超聲波氣體泄漏檢測器測量當(dāng)氣體從較高壓力逃逸到環(huán)境大氣時(shí)由湍流生成的聲壓波。這種氣體泄漏檢測器用作工業(yè)安全設(shè)備，以監(jiān)測可燃?xì)怏w或有毒氣體不必要地或意外地釋放到大氣中。泄漏需要在其幅值進(jìn)一步增加之前快速標(biāo)識，以便允許及時(shí)采取補(bǔ)救動作。超聲波氣體泄漏檢測器具有優(yōu)于其它氣體檢測器類型的優(yōu)點(diǎn)，這在于氣體不需要到達(dá)檢測器；即使泄漏氣體被風(fēng)分散，也可以檢測到氣體泄漏。

常規(guī)的超聲波氣體泄漏檢測器是全向的，并且在提供關(guān)于加壓氣體泄漏的大小和持續(xù)時(shí)間的有用信息的同時(shí)，不向維護(hù)人員提供關(guān)于氣體泄漏的位置的任何信息。作為視線光學(xué)檢測器的常規(guī)的開放路徑檢測器也不提供泄漏位置信息。常規(guī)點(diǎn)檢測器(諸如催化、紅外或電化學(xué)檢測器)需要以增加的費(fèi)用彼此接近地放置，以提供更精確的泄漏位置信息。紅外氣體云成像相機(jī)是昂貴的，它們的靈敏度隨著被監(jiān)測的氣體而變化很大，并且它們的性能很大程度上取決于泄漏氣體云和背景溫度之間的差別。由于這樣的原因，紅外氣體云成像相機(jī)不容易在工業(yè)固定氣體檢測裝置中采用。因此，需要把泄漏位置或至少泄漏方向的益處增加到超聲波氣體泄漏檢測設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

定向超聲波氣體泄漏檢測器的實(shí)施例包括間隔開的MEMS麥克風(fēng)陣列，每個(gè)麥克風(fēng)響應(yīng)于來自氣體泄漏源的入射空中超聲波能量以生成麥克風(fēng)信號。波束成形處理器響應(yīng)于來自陣列的麥克風(fēng)信號，以生成處理器輸出信號，該處理器輸出信號指示入射在陣列上的超聲波能量的估計(jì)到達(dá)角。該陣列可以設(shè)置在防爆外殼結(jié)構(gòu)中以在危險(xiǎn)場所操作，或者實(shí)施為本征安全設(shè)備。在另一實(shí)施例中，顯示器響應(yīng)于處理器輸出信號以生成表示被監(jiān)視的場景的圖像，其中波束方向上的入射能量的估計(jì)幅值被疊加在圖像上。

附圖說明

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將根據(jù)以下具體實(shí)施方式容易地理解本公開的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中：

圖1是MEMS麥克風(fēng)和相關(guān)聯(lián)的電子器件的2維陣列的示例性實(shí)施例的示意性方框圖。

圖2是聲音以與麥克風(fēng)陣列軸線成一定角度θ入射的MEMS麥克風(fēng)的線性陣列的圖示。

圖3是在超聲波麥克風(fēng)陣列的時(shí)間延遲與求和(time-delay-and-sum)波束成形中使用的軟件算法的示例性實(shí)施例。

圖4以橫截面描繪了用于氣體泄漏檢測器系統(tǒng)的示例性防爆外殼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。圖4A圖示了用于接納圖4所描繪的系統(tǒng)的示例性外殼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。圖4B圖示了氣體泄漏檢測器的另一實(shí)施例，其中感測頭遠(yuǎn)離主系統(tǒng)外殼。圖4C圖示了防爆外殼結(jié)構(gòu)中的聲學(xué)檢測器系統(tǒng)的另一實(shí)施例。

圖5是圖示了如上文關(guān)于圖1至圖3所描述的用于麥克風(fēng)陣列的本征安全電路的簡化電路示意圖。

圖6是圖1至圖3的定向超聲波氣體泄漏檢測器的特征的示意性方框圖。

圖7是采用麥克風(fēng)陣列的定向超聲波氣體泄漏檢測器的實(shí)施例的特征的功能方框圖。

圖8是定向超聲波氣體泄漏檢測器的另一實(shí)施例的特征的功能方框圖。

圖9是使用圖1的2維波束成形陣列來定位的實(shí)驗(yàn)室超聲波源的示例性實(shí)施例，并且其中所定位的實(shí)驗(yàn)室超聲波源位置疊加在可見圖像上。

圖10示意性地描繪了表示被監(jiān)視的場景的顯示器，其中定向超聲波檢測器具有以設(shè)備為中心的視場。

具體實(shí)施方式

在以下具體實(shí)施例中并且在附圖中的幾個(gè)附圖中，相同的元件使用相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)識。附圖不按比例繪制，并且為了說明的目的，相關(guān)的特征尺寸可能被夸大。

市場上的超聲波氣體泄漏檢測器可以利用單個(gè)預(yù)極化壓力麥克風(fēng)，諸如由丹麥Holte的G.R.A.S.Sound and Vibration、德國Gefell的Microtech Gefell GmbH、或者丹麥Naerum的Bruel Kjaer制造的。超聲波區(qū)域被限定為超過人類聽覺的頻率范圍，起點(diǎn)為健康的年輕成年人的約20kHz。較高的超聲波頻率在空氣中比較低頻率更快地衰減，并且超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用通常用于小于100kHz的頻率。

在示例性實(shí)施例中，定向超聲波氣體泄漏檢測器包括間隔開的麥克風(fēng)陣列。每個(gè)麥克風(fēng)響應(yīng)于來自設(shè)置在陣列的范圍內(nèi)的氣體泄漏源的入射空中寬帶超聲波能量，以生成麥克風(fēng)信號。波束成形處理器響應(yīng)于來自該陣列的麥克風(fēng)信號，以生成處理器輸出信號，該處理器輸出信號指示從設(shè)置在該陣列的范圍內(nèi)(例如，距該陣列30米至50米的范圍內(nèi))的氣體泄漏源入射在陣列上的超聲波能量的估計(jì)到達(dá)角。該陣列可以容納在防爆外殼結(jié)構(gòu)中，或者該檢測器可以被設(shè)計(jì)為本征安全設(shè)備，以滿足由管理機(jī)構(gòu)團(tuán)體限定的危險(xiǎn)場所中的操作要求。在該情景中，危險(xiǎn)場所是包含或可能包含可燃?xì)怏w、蒸汽或灰塵的可燃濃度的區(qū)域。麥克風(fēng)優(yōu)選地與陣列中的相鄰麥克風(fēng)間隔開不大于5mm的間隔距離。

在示例性實(shí)施例中，在陣列中利用的超聲波麥克風(fēng)可以是基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的微型麥克風(fēng)，其可以在超過15kHz的可聽范圍并且超出100kHz的超聲波頻率范圍內(nèi)很好地操作。MEMS麥克風(fēng)可以安裝在印刷電路板(PCB)上、并且容納在批準(zhǔn)用于危險(xiǎn)場所的環(huán)境耐用機(jī)械外殼中，其準(zhǔn)許超聲波能量傳遞到感測元件。美國公開2009/0060246 A1和2014/0000347 A1詳述了這種MEMS麥克風(fēng)在工業(yè)超聲波氣體泄漏檢測器中的實(shí)施，并且這些專利公開的全部內(nèi)容通過引用并入本文。

離散的預(yù)極化不銹鋼超聲波麥克風(fēng)提供優(yōu)良的超聲波性能，但是被包裝成用于工業(yè)氣體泄漏檢測器的陣列太大且昂貴。MEMS麥克風(fēng)是比較微型的，并且本身被放置在電路板上以形成麥克風(fēng)陣列。在示例性實(shí)施例中，總共九個(gè)MEMS麥克風(fēng)(1至9)的二維陣列在電路板10(圖1)上的相交和垂直方向的兩組五個(gè)線性陣列中均勻且相等地間隔開。為了在兩個(gè)垂直方向上實(shí)現(xiàn)均勻且相等的間隔，陣列以“T”的形狀來定位：這是由MEMS麥克風(fēng)包裝所規(guī)定的，其是矩形而不是正方形或圓形。在氣體泄漏的超聲波檢測的示例性實(shí)施例中，電路板上的麥克風(fēng)陣列區(qū)域通常將不超過10平方厘米。由麥克風(fēng)生成的信號由ADC 11數(shù)字化，并且由具有嵌入式軟件的處理器(通常指示為12)處理。對于產(chǎn)生數(shù)字輸出的麥克風(fēng)，處理器可以處理這樣的數(shù)字信號而不需要ADC 11。

在示例性實(shí)施例中，N個(gè)全向MEMS麥克風(fēng)在一列中均勻間隔開，其中，N至少為2。圖2是五個(gè)MEMS麥克風(fēng)(1，2，3，4和5)的線性陣列20的圖示，其中麥克風(fēng)間間距為d，并且聲音以與麥克風(fēng)陣列軸線成一定角度θ入射。波束成形是用于定向信號傳輸或接收的傳感器陣列中的信號處理技術(shù)，后者是麥克風(fēng)的情況。適用于使用均勻線性陣列(ULA)進(jìn)行波束成形的一些規(guī)則是：

a)麥克風(fēng)數(shù)目的增加可以增強(qiáng)被限定為陣列增益的陣列的信噪比，并且在相干信號和非相干噪聲的條件下由10log(N)單位為(dB)給出，其中，N是麥克風(fēng)的數(shù)目。陣列增益可以幫助增加檢測距離。增加N還導(dǎo)致物理上較大的陣列。

b)使用更大數(shù)目個(gè)麥克風(fēng)而增加總陣列長度D會改善空間分辨率。D被稱為孔徑尺寸，并且在N個(gè)麥克風(fēng)被相等間隔開距離d的情況下，D＝(N-1)d。對于寬邊方向，半功率波束寬度與λ/D成比例，其中，λ是入射能量的波長，因此是波長的函數(shù)。

c)麥克風(fēng)間麥克風(fēng)間距d確定可以被控制而沒有混疊效應(yīng)的最高頻率f_max。最高頻率f_max的聲學(xué)波長是最短波長λmin，并且麥克風(fēng)間距d必須滿足準(zhǔn)則d<λ_min/2以防止空間混疊。對于空氣中的聲速為340m/sec并且麥克風(fēng)間距d＝3.4mm，λ_min為6.8mm，f_max＝50kHz；這樣的波束成形器可以用于低于50kHz的超聲波頻率，而沒有導(dǎo)致方向性圖案的主瓣的副本的混疊效應(yīng)。對于尺寸大約為3mm的MEMS麥克風(fēng)，可能的最小麥克風(fēng)間間距也大約為3mm，致使f_max值為50kHz左右。

d)超聲波的大氣衰減是頻率的函數(shù)，并且從40kHz處的大約1dB/m增加到170kHz處的大約10dB/m。因此，在實(shí)踐中，超聲波氣體泄漏檢測器設(shè)計(jì)限于低于大約75kHz的頻率；由于大氣衰減，相同的頻率限制可能應(yīng)用于波束成形，由于上述對麥克風(fēng)間間距的實(shí)際限制而進(jìn)一步限制為50kHz。因?yàn)榱考墳?.1kg/sec的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)泄漏率，所以超聲波氣體泄漏檢測器的氣體泄漏范圍至多為幾十米。

圖2是五個(gè)MEMS麥克風(fēng)(1，2，3，4和5)的線性陣列20的圖示，其中麥克風(fēng)間間距為d，并且聲音以與麥克風(fēng)陣列軸線成一定角度θ入射。圖中最右側(cè)的MEMS麥克風(fēng)1比其左側(cè)的MEMS麥克風(fēng)2更早地接收聲音；該差異被稱為到達(dá)時(shí)間差(TDOA)。在遠(yuǎn)場近似中，與聲音的麥克風(fēng)間距和波長相比較，聲源更遠(yuǎn)。這種近似在氣體泄漏幾米遠(yuǎn)的情況下有效。在遠(yuǎn)場中在陣列的范圍內(nèi)接收的聲音波前可以被認(rèn)為是平面的而非是球形的；對于平面波前，用于在連續(xù)麥克風(fēng)之間接收聲音的時(shí)間δt的差異為：

δt＝(d*cosθ)/v (1)

其中，v是聲音在空氣中的速度，通常為340m/sec。在頻域中，該延遲會導(dǎo)致由麥克風(fēng)接收的信號之間的相移。延遲與麥克風(fēng)陣列的入射角和幾何形狀直接有關(guān)。給定麥克風(fēng)陣列的幾何形狀，延遲或相位差異可以用于估計(jì)入射能量的入射到達(dá)角。

被稱為延遲與求和波束成形的技術(shù)可以用于估計(jì)入射角θ。如果時(shí)間延遲被添加到來自每個(gè)麥克風(fēng)的記錄信號，其等于由額外行進(jìn)時(shí)間引起的延遲并且與其相對，則將產(chǎn)生彼此完全同相的信號。對這些同相信號求和將致使相長干涉，其將通過陣列中的若干個(gè)麥克風(fēng)來放大該結(jié)果，并且產(chǎn)生指向性圖案中的主瓣。這被稱為時(shí)間延遲與求和波束成形。對于DOA(到達(dá)方向)估計(jì)(也被稱為AOA(到達(dá)角))，可以迭代地測試所有可能方向的時(shí)間延遲。如果猜測錯誤，則信號將相消干擾，從而致使輸出信號減小，而正確的猜測將導(dǎo)致上文所描述的信號放大。在實(shí)踐中，時(shí)間延遲被連續(xù)地掃掠，從而導(dǎo)致從初始角度(通常為0度)到最終角度(通常為180度)的波束控制(beamsteering)。控制角通過對公式1求逆來獲得：

θ＝cos^-1(δt*v/d) (2)

在示例性實(shí)施例中，控制角在72個(gè)步幅中以2.5度步幅而增加，從而提供180度的波束控制。對于圖1的兩個(gè)垂直ULA中的每個(gè)垂直ULA獨(dú)立地執(zhí)行該波束控制。由參照垂直于平面陣列的軸的兩個(gè)垂直ULA生成的方位角和仰角(Ф，θ)角度坐標(biāo)會產(chǎn)生聲音掃掠錐體(cone of sound sweep)。在示例性實(shí)施例中，在每個(gè)步幅角，對n個(gè)數(shù)據(jù)樣本的來自圖1的陣列中的每個(gè)MEMS麥克風(fēng)的信號以150kHz進(jìn)行采樣，其中，n可以是256。

圖3示出了時(shí)間延遲與求和波束成形的功能軟件實(shí)施方式的示例性實(shí)施例。對n個(gè)數(shù)據(jù)樣本的來自MEMS麥克風(fēng)的信號(101至105)進(jìn)行采樣，其中，n可以是256，采樣率為150kHz；在圖1和圖2中五個(gè)麥克風(fēng)在這里被示出為ULA，但是對于波束成形，ULA可以具有大于最少兩個(gè)的任何數(shù)目個(gè)麥克風(fēng)。所采樣的數(shù)據(jù)流通過乘以偶數(shù)個(gè)111或奇數(shù)個(gè)112而被分成偶數(shù)值和奇數(shù)值。在113中組合偶數(shù)(I同相)數(shù)據(jù)和奇數(shù)(Q異相或正交)數(shù)據(jù)以產(chǎn)生復(fù)數(shù)，其對于隨后的軟件處理來說更容易生成與沿著到達(dá)方向(DOA)的相長干涉相對應(yīng)的峰值幅值。這種同相正交技術(shù)在數(shù)字信號處理中是眾所周知的。在113處產(chǎn)生的復(fù)數(shù)乘以掃描因數(shù)114，該掃描因數(shù)114是由控制角θ(等式2)的余弦和正弦構(gòu)成的復(fù)數(shù)。

掃描因數(shù)(n)＝復(fù)數(shù)(cos(θ_n),(sin(θ_n)) (3)

其中，n是0度和180度之間(例如，在72個(gè)步幅中)的控制角方向。

來自其它MEMS麥克風(fēng)中的每個(gè)MEMS麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)被類似地處理115，并且來自所有MEMS麥克風(fēng)的經(jīng)處理的信號被求和116。對求和的數(shù)據(jù)116求平均117，并且被歸一化118為在所有掃描角上計(jì)算的最大值。對于從0度到180度的每個(gè)掃描角120，繼續(xù)該過程119。在所有控制角上獲得的最大歸一化值方向是超聲波的DOA。

連續(xù)執(zhí)行圖3中所描述的計(jì)算，并且在一個(gè)示例性實(shí)施例中，對于上文所描述的參數(shù)(采樣率150kHz、每步幅256個(gè)數(shù)據(jù)樣本、72個(gè)步幅)，完整的0度至180度掃描的時(shí)間大約為0.1秒。使用上文所描述的波束成形參數(shù)，時(shí)間延遲與求和波束成形器因此每十分之一秒能夠生成DOA繪圖121一次。可以在十次掃描上對波束成形繪圖求平均，從而給出大約一秒的響應(yīng)時(shí)間。應(yīng)當(dāng)指出，如果存在超過一個(gè)超聲波源，則波束成形繪圖可以指示多于一個(gè)DOA矢量；向用戶提供整個(gè)波束成形掃描中的局部最大峰值的相對強(qiáng)度，從而使得能夠相應(yīng)地采取動作。波束成形掃描中的主瓣峰值的幅值指示超聲波源的強(qiáng)度。單個(gè)平面麥克風(fēng)陣列計(jì)算到達(dá)方向，而不計(jì)算距超聲波源的距離；因而，遠(yuǎn)處的強(qiáng)超聲波源可以生成與更靠近麥克風(fēng)陣列的較弱的超聲波源相同的SPL和主瓣峰值尺寸。

在示例性實(shí)施例中，僅當(dāng)超聲波SPL高于指定閾值時(shí)，DOA才具有意義，例如，65dB可以用作閾值，在該閾值以下可以生成警告而非警報(bào)。

對于諸如圖1所示的示例性2維陣列，對于每個(gè)ULA獨(dú)立地執(zhí)行DOA計(jì)算，提供兩個(gè)獨(dú)立的角度(Ф，θ)，其提供加壓氣體泄漏相對于垂直于平面麥克風(fēng)陣列的軸線的方位角和仰角方向。在待檢測的氣體泄漏源為幾米遠(yuǎn)的遠(yuǎn)場近似中，圖1的MEMS麥克風(fēng)陣列的事實(shí)在于“T”的形狀在“+”形式的更自然和居中的MEMS麥克風(fēng)陣列上不引起任何顯著誤差，其中，兩個(gè)線性陣列的交點(diǎn)是坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

圖3是圖示了用于定向氣體泄漏檢測器的時(shí)間延時(shí)與求和波束成形的示例性實(shí)施例的流程圖。其它波束成形技術(shù)是可用的并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。這些波束成形技術(shù)包括在參考文獻(xiàn)中詳述的幾種類型的基于頻率或頻譜的波束成形，并且可以被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。然而，在圖1中體現(xiàn)的平面陣列由兩個(gè)垂直線性陣列組成，還可以在平面或成形表面(contoured surface)上使用正方形、矩形或圓形陣列來執(zhí)行波束成形，其中更大數(shù)目個(gè)模擬或數(shù)字MEMS麥克風(fēng)的代價(jià)是附加電子電路、數(shù)學(xué)上復(fù)雜的波束成形算法以及增加的板載計(jì)算能力和內(nèi)存。在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行各種修改和改變。

為了在氣體泄漏檢測器(工業(yè)應(yīng)用)中使用MEMS麥克風(fēng)，麥克風(fēng)優(yōu)選地被封裝以滿足在由管理機(jī)構(gòu)團(tuán)體限定的危險(xiǎn)場所中的操作要求。一種全球公認(rèn)的氣體檢測器的保護(hù)方法是防爆方法(Ex d)，其確保任何爆炸條件被包含在殼體內(nèi)，不點(diǎn)燃周圍環(huán)境，并且可以利用阻焰器作為感測元件前面的保護(hù)元件。阻焰器防止意外點(diǎn)燃的火焰或爆炸的傳輸，同時(shí)準(zhǔn)許空氣和氣體的流動。工業(yè)和政府監(jiān)管團(tuán)體針對防爆設(shè)計(jì)而廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)中的一些標(biāo)準(zhǔn)是來自加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的CSA C22.2No.30-M1986、來自Factory Mutual的FM 3600和3615、以及來自國際電工委員會的IEC 60079-0和60079-1。

另一保護(hù)方法是本征安全性(Ex ia)，其由國際電工委員會的IEC 60079-11涵蓋。在本征安全的保護(hù)方法中，本征安全電路與感測元件一起使用；該阻擋電路限制了感測元件的功率，使得不會生成導(dǎo)致點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的火花。

在用于工業(yè)應(yīng)用的MEMS麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列的實(shí)踐實(shí)施方式中，陣列可以放置在諸如美國專利申請2009/0060246 A1與防爆(Ex d)外殼或本征安全(Ex ia)保護(hù)方法中詳述的聲學(xué)透射保護(hù)膜后面。

圖4圖示了防爆聲學(xué)系統(tǒng)50的示例性實(shí)施例。該示例性實(shí)施例包括外殼52，其在示例性實(shí)施例中可以由鋁、不銹鋼或具有合適抗拉強(qiáng)度的其它工業(yè)金屬制成。在該示例中，外殼52可以采用大致柱形配置，其中有中空開放的內(nèi)部空間。外殼的外部表面和內(nèi)部表面可以使用各種臺肩和階梯表面來加工或制造，并且外表面可以包括螺紋部分。例如，圖4中所描繪的系統(tǒng)50包括具有通常被描繪為52A的中空內(nèi)部空間的外殼52。在外殼的換能器端52E處，中空內(nèi)部空間由倒角或引入部52B形成，并且提供用于聲學(xué)能量的端口或窗口以撞擊安裝在外殼中的換能器。外殼的內(nèi)部中空或開放區(qū)域52A可以由支撐臺肩表面52C和52D制作，其可以配準(zhǔn)系統(tǒng)50的特定元件的位置。

示例性系統(tǒng)50包括多孔金屬燒結(jié)盤53，其在示例性實(shí)施例中可以由316L型不銹鋼制成。盤53設(shè)置在由臺肩52C配準(zhǔn)在適當(dāng)位置的外殼52的前部或換能器端52E上，并且用作阻焰器。燒結(jié)盤53可以壓配合到外殼中、附接到外殼、或者與外殼一體制作。如果燒結(jié)物和外殼材料都是不銹鋼，則可以使用后一種方法。在示例性實(shí)施例中，燒結(jié)金屬盤53的厚度可以為八分之一英寸，其中最大孔徑為250微米，其根據(jù)管理機(jī)構(gòu)團(tuán)體的設(shè)計(jì)指南和測試得知以滿足Ex d保護(hù)方法的要求。示例性盤直徑為1.0英寸。麥克風(fēng)陣列54安裝在電路板55的前側(cè)上，并且放置為靠近但不與燒結(jié)金屬盤接觸；盤和換能器之間的示例性間距距離為0.015英寸。

如果MEMS麥克風(fēng)是已知為“底部端口”或“零高度”的類型，則麥克風(fēng)陣列可替代地安裝在電路板55的后側(cè)上；在這種情況下，超聲波通過電路板中的通孔或孔洞而到達(dá)MEMS麥克風(fēng)。Knowles MEMS麥克風(fēng)SPU0410LR5H是可以使用的示例性底部端口模擬麥克風(fēng)。Knowles MEMS麥克風(fēng)SPH0641LU4H是可以可替代地使用的示例性底部端口數(shù)字麥克風(fēng)。圖4C示出了防爆聲學(xué)系統(tǒng)50'的備選實(shí)施例，其中，陣列54'安裝在電路板55的背側(cè)上、遠(yuǎn)離阻焰器53，并且超聲波能量穿過電路板55中的孔洞或開口64。圖4C的實(shí)施例在其它方面類似于圖4的實(shí)施例。

對于系統(tǒng)50在潮濕環(huán)境中的操作，疏水膜56可以放置在燒結(jié)盤53和外部環(huán)境之間。膜56可以因其優(yōu)良的聲學(xué)透射性能而被選擇；這種膜的示例是由紐約華盛頓港的Pall Corporation制造的Versapor 5000R。適用于該目的的其它膜由馬里蘭埃爾克頓的W.L.Gore&Associates，Inc.制造。

優(yōu)選地，選擇燒結(jié)金屬盤的孔隙率和厚度，使得盤不會顯著退化期望頻率范圍(例如，超聲波頻率)的聲學(xué)聲波對麥克風(fēng)的透射。因此，燒結(jié)盤53不僅為在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作提供保護(hù)，而且還提供對灰塵和水的防范，同時(shí)仍然準(zhǔn)許優(yōu)良的聲學(xué)聲波透射。如果需要，則疏水膜56提供對環(huán)境的附加保護(hù)。它還防止灰塵和水分到達(dá)燒結(jié)金屬盤53，從而防止多孔金屬盤被堵塞。

仍然參照圖4，用于聲學(xué)換能器的偏壓線、接地線和信號線的電線57從電路板55引出到外殼的背部。MEMS麥克風(fēng)的典型偏置電壓為2.5V dc。保持器58將組件保持在外殼的中空區(qū)域內(nèi)的適當(dāng)位置，同時(shí)外殼52中的中空區(qū)域的剩余部分使用電絕緣灌封化合物59從后部來密封。適用于該目的的依從機(jī)構(gòu)(agency compliant)的灌封化合物的示例是來自Emerson&Cuming的Stycast 2850FT。

在示例性實(shí)施例中，具有防爆麥克風(fēng)陣列的聲學(xué)系統(tǒng)50可以提供用于超聲波檢測的完整傳感器。通過包封的后端和燒結(jié)金屬盤前端，它適于在爆炸性危險(xiǎn)場所中操作，其作為遠(yuǎn)程安裝的單獨(dú)的傳感器、或者作為例如通過螺紋接合而附接到也適于危險(xiǎn)場所的另一外殼中的傳感器。系統(tǒng)50的外殼52上的螺紋60使得傳感器外殼能夠旋入這種第二外殼中。例如，圖4A描繪了安裝到外殼70中的圖4的傳感器50，該外殼70包含用于調(diào)理并且處理傳感器麥克風(fēng)陣列信號并且隨后為用戶生成輸出的電子器件。

參照圖4A，超聲波陣列換能器系統(tǒng)50被示出為擰入殼體70中，其也滿足在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中操作的要求。聲學(xué)系統(tǒng)50可以是例如系統(tǒng)50(圖4)。在殼體70本身防爆的情況下，本申請中的聲學(xué)系統(tǒng)50可以省略一些實(shí)施例的防火密封結(jié)構(gòu)59。在該示例性實(shí)施例中，外殼70包括主殼體或底部部分72、以及蓋子74；該蓋子74被示出具有光學(xué)窗口76以觀察與聲學(xué)聲壓級成比例的所顯示的信號。殼體的底部72具有使得能夠?qū)⑼鈿ぐ惭b在合適的安裝支架上的特征。

第二外殼70可以包含為麥克風(fēng)供電、處理由麥克風(fēng)陣列生成的電信號、以及向用戶提供輸出以監(jiān)測并且記錄聲學(xué)信號所需的電子器件。

進(jìn)一步地，在其它實(shí)施例中，麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)50可以遠(yuǎn)離殼體70安裝，并且遠(yuǎn)程外殼和殼體之間的連接可以滿足在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中操作的要求。圖4B中圖示了遠(yuǎn)程安裝的麥克風(fēng)陣列的示例性實(shí)施例。諸如導(dǎo)管中的電纜70A之類的通信鏈路會提供麥克風(fēng)陣列50和外殼70之間的信號連接。

MEMS麥克風(fēng)是通常在2.5V下操作并且汲取小于1mA電流的低功率和低電壓設(shè)備。因此，MEMS麥克風(fēng)非常適合于本征安全的保護(hù)方法。圖5示出了連接在危險(xiǎn)區(qū)域中的MEMS麥克風(fēng)陣列160和電源158之間的示例性本征安全電路150。電路150利用限流電阻器156和齊納二極管152A，152B；在該示例性實(shí)施例中冗余地使用兩個(gè)齊納二極管。齊納二極管是這樣的二極管：不但允許電流以與理想二極管相同的方式在正向方向上流動，而且當(dāng)電壓高于被稱為擊穿電壓的特定的明確定義的值時(shí)，準(zhǔn)許該電流在反向方向上流動。如果在儀器安全區(qū)域內(nèi)部生成意外的高電壓，則通過齊納二極管的高反向電流會導(dǎo)致保險(xiǎn)絲154在電能被傳送到位于危險(xiǎn)區(qū)域中的麥克風(fēng)陣列160之前被燒斷。

如圖6所示，在采用MEMS麥克風(fēng)陣列的氣體泄漏檢測器系統(tǒng)150的示例性實(shí)施例中，對九個(gè)MEMS麥克風(fēng)(152a至152i)的輸出進(jìn)行信號調(diào)理(153a至153i)，然后如果麥克風(fēng)輸出是模擬的，則進(jìn)行數(shù)字化153，并且由超聲波氣體泄漏檢測器150進(jìn)一步處理，其包括電子控制器155(例如，數(shù)字信號處理器(DSP))、ASIC或基于微計(jì)算機(jī)或基于微處理器的系統(tǒng)。對于麥克風(fēng)提供數(shù)字化輸出的情況，信號調(diào)理153a至153i包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，并且不需要內(nèi)部ADC 153。在示例性實(shí)施例中，信號處理器155可以包括DSP，盡管可以可替代地采用其它設(shè)備或邏輯電路用于其它應(yīng)用和實(shí)施例。在示例性實(shí)施例中，信號處理器155還包括作為串行通信接口(SCI)的雙通用異步接收/發(fā)送器(UART)151、串行外圍接口(SPI)152、內(nèi)部ADC 153(如果需要)、用于外部存儲器(SRAM)21的外部存儲器接口(EMIF)154、以及用于片上數(shù)據(jù)存儲的非易失性存儲器(NVM)156。Modbus 91或HART 92協(xié)議可以用作通過UART 151的串行通信的接口。這兩個(gè)協(xié)議在加工工業(yè)中是公知的，連同諸如PROFIbus、Fieldbus和CANbus之類的其它協(xié)議，用于將現(xiàn)場儀表接口到用戶的計(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器(PLC)。在示例性實(shí)施例中，信號處理器155通過SPI 152連接到多個(gè)其它接口。這些接口可以包括外部NVM 22、警報(bào)繼電器23、故障繼電器24、顯示器25和模擬輸出26。

在示例性實(shí)施例中，模擬輸出26可以產(chǎn)生介于0毫安和20毫安(mA)之間的指示電流水平，其可以用于觸發(fā)補(bǔ)救動作，諸如僅作為示例，依照既定的設(shè)施協(xié)議來關(guān)閉處理設(shè)備。模擬輸出26處的第一電流水平(例如，介于4mA和20mA之間)可以指示氣體泄漏，模擬輸出26處的第二電流水平(例如，4mA)可以指示正常操作(例如，當(dāng)不存在氣體泄漏時(shí))，并且模擬輸出26處的第三電流水平(例如，0mA)可以指示可能由諸如電氣故障之類的條件導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。在其它實(shí)施例中，可以選擇其它電流水平來表示各種條件。

在示例性實(shí)施例中，如下文更全面地討論的，信號處理器155被編程為執(zhí)行信號預(yù)處理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)處理。如下文更全面地描述的，信號處理器155執(zhí)行波束成形功能。在檢測到來自氣體泄漏的超聲波時(shí)，所計(jì)算的超聲波的到達(dá)方位角和仰角(Ф，θ)連同所測量的聲壓級(SPL)可以經(jīng)由顯示器25、Modbus或HART(91或92)傳送給用戶。在要更全面地描述的另一示例性實(shí)施例中，該信息可以用于將氣體泄漏SPL和方向坐標(biāo)重疊到被監(jiān)視場景的圖像上。

US 2014/0000347詳述了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)如何能夠在超聲波氣體泄漏檢測器中用于區(qū)分由加壓氣體泄漏生成的超聲波與由例如機(jī)械或生物源產(chǎn)生的噪擾超聲波。ANN可以與聲壓級(SPL)閾值(US2014/0000347A1的圖2)結(jié)合使用，或者避開使用SPL閾值(US2014/0000347A1的圖5)。在本示例性實(shí)施例中，在波束成形用于確定所接收的超聲波的DOA的情況下，US2014/0000347 A1的教導(dǎo)可以用于確定所接收的超聲波能量是從加壓氣體泄漏(威脅)發(fā)出還是從噪擾源(假警報(bào))發(fā)出。可以使用來自屬于兩個(gè)ULA的任何MEMS麥克風(fēng)的信號來執(zhí)行SPL測量和ANN計(jì)算。在DOA繪圖示出了單個(gè)超聲波源的實(shí)例中，可以標(biāo)識加壓氣體泄漏或噪擾超聲波的方向?；诜茿NN的信號處理還可以用于區(qū)分氣體泄漏與噪擾超聲波的存在?？商娲兀暡怏w泄漏檢測器可以是簡單閾值設(shè)備，其沒有用來區(qū)分氣體泄漏超聲波與噪擾超聲波的裝置。因此，使用ULA和DOA計(jì)算的波束成形獨(dú)立于超聲波氣體泄漏檢測器的氣體泄漏區(qū)分能力。如更早所提及的，SPL閾值(例如，65dB)可以與DOA信息一起使用以判定對用戶動作的需求：這樣的閾值消除了對所檢測到的低水平的氣體泄漏或噪擾超聲波的警報(bào)的觸發(fā)。

圖7是可以通過對數(shù)字信號處理器155(圖6)的合適編程來實(shí)施的示例性定向超聲波氣體檢測器的示例性功能方框圖200。對包括例如圖1的兩個(gè)垂直ULA的九個(gè)模擬(在該示例性實(shí)施例中)MEMS麥克風(fēng)(152a至152i)的輸出進(jìn)行信號調(diào)理(153a至153i)，然后進(jìn)行數(shù)字化211，通常被指示為210。然后對傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)用處理算法220，包括如美國公開申請US2014/0000347A1中所詳述的信號預(yù)處理221、ANN驗(yàn)證功能222和后處理224、以及聲壓計(jì)算223。例如，在圖3的流程圖中描述的波束成形100提供了入射超聲波的到達(dá)角和峰值。在示例性實(shí)施例中，比較所計(jì)算的聲壓級(SPL)223與預(yù)設(shè)閾值227，同時(shí)后處理的ANN確定麥克風(fēng)信號是否由實(shí)際氣體泄漏225生成。在示例性實(shí)施例中，判定方框225和227的組合產(chǎn)生四種組合：

輸出狀態(tài)228A是對于這樣的組合：(1)氣體泄漏(是)；

并且(2)SPL>閾值(是)

輸出狀態(tài)228B是對于這樣的組合：(1)氣體泄漏(否)；

并且(2)SPL>閾值(是)

輸出狀態(tài)228C是對于這樣的組合：(1)氣體泄漏(是)；

并且(2)SPL>閾值(否)

輸出狀態(tài)228D是對于這樣的組合：(1)氣體泄漏(否)；

并且(2)SPL>閾值(否)

輸出狀態(tài)228A與真實(shí)氣體泄漏的情況相對應(yīng)，其中超聲波超過SPL閾值227，并且從所計(jì)算的(Ф，θ)方位角和仰角發(fā)出。閾值227可以被認(rèn)為是氣體檢測閾值；用戶可以選擇在輸出方框230中為警報(bào)繼電器23設(shè)置較高的警報(bào)閾值。輸出狀態(tài)228B與這樣的情形相對應(yīng)：所測量的大SPL已被診斷為不是由氣體泄漏引起、而是由以所計(jì)算的(Ф，θ)方位角和仰角所定位的假警報(bào)源引起。輸出狀態(tài)228C與真實(shí)氣體泄漏的檢測相對應(yīng)，但是在幅值上足夠小以產(chǎn)生小于閾值127的SPL。輸出狀態(tài)228C可以被認(rèn)為是輕微泄漏，或者向用戶提供更大的緊急泄漏的警告。用戶通常不會采取糾正動作，但被建議更密切地監(jiān)測該設(shè)施。輸出狀態(tài)228D與沒有發(fā)生什么的情形相對應(yīng)；沒有氣體泄漏的證據(jù)，在波束成形繪圖中沒有峰值，其中背景SPL的值被認(rèn)為無關(guān)緊要。輸出狀態(tài)228D典型的是安靜工業(yè)環(huán)境，諸如遠(yuǎn)程陸上井口。

現(xiàn)在參照圖8，描繪了超聲波氣體泄漏檢測器250的另一示例性實(shí)施例的特征，其描繪了氣體泄漏檢測器的功能方框圖。該實(shí)施例類似于圖7中描繪的實(shí)施例。然而，在該示例性實(shí)施例中，信號處理器155被編程為實(shí)施處理算法220'，其中，如圖7的方框227所示，沒有對根據(jù)聲壓計(jì)算223計(jì)算的SPL與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較。相反，所計(jì)算的SPL 229被直接發(fā)送到輸出方框230。同時(shí)，經(jīng)后處理的ANN經(jīng)由判定方框225來確定超聲波是由輸出狀態(tài)232指示的真實(shí)氣體泄漏生成、還是由輸出狀態(tài)231所示的假警報(bào)生成。然后，輸出方框230經(jīng)由警報(bào)繼電器23、顯示器25、模擬輸出26和外部通信接口(諸如Modbus 91和HART 92)的輸出功能來通知用戶真實(shí)氣體泄漏的存在(根據(jù)輸出狀態(tài)232)、AOA方向27(Ф，θ)和嚴(yán)重性(SPL，以dB為單位)(根據(jù)信號229)。如果所計(jì)算的SPL被示出為根據(jù)判定方框225經(jīng)由輸出狀態(tài)231通過假警報(bào)來產(chǎn)生，則輸出方框230可以類似地經(jīng)由顯示器25、模擬輸出26和外部通信接口(諸如Modbus 91和HART 92)來通知用戶假警報(bào)事件及其嚴(yán)重性(以dB為單位)；然而，在由輸出狀態(tài)231指示的假警報(bào)事件的情況下，可能不會激活警報(bào)繼電器23。

在示例性實(shí)施例中，氣體泄漏的方向可以經(jīng)由參照掃掠聲音錐體的中心軸的角度方位角和仰角(Ф，θ)角度坐標(biāo)而傳送給用戶。所測量的波束成形峰值大小和氣體泄漏的方向也可以經(jīng)由描繪聲音錐體中的氣體泄漏的方向的圖形圖示來傳達(dá)，例如，經(jīng)由離散LED或點(diǎn)陣顯示器。

為了以視覺、實(shí)踐和定量的方式更好地向用戶傳達(dá)泄漏氣體的方向和尺寸，更復(fù)雜的實(shí)施例可以通過使用一致的光學(xué)視場將可視信息疊加在圖像顯示器上來在錐形掃描中顯示超聲波能量的到達(dá)角(AoA)(圖7或圖8的27)。因此，用戶可以看到氣體泄漏的實(shí)際位置以及SPL值，其形象化地重疊在設(shè)備的圖像上，該設(shè)備可能是產(chǎn)生在幾米之外可檢測的強(qiáng)烈的超聲波能量的氣體泄漏的源。雖然深度或距離信息不是由單個(gè)2維平面麥克風(fēng)陣列提供的，但根據(jù)圖像而清楚的是，超聲波能量從可疑設(shè)備發(fā)出而不是在其間的空氣空間發(fā)出。這種視覺圖像還具有以下優(yōu)點(diǎn)：已知的友好氣體泄漏(諸如用于維護(hù)目的的加壓空氣釋放)可以由用戶帶出(zoned out)。還可以容易地監(jiān)測由機(jī)械生成的超聲波噪聲的增加，同時(shí)使用諸如更早所描述的ANN之類的技術(shù)來區(qū)分這種超聲波噪擾與實(shí)際氣體泄漏。進(jìn)一步的益處包括記錄和回放引起警報(bào)(或假警報(bào))的事件的超聲疊加圖像，包括設(shè)備故障的突出顯示、事件的時(shí)間演變、以及工業(yè)設(shè)施的安全方面。這種超聲疊加的圖像可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)攝像頭或在內(nèi)部安全攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)上而連續(xù)監(jiān)測。

實(shí)施在用于危險(xiǎn)環(huán)境中的工業(yè)應(yīng)用的可見圖像上疊加超聲波能量通常涉及低成本MEMS麥克風(fēng)陣列、適于危險(xiǎn)場所的殼體中的模擬和數(shù)字電子器件、以及工業(yè)成像器。這種對可燃和有毒的真實(shí)世界氣體泄漏的超聲成像通過常規(guī)點(diǎn)和開放路徑氣體檢測器以及紅外氣體成像解決方案為固定氣體檢測裝置提供了巨大的益處。紅外氣體云成像相機(jī)價(jià)格高昂，它們的靈敏度隨著被監(jiān)測的氣體而變化很大，并且它們的性能在很大程度上取決于泄漏氣體云溫度和背景溫度之間的差別。由于這樣的原因，紅外氣體云成像相機(jī)不容易在工業(yè)固定氣體檢測裝置中采用，盡管它們能夠在數(shù)百米內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程氣體云檢測。

上文所描述的超聲波方案不存在與紅外氣體云成像相關(guān)聯(lián)的許多缺點(diǎn)。超聲波氣體泄漏檢測、定位和成像的主要要求在于泄漏氣體處于壓力下，而不管其是否是可燃的、有毒的或惰性的，并且在于氣體泄漏處于至多幾十米的距離處(通常少于30米或50米)。在這些條件下，可以使用超聲波氣體泄漏檢測器容易地檢測到大量烴氣體、有毒氣體以及甚至惰性氣體(諸如氦氣)的加壓氣體泄漏。使用超聲波氣體泄漏檢測器可以容易地檢測到不能通過光學(xué)或紅外裝置檢測到的高度可燃?xì)怏w(諸如氫氣)，同時(shí)可以在上文所描述的可見成像方案上存在超聲波疊加的情況下使用波束成形陣列來呈現(xiàn)泄漏位置信息。

圖9描繪了生成超聲波的聲學(xué)源300的屏幕快照；該聲學(xué)源放置在使用來自National Instruments的LabVIEW顯示的可見相機(jī)圖像的中間。圓圈302是聲源的矢量位置，其由上文所描述的時(shí)間延遲與求和波束成形器100計(jì)算并且疊加在可見圖像上。如果聲學(xué)源移動到不同的位置，則圓圈將跟隨聲學(xué)源。指針304，306指示聲源的水平角坐標(biāo)和垂直角坐標(biāo)。水平方向?yàn)?0度，并且因此在MEMS麥克風(fēng)陣列軸線上。垂直方向?yàn)?5度，并且因此在MEMS麥克風(fēng)陣列軸線下方5度。所測量的SPL被示出為69dB，并且大于被設(shè)置為65dB的閾值。

在另一實(shí)施例中，由波束成形器針對每個(gè)掃描角方向測量的超聲波的幅值可以疊加在對應(yīng)的可見圖像像素上，從而提供所觀察的場景的連續(xù)超聲波圖。對于示例性實(shí)施例，對于72個(gè)方位角掃描角方向中的每個(gè)方位角掃描角方向，還存在產(chǎn)生72×72個(gè)掃描角方向的矩陣的72個(gè)仰角掃描角方向，其中波束成形器計(jì)算在該示例中總共5184個(gè)方向的72×72方向中的每個(gè)方向的超聲波幅值。這些超聲波幅值可以重疊在對應(yīng)的可見圖像像素區(qū)域上，例如，使用如對于使用熱成像器的溫度測量所進(jìn)行的顏色編碼方案?？商娲?，每個(gè)位置處的數(shù)值形式的超聲波幅值可以以疊加方式顯示到所觀察的場景的圖像上。

圖10示意性地示出了表示被監(jiān)視的場景的顯示器，其中，定向聲學(xué)檢測器具有以危險(xiǎn)場所中的設(shè)備500(例如，壓縮機(jī))為中心的視場。波束成形陣列會生成指示由設(shè)備的不同部分所生成的超聲波SPL的信號。該示例中的設(shè)備的部分會生成比其它設(shè)備更強(qiáng)烈的超聲波SPL，從而產(chǎn)生當(dāng)波束成形器在方位角和仰角方向上連續(xù)掃描時(shí)的局部最大值或峰值。圖10示出了當(dāng)波束成形器在方位角和仰角方向上連續(xù)掃描時(shí)所測量的幾個(gè)峰值幅值。計(jì)算機(jī)SPL幅值被疊加在被監(jiān)視的場景的圖像上；在圖10的示例性實(shí)施例中，在顯示器中僅顯示大于或等于63dB的閾值的SPL值。因此，連續(xù)掃描波束成形陣列能夠監(jiān)測壓縮機(jī)，并且提供來自壓縮機(jī)的不同部分的超聲波發(fā)射的記錄。這些信息可能對維護(hù)和過程人員有用。

盡管前述已經(jīng)對主題的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述和說明，但是在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行對其進(jìn)行各種修改和改變。