CN108139461A

CN108139461A - 超声波气体泄漏定位系统和方法

Info

Publication number: CN108139461A
Application number: CN201680058096.4A
Authority: CN
Inventors: J·赫西诺夫; S·B·巴利加
Original assignee: GEN MONITORS
Current assignee: MSA Technology LLC
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-06-08
Also published as: US9995647B2; AU2016332046A1; US20170089800A1; CA2997959C; CA2997959A1; EP3356842A1; WO2017058530A1; AU2016332046B2

Abstract

描述了一种用于定位空气传播的超声波能量源的超声波气体泄漏检测器系统。一个示例性实施例包括多个空间分离的超声波气体泄漏检测器，每个超声波气体泄漏检测器被配置成生成指示在相应的检测器处接收的超声波能量的所检测的到达角的信号。定位器处理器接收由检测器生成的信号，并且被配置成处理信号以确定在检测器处接收的超声波能量源的三维位置，并且提供指示该位置的定位器处理器输出信号。

Description

超声波气体泄漏定位系统和方法

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向大气不必要地或意外的释放。泄漏需要在它们的幅值进一步增加之前快速识别，以允许及时采取补救动作。超声波气体泄漏检测器相对于其他气体检测器类型的优点在于气体不需要到达检测器；即便在泄漏气体被风发散的情况下，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光学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)需要在增加费用的情况下彼此靠近地放置，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与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的气体检测安装中采用。因此，存在以实际的方式将泄漏位置的益处添加到气体泄漏检测设备的需求。

发明内容

定向超声波气体泄漏检测器的一个实施例包括多个检测器，每个检测器包括间隔开的MEMS麦克风的阵列。每个麦克风响应于来自气体泄漏源的入射的空气传播的超声波能量以生成麦克风信号。用于每个阵列的波束成形处理器响应于来自阵列的麦克风信号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，或者实施为用于在危险场所操作的本征安全设备。检测器被布置成空间分离的配置以监视包含加压气体存储或运输的区域，其中定位器处理器被配置成对加压气体泄漏的位置进行三角测量。在另一个实施例中，显示器响应于处理器输出信号以生成标识监视场景的图像，其中加压气体泄漏的计算位置被叠加在图像上。

附图说明

当结合附图阅读时，本领域技术人员将根据以下详细的描述容易地理解本发明的特征和优点，其中：

图1是MEMS麦克风的2维阵列和相关联的电子器件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波束成形中使用的软件算法的示例性实施例。

图4A图示了用于麦克风阵列气体泄漏检测器的一个示例性外壳结构。

图4B图示了麦克风阵列气体泄漏检测器的另一实施例，其中容纳麦克风阵列的传感头外壳远离主系统的外壳。

图5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6是采用麦克风阵列的定向超声波气体泄漏检测器的一个实施例的特征的功能方框图。

图7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8A至8C是超声波气体泄漏定位系统的三个示例性实施例的示意图。

图9A是在三角测量中用于计算加压气体泄漏的位置的距离和角度的图示。

图9B是均指向加压气体泄漏源的两个麦克风阵列的绘图。

图9C是两个麦克风阵列的波束成形波瓣的示意绘图，这两个波束成形波瓣均指向加压气体泄漏源。

图10是使用图1的两个波束成形阵列定位的实验室超声波源的一个示例性实施例，并且其中所定位的实验室超声波源位置叠加在可视图像上。

图11图解地描绘了表示使用图4A或图4B的两个麦克风阵列气体泄漏检测器的所监视场景的显示图像，其中第一麦克风阵列气体泄漏检测器具有以设备为中心的视野。

具体实施方式

在以下详细描述中并且附图的几个图中，相同的元件用相同的附图标记标识。为了说明的目的，附图不是按比例绘制的，并且相对特征大小可能被夸大。

市场上的超声波气体泄漏检测器可以利用单个预极化的压力麦克风，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。超声波区被限定为超过人类听觉的频率范围，其在健康的年轻成年人的情况中从约20kHz开始。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少于100kHz的频率。

在一个示例性实施例中，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工作距离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工作距离内(例如，距该阵列30米至50米内)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，或者检测器可以被设计成本征安全设备，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。

在一个示例性实施例中，阵列中使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，该微型麦克风可以在15kHz的可听范围之外并且进入到超声波频率范围直到100kHz很好地操作。MEMS麦克风可以安装在印刷电路板(PCB)上，并且容纳在经批准用于危险场所的环境耐用的机械壳体中，该机械壳体允许超声波声能进入到传感元件。2015年7月29日授权的美国专利8,792,658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方式，并且该专利的全部内容通过引用并入本文。

离散式预极化不锈钢超声波麦克风提供出色的超声波性能，但是太大且昂贵而无法包装成用于工业气体泄漏检测器的阵列。MEMS麦克风是比较微型的，并且本身可以放置在电路板上以形成麦克风阵列。在一个示例性实施例中，总共九个MEMS麦克风(1至9)的二维阵列均匀隔开并且均分为两组五个线性阵列，该两组五个线性阵列在电路板10(图1)上相交并且处于垂直方向上。为了在两个垂直方向上实现均匀且相等的间隔，阵列以“T”形状来定位：这是由MEMS麦克风包装是矩形而不是正方形或圆形所导致的。在用于气体泄漏的超声波检测的一个示例性实施例中，电路板上的麦克风阵列区域通常不超过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(一般指示为12)处理。对于产生数字输出的麦克风，处理器可以处理这种数字信号而不需要ADC 11。

在一个示例性实施例中，N个全向型MEMS麦克风在一列中均匀地间隔开，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，其中麦克风间的间距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。适用于利用均匀线阵(ULA)波束成形的一些规则是：

a)麦克风数量的增加可以增强被定义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，单位由10log(N)的(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)用更大数目的麦克风而增加总阵列长度D会改善空间分辨率。D被称为孔径大小，并且在N个麦克风由距离d等距间隔开的情况下，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)麦克风间的间距d确定可以被操控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λ_min，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340m/sec的声速并且麦克风间距d＝3.4mm，λ_min为6.8mm以及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的间距也大约为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处的约1dB/m增加到170kHz处的约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，归因于前述对麦克风间的间距的实际限制，而进一步限制到50kHz。对于量级为0.1kg/sec的工业标准泄漏率的气体泄漏而言，超声波气体泄漏检测器的工作距离为几十米。

图2是五个MEMS麦克风(1、2、3、4和5)的线性阵列20的图示，其中麦克风间的间距为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，声源远得多。这种近似在气体泄漏几米远的情况下有效。在远场中在阵列的工作距离内接收的声波波前可以被认为是平面的而不是球面的；对于平面波前，在接连的麦克风之间接收声音的时间差δt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，该延迟导致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度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。如果将与由额外行进时间所引起的延迟等量且相反的时间延迟添加到来自每个麦克风的记录信号中，则将导致彼此完全同相的信号。将这些同相信号求和将导致相长干涉，后者将通过阵列中多个麦克风来放大该结果，并且导致方向性图案中的主瓣。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，则信号将相消干涉，导致输出信号减小，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)的波束操控(beamsteering)。操控角通过对方程1求逆来获得：

θ＝cos^-1(δt*v/d) (2)

在一个示例性实施例中，操控角在72个步幅中以2.5度步幅增加，从而提供180度的波束操控。对于图1的两个垂直ULA中的每个ULA独立地执行该波束操控。由两个垂直ULA生成的参照垂直于平面阵列的轴的方位角和仰角(Φ，θ)的角坐标导致声音扫掠锥体(coneof sound sweep)。在一个示例性实施例中，在每个步幅角处，对来自图1的阵列中的每个MEMS麦克风的信号以150kHz进行采样以得到n个数据样本，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一个示例性实施例。对来自MEMS麦克风的信号(101至105)进行采样以得到n个数据样本，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(111)或奇数(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子(114)，该扫描因数是由操控角θ(方程2)的余弦和正弦构成的复数。

扫描因子(n)＝复数(cos(θ_n),(sin(θ_n)) (3)其中，n是在0与180度之间(例如，在72个步幅中)的操控角方向。

来自其他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)，并且按照所有扫描角上计算的最大值进行归一化(118)。对于从0度至180度的每个扫描角120，继续该过程119。在所有操控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)，完整的从0度至180度扫描的时间大约为0.1秒。使用上文所描述的示例波束成形参数，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。可以十次扫描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和主瓣峰值大小。

在一个示例性实施例中，仅当超声波SPL高于指定阈值时，DOA才被认为有意义，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，从而提供两个独立的角度(Φ，θ)，两个独立的角度(Φ，θ)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，与“+”形式的更自然和集中的MEMS麦克风阵列相比，图1的MEMS麦克风阵列处于“Τ”的形状的事实并不会引起任何显著误差，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迟与求和波束成形的一个示例性实施例的流程图。其他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，这几种类型的波束成形可以被认为在本发明的范围和精神内。尽管在图1中实施的平面阵列由两个垂直线性阵列组成，但是也可以在平面或轮廓表面(contoured surface)上使用正方形、矩形或圆形阵列来执行波束成形，其具有更大数目的模拟或数字MEMS麦克风，但代价是额外的电子电路、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。

为了在工业应用中使用MEMS麦克风，麦克风优选地被包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(Exd)，该方法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。另一种保护方法是来自国际电工委员会的IEC60079-11所涵盖的本征安全(Ex ia)。在本征安全的保护方法中，本征安全电路与传感元件一起使用；该屏障电路限制了传感元件的功率，从而不会生成导致点燃爆炸性气体混合物的火花。美国专利申请14/495739(其全部内容通过该引用并入本文)详述了用于危险场所的麦克风阵列的包装和保护方法。

在一个示例性实施例中，图4A描绘了图1的麦克风阵列10，其被安装在连接到外壳70的外壳50中，外壳70包含电子器件以调节和处理传感器麦克风阵列信号。外壳70可以包括显示器76。此外，在其他实施例中，麦克风阵列系统50可以远离壳体70安装，并且远程外壳与壳体之间的连接可以满足在爆炸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一个示例性实施例。诸如导管中的电缆70A的通信链路提供麦克风阵列50与外壳70之间的信号连接。

在采用MEMS麦克风阵列的气体泄漏检测器系统150的一个示例性实施例中，如图5中所示，九个MEMS麦克风(152a至152i)的输出被信号调节(153a至153i)，然后如果麦克风输出是模拟的，则进行数字化(153)，并且进一步在超声波气体泄漏检测器150处理，该超声波气体泄漏检测器150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，信号调节153a至153i包括模数转换，并且内部ADC 153不是必需的。在一个示例性实施例中，信号处理器155可以包括DSP，但是可以针对其他应用和实施例备选地部署其他设备或逻辑电路。在一个示例性实施例中，信号处理器155还包括作为串行通信接口(SCI)的双通用异步收发器(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协议可用作通过UART 151的串行通信的接口。这两种协议连同诸如PROFlbus、Fieldbus和CANbus等其他协议在过程工业中都是公知的，以用于将现场仪表接口连接到用户的计算机或可编程逻辑控制器(PLC)。在一个示例性实施例中，信号处理器155通过SP1 152连接到多个其他接口。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。

在一个示例性实施例中，模拟输出26可以产生介于0至20毫安(mA)之间的指示电流水平，其可用于触发补救动作，例如仅作为示例，根据所确立的设施协议关掉处理设备。模拟输出端26处的第一电流水平(例如4mA与20mA之间)可以指示气体泄漏，模拟输出端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等条件引起的系统故障。在其他实施例中，可以选择其他电流水平来表示各种条件。

在一个示例性实施例中，如下面更全面地讨论的，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。如下面更全面地描述，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(Φ，θ)连同所测量的声压级(SPL)可以经由显示器25、Modbus或HART(91或91)传送给用户。(在图6和图7中，为了方便起见，在单独的方框27中示出了到达角(Φ，θ)。)在另一个示例性实施例中，将更全面地描述的，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。

美国专利No.8,955,383(其全部内容通过引用并入本文)详述了如何在超声波气体泄漏检测器中使用人工神经网络(ANN)来辨别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滋扰超声波。ANN可以与声压级(SPL)阈值(见US 8,955,383的图2)结合使用，或者避开使用SPL阈值(见US 8,955,383的图5)。在本示例性实施例中，在使用波束成形来确定所接收的超声波的DOA的情况下，可以使用具有如US 8,955,383中所描述的ANN的超声波气体泄漏检测器来确定所接收的超声波能量是从加压气体泄漏(威胁)发出还是从滋扰源(伪警报)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滋扰超声波的方向。基于非ANN的信号处理还可以用于辨别气体泄漏与滋扰超声波的存在。备选地，超声波气体泄漏检测器可以是简单的阈值设备，不具有将气体泄漏超声波与滋扰超声波进行区分的手段。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辨别能力。如更早所提及，SPL阈值(例如65dB)可以与DOA信息一起使用，以决定是否需要用户采取动作：这种阈值可以消除了对所检测到的低水平的气体泄漏或滋扰超声波的警报的触发。

图6是可以通过对数字信号处理器155(图5)进行适当编程来实施的示例性定向超声波气体检测器的功能框图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)的输出进行信号调节(153a至153i)，然后进行数字化211，它们笼统地指示为210。然后对传感器数据应用处理算法220，包括如US 8,955,383中详述的信号预处理221、ANN验证功能222和后处理224、以及声压计算223。在例如图3的流程图中所描述的波束成形100提供了入射超声波的到达角和峰值。在一个示例性实施例中，比较所计算的声压级(SPL)223与预设的阈值(227)，同时后处理的ANN提供确定麦克风信号是否由实际气体泄漏生成(225)。在一个示例性实施例中，判定方框225和227的组合导致四种组合：

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对应于真实气体泄漏的情况，其中超声波超过SPL阈值(227)，并且从所计算的(Φ，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中针对警报继电器23设定更高的警报阈值。输出状态228B对应于这样的情形：大的所测量的SPL已被诊断为不是由气体泄漏引起，而是由位于计算出的(Φ，θ)方位角和仰角的伪警报源引起的。输出状态228C对应于实际气体泄漏的检测，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，或者向用户提供紧迫的更大泄漏的警告。用户通常不会采取纠正动作，但被建议更密切地监测设施。输出状态228D对应于没有发生什么的情形；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处在视为无关紧要的值上。输出状态228D将是典型的安静工业环境，诸如远程陆上井口。

现在参照图7，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6中描述的实施例。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22中所示，根据声压计算223的所计算的SPL不与预设的阈值进行比较。相反，所计算的SPL 229被直接发送到输出方框230。同时，后处理的ANN经由判定方框225来提供超声波是由输出状态230指示的真实气体泄漏生成，还是由输出状态231所示的伪警报生成。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(Φ，θ)和严重性(SPL，以dB为单位)(根据信号229)。如果所计算的SPL被示出为通过根据判定方框225经由输出状态231的伪警报所产生的，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Modbus91和HART 92)来通知用户伪警报事件及其严重性(以dB为单位)，然而，在由输出状态231指示的伪警报事件的情况下，不会激活警报继电器23。

图8A示意性地图示了超声波气体泄漏检测器系统450的一个示例性实施例，该检测器系统采用具有麦克风阵列401、402的多个超声波气体泄漏检测器，以及连接到检测器用于接收由检测器生成的电信号的定位器处理器420。检测器在空间上是分离的。检测器的位置将取决于特定的安装；示例性的分离距离可以是几十米的量级，类似于检测器的工作距离。电信号可以指示由方位角和仰角(Φ，θ)的角坐标和声压级(SPL，以dB为单位)限定的在相应检测器阵列处所检测的到达角和所接收的超声波能量的强度。该系统包括至少两个检测器401、402，但是可以包括附加的检测器；图8A描绘了示例性可选检测器403、404，但是这些附加检测器可以被省略，这取决于特别应用的要求。定位器处理器420被配置成处理来自相应检测器的信号以确定在检测器处接收的一个或多个超声波能量源的坐标位置。该系统包括用于存储数据的数字存储器422，该数据包括表示相应检测器401、402、403、404的阵列中的每个阵列的位置的位置数据，以及用于显示计算的超声波声源位置的显示器430。

三角测量是通过测量从固定基线的任一端的已知点到所要确定位置的点的角度来确定该点的位置的过程。如果两个麦克风阵列超声波气体泄漏检测器(例如，检测器401、402)检测加压气体泄漏，两者的波束将指向超声波能量源的方向。在一个示例性实施例中，如果两个麦克风阵列气体泄漏检测器将它们的方位角和仰角(Φ，θ)角坐标传达给定位器处理器420，则该定位器处理器可以计算声源的三维位置。在另一示例性实施例480中，如在图8B中图示的，如果两个麦克风阵列气体泄漏检测器中的一个检测器传达超声波能量的到达角的方位角和仰角坐标，则这种处理在两个麦克风阵列气体泄漏检测器中的另一个中出现。在系统480中，麦克风阵列气体泄漏检测器481还包括定位器处理器，以及波束成形器，并且从相应的检测器482、483和484接收所接收的超声波能量的坐标。系统480还包括用于存储用于相应检测器的检测器阵列位置和阵列指向数据的存储器486，以及显示器490。该定位器处理器被配置成根据来自多个检测器中的任何两个检测器的数据来计算入射超声波能量的三维位置。在任一实施例中，角坐标的通信可以通过有线(诸如Modbus)或无线连接。

图8C图示了另一示例性系统500，其中，麦克风阵列501、502、503、504被布置在空间分离的位置中，并且麦克风信号通过有线或无线通信链路传输到位于远处的处理器系统520，该处理器系统520包括波束成形处理器以处理由图8A和8B的实施例中的单个检测器波束成形器执行的波束成形计算。如果有足够耐用的容量的处理器可用，则可以串行地或并行地执行用于相应阵列的波束成形计算。处理器系统520还包括定位器处理器，被配置成执行定位器处理器420(图8A)和包括检测器481(图8B)的定位器处理器的处理功能。如同图8A和8B的实施例，系统500包括用于显示计算的超声波声源位置的显示器。

为了说明示例性的三角测量计算，考虑简单情况(图9A)，其中两个麦克风阵列超声波气体泄漏检测器401和402分别在相同仰角处测量超声波源400，该仰角在平面中为零度。然后，如果l是两个麦克风阵列超声波气体泄漏检测器401与402之间的距离，并且d是到超声波源400的垂直距离，如图8A中所示，那么

其中α和β是图9A中所示的方位角。这导致：

这导致：

气体泄漏源400距超声波气体泄漏检测器401和402的距离由下式给出：

X₁＝d/sin(α) (9)

X₂＝d/sin(β) (10)

根据超声波气体泄漏检测器401知道X₁和角度α或者根据超声波气体泄漏检测器402知道X₂和角度β，提供了气体泄漏源400的确切位置。可以对仰角角度进行类似的计算，方位角和仰角的计算是独立的。由于用于检测器401、402的两个麦克风阵列本身一般可以具有不同指向的方位和仰向的宽边角(相应地为φ_1b、θ_1b和φ_2b、θ_2b)，以及位置(相应地矢量R₁和R₂)，所以处理器将麦克风阵列指向角和位置并入计算作为偏移。

需要最少两个麦克风阵列来对超声波源进行三角测量，但两个以上的麦克风阵列可以以它们中的两个的任意组合使用。图9B是两个麦克风阵列的一个示例性实施例的绘图，其具有不同的方位角和仰角(φ,θ)角坐标和位置(相应地矢量R₁和R₂)，两者指向加压气体泄漏源(一般地为全向声源)，距离相应地为L₁和L₂。在图9C中，波瓣403和404的长度表示由每个麦克风阵列测量的SPL(以dB为单位)。麦克风阵列距气体泄漏越远，所测量的SPL越小，并且波瓣越短；在这个示例中，L₁大于L₂。监视场景的更多麦克风阵列组合提供了冗余度，并且可以在声音障碍物位于特定麦克风阵列气体泄漏检测器和气体泄漏源之间的路径中的情况下帮助定位气体泄漏源。如果存在可能混淆两个麦克风阵列的特定组合的多路径回声，则更多麦克风阵列组合也有帮助。

为了更好地以可视、实践和定量的方式向用户传达气体泄漏的方向、位置和大小，另一实施例通过将可视信息叠加在图像显示器(例如，显示器430)上来显示这些信息(图10)。因此，用户可以看到气体泄漏的实际位置的表示以及SPL值，它们以绘图的方式重叠在可能是气体泄漏源的设备的图像上，该气体泄漏源产生可在几米远处探测到的强烈的超声波能量。这样的可视图像还具有这样的优点：可以由用户划出已知的友好的气体泄漏，诸如用于维护目的的加压空气释放。机器生成的超声波噪声的增加也可以容易地被监测，同时使用诸如前所描述的ANN的技术来辨别这种超声波滋扰与真实的气体泄漏。另外的益处包括记录和回放引起警报(或伪警报)的事件的超声波叠加图像，其包括突出显示设备故障、事件的时间演变以及工业设施的安全方面。这种超声波叠加的图像可以经由网络相机或内部安全相机网络连续监测。

在用于危险环境中的工业应用的可视图像上实施超声波能量叠加通常涉及低成本MEMS麦克风阵列、壳体中的适于危险场所的模拟和数字电子器件、以及工业成像器。这种可燃和有毒的真实世界气体泄漏的超声波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安装提供了巨大的益处。红外气体云成像相机价格昂贵，它们的灵敏度随着被监测气体而变化很大，并且它们的性能在很大程度上取决于泄漏气体云温度与背景温度之间的差异。

上文所描述的超声波气体泄漏检测解决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、定位和成像特别适于泄漏气体处于压力下的示例性应用(不管它是否是可燃的、有毒的或惰性的)，并且在于气体泄漏处于至多数十米的距离处(通常少于30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的碳氢化合物气体、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)，同时可以使用波束成形阵列来呈现泄漏位置信息，其中超声波叠加在上面所描述的可视成像方案上。

图10描绘了生成超声波的声源300的屏幕快照；该声源被放置在使用来自National Instruments的LabVIEW显示的可视相机图像的中间。圆圈302是声源的矢量位置，其由上面所描述的时间延迟与求和波束成形器100计算并且叠加在可视图像上。如果声源移动到不同的位置，则圆圈将跟随声源。指针304、306指示声源的水平坐标和垂直角坐标。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，并且大于设定为65dB的阈值。使用第二麦克风阵列的三角测量提供如前所描述的位置坐标，例如X₁和参考第一麦克风阵列的角度α。第一个麦克风阵列用于监测SPL，并且可能被认为是主麦克风阵列气体泄漏检测器，而第二个麦克风阵列气体泄漏检测器有助于计算超声波源或气体泄漏的确切位置。在一个示例性实施例中，该系统被配置成仅当在主麦克风阵列处接收的超声波能量的SPL超过阈值时才以三维定位源。

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视图像像素上，从而提供所观察的场景的连续超声波图。对于一个示例性实施例，对于72个方位角扫描角方向中的每个方位角扫描角方向，还存在导致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个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视图像像素区域上，例如，使用如对于使用热成像器的温度测量所进行颜色编码方案。备选地，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。对于场景中发射足够超声波的感兴趣的任何物体，可以使用第二波束成形麦克风阵列对物体的位置进行三角测量。

图11图解地描绘了表示被监视场景的显示，其中，图4A或图4B的麦克风阵列气体泄漏检测器具有以危险场所中的设备600(诸如例如压缩机)为中心的视野。波束成形阵列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他部分更强烈的超声波SPL，从而当波束成形器在方位角和仰角方向上连续扫描时导致局部最大值或峰值。图11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。计算的SPL幅值被叠加在被监视的场景的图像上；在图11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不同部分的超声波发射的强度图。对于场景中发射足够超声波的设备600的任何部分，可以使用第二波束成形麦克风阵列来对物体的位置进行三角测量。在正常操作中，这样的设备600将作为机器产生正常的操作超声波。如图6和图7中所描述，在DSP 150(图5)中操作的人工神经网络(ANN)222将在由压缩气体泄漏而不是正常机器操作产生超声波的情况下持续监测所接收的超声波。

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

Claims

1.一种用于定位空气传播的超声波能量源的超声波气体泄漏检测器系统，包括：

多个空间分离的超声波气体泄漏检测器，每个所述超声波气体泄漏检测器被配置成生成电信号，所述电信号指示在相应的所述检测器处接收的超声波能量的检测的到达角；

定位器处理器，所述定位器处理器连接到所述多个检测器以接收由所述检测器生成的所述电信号，所述定位器处理器被配置成处理来自多个所述检测器的所述电信号以确定在所述检测器处接收的所述超声波能量源的三维位置，并且提供定位器处理器输出信号，所述定位器处理器输出信号指示所述超声波能量源的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个空间分离的超声波气体泄漏检测器中的每一个包括间隔开的MEMS麦克风的阵列，每个麦克风响应于来自设置在所述阵列的工作距离内的气体泄漏源的入射的空气传播的超声波能量以生成麦克风信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个空间分离的超声波气体泄漏检测器中的每一个包括：

波束成形处理器，所述波束成形处理器响应于来自所述MEMS麦克风的阵列的所述麦克风信号，以生成所述电信号，所述电信号指示从所述阵列的工作距离内的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。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，每个阵列是二维阵列，并且所述阵列的所述麦克风在两个正交方向上被均匀且相等地间隔开，以形成至少两个线性阵列。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的系统，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。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其中，所述波束成形处理器响应于来自所述MEMS麦克风的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。

7.根据权利要求3至7中任一项所述的系统，其中，所述波束成形处理器响应于来自设置在距所述阵列30米范围内的气体泄漏源的宽带入射的空气传播的超声波能量，以生成所述处理器输出信号。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述定位器处理器被配置成：仅当所述检测器中的一个或多个检测器处入射的所述超声波能量的所测量的声压级超过阈值时，指示所述超声波能量的估计位置。

9.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，每个检测器还包括人造神经网络(ANN)，所述人造神经网络(ANN)被配置成辨别由加压气体泄漏生成的超声波和滋扰的超声波。

10.根据前述任一项权利要求所述的系统，还包括：

显示器，用于显示由所述系统监视的场景的图像，所述场景包括通过其传递气体或储存气体的设备；

所述显示器响应于所述定位器处理器输出信号，以描绘叠置在所述图像上的气体泄漏源的位置和/或强度。

11.根据权利要求1至4和8至10中任一项所述的系统，其中，所述定位器处理器被配置成通过对来自所述多个检测器的信号进行三角测量来确定所述位置。

12.一种超声波气体泄漏定位器系统，包括：

多个空间分离的超声波气体泄漏检测器，每个所述超声波气体泄漏检测器被配置成生成检测器信号，所述检测器信号指示在相应的所述检测器处接收的空气传播的超声波能量的所检测的到达角；

定位器处理器，被配置成接收由所述多个检测器生成的所述检测器信号，所述定位器处理器被配置成使用针对所述多个检测器中的每一个检测器的所检测的到达角和位置数据通过三角测量来处理来自多个所述检测器的信号，以确定在所述检测器处接收到的所述超声波能量的源的三维位置，并且提供定位器处理器输出信号，所述定位器处理器输出信号指示所述超声波能量的源的位置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，多个空间分离的所述超声波气体泄漏检测器中的每一个包括间隔开的MEMS麦克风的阵列，每个麦克风响应于来自被设置在所述阵列的工作距离内的气体泄漏源的入射的空气传播的超声波能量，以生成麦克风信号。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，多个空间分离的所述超声波气体泄漏检测器中的每一个超声波气体泄漏检测器包括：

波束成形处理器，响应于来自所述MEMS麦克风的阵列的所述麦克风信号，以生成指示从所述阵列的工作距离内的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的信号。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，每个阵列是二维阵列，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。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的系统，其中，所述波束成形处理器响应于来自所述MEMS麦克风的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12至16中任一项所述的系统，其中，每个检测器还包括人造神经网络(ANN)，所述人造神经网络(ANN)被配置成辨别由加压气体泄漏生成的超声波和滋扰的超声波。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的系统，其中，所述定位器处理器被配置成：仅当在所述检测器中的一个或多个检测器处入射的所述超声波能量的所测量的声压级超过阈值时，指示所述超声波能量的源的估计位置。

19.一种定向超声波气体泄漏定位器系统，包括：

多个超声波气体泄漏检测器，每个检测器包括间隔开的MEMS麦克风的阵列，每个麦克风响应于来自气体泄漏源的入射的空气传播的超声波能量，以生成麦克风信号；

用于每个阵列的波束成形处理器，响应于来自所述阵列的所述麦克风信号，以生成波束成形处理器输出信号，所述波束成形处理器输出信号指示入射在所述阵列上的超声波能量的估计到达角；

所述检测器被布置成空间分离的配置以监视包含加压气体存储或运输结构的区域；

定位器处理器，响应于所述波束成形处理器输出信号并且被配置成对加压气体泄漏的位置进行三角测量。

20.根据权利要求19所述的系统，还包括：

显示器，响应于定位器处理器输出信号，以生成表示所监视的区域的图像，其中所述加压气体泄漏的所计算的位置被叠加到所述图像上。