CN112955738A - 检测多孔构件中的堵塞 - Google Patents

Abstract

一种检测将设备的第一容积与第二容积或内部腔室分开的多孔构件中的至少部分堵塞的方法，包括：通过使内部腔室的容积变化来在内部腔室内发出压力波；经由响应于被定位在内部腔室内的压力波的压力传感器测量响应；以及基于压力传感器的响应来确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。

Description

检测多孔构件中的堵塞

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月23日提交的美国专利申请系列第16/199,019号的权益，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。

背景技术

提供以下信息以辅助读者理解下文所公开的技术以及通常可以使用这种技术的环境。除非在本文件中以其他方式明确陈述，否则本文中所使用的术语不旨在限于任何特定的狭义解释。本文中所阐述的参考可以促进对技术或其背景的理解。本文中所引用的所有参考的公开内容通过引用并入。

许多气体传感器包括将传感器的分析组件与传感器旨在监测的环境分开或分隔的气体多孔构件/屏障或扩散屏障。这种多孔构件通常被用于减少或消除可能妨碍传感器的分析组件的操作的污染物的进入和/或在传感器被暴露的环境中隔离作为点火源的分析组件。当这种多孔构件被使用时，要由传感器检测/监测的(多种)分析物气体必须穿过多孔构件以到达传感器的分析组件。分析物通过多孔构件输送的能力和有效性直接影响速度、精度和准确度，传感器可以利用该速度、精度和准确度来响应于被监测的外部周围环境中分析物的相对浓度的变化。因此，设计和/或选择多孔构件，以使得分析物通过多孔构件与传感器的分析组件协同输送，使得传感器能够以感测应用所定义的标称或最小速率、精度和准确度响应于分析物在监测的环境中的水平和/或相对水平的变化。一旦传感器被部署，接触或穿透多孔构件的外部污染物(在正常操作环境中出现或由非典型事件或维护活动引起)可以直接地或由于与多孔构件的反应而抑制在环境与传感器的分析组件之间的分析物输送。这种对通过多孔构件进行的分析物输送的抑制(导致从目标传感器响应速率到分析物的偏离和/或在分析物浓度的绝对或相对变化的评估中的精度/准确度的偏离)通过术语“堵塞(blockage)”或“堵塞(blocking)”被指定。附加地，引起堵塞(blocking)的污染物或条件通常被称为“堵塞(blockage)”。堵塞的常见示例发生在工业环境中，其中对分析物的传感器响应可以通过油漆、水、污垢/泥浆、昆虫或动物沉积物或通过其他外部扩散阻止物质而被部分或完全抑制。标识通过传感器多孔构件的输送的损害的失败可以导致分析物浓度水平的检测不足或未检测超过安全环境极限。

除了堵塞扩散或其他传感器多孔构件之外，传感器本身的性能还可能随时间而下降。因此，审慎性规定应针对功能性定期测试气体检测仪器。例如，每天在便携式气体检测仪器上执行“碰撞检查”或功能性检查是常见实践。该测试的目的是确保整个气体检测系统(通常被称为仪器)的功能性。还可以在永久性气体检测仪器上执行定期的碰撞检查或功能性检查，以例如延长完全校准之间的周期。气体检测系统包括至少一个气体传感器、电子电路系统和驱动传感器的供电电源，解释其响应并向用户显示其响应。系统还包括壳体，以封闭和保护这种组件。碰撞检查通常包括：a)施加感兴趣的气体(一般是包括已知浓度的目标气体或仪器旨在检测的分析物气体(或其模拟物)的气体，该浓度可能是零或其他浓度)；b)收集并解释传感器响应；以及c)向最终用户指示系统的功能状态(即仪器是否恰当地起作用)。

如上文所描述，针对便携式气体检测仪器，定期且通常每天执行这种碰撞测试(bump test)。碰撞检查为用户提供了气体检测设备在恰当地工作的相对高程度的保证。碰撞检查以检测有害气体的警报水平所必需的相同方式来运用气体检测设备的所有部件的所有必要功能性。就这一点而言，碰撞检查确保存在从仪器外部通过任何输送路径(包括例如任何气体多孔性保护和/或扩散构件或膜)与有源传感器组件接触的高效气体递送。碰撞检查还确保传感器本身的检测方面在恰当地工作，并确保传感器提供恰当的响应功能或信号。碰撞检查还确保传感器被恰当地连接到其相关联的供电电源和电子电路系统，并且确保传感器信号被恰当地解释。此外，碰撞检查确保气体检测仪器的(多个)指示器或(多个)用户接口(例如显示器和/或通告功能性)如预期一样起作用。

然而，定期/每天的碰撞检查要求具有许多显著的缺点。例如，这种碰撞检查是耗时的，尤其是在包括许多气体检测系统或仪器的设施中。碰撞检查还需要使用昂贵且潜在危险的校准气体(即具有已知浓度的分析物气体或其传感器响应的模拟物的气体)。进一步地，碰撞检查还需要专用气体递送系统，通常包括加压气瓶、减压调节器以及用以将校准气体正确地供应至仪器的管道和适配器。专用气体递送系统的需求通常意味着通过气体递送装备的可用性，对个人气体检测设备进行碰撞检查的机会在地点和时间上受到限制。此外，碰撞检查和用测试气体进行的其他校准还要求在设备上和在执行测试中被训练的人员。

近来，已经提出了许多系统和方法来减少所需的碰撞测试的数量。这种系统可以例如包括传感器的电子询问和/或对到传感器的输送路径的测试，包括通过扩散或其他屏障(而不施加分析物气体或其模拟物)。尽管如此，仍然期望研发改进的测试系统和方法以例如减少传感器所需的碰撞检查的数量。

发明内容

在一个方面中，一种检测将设备的第一容积与第二容积或内部腔室分开的多孔构件中的至少部分堵塞的方法包括：通过使内部腔室的容积位移/变化来在内部腔室内发出一个或多个压力波；经由响应于被定位在内部腔室内的一个或多个压力波的压力传感器测量响应；以及基于压力传感器的响应来确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。第一容积可以例如是周围环境。在多个实施例中，气体传感器被定位于内部腔室内。

就这一点而言，在多个实施例中，一种检测将设备的内部腔室(在该内部腔室中，响应于目标气体的至少一个气体传感器被定位)与周围环境分开的多孔构件中的至少部分堵塞的方法包括：通过使内部腔室的容积位移/变化来在内部腔室内发出一个或多个压力波；经由响应于被定位在内部腔室内的一个或多个压力波的压力传感器测量响应；以及基于压力传感器的响应来确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。

例如，内部腔室的容积可以通过与内部腔室流体连接的可移动元件的移动/位移被变化。在多个实施例中，可移动元件包括活塞。在多个实施例中，可移动元件包括隔膜。

方法还可以包括经由与可移动元件可操作地连接的驱动系统来使可移动元件移动/位移。在多个实施例中，驱动系统包括与可移动元件可操作地连接的电动机。例如，方法还可以包括控制驱动系统以使可移动元件的运动振荡。例如，在设备是传感器设备的情况下，这种情况可以在设备的询问模式期间发生。在多个实施例中，驱动系统被控制来以大体上正弦的方式使可移动元件振荡。在多个实施例中，振荡频率可以例如在1Hz至200Hz的范围内。在多个实施例中，振荡频率小于10Hz。例如，振荡可以在单个频率下发生。

在多个实施例中，压力传感器的响应中的所测量的幅度(amplitude)被用于确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。例如，在确定多孔构件中是否存在至少部分堵塞时，任何振荡频率的值(在可移动元件被振荡的实施例中)可能不是必不可少的。然而，例如，可以分析测量的响应频率以指示其设备或系统中是否存在问题或故障(例如这种故障包括泄漏、电动机故障、可移动元件疲劳等)。

在多个实施例中，可移动元件被移动/位移以产生内部腔室的预定容积位移以发出一个或多个压力波。在多个实施例中，可移动元件被移动/位移以产生内部腔室的容积(即总容积)的至少1％或至少1.5％的容积位移以发出一个或多个压力波。

在多个实施例中，多孔构件是多孔熔块(frit)。在许多其他实施例中，多孔构件是膜的疏水、疏油或多疏的多孔构件。例如，参见美国专利第5,944,969号，其公开内容通过引用并入本文。多孔构件可以例如是疏水的。如本文中所使用，术语“疏水”一般是指通过其的水性液体是大体上不可流动(immobile)的多孔构件(即，疏水的多孔构件一般在使用本文的设备或系统时所经历的内压下对穿过其中的水的整体流动具有抵抗力或大体上具有抵抗力)。如本文中所使用，术语“疏油”一般是指通过其的非水性液体是大体上不可流动的多孔构件(即，疏油的多孔构件一般在本文的设备和系统中所经历的内压下对穿过其中的低表面张力液体的整体流动具有抵抗力或大体上具有抵抗力)。如本文中所使用，短语“低表面张力液体”一般是指表面张力小于水的表面张力的液体。既疏水又疏油的扩散屏障被称为“多疏的”。在使用本文的设备和系统的条件下，本发明的扩散屏障也可以是大体上化学惰性的和热惰性的。在本文的气体检测设备、系统和/或方法中，分析物或目标物种在其气相中可移动通过膜的多孔构件。

在多个实施例中，多个气体传感器被定位于内部腔室内。这种气体传感器可以例如包括一个或多个电化学气体传感器、一个或多个可燃气体传感器、一个或多个红外传感器、一个或多个光声传感器和/或其他类型的气体传感器。

在另一方面中，一种设备包括：壳体，包括内部腔室和端口；多孔构件，与端口可操作地连接，以将内部腔室与外部容积(例如周围环境)分开；压力变化源，与内部腔室流体连接，压力变化源包括可移动元件，该可移动元件可移动以使内部腔室内的容积变化/位移；压力传感器，响应于内部腔室内的压力变化；以及电路系统，与压力传感器可操作地连接，以基于压力传感器的响应来确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。在多个实施例中，气体传感器被定位于内部腔室内。

就这一点而言，在多个实施例中，一种用以检测周围环境中的分析物气体的气体传感器设备包括：壳体，包括内部腔室和端口；多孔构件，与端口可操作地连接，以将内部腔室与周围环境分开；至少一个传感器，响应于被定位于内部腔室内的目标气体；压力变化源，与内部腔室流体连接，压力变化源包括可移动元件，该可移动元件可移动以使内部腔室内的容积变化/位移；压力传感器，响应于内部腔室内的压力变化；以及电路系统(例如控制电路系统)，与压力传感器可操作地连接，以基于压力传感器的响应来确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。

在多个实施例中，内部腔室的容积通过与内部腔室流体连接的可移动元件的位移被变化/位移。可移动元件可以例如包括活塞或隔膜。在多个实施例中，可移动元件包括隔膜。气体传感器或本文的其他设备还可以包括与可移动元件可操作地连接的驱动系统。驱动系统可以例如可操作以使可移动元件的运动振荡。这种情况可以例如在如上文所描述的气体传感器设备的询问模式下发生。在多个实施例中，驱动系统被调适或配置以被控制来以大体上正弦的方式使可移动元件振荡。在多个实施例中，振荡频率可以例如在1Hz至200Hz的范围内。在多个实施例中，振荡频率小于10Hz。例如，振荡可以在单个频率下发生。

也如上文所描述，在多个实施例中，多孔构件是多孔熔块或疏水膜。在多个实施例中，多个气体传感器被定位于内部腔室内。

在多个实施例中，电路系统(在本文的方法、设备和/或系统中)还与可移动元件可操作地连接以移动可移动元件以产生内部腔室的预定容积位移以发出一个或多个压力波。在多个实施例中，可移动元件被移动以产生内部腔室的容积(即总容积)的至少1％或至少1.5％的容积位移以发出一个或多个压力波。

在另一方面中，一种检测将设备的内部腔室与周围环境分开的多孔构件中的至少部分堵塞的方法(其中响应于目标气体的至少一个气体传感器被定位在内部腔室内，并且设备还包括采样泵以将空气从周围环境泵入内部腔室)，包括：控制采样泵以改变压力，经由被定位于内部腔室内的压力传感器测量响应，并基于压力传感器的响应来确定在多孔构件中是否存在至少部分堵塞。在多个实施例中，采样泵被定位于内部腔室内，并且将来自周围环境的气体抽吸到内部腔室中。

鉴于结合随附图式进行的以下详细描述，将最好地了解和理解本设备、系统和方法以及其属性和伴随的优点。

附图说明

图1图示了气体传感器设备或仪器的实施例，其中声波由传感器设备的腔室或容积内的扬声器生成，并且容积的腔室内的麦克风测量响应。

图2A图示了本文的气体传感器设备或仪器的实施例，其中一个或多个压力波(例如振荡压力波)在传感器设备的容积的腔室内被机械地产生，并且设备的内部腔室内的压力传感器测量响应。

图2B图示了在构造和操作上与图2A的设备类似的本文的气体传感器设备或仪器的另一实施例，其中相同或不同类型的多个传感器在内部腔室内。

图3图示了传感器的由图2B的设备的内部腔室内的压力传感器所测量的测量的大小或压力振荡(其随着堵塞的增加而增加)的而变化的响应时间(t₉₀)。

图4A图示了在构造和操作上与图2B的设备类似的本文的气体传感器设备或仪器的另一实施例，其中由采样泵供应的周围气体的压力可以被改变，并且设备的内部腔室内的压力传感器的响应被测量，并且采样泵被定位于内部腔室内。

图4B图示了在构造和操作上与图2B的设备类似的本文的气体传感器设备或仪器的另一实施例，其中由采样泵供应的周围气体的压力可以被改变，并且设备的内部腔室内的压力传感器的响应被测量，并且采样泵被定位于内部腔室外部。

具体实施方式

将容易理解，除了所描述的代表性实施例之外，如一般在本文中的附图中所描述和图示的实施例的组件可以以各种不同的配置被布置和设计。因此，如附图中所图示，以下对代表性实施例的更详细描述并非旨在限制如所要求保护的实施例的范围，而仅是代表性实施例的说明。

贯穿本说明书，对“一个实施例”或“实施例”(等)的提及意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各处中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等未必全部指的是同一实施例。

此外，可以在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合特定特征、结构或特性。在以下描述中，提供了许多具体细节以给出对各种实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应意识到，在不具有具体细节中的一个或多个的情况下或利用其他方法、组件、材料等，也可以实践各种实施例。在其他实例中，未示出或详细描述熟知的结构、材料或操作，以避免模糊。

结合将包括一个或多个传感器的内部腔室与外部或周围环境分开的多孔构件中的堵塞的检测来描述本文的设备、系统和方法的代表性实施例。然而，本领域的技术人员应了解，本文的设备、系统和方法可以与检测被用于将一个容积与另一容积分开的任何多孔构件中的堵塞结合地被使用。

如本文中和随附权利要求书中所使用，除非上下文以其他方式清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。因此，例如，对“传感器”或“多孔构件”的提及包括本领域的技术人员且如此的多个这种传感器或多孔构件及其等同物等等，并且对“传感器”或“多孔构件”的提及是对本领域的技术人员已知的一个或多个这种传感器或多孔构件及其等同物等等的提及。本文中的值范围的列举仅旨在用作分别指代落在范围内的每个单独值的速记方法。除非本文中以其他方式指示，否则并且每个单独值以及中间范围都被并入说明书中，如同本文中分别叙述一样。除非本文中以其他方式指示或通过文本以其他方式清楚地禁忌，否则本文中所描述的所有方法可以以任何适合的顺序被执行。

如本文中所使用，术语“电路”或“电路系统”包括但不限于用以执行(多个)功能或(多个)动作的硬件、固件、软件或各自的组合。例如，基于期望的特征或需求，电路可以包括软件控制微处理器、离散逻辑(诸如专用集成电路(ASIC))或其他编程逻辑设备。电路也可以被完全实施为软件。

如本文中所使用的术语“控制系统”或“控制器”包括但不限于协调和控制一个或多个输入或输出设备的操作的任何电路或设备。例如，控制器可以包括具有一个或多个处理器、微处理器或中央处理器(CPU)的设备，该设备能够被编程以执行输入或输出功能。

如本文中所使用的术语“处理器”包括但不限于呈任意组合的一个或多个处理器系统或独立处理器，诸如微处理器、微控制器、中央处理器(CPU)和数字信号处理器(DSP)。处理器可以与支持处理器的操作的各种其他电路(诸如存储器系统(例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM))、时钟、解码器、存储器控制器或中断控制器等)相关联。这些支持电路可以在处理器或其相关联的电子封装的内部或外部。支持电路与处理器可操作地通信。支持电路不一定在框图或其他图式中与处理器分开被示出。

在本文的多个研究中，本文的设备或仪器包括一个或多个可燃气体传感器和/或电化学气体传感器。尽管可燃气体传感器和电化学气体传感器被研究，但设备、系统和方法可以与任何传感器(例如红外传感器、光声传感器等)或多孔构件或膜将内部腔室或容积与外部环境分开的任何其他设备结合地被使用。例如，在美国专利申请公开第2014/0273263号和美国专利申请第15/597,933号和第15/597,859号中描述了催化可燃气体传感器设备、其电子询问和所得的校正，这些申请的公开内容通过引用并入本文。例如，在美国专利第7,413,645号、第7,959,777号、第9,784,755号和第9,528,957号中和在美国专利申请公开第2013/0186777号和第2017/0219515号中公开了电化学气体传感器、电子询问技术和所得的校正，这些专利的公开内容通过引用并入本文。

使用电子询问系统、设备和方法，人们能够以电子方式询问传感器、从而确定传感器性能的变化并补偿传感器输出，以使得传感器响应可接受，从而延长碰撞检查之间的时间段(或消除碰撞检查)。传感器的电子询问可以例如包括：向电极或传感器元件施加电能；以及测量对电极或传感器元件的电能和/或电性质的施加的响应，以确定传感器的状态。然而，以电子方式询问传感器不能考虑或检测将传感器与周围环境或外界分开/保护传感器免于周围环境或外界影响的多孔构件的堵塞。将传感器的电子询问与检测这种多孔构件的堵塞的系统、设备和方法组合提供了进一步减少或消除仪器的碰撞测试的能力。

作为度量，堵塞可以直接指定通过多孔构件的分析物输送的阻抗和/或指定由该输送阻抗导致的传感器性能的所得变化。例如，堵塞可以以连续测量被计量。例如，堵塞可以以百分比的形式被计量，范围介于当通过多孔构件的分析物输送是正常的或标称时的0％到标记在传感器分析组件与监测的环境之间的分析物输送的完全抑制的100％之间。堵塞也可以以指定(诸如未堵塞(指示通过多孔构件的典型或正常分析物输送)或部分堵塞(指示超出典型或正常但小于完全输送抑制的分析物输送阻抗)或完全堵塞(指示通过多孔构件的分析物输送的完全抑制))被计量为离散状态。备选地，堵塞可以被归于布尔状态，其中未堵塞状态指示通过多孔构件的分析物输送的抑制下降到指定的可接受极限以下，而堵塞状态指示分析物输送抑制超过指定极限。在检测和指定堵塞(和/或对传感器性能造成的损害)中进行足够的测量对于保证传感器功能很重要。如上文所描述，标识通过传感器多孔构件的输送的损害的失败可以导致分析物浓度水平的检测不足或未检测超过安全环境极限。

被转让给其受让人的美国专利申请公开第2017/0227498号和第2017/0227499号(该申请的公开内容通过引用并入本文)描述了被用于检测通过例如用于检测目标或分析物气体的传感器的多孔构件、膜或屏障(例如扩散屏障)的流量的设备、系统和方法。在多个代表性实施例中，这种多孔构件可以例如是多孔金属熔块或多孔聚合物膜。在其设备、系统和方法中，声音/压力波的源、生成器或发送器(诸如扬声器)被播放到多孔构件(诸如多孔熔块或多孔膜)后方(即在传感器侧上且与周围侧相反)的容积或腔室中。对生成的声波/压力波(例如声音)的响应通过压力/声波传感器或接收器(诸如麦克风)被测量，并且与通过膜的气体输送相关。

这种设备、系统和方法可以例如被用于固定或便携式气体仪器中。在固定(相对于便携式)气体仪器的情况下，仪器当被投入使用时被校准。如上文所描述，在投入使用之后，建议经常对仪器进行“碰撞测试”，以检查流向传感器的气体和传感器按预期响应。也如上文所描述，为了对仪器进行碰撞测试，用户将已知浓度的目标/分析物气体(或传感器响应的模拟气体)施加到仪器，并检查仪器的预期或可接受响应。如果传感器响应是可接受的(例如使用预定阈值)，那么用户可以将仪器校准到目标气体的已知浓度。

在美国专利申请公开第2017/0227498号和第2017/0227499号中，从感测腔室内的源/扬声器发送一个或多个声波，以与多孔构件和与其任何堵塞相互作用来检测将感测腔室内的气体传感器与周围环境(在其中分析物气体的浓度将被确定)分开的多孔构件的堵塞。然后，信号通过声音传感器/麦克风被接收到。这种麦克风将声音(以压力的可听波形式传播)转换为电信号(通常以分贝为单位)。响应被处理并与通过多孔构件的流量损失和/或在传感器的情况下与传感器的气体响应损失相关。存在分析和/或处理数据以确定堵塞的存在和/或程度的多种方式。一般地，在测量的声音与多孔构件的堵塞之间建立了相关性。由适用于气体传感器的扬声器产生的压力变化通常在0到5帕斯卡或Pa的范围内。

例如，在图1的设备100中，扬声器150和麦克风160也被定位于内部腔室120内。不必将扬声器150和麦克风160与内部腔室120和传感器110的其余部分声学隔离，或不必在其间狭窄地引导声/压力波的传播。在所图示的实施例中，传感器110、扬声器150和麦克风160与包括印刷电路板170的电路系统电连接，该印刷电路板可以与图1中示意性图示的可以被定位在防爆壳体130内和/或外部的控制电路系统、控制系统或控制器180电连接。控制电路系统180可以例如包括处理器系统190(包括一个或多个处理器，诸如微处理器)和与处理器系统190可操作地连接的存储器系统194(包括一个或多个存储器模块，诸如存储器驱动器)。存储器系统194可以例如包括被存储在其中并且可由处理器系统190执行的一种或多种算法。

如图1中所图示，声波在腔室120内朝向多孔构件或熔块140传播。在不限于任何机制的情况下，一些声波进入熔块140，并且一些声波被反射回内部腔室120。就这一点而言，在进入熔块140的声波中，一些被熔块140吸收，一些被反射回内部腔室120(从中散发出声波)，并且一些通过熔块140进入防爆壳体130外部的周围环境。穿过熔块140并穿到防爆壳体130外部的声波是“丢失的”声波，这些声波与熔块140的堵塞程度非常相关。当熔块140被堵塞时，较少的声波(例如音波)丢失，并且更多的声波被反射回腔室120中。

在对美国专利申请公开第2017/0227498号和第2017/0227499号的设备、系统和方法的多个研究中，多个频率由扬声器150生成。例如，如果人们检查了麦克风160在频域中接收到了什么声音，那么人们应该能够容易地挑选出所生成的频率。然后，人们可以在每个频率下针对大小(magnitude)和/或相位针对堵塞或未堵塞的响应应该是什么来设置阈值。还可以在时域中进行分析(其中例如可以针对响应的大小和/或时间延迟设置阈值)。在时域中，例如包括多个频率的驱动力可以由扬声器生成。发现在一些频率下，当熔块140被堵塞时，响应实际上更安静的/被减小。还发现，腔室120的共振可以是显著的，并且在与询问信号相同的频率区中。此外，发现可以从测量的幅度变化和/或相位变化中辨识出关于多孔构件的堵塞的信息。

尽管扬声器/麦克风组合是用于检测并且甚至表征多孔构件中的堵塞的非常好的反向反射系统，但是将扬声器/麦克风组合添加到许多系统导致了制造复杂性和/或成本的显著增加。在本文的多个系统中，压力变化(诸如相对低的频率或单独的脉冲压力波)通过可移动构件或元件在容积或内部腔室内的移动(例如机械振荡)被产生以例如使腔室内的容积变化/位移，从而产生可通过压力传感器(即用于测量压力并提供以单位面积力(诸如磅/平方英寸)为单位的输出的设备)测量的压力变化，而不是腔室内的麦克风。如本文中所使用，术语“内部腔室”是指在多孔构件的与多孔构件的周围环境侧相对的一侧上流体连接的设备或系统的所有容积。换句话说，多孔构件将周围环境或大气与内部腔室分开。例如，内部腔室可以被分成彼此流体连接的两个以上区部或隔室。在如例如图2A中所图示的本文的多个研究实施例中，测试了可燃气体传感器设备或仪器100a，其在由壳体130a产生的内部腔室120a内包括传感器110a，该壳体在设备100a将与可以包括可燃或易燃气体的环境结合地被使用的情况下可以例如是防爆壳体。然而，并不总是需要防爆壳体。例如，便携式设备通常不包括防爆壳体。在本文的多个实施例中，本文的设备或系统是便携式的(即易于携带或移动)。在多个实施例中，这种便携式设备或系统是手持式设备或系统。多孔构件140a被放置成与进气口134a连接，该进气口位于要测试的外部环境与内部腔室120a之间。传感器110a可以例如是如上文所描述的催化可燃气体传感器。

在设备100a的实施例中，可移动元件(诸如隔膜150a)和压力传感器160a也被定位于腔室120a内。还可以使用其他可移动元件，诸如一个或多个活塞或柱塞(其可以例如被密封至腔室120a)。在多个研究中，在设备的询问模式下，一个或多个压力波或压力振荡经由可操作地连接至驱动系统170a(其包括例如用以使隔膜160a移动/振荡的电动机172a)的可移动元件(诸如隔膜150a)的移动在腔室或容积120a内被生成。可移动元件的移动可以例如导致已知的容积位移(其在重复移动的情况下可以保持恒定或随时间而改变)。驱动系统和可移动元件的组合可以被称为“正位移驱动器”。除了旋转式电动机之外，本文中也可以使用致动器(例如电磁螺线管致动器、气动致动器、液压致动器、手动致动器、基于弹簧的致动器等)。压力变化/振荡经由压力传感器或换能器160a在腔室或容积120a内被测量。就这一点而言，隔膜150a的移动在公共腔室120a内产生压力变化，然后这些压力变化由压力传感器160a测量。

在多个实施例中，电动机172a可以例如是被用于将环境或周围气体抽吸到容积120a中的泵(有时被称为采样泵)的泵电动机。备选地，专用电动机可以被用于驱动系统170a中。如果电动机172a也被用于将环境气体抽吸到容积120a中，那么与例如驱动本文的可移动元件的并行操作相关联的任何功率损耗都不应显著影响电动机172a的将环境气体抽吸到容积120a中的使用。

在可移动元件150a被振荡的多个代表性实施例中，压力传感器数据使用快速傅立叶变换或FFT被变换到频域中。在多个实施例中，随后检查感兴趣的频率范围，以将驱动的振荡压力信号标识为频谱中的峰值。该峰值周围的频率窗口(bins)的总和提供了压力大小，该压力大小可以例如被用于确定多孔膜堵塞。一般地，较高的测量压力大小对应于多孔构件140a的更多堵塞，这是因为约束了空气通过多孔构件140a的流动。堵塞的增加导致传感器响应时间的增加。在多个实施例中，一旦测量压力大小达到预定阈值，设备或仪器100a就可以警告用户多孔构件140a被堵塞。在确定堵塞时，例如可以替换多孔构件140a。

尽管在多个实施例中可移动元件可以被振荡，但是振荡不是必需的。在多个实施例中，例如，单个致动(籍此容积120b观察到可移动元件的压力、移动或“响声(ping)”的阶跃变化)可以被实现并且响应被可以测量。在多个实施例中，可移动元件可以被周期性地致动而不被连续地振荡。在可移动元件150a被振荡的多个实施例中，振荡频率可以例如在1Hz至200Hz的范围内。

一般地，当多孔构件被视为“未堵塞”时，由本文的可移动元件产生的容积变化/振荡的幅度应当足够大以通过预期的环境操作条件产生容积(诸如容积120a)的腔室的合理测量的压力变化。如本文中所使用的术语“合理测量”被定义为针对具有数字压力传感器的系统至少四个量化压力阶跃或高于针对模拟压力传感器的噪声水平的4ADC水平的幅度。

在多个实施例中，针对可移动元件的驱动方案是在完全密封的系统中的低频(即小于10Hz)正弦曲线驱动方案。然而，数据分析方法(诸如FFT方法)对于不完美的正弦曲线是鲁棒的，并且可以使用具有‘显著’基频的任何振荡信号。如本文中所使用，显著基频是指具有低于40％的THD(总谐波失真)的振荡信号。本文的模型和测试数据的研究已经示出，本文的遮挡检测方法的精度和动态范围随着振荡频率的降低而提高。然而，频率越低，系统越容易受到气体容积120b中的泄漏的破坏。可以根据系统的密封的置信度来选择驱动频率。

在多个实施例中，测量的峰值大小频率可以被分析以指示系统中是否存在问题或故障。例如，如果电动机在已知频率(例如20Hz)下操作，并且人们测量到显著地不同于20Hz的峰值大小频率，那么该结果指示存在问题或故障。例如，这种问题或故障可能包括泄漏、电动机故障、隔膜疲劳等。

如上文所描述，在多个实施例中，可移动元件的单个移动响声可以被用于观察堵塞。例如，这种堵塞可以通过对压力衰减进行定时被观察到。本文中所描述的振荡FFT方法基本上执行相同的功能，但是其中对测量时间*频率时间进行过采样和平均化。

在多个实施例中，本文的设备、仪器和系统的压力传感器或感测元件(诸如本文的压力传感器160a或其他压力传感器)能够以引起显著(即至少10倍)高于驱动频率范围的测量奈奎斯特频率(即是离散信号处理系统的采样速率的一半的频率)的速率来测量离散压力样本。压力传感器或压力感测元件可以例如包括离散压力传感器ASIC，该离散压力传感器测量气压并且将压力样本数字地传达给CPU。适用于本文中的这种压力传感器的示例是诸如可从在Pennsylvania的Berwyn设有地区总部的TE Connectivity MeasurementSpecialties获得的MS5607-02BA03传感器。备选地，例如，模拟气压或差压传感器(例如ABPLLNN600MGAA3传感器，可从New Jersey的Morris的Honeywell获得)可以与模数转换器或ADC电子装置结合地被使用，以提供压力样本(例如以计算FFT)。

与通过麦克风进行的声音生成和测量的使用相比，低频正位移压力感测方法的优点在于直接测量通过多孔构件的气体移动，本文的方法提供了一种具有完全独立于遮挡材料的潜力的检测方法。进一步地，单个驱动频率的使用允许快速测量，因为不必针对一系列的材料堵塞来扫描一定范围的频率并将其与复杂的频率响应进行比较。

一般地，本文的可移动构件在例如某个假定的频率范围内(即，在设置驱动系统的任何频率或频率范围内)产生预定容积位移。在产生预定位移之后，压力幅度被测量并与预期压力幅度进行比较，以使得可以确定测量压力幅度与预期压力幅度之间的差。根据该差，可以确定多孔构件的堵塞状态(例如堵塞程度)。在声学方法中，经由不受控制的位移量(该位移量将取决于负载或堵塞水平而改变)产生已知频率的压力波声。换句话说，施加已知频率和未知位移，并且测量所得的相移和/或幅度以进行堵塞确定。在许多情况下，确定相移和幅度以进行堵塞确定。

已经确定，在本文的多个实施例中，应通过本文的可移动元件产生内部腔室的容积的至少1％或至少1.5％的位移。在多个实施例中，由本文的可移动元件的移动引起的压力变化为至少1kPa。在多个实施例中，压力变化在大约1至2kPa的范围内。

如上文结合扬声器150所讨论，不必将隔膜150a和压力传感器160a以及在其间所传播的压力变化/波与腔室120a和传感器110a的其余部分隔离，或不必在其间狭窄地引导压力振荡/波的传播。在所图示的实施例中，传感器110a、隔膜150a和压力传感器160a与图2A中示意性图示的电路系统/控制电路系统180a电连接，该电路系统/控制电路系统可以被定位于壳体130a内和/或外部。控制电路系统180a可以例如包括处理器系统190a(包括一个或多个处理器，诸如微处理器)和与处理器系统190a可操作地连接的存储器系统194a。存储器系统194a(包括一个或多个存储器模块，诸如存储器驱动器)可以例如包括被存储在其中并且可由处理器系统190a执行的一种或多种算法。

图2B图示了设备或仪器100b的另一实施例，该设备或仪器在操作和构造上与设备或仪器100a非常类似。设备100b的元件与设备100a的对应元件被类似地编号，但是名称“b”被名称“a”替换。然而，与设备100a不同，设备100b被设计成使得多个传感器(在所图示的实施例中为三个传感器110b、110b’和110b”)与内部腔室120b流体连接，这允许气体穿过并使来自大气的水和其他碎片在外。三个传感器共享共同的进气口(经由被定位于进气口或开口内的多孔构件或膜140b)。三个传感器在仪器内还共享相同的内容积，该内容积在各处被密封，以使得空气流动的唯一路径是通过多孔构件或膜140b。

在多个研究的实施例中，传感器仪器100b被测试，该传感器仪器包括可燃传感器110b和两个电化学传感器110b’和110b”。内部腔室120b可以例如由防爆壳体130b产生，并且可以使用呈多孔构件140b的形式的多孔构件(例如提供防止爆炸的屏障的烧结金属熔块或聚合物多孔膜)。在多个实施例中，可以通过将压力波生成器/压力传感器耦合到多孔构件的腔室的几何形状的设计来增强与多孔构件堵塞相关联的检测压力波。例如，减小腔室或容积的大小会提高堵塞响应灵敏度。

图3图示了传感器的由图2B的设备的压力传感器所测量的压力振荡的测量大小(其随着堵塞的增加而增加)而变化的响应时间(t₉₀)。t₉₀响应时间是传感器达到90％响应所需的时间(以秒为单位)。该气体检测器响应时间测量(指上述便携式仪器)可以被用作用以确定防止分析物通过多孔构件扩散到传感器的堵塞水平的方法。随着图3中的传感器t₉₀的增加，堵塞程度也在增加。堵塞水平可以例如被定义为从未堵塞或“干净”的过滤器检测器t₉₀到一旦遮挡材料存在于多孔构件上的检测器的t₉₀响应时间的时间增加。在图3的研究中，假定如果传感器在120秒之前稳定在其响应的90％内，那么可以如上文所描述地确定堵塞百分比。如果传感器在120秒内未稳定在其响应的90％内，那么确定多孔构件已完全堵塞。一般地，发现压力振荡的大小与传感器t₉₀响应时间对数地缩放。

除了如上文所描述的与传感器的电子询问相关联的传感器输出校正之外，本文的设备和系统还可以可操作以或适于将一种或多种校正应用于由于流动路径/堵塞测试而确定的传感器输出。就这一点而言，传感器可以例如被认为是“分子计数器”。因此，分析传感器以使一定数量的分析物分子当其通过仪器扩散时在(多个)分析工作或感测电极处反应的方式被校准，并且测量值基于先前校准被转换为例如百万分之一(ppm)或基于百分比的等效读数。当与传感器入口相关联的多孔构件或屏障打开且不受阻碍时，在相同条件下扩散速率非常可重复。当多孔构件被堵塞或流动路径以其他方式被阻碍时，分子可以从仪器壳体外部扩散到传感器的速率可能会减慢，因此降低分子将遇到传感器的有源部分的速率，并且从而降低输出。通过测量由于本文的一个或多个测试而引起的局部堵塞，无论这种局部堵塞如何，人们都可以调整传感器的灵敏度以维持准确读数。

例如，堵塞百分比可以很容易地以实验方式与校正因子相关。相关联的查找表或相关联的算法/公式可以例如被存储在本文的设备和系统的存储器中，并且可以由此确定针对传感器灵敏度的校正因子。

图4A图示了设备或仪器100c的另一实施例，在多个方面中，该设备或仪器在操作和构造上与设备或仪器100b类似。设备100c的元件与设备100b的对应元件被类似地编号，但是名称“b”被名称“c”替换。类似于设备100b，设备100c被设计成使得多个传感器(在所图示的实施例中为三个传感器110c、110c’和110c”)与内部腔室120c流体连接，这允许气体穿过并使来自大气水和其他碎片在外。三个传感器共享公共进气口(经由多孔构件或膜140c)。三个传感器在仪器内还共享相同的内或内部容积120c，该内或内部容积在各处被密封，以使得空气流动的唯一路径是通过多孔构件或膜140c。气体经由第二多孔构件142c离开内部腔室120c。

在设备或仪器100c中，经由包括泵电动机172c的采样泵176c通过多孔构件140c抽吸周围环境。采样泵176c将周围气体通过多孔构件140c抽吸到内部腔室120c的第一区部中，该第一区部经由端口202c被连接到内部腔室120c的其余部分。三个传感器110c、110c’和110c”以及压力传感器160c与腔室120c流体连接，这允许气体穿过，并使来自大气的水和其他碎片在外。如上文所描述，三个传感器和压力传感器160c共享公共出口(经由多孔构件142c)，这是空气流出的唯一路径。在感测模式下(其中设备100c被操作以感测分析物或目标气体)，通常控制采样泵176c以提供恒定或大体上恒定的压力/流动速率。在询问模式下(其中设备100c被操作以检测多孔构件140c的堵塞)，采样泵176c可以经由控制电路系统、控制系统或控制器180c被控制，以产生一个或多个压力变化/脉冲或以例如振荡或正弦方式改变压力。随时间而变的压力数据可以经由如上文所描述的压力传感器160c被收集。与上文所描述的压力传感器分析基本相同的压力传感器分析可以被用于确定多孔构件或膜140c或多孔构件142c是否被部分或完全堵塞。

在另一实施例中，压力传感器160c’可以与内部腔室120c一起被放置成与来自周围环境的通过多孔构件140c的采样泵流成一直线。在询问模式下，采样泵176c可以经由控制电路系统、控制系统或控制器180c被控制，以产生一个或多个压力变化/脉冲或以例如振荡或正弦方式改变压力。随时间而变的压力数据可以经由如上文所描述的压力传感器160c’被收集。与上文所描述的压力传感器分析基本相同的压力传感器分析可以被用于确定多孔构件或膜140c或142c是否被部分或完全堵塞。压力传感器160c和160c’可以被单独或组合地使用。

图4B图示了设备或仪器100d的另一实施例，在多个方面中，该设备或仪器在操作和构造上与设备或仪器100b类似。设备100d的元件与设备100b的对应元件被类似地编号，但是名称“b”被名称“d”替换类似于设备100b，设备100d被设计成使得多个传感器(在所图示的实施例中为三个传感器110d、110d’和110d”)与内部腔室120d流体连接，这允许气体穿过并使来自大气的水和其他碎片在外。三个传感器共享公共入口(经由多孔构件或膜140d)。三个传感器在仪器内还共享相同的内部容积，该内部容积在各处被密封，以使得空气流动的唯一路径是通过多孔构件或膜140d。

设备或仪器100d还包括增压室或歧管200d，该增压室或歧管(经由从采样泵176c进行的泵送)向与增压室200d流体连接的传感器110c、110c’和110c”供应测试气体。经由包括泵电动机172d的采样泵176d，迫使来自周围环境的测试气体通过增压室200d(经由入口202d进入增压室200d，并经由出口204d离开增压室200d)。采样泵176d与周围大气和与增压室200d流体连接。

在感测模式下，采样泵176d通常被控制以提供恒定或大体上恒定的压力/流动速率。在询问模式下，采样泵176d可以经由控制电路系统、控制系统或控制器180d被控制，以产生一个或多个压力变化/脉冲或以例如振荡或正弦方式改变压力。例如，可以将采样泵制成“脉动的”，从而将振荡压力叠加在大体上恒定的压力生成上。随时间而变的压力数据可以经由如上文所描述的压力传感器160d被收集。与上文所描述的压力传感器分析基本相同的压力传感器分析可以被用于确定多孔构件或膜140d是否被部分或完全堵塞。

前述描述和随附图式目前阐述了多个代表性实施例。当然，在不脱离本文的范围的情况下，鉴于前述教导，各种修改、增加和备选设计对于本领域的技术人员而言将变得明显，该范围由以下权利要求书而不是由前述描述指示。落入权利要求书的等同物的含义和范围内的所有变化和变型都将被囊括在其范围内。

Claims (25)

1.一种检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法，所述多孔构件将设备的内部腔室与周围环境分开，对目标气体作出响应的至少一个气体传感器被定位在所述内部腔室中，所述方法包括：

通过使所述内部腔室的容积位移来在所述内部腔室内发出一个或多个压力波，经由被定位在所述内部腔室内的、对所述一个或多个压力波作出响应的压力传感器测量响应，以及基于所述压力传感器的所述响应来确定在所述多孔构件中是否存在至少部分堵塞。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述内部腔室的所述容积是通过与所述内部腔室流体连接的可移动元件的位移而被位移的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述可移动元件包括活塞。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述可移动元件包括隔膜。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括经由与所述可移动元件可操作地连接的驱动系统来使所述可移动元件位移。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述驱动系统包括与所述可移动元件可操作地连接的电动机。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括控制所述驱动系统以使所述可移动元件的所述运动振荡。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述驱动系统被控制成在询问模式期间以大体上正弦的方式使所述可移动元件振荡。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述振荡的频率在1Hz至200Hz的所述范围内。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述振荡的频率小于10Hz。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述可移动元件包括隔膜。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述多孔构件是多孔熔块或多孔聚合物膜。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中多个气体传感器被定位于所述内部腔室内。

14.根据权利要求2至11中任一项所述的方法，其中所述可移动元件被移动以产生所述内部腔室的预定容积位移，以发出所述一个或多个压力波。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述可移动元件被移动以产生所述内部腔室的所述容积的至少1.5％的容积位移，以发出所述一个或多个压力波。

16.一种用以检测周围环境中的分析物气体的气体传感器设备，包括：

壳体，包括内部腔室和端口；

多孔构件，与所述端口可操作地连接，以将所述内部腔室与所述周围环境分开；

对目标气体作出响应的至少一个传感器，被定位于所述内部腔室内；

压力变化源，与所述内部腔室流体连接，所述压力变化源包括可移动元件，所述可移动元件能够移动以使所述内部腔室内的容积位移；

压力传感器，对所述内部腔室内的压力变化作出响应；以及

电路，与所述压力传感器可操作地连接，以基于所述压力传感器的响应来确定在所述多孔构件中是否存在至少部分堵塞。

17.根据权利要求16所述的气体传感器设备，其中所述内部腔室的所述容积是通过与所述内部腔室流体连接的所述可移动元件的位移而被位移的。

18.根据权利要求17所述的气体传感器设备，其中所述可移动元件包括活塞或隔膜。

19.根据权利要求17所述的气体传感器设备，还包括与所述可移动元件可操作地连接的驱动系统。

20.根据权利要求19所述的气体传感器设备，其中所述驱动系统可操作以使所述可移动元件的所述运动振荡。

21.根据权利要求16至20中任一项所述的气体传感器设备，包括被定位于所述内部腔室内的多个气体传感器。

22.根据权利要求16至20中任一项所述的气体传感器设备，其中所述电路还与所述可移动元件可操作地连接，以移动所述可移动元件，以产生所述内部腔室的预定容积位移，以发出所述一个或多个压力波。

23.根据权利要求22所述的气体传感器设备，其中所述可移动元件被移动以产生所述内部腔室的所述容积的至少1.5％的容积位移，以发出所述一个或多个压力波。

24.一种检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法，所述多孔构件将设备的内部腔室与周围环境分开，对目标气体作出响应的至少一个气体传感器被定位在所述内部腔室中，所述设备还包括采样泵以将空气从所述周围环境泵送到所述内部腔室中，所述方法包括：

控制所述采样泵以改变压力，经由被定位于所述内部腔室内的压力传感器测量响应，以及基于所述压力传感器的响应来确定在所述多孔构件中是否存在至少部分堵塞。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述采样泵被定位于所述内部腔室内，并且将来自所述周围环境的气体抽吸到所述内部腔室中。

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