中的MEMS麦克风阵列上不引起任何显著误差，其中，两个线性阵列的交点是坐标系的原点。

图3是图示了用于定向气体泄漏检测器的时间延时与求和波束成形的示例性实施例的流程图。其它波束成形技术是可用的并且对于本领域技术人员是已知的。这些波束成形技术包括在参考文献中详述的几种类型的基于频率或频谱的波束成形，并且可以被认为在本发明的范围和精神内。然而，在图1中体现的平面阵列由两个垂直线性阵列组成，还可以在平面或成形表面(contoured surface)上使用正方形、矩形或圆形阵列来执行波束成形，其中更大数目个模拟或数字MEMS麦克风的代价是附加电子电路、数学上复杂的波束成形算法以及增加的板载计算能力和内存。在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改和改变。

为了在气体泄漏检测器(工业应用)中使用MEMS麦克风，麦克风优选地被封装以满足在由管理机构团体限定的危险场所中的操作要求。一种全球公认的气体检测器的保护方法是防爆方法(Ex d)，其确保任何爆炸条件被包含在壳体内，不点燃周围环境，并且可以利用阻焰器作为感测元件前面的保护元件。阻焰器防止意外点燃的火焰或爆炸的传输，同时准许空气和气体的流动。工业和政府监管团体针对防爆设计而广泛接受的标准中的一些标准是来自加拿大标准协会的CSA C22.2No.30-M1986、来自Factory Mutual的FM 3600和3615、以及来自国际电工委员会的IEC 60079-0和60079-1。

另一保护方法是本征安全性(Ex ia)，其由国际电工委员会的IEC 60079-11涵盖。在本征安全的保护方法中，本征安全电路与感测元件一起使用；该阻挡电路限制了感测元件的功率，使得不会生成导致点燃爆炸性气体混合物的火花。

在用于工业应用的MEMS麦克风或麦克风阵列的实践实施方式中，阵列可以放置在诸如美国专利申请2009/0060246 A1与防爆(Ex d)外壳或本征安全(Ex ia)保护方法中详述的声学透射保护膜后面。

图4图示了防爆声学系统50的示例性实施例。该示例性实施例包括外壳52，其在示例性实施例中可以由铝、不锈钢或具有合适抗拉强度的其它工业金属制成。在该示例中，外壳52可以采用大致柱形配置，其中有中空开放的内部空间。外壳的外部表面和内部表面可以使用各种台肩和阶梯表面来加工或制造，并且外表面可以包括螺纹部分。例如，图4中所描绘的系统50包括具有通常被描绘为52A的中空内部空间的外壳52。在外壳的换能器端52E处，中空内部空间由倒角或引入部52B形成，并且提供用于声学能量的端口或窗口以撞击安装在外壳中的换能器。外壳的内部中空或开放区域52A可以由支撑台肩表面52C和52D制作，其可以配准系统50的特定元件的位置。

示例性系统50包括多孔金属烧结盘53，其在示例性实施例中可以由316L型不锈钢制成。盘53设置在由台肩52C配准在适当位置的外壳52的前部或换能器端52E上，并且用作阻焰器。烧结盘53可以压配合到外壳中、附接到外壳、或者与外壳一体制作。如果烧结物和外壳材料都是不锈钢，则可以使用后一种方法。在示例性实施例中，烧结金属盘53的厚度可以为八分之一英寸，其中最大孔径为250微米，其根据管理机构团体的设计指南和测试得知以满足Ex d保护方法的要求。示例性盘直径为1.0英寸。麦克风阵列54安装在电路板55的前侧上，并且放置为靠近但不与烧结金属盘接触；盘和换能器之间的示例性间距距离为0.015英寸。

如果MEMS麦克风是已知为“底部端口”或“零高度”的类型，则麦克风阵列可替代地安装在电路板55的后侧上；在这种情况下，超声波通过电路板中的通孔或孔洞而到达MEMS麦克风。Knowles MEMS麦克风SPU0410LR5H是可以使用的示例性底部端口模拟麦克风。Knowles MEMS麦克风SPH0641LU4H是可以可替代地使用的示例性底部端口数字麦克风。图4C示出了防爆声学系统50'的备选实施例，其中，阵列54'安装在电路板55的背侧上、远离阻焰器53，并且超声波能量穿过电路板55中的孔洞或开口64。图4C的实施例在其它方面类似于图4的实施例。

对于系统50在潮湿环境中的操作，疏水膜56可以放置在烧结盘53和外部环境之间。膜56可以因其优良的声学透射性能而被选择；这种膜的示例是由纽约华盛顿港的PallCorporation制造的Versapor 5000R。适用于该目的的其它膜由马里兰埃尔克顿的W.L.Gore&Associates，Inc.制造。

优选地，选择烧结金属盘的孔隙率和厚度，使得盘不会显著退化期望频率范围(例如，超声波频率)的声学声波对麦克风的透射。因此，烧结盘53不仅为在危险环境中的操作提供保护，而且还提供对灰尘和水的防范，同时仍然准许优良的声学声波透射。如果需要，则疏水膜56提供对环境的附加保护。它还防止灰尘和水分到达烧结金属盘53，从而防止多孔金属盘被堵塞。

仍然参照图4，用于声学换能器的偏压线、接地线和信号线的电线57从电路板55引出到外壳的背部。MEMS麦克风的典型偏置电压为2.5V dc。保持器58将组件保持在外壳的中空区域内的适当位置，同时外壳52中的中空区域的剩余部分使用电绝缘灌封化合物59从后部来密封。适用于该目的的依从机构(agency compliant)的灌封化合物的示例是来自Emerson&Cuming的Stycast 2850FT。

在示例性实施例中，具有防爆麦克风阵列的声学系统50可以提供用于超声波检测的完整传感器。通过包封的后端和烧结金属盘前端，它适于在爆炸性危险场所中操作，其作为远程安装的单独的传感器、或者作为例如通过螺纹接合而附接到也适于危险场所的另一外壳中的传感器。系统50的外壳52上的螺纹60使得传感器外壳能够旋入这种第二外壳中。例如，图4A描绘了安装到外壳70中的图4的传感器50，该外壳70包含用于调理并且处理传感器麦克风阵列信号并且随后为用户生成输出的电子器件。

参照图4A，超声波阵列换能器系统50被示出为拧入壳体70中，其也满足在爆炸性危险环境中操作的要求。声学系统50可以是例如系统50(图4)。在壳体70本身防爆的情况下，本申请中的声学系统50可以省略一些实施例的防火密封结构59。在该示例性实施例中，外壳70包括主壳体或底部部分72、以及盖子74；该盖子74被示出具有光学窗口76以观察与声学声压级成比例的所显示的信号。壳体的底部72具有使得能够将外壳安装在合适的安装支架上的特征。

第二外壳70可以包含为麦克风供电、处理由麦克风阵列生成的电信号、以及向用户提供输出以监测并且记录声学信号所需的电子器件。

进一步地，在其它实施例中，麦克风阵列系统50可以远离壳体70安装，并且远程外壳和壳体之间的连接可以满足在爆炸性危险环境中操作的要求。图4B中图示了远程安装的麦克风阵列的示例性实施例。诸如导管中的电缆70A之类的通信链路会提供麦克风阵列50和外壳70之间的信号连接。

MEMS麦克风是通常在2.5V下操作并且汲取小于1mA电流的低功率和低电压设备。因此，MEMS麦克风非常适合于本征安全的保护方法。图5示出了连接在危险区域中的MEMS麦克风阵列160和电源158之间的示例性本征安全电路150。电路150利用限流电阻器156和齐纳二极管152A，152B；在该示例性实施例中冗余地使用两个齐纳二极管。齐纳二极管是这样的二极管：不但允许电流以与理想二极管相同的方式在正向方向上流动，而且当电压高于被称为击穿电压的特定的明确定义的值时，准许该电流在反向方向上流动。如果在仪器安全区域内部生成意外的高电压，则通过齐纳二极管的高反向电流会导致保险丝154在电能被传送到位于危险区域中的麦克风阵列160之前被烧断。

如图6所示，在采用MEMS麦克风阵列的气体泄漏检测器系统150的示例性实施例中，对九个MEMS麦克风(152a至152i)的输出进行信号调理(153a至153i)，然后如果麦克风输出是模拟的，则进行数字化153，并且由超声波气体泄漏检测器150进一步处理，其包括电子控制器155(例如，数字信号处理器(DSP))、ASIC或基于微计算机或基于微处理器的系统。对于麦克风提供数字化输出的情况，信号调理153a至153i包括模拟到数字转换，并且不需要内部ADC 153。在示例性实施例中，信号处理器155可以包括DSP，尽管可以可替代地采用其它设备或逻辑电路用于其它应用和实施例。在示例性实施例中，信号处理器155还包括作为串行通信接口(SCI)的双通用异步接收/发送器(UART)151、串行外围接口(SPI)152、内部ADC 153(如果需要)、用于外部存储器(SRAM)21的外部存储器接口(EMIF)154、以及用于片上数据存储的非易失性存储器(NVM)156。Modbus 91或HART 92协议可以用作通过UART 151的串行通信的接口。这两个协议在加工工业中是公知的，连同诸如PROFIbus、Fieldbus和CANbus之类的其它协议，用于将现场仪表接口到用户的计算机或可编程逻辑控制器(PLC)。在示例性实施例中，信号处理器155通过SPI 152连接到多个其它接口。这些接口可以包括外部NVM 22、警报继电器23、故障继电器24、显示器25和模拟输出26。

在示例性实施例中，模拟输出26可以产生介于0毫安和20毫安(mA)之间的指示电流水平，其可以用于触发补救动作，诸如仅作为示例，依照既定的设施协议来关闭处理设备。模拟输出26处的第一电流水平(例如，介于4mA和20mA之间)可以指示气体泄漏，模拟输出26处的第二电流水平(例如，4mA)可以指示正常操作(例如，当不存在气体泄漏时)，并且模拟输出26处的第三电流水平(例如，0mA)可以指示可能由诸如电气故障之类的条件导致的系统故障。在其它实施例中，可以选择其它电流水平来表示各种条件。

在示例性实施例中，如下文更全面地讨论的，信号处理器155被编程为执行信号预处理和人工神经网络(ANN)处理。如下文更全面地描述的，信号处理器155执行波束成形功能。在检测到来自气体泄漏的超声波时，所计算的超声波的到达方位角和仰角(Ф，θ)连同所测量的声压级(SPL)可以经由显示器25、Modbus或HART(91或92)传送给用户。在要更全面地描述的另一示例性实施例中，该信息可以用于将气体泄漏SPL和方向坐标重叠到被监视场景的图像上。

US 2014/0000347详述了人工神经网络(ANN)如何能够在超声波气体泄漏检测器中用于区分由加压气体泄漏生成的超声波与由例如机械或生物源产生的噪扰超声波。ANN可以与声压级(SPL)阈值(US2014/0000347A1的图2)结合使用，或者避开使用SPL阈值(US2014/0000347A1的图5)。在本示例性实施例中，在波束成形用于确定所接收的超声波的DOA的情况下，US2014/0000347 A1的教导可以用于确定所接收的超声波能量是从加压气体泄漏(威胁)发出还是从噪扰源(假警报)发出。可以使用来自属于两个ULA的任何MEMS麦克风的信号来执行SPL测量和ANN计算。在DOA绘图示出了单个超声波源的实例中，可以标识加压气体泄漏或噪扰超声波的方向。基于非ANN的信号处理还可以用于区分气体泄漏与噪扰超声波的存在。可替代地，超声波气体泄漏检测器可以是简单阈值设备，其没有用来区分气体泄漏超声波与噪扰超声波的装置。因此，使用ULA和DOA计算的波束成形独立于超声波气体泄漏检测器的气体泄漏区分能力。如更早所提及的，SPL阈值(例如，65dB)可以与DOA信息一起使用以判定对用户动作的需求：这样的阈值消除了对所检测到的低水平的气体泄漏或噪扰超声波的警报的触发。

图7是可以通过对数字信号处理器155(图6)的合适编程来实施的示例性定向超声波气体检测器的示例性功能方框图200。对包括例如图1的两个垂直ULA的九个模拟(在该示例性实施例中)MEMS麦克风(152a至152i)的输出进行信号调理(153a至153i)，然后进行数字化211，通常被指示为210。然后对传感器数据应用处理算法220，包括如美国公开申请US2014/0000347A1中所详述的信号预处理221、ANN验证功能222和后处理224、以及声压计算223。例如，在图3的流程图中描述的波束成形100提供了入射超声波的到达角和峰值。在示例性实施例中，比较所计算的声压级(SPL)223与预设阈值227，同时后处理的ANN确定麦克风信号是否由实际气体泄漏225生成。在示例性实施例中，判定方框225和227的组合产生四种组合：

输出状态228A是对于这样的组合：(1)气体泄漏(是)；

并且(2)SPL>阈值(是)

输出状态228B是对于这样的组合：(1)气体泄漏(否)；

并且(2)SPL>阈值(是)

输出状态228C是对于这样的组合：(1)气体泄漏(是)；

并且(2)SPL>阈值(否)

输出状态228D是对于这样的组合：(1)气体泄漏(否)；

并且(2)SPL>阈值(否)

输出状态228A与真实气体泄漏的情况相对应，其中超声波超过SPL阈值227，并且从所计算的(Ф，θ)方位角和仰角发出。阈值227可以被认为是气体检测阈值；用户可以选择在输出方框230中为警报继电器23设置较高的警报阈值。输出状态228B与这样的情形相对应：所测量的大SPL已被诊断为不是由气体泄漏引起、而是由以所计算的(Ф，θ)方位角和仰角所定位的假警报源引起。输出状态228C与真实气体泄漏的检测相对应，但是在幅值上足够小以产生小于阈值127的SPL。输出状态228C可以被认为是轻微泄漏，或者向用户提供更大的紧急泄漏的警告。用户通常不会采取纠正动作，但被建议更密切地监测该设施。输出状态228D与没有发生什么的情形相对应；没有气体泄漏的证据，在波束成形绘图中没有峰值，其中背景SPL的值被认为无关紧要。输出状态228D典型的是安静工业环境，诸如远程陆上井口。

现在参照图8，描绘了超声波气体泄漏检测器250的另一示例性实施例的特征，其描绘了气体泄漏检测器的功能方框图。该实施例类似于图7中描绘的实施例。然而，在该示例性实施例中，信号处理器155被编程为实施处理算法220'，其中，如图7的方框227所示，没有对根据声压计算223计算的SPL与预设阈值进行比较。相反，所计算的SPL 229被直接发送到输出方框230。同时，经后处理的ANN经由判定方框225来确定超声波是由输出状态232指示的真实气体泄漏生成、还是由输出状态231所示的假警报生成。然后，输出方框230经由警报继电器23、显示器25、模拟输出26和外部通信接口(诸如Modbus 91和HART 92)的输出功能来通知用户真实气体泄漏的存在(根据输出状态232)、AOA方向27(Ф，θ)和严重性(SPL，以dB为单位)(根据信号229)。如果所计算的SPL被示出为根据判定方框225经由输出状态231通过假警报来产生，则输出方框230可以类似地经由显示器25、模拟输出26和外部通信接口(诸如Modbus 91和HART 92)来通知用户假警报事件及其严重性(以dB为单位)；然而，在由输出状态231指示的假警报事件的情况下，可能不会激活警报继电器23。

在示例性实施例中，气体泄漏的方向可以经由参照扫掠声音锥体的中心轴的角度方位角和仰角(Ф，θ)角度坐标而传送给用户。所测量的波束成形峰值大小和气体泄漏的方向也可以经由描绘声音锥体中的气体泄漏的方向的图形图示来传达，例如，经由离散LED或点阵显示器。

为了以视觉、实践和定量的方式更好地向用户传达泄漏气体的方向和尺寸，更复杂的实施例可以通过使用一致的光学视场将可视信息叠加在图像显示器上来在锥形扫描中显示超声波能量的到达角(AoA)(图7或图8的27)。因此，用户可以看到气体泄漏的实际位置以及SPL值，其形象化地重叠在设备的图像上，该设备可能是产生在几米之外可检测的强烈的超声波能量的气体泄漏的源。虽然深度或距离信息不是由单个2维平面麦克风阵列提供的，但根据图像而清楚的是，超声波能量从可疑设备发出而不是在其间的空气空间发出。这种视觉图像还具有以下优点：已知的友好气体泄漏(诸如用于维护目的的加压空气释放)可以由用户带出(zoned out)。还可以容易地监测由机械生成的超声波噪声的增加，同时使用诸如更早所描述的ANN之类的技术来区分这种超声波噪扰与实际气体泄漏。进一步的益处包括记录和回放引起警报(或假警报)的事件的超声叠加图像，包括设备故障的突出显示、事件的时间演变、以及工业设施的安全方面。这种超声叠加的图像可以经由网络摄像头或在内部安全摄像机网络上而连续监测。

实施在用于危险环境中的工业应用的可见图像上叠加超声波能量通常涉及低成本MEMS麦克风阵列、适于危险场所的壳体中的模拟和数字电子器件、以及工业成像器。这种对可燃和有毒的真实世界气体泄漏的超声成像通过常规点和开放路径气体检测器以及红外气体成像解决方案为固定气体检测装置提供了巨大的益处。红外气体云成像相机价格高昂，它们的灵敏度随着被监测的气体而变化很大，并且它们的性能在很大程度上取决于泄漏气体云温度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，尽管它们能够在数百米内进行远程气体云检测。

上文所描述的超声波方案不存在与红外气体云成像相关联的许多缺点。超声波气体泄漏检测、定位和成像的主要要求在于泄漏气体处于压力下，而不管其是否是可燃的、有毒的或惰性的，并且在于气体泄漏处于至多几十米的距离处(通常少于30米或50米)。在这些条件下，可以使用超声波气体泄漏检测器容易地检测到大量烃气体、有毒气体以及甚至惰性气体(诸如氦气)的加压气体泄漏。使用超声波气体泄漏检测器可以容易地检测到不能通过光学或红外装置检测到的高度可燃气体(诸如氢气)，同时可以在上文所描述的可见成像方案上存在超声波叠加的情况下使用波束成形阵列来呈现泄漏位置信息。

图9描绘了生成超声波的声学源300的屏幕快照；该声学源放置在使用来自National Instruments的LabVIEW显示的可见相机图像的中间。圆圈302是声源的矢量位置，其由上文所描述的时间延迟与求和波束成形器100计算并且叠加在可见图像上。如果声学源移动到不同的位置，则圆圈将跟随声学源。指针304，306指示声源的水平角坐标和垂直角坐标。水平方向为90度，并且因此在MEMS麦克风阵列轴线上。垂直方向为95度，并且因此在MEMS麦克风阵列轴线下方5度。所测量的SPL被示出为69dB，并且大于被设置为65dB的阈值。

在另一实施例中，由波束成形器针对每个扫描角方向测量的超声波的幅值可以叠加在对应的可见图像像素上，从而提供所观察的场景的连续超声波图。对于示例性实施例，对于72个方位角扫描角方向中的每个方位角扫描角方向，还存在产生72×72个扫描角方向的矩阵的72个仰角扫描角方向，其中波束成形器计算在该示例中总共5184个方向的72×72方向中的每个方向的超声波幅值。这些超声波幅值可以重叠在对应的可见图像像素区域上，例如，使用如对于使用热成像器的温度测量所进行的颜色编码方案。可替代地，每个位置处的数值形式的超声波幅值可以以叠加方式显示到所观察的场景的图像上。

图10示意性地示出了表示被监视的场景的显示器，其中，定向声学检测器具有以危险场所中的设备500(例如，压缩机)为中心的视场。波束成形阵列会生成指示由设备的不同部分所生成的超声波SPL的信号。该示例中的设备的部分会生成比其它设备更强烈的超声波SPL，从而产生当波束成形器在方位角和仰角方向上连续扫描时的局部最大值或峰值。图10示出了当波束成形器在方位角和仰角方向上连续扫描时所测量的几个峰值幅值。计算机SPL幅值被叠加在被监视的场景的图像上；在图10的示例性实施例中，在显示器中仅显示大于或等于63dB的阈值的SPL值。因此，连续扫描波束成形阵列能够监测压缩机，并且提供来自压缩机的不同部分的超声波发射的记录。这些信息可能对维护和过程人员有用。

尽管前述已经对主题的具体实施例进行了描述和说明，但是在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行对其进行各种修改和改变。

Claims

1.一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平方厘米的面积。

20.根据权利要求18所述的检测器，还包括防爆外壳结构，所述阵列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所述被监视的场景传递到所述阵列。

21.根据权利要求18所述的检测器，还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。

22.根据权利要求1所述的检测器，还包括：

人工神经网络(ANN)，响应于所接收的超声波能量并且被配置成区分由加压气体泄漏生成的超声波与噪扰超声波。

23.一种定向超声波气体泄漏检测器，包括：

24.根据权利要求23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。

25.根据权利要求24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。

26.根据权利要求24或25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。

27.根据权利要求23至26中的任一项所述的检测器，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。

28.根据权利要求23至27中的任一项所述的检测器，还包括：

29.根据权利要求28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。

30.根据权利要求23至29中的任一项所述的检测器，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。

31.根据权利要求23至30中的任一项所述的检测器，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。

32.根据权利要求23至31中的任一项所述的检测器，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。

33.根据权利要求23至32中的任一项所述的检测器，还包括：

34.根据权利要求33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。

35.根据权利要求23至33中的任一项所述的检测器，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。

36.根据权利要求23至35中的任一项所述的检测器，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光束方向中生成最大响应的一个光束方向上入射在所述阵列上的超声波能量的估计到达角。

37.根据权利要求23至36中的任一项所述的检测器，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。

38.根据权利要求23至37中的任一项所述的检测器，还包括：