CN113366395A

CN113366395A - 示踪气体泄漏检测系统和相应用途

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Publication number: CN113366395A
Application number: CN202080009481.6A
Authority: CN
Inventors: 蒂埃里·梅
Original assignee: Al Dek
Current assignee: Al Dek
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2040-01-27
Also published as: EP3918430A1; EP3918430B1; US20220252479A1; WO2020156973A1; FR3092171B1; FR3092171A1; CN113366395B; US11906393B2

Abstract

本发明涉及一种示踪气体泄漏检测系统，其包括传送信号的至少一个传感器，所述信号被称作传感器信号，所述传感器信号表示所述传感器处的示踪气体的浓度。对于至少一个给定传感器，此类系统进一步包括根据由所述给定传感器传送的所述传感器信号传送经校正信号的对应的相位前移校正装置。

Description

示踪气体泄漏检测系统和相应用途

技术领域

本发明领域在于检测示踪剂气体泄漏，例如氢气、氦气、二氧化碳、二氮型等示踪气体。

更确切地说，本发明涉及一种示踪气体泄漏检测系统。

确切但非排他地说，本发明大量应用于安全领域中(例如，防止窒息风险、与某些气体有关的毒害风险、起火或爆炸的风险等)、卫生和健康领域中(例如，确定暴露概况、辅助验证空气净化或收集系统等)等。

背景技术

已知示踪气体(例如，氢气、氦气、二氧化碳、二氮型等示踪气体)泄漏检测和密封测试装置，其中通过用于检测测试腔室中示踪气体的存在或含量的设备揭示存在泄漏。

例如，在某些应用中，示踪气体为氢气且检测设备为氢气传感器。因此，使用氢气传感器使得有可能实时检测和/或测量此气体的存在。

这些传感器为人所熟知，但具有不管所考虑的传感器技术(例如，电化学或半导体型传感器技术)而可发现的一定数目的缺点。

首先，确切地说，由于此类型的传感器的电容效应以及负载传递阻力，所有这些氢气传感器具有相对较高的响应时间(或时间常数或爬升时间)。例如，就使用半导体技术的传感器而言，半导体材料的电阻率根据材料表面处的氧化还原和/或吸附反应的展开而变化。根据来自法国国家研究和安全性机构(INRS)(6088版技术简介，2011年2月)的气体传感器指南，已知这些设备的响应时间是高度可变的，从数十秒到几分钟不等，并且根据使用情境，传感器的使用寿命为约数周到若干年。通过比较不同氢气传感器(此处为六个传感器)的响应时间，观察到其响应时间的极大变化。实际上，所测量响应时间介于15秒到30秒之间。

此外，此类响应时间与实施这些传感器的应用的预期/约束条件高度相关。

因此，需要减少示踪气体传感器的响应时间。

还需要使得此减少大体上不影响所讨论的传感器的测量精度。

发明内容

在实施例中，提出了一种示踪气体泄漏检测系统，其包括传送信号的至少一个传感器，所述信号被称作传感器信号，所述传感器信号表示传感器处的示踪气体的浓度。对于至少一个给定传感器，此类系统进一步包括根据由给定传感器传送的传感器信号传送经校正信号的对应的相位前移校正装置。

因此，本发明提出一种用于以改进方式检测泄漏的新的且具有创造性的解决方案。实际上，此类对示踪气体(例如，氢气、氦气、二氧化碳、二氮等)的浓度敏感的传感器(例如，电化学或半导体型传感器)具有内部电阻，当气体浓度增加时，所述内部电阻遵循对数定律变化。因此，在泄漏期间，当示踪气体到达传感器时，由传感器传送的信号(例如，负载电阻器上产生的电压)按指数规律或至少大体上按指数规律变化。相位前移校正装置使得有可能改进此类指数或大体上为指数信号的爬升时间，由此改进检测系统的响应时间。

根据实施例，校正装置包括至少一个配置成接近于比例微分型校正的过阻尼校正单元。

根据实施例，所述至少一个过阻尼校正单元的阻尼因数的值介于与所述至少一个过阻尼校正单元的临界状态对应的第一临界值的80％到100％之间，优选地为等于90％的第一临界值的值。

因此，相对于传感器的时间常数(或响应时间或爬升时间)，尽可能减小检测系统的响应时间。例如，在介于0.002*τ到0.008*τ之间的一段时间之后，在一或多个过阻尼校正单元的输出处达到由传感器传送的信号的最终值，其中τ为传感器的时间常数。

根据实施例，所述至少一个过阻尼校正单元的阻尼因数对应于与所述至少一个过阻尼校正单元的传递函数的主导零点相关联的时间常数与传感器的时间常数之间的比率。

根据实施例，校正装置包括至少一个配置成接近于比例微分型校正的欠阻尼校正单元。

根据实施例，所述至少一个欠阻尼校正单元的阻尼因数的值介于与所述至少一个欠阻尼校正单元的临界状态对应的第二临界值的110％到130％之间，优选地为等于120％的第二临界值的值。

因此，由一或多个欠阻尼单元传送的经校正信号达到的最终值与由传感器传送的信号的最终值相干(即，大体上相等)。例如，当选择一或多个过阻尼校正单元的阻尼因数等于对应于其临界状态的值的90％时，且当选择一或多个欠阻尼校正单元的阻尼因数等于对应于其临界状态的值的120％时，获得用于由所讨论的一或多个过阻尼单元和一或多个欠阻尼单元组成的检测系统的大体上的单位增益，此时在为约0.005*τ的建立时间后观测到经校正信号。

根据实施例，所述至少一个欠阻尼校正单元的阻尼因数对应于与所述至少一个欠阻尼校正单元的传递函数的主导零点相关联的时间常数与传感器的时间常数之间的比率。

根据实施例，所述至少一个过阻尼校正单元根据传感器信号传送第一经校正信号，且所述至少一个欠阻尼校正单元根据第一经校正信号传送经校正信号。

根据实施例，所述至少一个过阻尼校正单元和/或所述至少一个欠阻尼校正单元以有源模拟形式实施。

例如，所讨论的一或多个过阻尼单元和一或多个欠阻尼单元以具有环回运算放大器底座的组合件的形式实施。以此方式，最小化相位前移校正装置内阻抗的适应问题或所使用组件(电容器、电阻器)的分布问题。这使得有可能例如在稳定经校正信号之前防止振荡。

在本发明的另一实施例中，提出使用根据前述实施例中任一项的示踪气体泄漏检测系统通过示踪气体检测泄漏。

附图说明

鉴于仅出于说明目的而绝不进行限制，当阅读关于图式的以下描述时，本发明的其它目的、特性和优点将更清楚地呈现，在图式中：

[图1]示出公司

的气体检测半导体传感器SB-19的等效电气图；

[图2]示出根据传感器SB-19处的气体的浓度的[图1]的等效电气图的内部电阻的变化；

[图3]示出根据本发明的实施例的示踪气体泄漏检测系统。

具体实施方式

在本文档的所有图式中，相同的元件和步骤由相同参考数字标示。

本发明的一般原理是基于相位前移校正装置的实施方案，以便改进示踪气体(例如，氢气、氦气、二氧化碳、二氮等类型的示踪气体)的传感器(例如，电化学或半导体类型的传感器)的响应时间(或时间常数或爬升时间)。

关于[图1]和[图2]，现在呈现公司

的气体检测半导体传感器SB-19的等效电气图的特性。

实际上，气体传感器SB-19是本发明可应用到的典型半导体传感器。所讨论的传感器为二氧化锡型传感器，其允许低功耗(120mW)，因此使其尤其适合于整合到便携式气体检测系统中。

传感器具有金属壳体，所述金属壳体包括由双层不锈钢网状物形成且位于气流路径中的壁。壳体包围呈液滴(或珍珠)形式的检测元件，所述检测元件包括加热线圈和电极。传感器SB-19还具有特别长的响应时间，即，约15s到30s。

如[图1]中所示的传感器SB-19的等效电气图，以及根据传感器SB-19处的气体浓度的[图2]中所示的所讨论的电气图的内部电阻的改变中所示，所讨论的传感器表现为电压源，所述传感器的内部电阻R_S可根据传感器处的气体浓度变化。传感器由此在负载电阻器R_L的端子处产生可根据传感器处的气体浓度变化的电压V_RL。

此类传感器的灵敏度特征由所讨论的内部电阻R_S与传感器处的气体浓度之间的关系表示。

更确切地说，此类型的传感器被宣布为使得有可能检测介于100ppm到1,000ppm之间的氢含量。通过遵循对数定律，传感器R_S的内部电阻随着气体浓度的增加而减小，如[图2]中所示。以此方式，对于给定负载电阻器R_L，当气体到达传感器时，所产生的电压V_RL按指数规律或至少大体上按指数规律变化。换句话说，传感器作为一阶线性系统作出响应，例如，比如旁路安装式RC过滤器(用于“电阻器电容器”)，且其电容器将在与传感器接触的气体到达时充电直到达到表示传感器处的气体的浓度的值。

使用不同传感器技术(例如，电化学或半导体类型的传感器技术)，且对于对不同类型的示踪气体(例如，氢气、氦气、二氧化碳、二氮等类型的示踪气体)敏感的传感器，获得相同类型的性能。

关于[图3]，现在呈现根据本发明的实施例的示踪气体泄漏检测系统300。

系统300包括示踪气体传感器310。在所示实施例中，传感器310为传感器SB-19，上文已关于[图1]和[图2]论述了其特性。在此实施例中，示踪气体为氢气。在未示的其它实施例中，所考虑的气体为任何其它示踪气体(例如，氦气、二氧化碳、二氮型等示踪气体)，且传感器为对应的经调适传感器(例如，电化学或半导体型传感器)。

返回到[图3]，系统300进一步包括根据由传感器310传送的测量信号Ve传送经校正信号Vs的校正装置1。在所考虑的实施例中，校正装置1尺寸设定成高阻抗型校正装置，且所讨论的信号由负载电阻器的端子处的电压表示。在其它实施例中，校正装置1尺寸设定成低阻抗型校正装置，且测量信号为通过负载电阻器的电流型测量信号。

在所示实施例中，泄漏检测系统包括单个传感器。在其它实施例中，泄漏检测系统包括潜在地专用于测量不同示踪气体的若干传感器。在此类实施例中，泄漏检测系统包括根据由泄漏检测系统的给定传感器传送的测量信号传送经校正信号的至少一个校正装置。

返回到[图3]，校正装置1为相位前移校正装置。实际上，如上文关于[图1]和[图2]所描述，当气体到达其水平时，传感器310产生按指数规律或至少大体上按指数规律变化的电压。然而，相位前移校正装置1使得有可能经由其实施的旁通函数来改进此类指数或大体上为指数信号的爬升时间。以此方式，检测系统300的响应时间仅相对于传感器310的响应时间而改进。

相位前移校正装置1包括相同电子结构的第一校正单元10和第二校正单元20，所述第一单元10和第二单元20串联连接。

更确切地说，第一单元10和第二单元20中的每一个为相位前移电路，其围绕运算放大器(在下文中也被称为“op amp”)构造，其中在运算放大器的反相输入端上具有反馈回路。

第一单元10包括运算放大器11，所述运算放大器具有连接到地面M的非反相输入端BE11和反相输入端BE12。校正装置1的输入端E经由包括并联的两个支路的区块连接到运算放大器11的反相输入端BE12，所述两个支路为：第一支路12包括电阻器R₁，且第二支路13包括串联的电阻器R₃和电容器C₁。运算放大器11还包括输出端BS1，所述输出端一方面连接到校正器1的第二单元20的输入端，且另一方面经由反馈回路连接到运算放大器11的反相输入端BE12，所述反馈回路包括并联连接的电阻器R₂和电容器C₂。

校正装置1的第二单元20具有类似于第一单元10的电子结构的电子结构。更确切地说，第二单元20具有运算放大器21，所述运算放大器具有连接到地面M的非反相输入端BE21和反相输入端BE22。运算放大器11的输出端BS1(即，第一单元10的输出端)经由包括并联的两个分路的区块连接到运算放大器21的反相输入端BE22，所述两个分路为：第一分路22包括电阻器R₄，且第二分路23包括串联的电阻器R₆和电容器C₃。

运算放大器21还包括输出端BS2，所述输出端一方面经由反馈回路连接到运算放大器21的反相输入端BE22，另一方面处于校正器1的输出端S处，所述反馈回路包括并联连接的电阻器R₅和电容器C₄。

根据[图3]的图式，校正装置1的传递函数可在拉普拉斯域中表达为：

H_(P)＝H_0(P)H_1(P)H_2(P)

其中：

-

零频增益校正装置1；

-

传递函数包括与第一单元10相关的极点和零点；以及

-

传递函数包括与第二单元20相关的极点和零点。

一般来说，可以以下形式对H_1(p)和H_2(p)进行重写：

和：

其中：

-τ1＝R₁.C₁＝R₂.C₁

-τ2＝R₃.C₁

-τ3＝R₂.C₂＝R₁.C₂

-τ4＝R₄.C₃＝R₅.C₃

-τ5＝R₆.C₃

-τ6＝R₅.C₄＝R₄.C₄

第一单元10和第二单元20中的每一者均具有极点和零点两者，且因此大致上类似于类型PID(比例、积分和微分)类型的校正单元。为了获得相位前移单元，减小极点以便使得旁通函数占主导地位。

为了做到这一点，例如选择R₂＝R₁且R₅＝R₄。以此方式，H_0(P)＝1.

同样，校正装置1的极点和零点配置有：

-与时间常数R₂.C₂和R₃.C₃相关联的在传递函数H_(p)中占主导地位的零点(对应于所要旁通函数的此类零点)；

-与时间常数R₂.C₂和R₅.C₄相关联的在传递函数H_(p)中为2阶的极点(所讨论的极点对应于积分函数)；

-与时间常数R₃.C₁和R₆.C₃相关联的在传递函数H_(p)中为3阶的极点(所讨论的极点对应于装置的稳定函数)。

可因此针对辅助极点(即，2阶极点和3阶极点)减小极点，其中针对所讨论的极点考虑的响应时间远远高于校正装置1的临界响应时间(即，高于定义为在校正装置1的输出端处提供信号Vs的过电压的最小响应时间的响应时间)。

例如，通过选择τ2＝τ3和τ5＝τ6，获得以下等式：

和：

通过以使τ2<<τ1的方式配置第一单元10，获得以下一阶：

H_1(P)≈1+τ₁p

在上文所论述的假设中，当气体到达时，传感器310产生按指数规律变化的电压Ve，所讨论的电压Ve可以以下形式写入：

V_e(t)＝E(1-e^-t/τ)

其中τ为传感器310的时间常数(或响应时间或爬升时间)。

因此，基于上文H_1(p)的表达式，可将在第一单元10的输出处产生的电压Ves写为一阶：

其中m为第一单元10的阻尼因数，其因此以一阶表达为m＝τ₁/τ(即，作为与第一过阻尼单元10的传递函数的主导零点相关联的时间常数与传感器的时间常数之间的比率)。

因此，第一单元10配置成接近于比例微分型(例如，包括至少一个旁通函数)校正。

一般来说，为防止由第一单元10传送的信号的任何振荡，所讨论的单元尺寸设定成过阻尼的，即，为使其阻尼因数m小于或等于对应于第一单元10的临界状态的临界值(此处理解为广义上过阻尼的表达，即，包含对应于等于临界值的阻尼因数的临界状态)。例如，阻尼因数m的值配置成介于第一单元10的临界值的80％到100％之间。

例如，阻尼因数m的值配置成等于第一单元10的临界值的90％。因此，检测系统1的响应时间相对于传感器310的时间常数τ减小。例如，在介于0.002*τ到0.008*τ之间的一段时间之后，在第一过阻尼单元10的输出端处达到由第一单元10传送的信号Ves的最终值。

此外，通过以使τ5<<τ4的方式配置第二单元20，获得以下一阶：

H_z(P)≈1+τ₄p

因此，仍考虑V_e(t)＝E(1-e^-t/τ)，可将在第二单元20的输出端处产生的电压Vs写为一阶：

其中m'为第二单元20的阻尼因数，其因此以一阶表达为m'＝τ₄/τ(即，作为与第二欠阻尼单元20的传递函数的主导零点相关联的时间常数与传感器的时间常数之间的比率)，且k为模拟第一过阻尼单元10对由传感器传送的信号Ve的影响的常数。

因此，第二单元20配置成接近于比例微分型(例如，包括至少一个旁通函数)校正。

然而，在所考虑的实施例中，第二单元20配置成欠阻尼的，以便在由第一单元10(其被过阻尼)传送的信号Ves中的预定时间之后，相对于由传感器传送的信号Ve偏移所获得的偏置。因此，当考虑在所讨论的预定时间之后时，由第二欠阻尼单元20传送的经校正信号Vs达到的最终值与由传感器传送的信号Ve的最终值相干(即，大体上相等)。

例如，第二单元20尺寸设定成使其阻尼因数m'大于对应于第二单元20的临界状态的临界值。例如，阻尼因数m'的值配置成介于第二单元20的临界值的110％到120％之间。

例如，当选择第一过阻尼单元10的阻尼因数m等于对应于其临界状态的值的90％时，且当选择第二欠阻尼单元20的阻尼因数等于对应于其临界状态的值的120％时，获得用于由第一单元10和第二单元20组成的检测系统1的大体上的单位增益，此时在为约0.005*τ的建立时间后观测到经校正信号Vs。(例如，当在约0.005*τ的建立时间之后观测到经校正信号Vs时，由第二欠阻尼单元20传送的经校正信号Vs达到的最终值与由传感器传送的信号Ve的最终值相干(即，大体上相等))。

这通过举出具有索引响应的二阶系统的通用传递函数的例子来理解，即，在拉普拉斯域中：

其中ω₀为所讨论的系统的固有波动。对于此类系统，用于超出输出信号的最大值可表达为阻尼因数m'的函数。更确切地说，对于输入电压阶跃，即，拉普拉斯域中的

获得以下信号作为输出：

其中

表示在欠阻尼状态下的输出信号的伪波动。通过拉普拉斯逆变换，在时域中获得以下项：

相对于设定为系统的输入的阶跃值，输出信号的超出值M_d的最大值可表达为：

通过设置例如等于阶跃值的1.5％的超出值M_d的最大值(这使得有可能例如在选择第一过阻尼单元10的阻尼因数m等于对应于第一单元10的临界状态的值的90％时抵消所述第一过阻尼单元的反应)，获得以下项：

此类泄漏检测系统300可因此用于通过示踪气体(此处为氢气)检测泄漏，其中仅相对于单独传感器310的响应时间改进响应时间。

在[图3]的实施例中，相位前移校正装置1包括相同电子结构的第一校正单元10和第二校正单元20，所述第一单元10和第二单元20串联连接。

在未示的某些实施例中，相位前移校正装置包括若干过阻尼型校正单元和/或若干欠阻尼型校正单元。例如，相位前移校正装置包括如上文所描述的若干单元10和20，这些单元串联放置且配置成获得所要的包括至少一个旁通函数的全局传递函数。单元10中的每一单元具有例如值配置成介于所讨论的单元10的临界值的80％到100％之间的阻尼因数。同样，单元20中的每个单元具有例如值配置成介于所讨论的单元20的临界值的110％到120％之间的阻尼因数。

相反，在某些实施例中，相位前移校正装置仅包括一个相位前移校正单元(过阻尼或欠阻尼)，以便简化实施方案。

在[图3]的实施例中，第一校正单元10和第二校正单元20以有源模拟形式实施，此处所述形式具有环回运算放大器底座。以此方式，最小化校正装置1内阻抗的适应问题或所使用组件(电容器、电阻器)的分布问题。这使得有可能例如在稳定经校正信号之前防止振荡。

在其它实施例中，例如经由串联电容器的高通单元和并联电阻器类型被动地实施相位前移校正装置。

在[图3]的实施例中，由传感器传送的信号Ve由第一过阻尼单元10处理，且经校正信号Vs由第二欠阻尼单元20传送。

在其它实施例中，将单元的顺序反转，即，由传感器传送的信号Ve由欠阻尼单元处理，且经校正信号Vs由过阻尼单元传送。

Claims

1.一种示踪气体泄漏检测系统(300)，其包括传送信号的至少一个传感器(310)，所述信号被称作传感器信号，所述传感器信号表示所述传感器处的所述示踪气体的浓度，

其特征在于，对于至少一个给定传感器，所述系统进一步包括根据由所述给定传感器传送的所述传感器信号(Ve)传送经校正信号(Vs)的对应的相位前移校正装置(1)，所述校正装置(1)一方面包括至少一个配置成接近于比例微分型校正的过阻尼校正单元(10)，且另一方面包括至少一个配置成接近于比例微分型校正的欠阻尼校正单元(20)。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个过阻尼校正单元的阻尼因数的值介于与所述至少一个过阻尼校正单元的临界状态对应的第一临界值的80％到100％之间，优选地为等于所述第一临界值的90％的值。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个过阻尼校正单元的所述阻尼因数对应于与所述至少一个过阻尼校正单元的传递函数的主导零点相关联的时间常数与所述传感器的时间常数之间的比率。

4.根据权利要求1所述且依附于权利要求2的系统，其中所述至少一个欠阻尼校正单元的阻尼因数的值介于与所述至少一个欠阻尼校正单元的临界状态对应的第二临界值的110％到130％之间，优选地为等于所述第二临界值的120％的值。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个欠阻尼校正单元的所述阻尼因数对应于与所述至少一个欠阻尼校正单元的传递函数的主导零点相关联的时间常数与所述传感器的所述时间常数之间的比率。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的系统，其中所述至少一个过阻尼校正单元(10)根据所述传感器信号(Ve)传送第一经校正信号(Ves)，且其中所述至少一个欠阻尼校正单元(20)根据所述第一经校正信号(Ves)传送所述经校正信号(Vs)。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的系统，其中所述至少一个过阻尼校正单元和/或所述至少一个欠阻尼校正单元以有源模拟形式实施。

8.一种根据权利要求1到7中任一项所述的系统(300)的用途，其用于通过示踪气体检测泄漏。