具有虛假警報辨別的超聲波氣體泄漏檢測器的制造方法
【專利摘要】一種超聲波氣體泄漏檢測器被配置成辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超聲波與虛假警報超聲波。示例性實施方案包括用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號的傳感器系統(tǒng)，和響應(yīng)于所述傳感器信號的電子控制器。在一個示例性實施方案中，所述電子控制器被配置成提供：閾值比較器函數(shù)，以將代表感測的超聲波能量與氣體檢測閾值進(jìn)行比較；和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)函數(shù)，其用于處理從數(shù)字傳感器信號得到的信號并應(yīng)用被配置為辨別虛假警報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)。輸出函數(shù)根據(jù)閾值比較器輸出和ANN輸出生成檢測器輸出。傳感器系統(tǒng)可包括寬帶傳感器和一個或多個窄帶傳感器。
【專利說明】具有虛假警報辨別的超聲波氣體泄漏檢測器
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 超聲波氣體泄漏檢測器測量當(dāng)氣體從較高的壓力逸出至周圍空氣時由湍流產(chǎn)生 的聲壓波。這種氣體泄漏檢測器用作工業(yè)安全設(shè)備用于監(jiān)控易燃或有毒氣體的不希望地或 意外地釋放入空氣中。在泄漏進(jìn)一步增多之前，需快速確定泄漏，以便允許及時采取補(bǔ)救行 動。
[0003] 常規(guī)超聲波氣體泄漏檢測器為閾值設(shè)備，其無法辨別由其它人造源或天然源（例 如，機(jī)器、放電、聲學(xué)揚(yáng)聲器或生物源）產(chǎn)生的超聲波與真實氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波。利用 這種超聲波氣體泄漏檢測器來減少虛假警報，防止假性跳脫以及避免成本高且無保證的進(jìn) 程關(guān)閉的方法是提高警報閾值水平，使其高于背景超聲波水平數(shù)分貝。提高警報閾值水平 的缺點是減小了氣體泄漏的檢測距離，從而減小了總的覆蓋區(qū)域，或直至泄漏非常嚴(yán)重才 發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常造成災(zāi)難性后果。另一種針對虛假警報的預(yù)防是使用長時間延時，在發(fā)生危險氣 體泄漏的情況下，長時間延時會導(dǎo)致不希望的補(bǔ)救行動耽擱，這抵消了超聲波氣體泄漏檢 測器所固有的反應(yīng)時間快的優(yōu)點。
[0004] 常規(guī)超聲波氣體泄漏檢測器（其功能取決于閾值和延時）的另一個缺點是無法有 效且現(xiàn)場核實其性能，且在保證測試間隔內(nèi)無法進(jìn)行功能性安全檢驗。常規(guī)氣體泄漏檢測 器無法區(qū)分由真實氣體釋放發(fā)出的聲音與由用于周期性系統(tǒng)性能檢驗的遠(yuǎn)距離超聲波測 試源發(fā)出的聲音。對于工業(yè)設(shè)施而言，這是導(dǎo)致繞過關(guān)鍵保證測試或顯著操作成本負(fù)擔(dān)的 主要不便。在沒有由禁用警報而導(dǎo)致的中斷的情況下，常規(guī)超聲波氣體泄漏檢測器使得維 修人員無法對氣體泄漏檢測器進(jìn)行測試。
[0005] 附圖簡述
[0006] 通過結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易理解本公開的特征 和優(yōu)點，其中：
[0007] 圖1是具有虛假警報辨別的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的示例性實施方案的示意 框圖。
[0008] 圖2是圖1中的檢測系統(tǒng)的特征的功能框圖。
[0009] 圖3是圖2中的檢測系統(tǒng)利用的預(yù)處理函數(shù)的示例性流程圖。
[0010] 圖4圖示了圖2中的檢測系統(tǒng)利用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)處理的示例性實施方 案。
[0011] 圖5是具有虛假警報辨別力的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的另一個示例性實施方 案的功能框圖。
[0012] 圖6是利用單個聲傳感器的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的示例性實施方案的示意 框圖。
[0013] 圖7是利用多個具有窄帶頻率響應(yīng)的聲傳感器的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的示 例性實施方案的示意框圖。
[0014] 圖8是利用多個具有窄帶頻率響應(yīng)的聲傳感器和具有寬頻率響應(yīng)的聲傳感器的 超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的示例性實施方案的示意框圖。
[0015]圖9是圖8中的多個聲傳感器的頻率響應(yīng)的圖形表示。
[0016]圖10是圖8中的多頻譜超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的特征的功能框圖。
[0017] 圖11是圖8中的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)利用的預(yù)處理函數(shù)的示例性流程圖。
[0018] 圖12圖示了圖8中的多頻譜超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)利用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN) 處理的示例性實施方案。
[0019]圖13是多頻譜超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的另一個示例性實施方案的功能框圖。

【具體實施方式】
[0020] 在以下詳細(xì)描述以及數(shù)個附圖中，相同元件以相同附圖標(biāo)記表示。出于說明的目 的，附圖未按比例繪制，且相對特征尺寸可能被放大。
[0021] 圖1圖示了示例性超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)1的示意框圖，其包括作為感測元 件的超聲波傳聲器2。在示例性實施方案中，超聲波傳聲器2可以是例如由丹麥霍爾特的 G.R.A.S.SoundandVibration、德國格費爾的MicrotechGefellGmbH，或丹麥奈魯姆的 BruelKjaer制造的預(yù)極化壓力傳聲器。超聲波區(qū)域定義為超出人類聽覺的頻率范圍，健康 年輕成人的聽覺頻率大約從20kHz開始。與較低的超聲波頻率相比，較高的超聲波頻率在 空氣中衰減得更快，因此超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用通常是針對小于100kHz的 頻率。
[0022] 在另一個不例性實施方案中，超聲波傳聲器2可以是光纖傳聲器（F0M)。適于該目 的的示例性F0M由德國韋德馬克的SennheiserElectronicGmbH制造。光纖傳聲器的另 一個制造商是以色列MoshavMazor的Optoacoustics。
[0023] 在再另一個不例性實施方案中，超聲波傳聲器2可以是基于MEMS(微電子機(jī)械系 統(tǒng)）技術(shù)的微型傳聲器，其可在遠(yuǎn)超15kHz可聽范圍且在100kHz外的超聲波頻率范圍工 作。這種MEMS傳聲器可安裝在印刷電路板（PCB)上，并容納在允許超聲波能量傳遞至感測 元件的環(huán)境堅固的機(jī)械外殼內(nèi)?？梢源朔绞绞褂玫氖纠訫EMS傳聲器是由伊利諾斯州伊 塔斯加的KnowlesAcoustics制造的SiSonicTM表面安裝傳聲器。在適于在危險地方操作 的示例性實施方案中，MEMS傳聲器可容納在阻焰器后面。這種阻焰器在允許聲能從外部環(huán) 境流動至傳聲器的同時，阻止點燃的火焰從傳聲器外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸至外部環(huán)境。這種保護(hù) 方法被稱為防爆或防焰。為行業(yè)和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)所廣泛接受的防爆或防焰設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的一 些有加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的CSAC22. 2第30-M1986號、工廠互保研究中心（FactoryMutual) 的FM3600和3615,以及國際電工委員會的IEC60079-0和IEC60079-1。其它保護(hù)方法 可用于其它環(huán)境保護(hù)要求，例如如國際電工委員會的IEC60529中描述的防止固體物、液 體進(jìn)入以及機(jī)械沖擊。
[0024] 無論傳聲器類型以及所利用的保護(hù)概念如何，由傳聲器2生成的模擬信號被模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC)3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在示例性實施方案中，ADC3提供了具有12-位帶符 號整數(shù)分辨率和200kHz的采樣速率的信號4。
[0025] 在示例性實施方案中，超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)1包括電子控制器5,例如數(shù)字信 號處理器（DSP)、ASIC或基于微型計算機(jī)或微處理器的系統(tǒng)。在示例性實施方案中，信號 處理器5可包括DSP，然而可替代地，其它應(yīng)用和實施方案中可采用其它裝置或邏輯電路。 在示例性實施方案中，信號處理器5還包括作為串行通信接口（SCI)的雙通用異步收發(fā)器 (UART)51、串行外圍接口（SPI)52、內(nèi)部ADC53、用于外部存儲器（SRAM)21的外部存儲器接 口（EMIF) 54和用于片上數(shù)據(jù)存儲器的非易失存儲器（NVM) 55。Modbus91或HART92協(xié)議 可用作通過UART51進(jìn)行串行通信的接口。這兩個協(xié)議以及其它用于將現(xiàn)場儀表接口連接 至用戶計算機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC)的協(xié)議（例如，PROFIbus、Fieldbus和CANbus) 在過程工業(yè)中是熟知的。
[0026] 在示例性實施方案中，信號處理器5通過SPI52從ADC3接收數(shù)字檢測器信號4。 在示例性實施方案中，信號處理器5通過SPI52連接至多個其它接口。這些接口可包括外 部NVM22、實時時鐘23、警報繼電器24、故障繼電器25、顯示器26和模擬輸出27。
[0027] 在示例性實施方案中，模擬輸出27可產(chǎn)生0至20毫安（mA)的指示電流電平，其 可根據(jù)制定的設(shè)施協(xié)議用于觸發(fā)補(bǔ)救行動，例如（僅作為實例）關(guān)閉過程設(shè)備。模擬輸出 27處的第一電流電平（例如，在4mA與20mA之間）可指示氣體泄漏，模擬輸出27處的第二 電流電平（例如，4mA)可指示正常工作（例如，沒有出現(xiàn)氣體泄漏時），且模擬輸出27處的 第三電流電平（例如，為0mA)可指示系統(tǒng)故障，該系統(tǒng)故障可能是由一些狀況（例如，電氣 故障）引起的。在其它實施方案中，可選擇其它電流電平來表示各種狀況。
[0028] 在示例性實施方案中，超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)1也可包括溫度傳感器6,其用于 提供指示氣體檢測器系統(tǒng)的周圍溫度的溫度信號7以進(jìn)行后續(xù)溫度補(bǔ)償。溫度檢測器6可 連接至信號處理器5的內(nèi)部ADC53,其將溫度信號7轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示。
[0029] 在示例性實施方案中，可對信號處理器5進(jìn)行編程以使其執(zhí)行如下面更完整地討 論的信號預(yù)處理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)處理。
[0030] 圖2是示例性氣體檢測系統(tǒng)的示例性功能框圖100。該系統(tǒng)包括傳感器數(shù)據(jù)收集 功能110,該功能從傳聲器傳感器收集模擬傳感器信號111，并將傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形 式112以便數(shù)字信號處理器進(jìn)行處理。然后，將處理算法120應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)，包括信號 預(yù)處理121、ANN驗證函數(shù)122、聲壓計算123和后處理124,以確定傳感器狀態(tài)。在示例性 實施方案中，將計算的聲壓級（SPL)與預(yù)設(shè)閾值126進(jìn)行比較，而后處理ANN確定傳聲器信 號是否由真實氣體泄漏125生成。在示例性實施方案中，決策塊125和126的組合會導(dǎo)致 四種組合：
[0031] 輸出狀態(tài)127A: (1)有氣體泄漏與（2)SPL大于閾值的組合
[0032] 輸出狀態(tài)127B: (1)沒有氣體泄漏與（2)SPL大于閾值的組合
[0033] 輸出狀態(tài)127C: (1)有氣體泄漏與（2)SPL不大于閾值的組合
[0034] 輸出狀態(tài)127D: (1)沒有氣體泄漏與（2)SPL不大于閾值的組合
[0035] 輸出狀態(tài)127A與真實氣體泄漏以及超過SPL閾值（126)的情況對應(yīng)。可將閾值 (126)看作氣體檢測閾值；用戶可選擇為輸出塊128內(nèi)的警報繼電器24設(shè)置較高的警報閾 值。輸出狀態(tài)127A還包括存在虛假警報（背景噪聲）時更普遍的真實氣體泄漏情況，這是 因為ANN被訓(xùn)練成將這種情況分類為真實氣體泄漏。輸出狀態(tài)127B與已斷定所測量的很 大的SPL并非由氣體泄漏而是由虛假警報源引起的情況對應(yīng)。輸出狀態(tài)127C與檢測出真 實氣體泄漏，但是在量值上不足以產(chǎn)生小于閾值（126)的SPL的情況對應(yīng)?？蓪⑤敵鰻顟B(tài) 127C看作是輕微泄漏，或者是提醒用戶即將發(fā)生較大的泄漏。用戶通常不需要采取糾正行 動，但是建議其更密切地監(jiān)控設(shè)施。輸出狀態(tài)127D與什么都沒發(fā)生的情況對應(yīng)，即沒有氣 體泄漏的跡象，且背景SPL的值無關(guān)緊要。輸出狀態(tài)127D是典型的安靜工業(yè)環(huán)境，例如偏 遠(yuǎn)的陸上井口。
[0036] 來自輸出狀態(tài)127A、127B、127C和127D的信息通過輸出塊128被連續(xù)傳輸至繼電 器24和25、顯示器26、模擬輸出27以及外部通信接口，例如Modbus91和HART92。用戶 可對輸出塊128進(jìn)行編程以限定向各種用戶界面發(fā)送的內(nèi)容，例如顯示器可指示SPL，無論 其是由氣體泄漏還是虛假警報引起的，或顯示器可僅指示確定由真實氣體泄漏引起的SPL。 用戶還可對輸出塊128進(jìn)行配置以僅直接示出通過129測量和傳輸?shù)腟PL，無論是在輸出 狀態(tài)127A、127B、127C和127D的哪一種狀態(tài)；以此方式，根據(jù)需要，可臨時或永久性地繞過 ANN的處理和決策。用戶也可通過輸出塊128設(shè)置高于決策塊126中使用的最小氣體檢測 閾值的警報SPL閾值來激活警報繼電器24。用戶也可對輸出塊128進(jìn)行編程使其具有用戶 可設(shè)置的延時以確保由ANN確定的氣體泄漏在通過例如警報繼電器24采取糾正行動之前 持續(xù)一定時間。
[0037] 圖1和圖2中描述的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)1的示例性實施方案提供了用于辨 別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超聲波與附近的其它機(jī)械源、電氣源、聲源或生物源產(chǎn) 生的超聲波的方法。來自這種其它源的超聲波（被分類為虛假警報）可產(chǎn)生很大的用現(xiàn) 有技術(shù)超聲波氣體泄漏檢測器讀取的背景超聲波：該高背景導(dǎo)致需提高警報級別，將其設(shè) 置為通常高于背景超聲波6分貝。提高警報級別的缺點是減小了氣體泄漏的檢測距離，從 而減小了總覆蓋區(qū)域，導(dǎo)致區(qū)域氣體泄漏監(jiān)控器更像點氣體泄漏檢測器。此外，真實氣體泄 漏可能被忽略，直至泄漏非常嚴(yán)重才發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常造成災(zāi)難性后果。通過使用延時，也可利用 現(xiàn)有技術(shù)超聲波氣體泄漏檢測器來處理產(chǎn)生瞬時或短暫超聲波的虛假警報源，在發(fā)生危險 氣體泄漏的情況下，其會導(dǎo)致所不希望的補(bǔ)救行動延遲。一種用于可靠地辨別并量化氣體 泄漏的方法為降低警報級別提供了空間，從而擴(kuò)展了檢測范圍和覆蓋區(qū)域，并為減少補(bǔ)救 行動延時提供了空間。這種方法可使超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)能夠提供一個或多個以下益 處：（1)區(qū)域監(jiān)控器、（2)基于聲速的反應(yīng)時間，和（3)由于滋擾警報減少而導(dǎo)致的整個過程 生廣的提商。
[0038] 在示例性實施方案中，從傳聲器2的模擬信號周期性地被ADC3轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。 如圖2所示，在數(shù)字化傳感器信號上執(zhí)行預(yù)處理121。在示例性實施方案中，預(yù)處理函數(shù)121 的目的是建立信號頻率與時域之間的相關(guān)性。在圖3所示的示例性實施方案中，預(yù)處理函 數(shù)121包括應(yīng)用211數(shù)據(jù)加窗函數(shù)和應(yīng)用212聯(lián)合時頻域分析（JTFA)函數(shù)。在示例性實 施方案中，數(shù)據(jù)加窗函數(shù)211涉及應(yīng)用漢寧、漢明、Parzen、矩形、高斯、指數(shù)窗函數(shù)之一或 其它合適的數(shù)據(jù)加窗函數(shù)。在示例性實施方案中，數(shù)據(jù)加窗函數(shù)211包括漢明窗函數(shù)，其由 余弦型函數(shù)描述：

【權(quán)利要求】
1. 一種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置成辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超聲 波與附近的其它機(jī)械源、電氣源、聲源或生物源產(chǎn)生的虛假警報超聲波，所述檢測器包括： 傳感器，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號； 電子控制器，其響應(yīng)于代表所述傳感器信號的數(shù)字傳感器信號，所述電子控制器包 括： 閾值比較器，其將代表感測的超聲波能量的傳感器信號值與氣體檢測閾值進(jìn)行比較以 確定所述傳感器信號值是否超過所述氣體檢測閾值，從而提供指示是否可能已檢測出氣體 泄漏的閾值比較器輸出； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)，其用于處理從所述數(shù)字傳感器信號得到的信號，并且應(yīng)用被配 置成辨別虛假警報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并提供指示是否已檢測到氣體泄漏的決策的 ANN輸出； 輸出決策，其用于根據(jù)所述閾值比較器輸出和所述ANN輸出生成檢測器輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器為MEMS傳聲器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器為光纖傳聲器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中代表感測的超聲波能量的所述傳感器信號值為計 算的聲壓值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述輸出決策提供至少四種輸出狀態(tài)，其中： 第一輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與閾值比較器輸出信號 指示可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第二輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第三輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合；以及 第四輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第二輸出狀態(tài)與斷定所述聲壓值并非由真實 氣體泄漏引起的檢測狀態(tài)對應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第三輸出狀態(tài)與檢測到在量值上不足以產(chǎn)生 小于所述氣體檢測閾值的聲壓值的真實氣體的泄漏對應(yīng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述第三輸出狀態(tài)與檢測到輕微泄漏對應(yīng)。
9. 一種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置成辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超聲 波與虛假警報超聲波，所述檢測器包括： 傳感器，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號； 電子控制器，其響應(yīng)于代表所述傳感器信號的數(shù)字傳感器信號，所述電子控制器被配 置成提供： 預(yù)處理函數(shù)，其包括被配置為對所述數(shù)字傳感器信號進(jìn)行聯(lián)合時頻信號預(yù)處理以提供 預(yù)處理信號的算法； 聲壓計算函數(shù)，其響應(yīng)于所述預(yù)處理信號以提供代表由所述傳感器感測的聲壓的計算 聲壓值； 閾值比較器函數(shù)，其將所述計算聲壓值與氣體檢測閾值進(jìn)行比較以確定所述計算聲壓 值是否超過所述氣體檢測閾值，并提供指示是否已超過所述氣體檢測閾值的閾值比較器輸 出； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)函數(shù)，其用于處理所述預(yù)處理信號并應(yīng)用被配置成辨別虛假警報 源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并提供指示是否已檢測到氣體泄漏的ANN決策的ANN輸出； 輸出函數(shù)，其用于根據(jù)所述閾值比較器輸出和所述ANN輸出生成檢測器輸出。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述算法適于執(zhí)行離散傅里葉變換、具有移動時 窗的短時傅里葉變換或離散小波變換之一。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器為超聲波傳聲器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述檢測器輸出提供至少四種輸出狀態(tài)，其中： 第一輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與閾值比較器輸出信號 指示可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第二輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第三輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合；以及 第四輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其還包括警報繼電器，且其中由所述電子控制器生 成的所述檢測器輸出被配置成在所述第一輸出狀態(tài)的情況下激活所述警報繼電器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述ANN函數(shù)包括應(yīng)用存儲于所述電子控制器的 存儲器中的預(yù)定訓(xùn)練連接權(quán)重，所述權(quán)重是暴露至由真實氣體泄漏、包括機(jī)械源、電氣源、 聲源或生物源的虛假警報源以及真實氣體泄漏與虛假警報源的組合產(chǎn)生的超聲波的多個 組合的結(jié)果。
15. -種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置為辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超 聲波與虛假警報，所述檢測器包括： 傳感器，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號； 電子控制器，其響應(yīng)于代表所述傳感器信號的數(shù)字傳感器信號，所述電子控制器被配 置成提供： 計算函數(shù)，其用于生成代表感測的超聲波能量的傳感器信號值； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)函數(shù)，其用于處理從所述數(shù)字傳感器信號得到的信號，并應(yīng)用被 配置成辨別虛假警報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并且提供指示是否已檢測到氣體泄漏的決 策的ANN輸出，所述ANN輸出包括至少兩種輸出狀態(tài)，其中第一 ANN輸出狀態(tài)指示已檢測到 氣體泄漏，且第二ANN輸出狀態(tài)指示未檢測到氣體泄漏； 系統(tǒng)輸出函數(shù)，其用于生成指示所述ANN輸出和所述傳感器信號值的檢測器輸出。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)輸出函數(shù)根據(jù)所述ANN輸出生成第一 檢測器輸出，和指示所述傳感器信號值的第二檢測器輸出。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中代表感測的超聲波能量的所述傳感器信號值為 計算聲壓值。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中： 所述電子控制器還被配置為提供包括算法的預(yù)處理函數(shù)，所述算法被配置為對所述數(shù) 字傳感器信號進(jìn)行聯(lián)合時頻信號預(yù)處理以提供預(yù)處理信號；且 所述計算函數(shù)和所述ANN函數(shù)均對所述預(yù)處理信號進(jìn)行處理以提供所述傳感器信號 值和所述ANN輸出。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述算法適于執(zhí)行離散傅里葉變換、具有移動 時窗的短時傅里葉變換或離散小波變換之一。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其還包括： 閾值比較器函數(shù)，其將所述計算聲壓值與氣體檢測閾值進(jìn)行比較以確定所述計算聲壓 值是否超過所述氣體檢測閾值，并提供指示是否已超過所述氣體檢測閾值的閾值比較器輸 出； 輸出函數(shù)，其用于根據(jù)所述閾值比較器輸出與所述ANN輸出的組合生成檢測器輸出。
21. -種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置成辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超 聲波與附近的其它機(jī)械源、電氣源、聲源或生物源產(chǎn)生的虛假警報超聲波，所述檢測器包 括： 傳感器系統(tǒng)，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號，所述傳感器系統(tǒng)包括寬帶傳 感器和至少一個窄帶傳感器； 電子控制器，其響應(yīng)于代表所述傳感器信號的數(shù)字傳感器信號，所述電子控制器包 括： 閾值比較器，其將代表感測的超聲波能量的傳感器信號值與氣體檢測閾值進(jìn)行比較以 確定所述傳感器信號值是否超過所述氣體檢測閾值，從而提供指示是否已檢測出氣體泄漏 的閾值比較器輸出； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)，其用于處理從所述數(shù)字傳感器信號得到的信號，并應(yīng)用被配置 成辨別虛假警報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并且提供指示是否已檢測到氣體泄漏的決策的 ANN輸出； 輸出決策，其用于基于所述閾值比較器輸出和所述ANN輸出生成檢測器輸出。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的檢測器，其中所述寬帶傳感器為MEMS傳聲器和光纖傳聲器 之一。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的檢測器，其中所述窄帶傳感器為壓電傳聲器。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的檢測器，其中所述代表感測的超聲波能量的傳感器信號值 為計算的聲壓值。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的檢測器，其中所述輸出決策提供至少四種輸出狀態(tài)，其中 第一輸出狀態(tài)來自ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與閾值比較器輸出信號指示 可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第二輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第三輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合；以及 第四輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的檢測器，其中所述第二輸出狀態(tài)與斷定所述聲壓值并非由 真實氣體泄漏引起的檢測狀態(tài)對應(yīng)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的檢測器，其中所述第三輸出狀態(tài)與檢測到在量值上不足以 產(chǎn)生小于所述氣體檢測閾值的聲壓值的真實氣體泄漏對應(yīng)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的檢測器，其中所述第三輸出狀態(tài)與檢測到輕微泄漏對應(yīng)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的檢測器，其中所述至少一個窄帶傳感器包括多個在可聽至 超聲波頻率范圍內(nèi)具有不重疊峰值頻率響應(yīng)的窄帶傳感器。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的檢測器，其中所述多個窄帶傳感器的至少其中之一的頻帶 與由滋擾聲源產(chǎn)生的頻率對應(yīng)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的檢測器，其中所述多個窄帶傳感器包括各自在10kHz、 25kHz、40kHz和55kHz具有峰值頻率響應(yīng)并具有大約3kHz的帶寬的四個傳感器。
32. -種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置成辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超 聲波與虛假警報超聲波，所述檢測器包括： 傳感器系統(tǒng)，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號，所述傳感器系統(tǒng)包括寬帶傳 感器和各自具有不重疊頻率響應(yīng)的多個窄帶傳感器，所述寬帶傳感器和所述多個窄帶傳感 器在物理上接近并被配置為從遠(yuǎn)距離氣體泄漏和其它聲源接收聲信號； 電子控制器，其響應(yīng)于各個數(shù)字傳感器信號，所述各個數(shù)字傳感器信號的每一個代表 對應(yīng)的來自所述寬帶傳感器和所述多個窄帶傳感器的各個傳感器信號，所述電子控制器被 配置成提供： 預(yù)處理函數(shù)，其包括被配置為對數(shù)字傳感器信號進(jìn)行聯(lián)合時頻信號預(yù)處理以提供與超 聲波頻帶對應(yīng)的預(yù)處理信號的算法； 聲壓計算函數(shù)，其響應(yīng)于所述預(yù)處理信號以提供代表由所述傳感器感測的超聲波聲壓 的計算聲壓值； 閾值比較器函數(shù)，其將所述計算聲壓值與氣體檢測閾值進(jìn)行比較以確定所述計算聲壓 值是否超過所述氣體檢測閾值，并提供指示是否已超過所述氣體檢測閾值的閾值比較器輸 出； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)函數(shù)，其用于處理所述預(yù)處理信號，且應(yīng)用被配置成辨別虛假警 報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并提供指示是否已檢測到氣體泄漏的ANN決策的ANN輸出； 輸出函數(shù)，其用于基于所述閾值比較器輸出和所述ANN輸出生成檢測器輸出。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的檢測器，其中所述算法適于執(zhí)行離散傅里葉變換、具有移 動時窗的短時傅里葉變換或離散小波變換之一。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的檢測器，其中所述寬帶傳感器為超聲波傳聲器，且所述多 個窄帶傳感器包括壓電聲傳感器。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的檢測器，其中所述檢測器輸出提供至少四種輸出狀態(tài)，其 中： 第一輸出狀態(tài)來自ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與閾值比較器輸出信號指示 可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第二輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示可能已檢測到氣體泄漏的組合； 第三輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合；以及 第四輸出狀態(tài)來自所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏與所述閾值比較器輸出 信號指示未檢測到氣體泄漏的組合。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的檢測器，其還包括警報繼電器，且其中由所述電子控制器 生成的所述檢測器輸出被配置成在所述第一輸出狀態(tài)的情況下激活所述警報繼電器。
37. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的檢測器，其中所述ANN函數(shù)包括應(yīng)用存儲于所述電子控制 器的存儲器中的預(yù)定訓(xùn)練連接權(quán)重，所述權(quán)重是暴露至由真實氣體泄漏、包括機(jī)械源、電氣 源、聲源或生物源的虛假警報源以及真實氣體泄漏與虛假警報源的組合產(chǎn)生的超聲波的多 個組合的結(jié)果。
38. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的檢測器，其中所述多個窄帶傳感器中的至少一個的頻帶與 由滋擾聲源產(chǎn)生的頻率對應(yīng)。
39. -種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置成辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超 聲波與虛假警報超聲波，所述檢測器包括： 傳感器系統(tǒng)，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號，所述系統(tǒng)包括響應(yīng)于超聲波 頻率寬帶的寬帶傳感器，和在所述寬帶內(nèi)具有峰值頻率響應(yīng)的至少一個窄帶傳感器； 電子控制器，其響應(yīng)于各個數(shù)字傳感器信號，所述各個數(shù)字傳感器信號代表每一個來 自所述寬帶傳感器和所述至少一個窄帶傳感器的傳感器信號，所述電子控制器被配置成提 供： 計算函數(shù)，其用于生成代表感測的超聲波能量的傳感器信號值； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)函數(shù)，其用于處理從所述數(shù)字傳感器信號得到的信號，應(yīng)用被配 置成辨別虛假警報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并提供指示是否已檢測到氣體泄漏的決策的 ANN輸出；所述ANN輸出包括至少兩種輸出狀態(tài)，其中第一 ANN輸出狀態(tài)指示已檢測到氣體 泄漏，且第二ANN輸出狀態(tài)指示未檢測到氣體泄漏； 系統(tǒng)輸出函數(shù)，其用于生成指示所述ANN輸出和所述傳感器信號值的檢測器輸出。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的檢測器，其中所述至少一個窄帶傳感器包括在超聲波頻率 范圍內(nèi)具有不重疊峰值頻率響應(yīng)的多個窄帶傳感器。
41. 一種超聲波氣體泄漏檢測器，其被配置為辨別由壓縮氣體泄漏入空氣中產(chǎn)生的超 聲波與虛假警報，所述檢測器包括： 傳感器系統(tǒng)，其用于檢測超聲波能量并提供傳感器信號； 電子控制器，其響應(yīng)于代表所述傳感器信號的數(shù)字傳感器信號，所述電子控制器被配 置成提供： 計算函數(shù)，其用于生成代表感測的超聲波能量的傳感器信號值； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)函數(shù)，其用于處理從所述數(shù)字傳感器信號得到的信號，應(yīng)用被配 置成辨別虛假警報源與氣體泄漏的ANN系數(shù)，并提供指示是否已檢測到氣體泄漏的決策的 ANN輸出； 系統(tǒng)輸出函數(shù)，其用于生成指示所述ANN輸出和所述傳感器信號值的檢測器輸出。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的檢測器，其中所述系統(tǒng)輸出函數(shù)根據(jù)所述ANN輸出生成第 一檢測器輸出，和指示所述傳感器信號值的第二檢測器輸出。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的檢測器，其中所述傳感器系統(tǒng)包括MEMS傳聲器。
44. 根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的檢測器，其中所述傳感器系統(tǒng)包括光纖傳聲器。
45. 根據(jù)權(quán)利要求41-44中的任一項所述的檢測器，其中所述代表感測的超聲波能量 的傳感器信號值為計算的聲壓值。
46. 根據(jù)權(quán)利要求41-45中的任一項所述的檢測器，其中所述輸出決策函數(shù)提供至少 兩種輸出狀態(tài)，其中： 第一輸出狀態(tài)為所述ANN輸出信號指示已檢測到氣體泄漏； 第二輸出狀態(tài)為所述ANN輸出信號指示未檢測到氣體泄漏。
47. 根據(jù)權(quán)利要求41-46中的任一項所述的檢測器，其中： 所述電子控制器還被配置為提供包括算法的預(yù)處理函數(shù)，所述算法被配置為對所述數(shù) 字傳感器信號進(jìn)行聯(lián)合時頻信號預(yù)處理以提供預(yù)處理信號；且 所述計算函數(shù)和所述ANN函數(shù)均對所述預(yù)處理信號進(jìn)行處理以提供所述傳感器信號 值和所述ANN輸出。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的檢測器，其中所述算法適于執(zhí)行離散傅里葉變換、具有移 動時窗的短時傅里葉變換或離散小波變換之一。
49. 根據(jù)權(quán)利要求41-48中的任一項所述的檢測器，其還包括： 閾值比較器函數(shù)，其將所述計算聲壓值與氣體檢測閾值進(jìn)行比較以確定所述計算聲壓 值是否超過所述氣體檢測閾值，并提供指示是否已超過所述氣體檢測閾值的閾值比較器輸 出； 輸出函數(shù)，其用于根據(jù)所述閾值比較器輸出與所述ANN輸出的組合生成檢測器輸出。
50. 根據(jù)權(quán)利要求41-49中的任一項所述的檢測器，其中所述傳感器系統(tǒng)包括響應(yīng)于 超聲波頻率寬帶的寬帶傳感器，和在所述寬帶內(nèi)具有峰值頻率響應(yīng)的至少一個窄帶傳感 器。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的檢測器，其中所述至少一個窄帶傳感器包括在可聽至超聲 波頻率范圍內(nèi)具有不重疊峰值頻率響應(yīng)的多個窄帶傳感器。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的檢測器，其中所述多個窄帶傳感器中的至少一個的頻帶與 由滋擾聲源產(chǎn)生的頻率對應(yīng)。
53. 根據(jù)權(quán)利要求51或52所述的檢測器，其中所述多個窄帶傳感器包括各自在 10kHZ、25kHz、40kHz和55kHz具有峰值頻率響應(yīng)并具有大約3kHz的帶寬的四個傳感器。
54. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的檢測器，其中所述傳感器系統(tǒng)包括各自具有不重疊頻率響 應(yīng)的多個窄帶傳感器，所述寬帶傳感器和所述多個窄帶傳感器在物理上接近并被配置為從 遠(yuǎn)距離氣體泄漏和其它聲源接收聲信號。
55. 根據(jù)權(quán)利要求41-54中的任一項所述的檢測器，其中所述電子控制器包括數(shù)字信 號處理器。
【文檔編號】G01M3/24GK104412087SQ201380034004
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年6月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】J·J·赫塞諾夫, J·G·羅梅羅, S·B·巴利加 申請人:通用顯示器公司