具有虚假警报辨别的超声波气体泄漏检测器的制造方法

具有虚假警报辨别的超声波气体泄漏检测器的制造方法
【专利摘要】一种超声波气体泄漏检测器被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超声波与虚假警报超声波。示例性实施方案包括用于检测超声波能量并提供传感器信号的传感器系统，和响应于所述传感器信号的电子控制器。在一个示例性实施方案中，所述电子控制器被配置成提供：阈值比较器函数，以将代表感测的超声波能量与气体检测阈值进行比较；和人工神经网络(ANN)函数，其用于处理从数字传感器信号得到的信号并应用被配置为辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数。输出函数根据阈值比较器输出和ANN输出生成检测器输出。传感器系统可包括宽带传感器和一个或多个窄带传感器。
【专利说明】具有虚假警报辨别的超声波气体泄漏检测器
[0001] 发明背景
[0002] 超声波气体泄漏检测器测量当气体从较高的压力逸出至周围空气时由湍流产生 的声压波。这种气体泄漏检测器用作工业安全设备用于监控易燃或有毒气体的不希望地或 意外地释放入空气中。在泄漏进一步增多之前，需快速确定泄漏，以便允许及时采取补救行 动。
[0003] 常规超声波气体泄漏检测器为阈值设备，其无法辨别由其它人造源或天然源（例 如，机器、放电、声学扬声器或生物源）产生的超声波与真实气体泄漏产生的超声波。利用 这种超声波气体泄漏检测器来减少虚假警报，防止假性跳脱以及避免成本高且无保证的进 程关闭的方法是提高警报阈值水平，使其高于背景超声波水平数分贝。提高警报阈值水平 的缺点是减小了气体泄漏的检测距离，从而减小了总的覆盖区域，或直至泄漏非常严重才 发现，经常造成灾难性后果。另一种针对虚假警报的预防是使用长时间延时，在发生危险气 体泄漏的情况下，长时间延时会导致不希望的补救行动耽搁，这抵消了超声波气体泄漏检 测器所固有的反应时间快的优点。
[0004] 常规超声波气体泄漏检测器（其功能取决于阈值和延时）的另一个缺点是无法有 效且现场核实其性能，且在保证测试间隔内无法进行功能性安全检验。常规气体泄漏检测 器无法区分由真实气体释放发出的声音与由用于周期性系统性能检验的远距离超声波测 试源发出的声音。对于工业设施而言，这是导致绕过关键保证测试或显著操作成本负担的 主要不便。在没有由禁用警报而导致的中断的情况下，常规超声波气体泄漏检测器使得维 修人员无法对气体泄漏检测器进行测试。
[0005] 附图简述
[0006] 通过结合附图阅读以下详细描述，本领域的技术人员将很容易理解本公开的特征 和优点，其中：
[0007] 图1是具有虚假警报辨别的超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意 框图。
[0008] 图2是图1中的检测系统的特征的功能框图。
[0009] 图3是图2中的检测系统利用的预处理函数的示例性流程图。
[0010] 图4图示了图2中的检测系统利用的人工神经网络（ANN)处理的示例性实施方 案。
[0011] 图5是具有虚假警报辨别力的超声波气体泄漏检测系统的另一个示例性实施方 案的功能框图。
[0012] 图6是利用单个声传感器的超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意 框图。
[0013] 图7是利用多个具有窄带频率响应的声传感器的超声波气体泄漏检测系统的示 例性实施方案的示意框图。
[0014] 图8是利用多个具有窄带频率响应的声传感器和具有宽频率响应的声传感器的 超声波气体泄漏检测系统的示例性实施方案的示意框图。
[0015]图9是图8中的多个声传感器的频率响应的图形表示。
[0016]图10是图8中的多频谱超声波气体泄漏检测系统的特征的功能框图。
[0017] 图11是图8中的超声波气体泄漏检测系统利用的预处理函数的示例性流程图。
[0018] 图12图示了图8中的多频谱超声波气体泄漏检测系统利用的人工神经网络（ANN) 处理的示例性实施方案。
[0019]图13是多频谱超声波气体泄漏检测系统的另一个示例性实施方案的功能框图。

【具体实施方式】
[0020] 在以下详细描述以及数个附图中，相同元件以相同附图标记表示。出于说明的目 的，附图未按比例绘制，且相对特征尺寸可能被放大。
[0021] 图1图示了示例性超声波气体泄漏检测系统1的示意框图，其包括作为感测元 件的超声波传声器2。在示例性实施方案中，超声波传声器2可以是例如由丹麦霍尔特的 G.R.A.S.SoundandVibration、德国格费尔的MicrotechGefellGmbH，或丹麦奈鲁姆的 BruelKjaer制造的预极化压力传声器。超声波区域定义为超出人类听觉的频率范围，健康 年轻成人的听觉频率大约从20kHz开始。与较低的超声波频率相比，较高的超声波频率在 空气中衰减得更快，因此超声波气体泄漏检测系统的实际应用通常是针对小于100kHz的 频率。
[0022] 在另一个不例性实施方案中，超声波传声器2可以是光纤传声器（F0M)。适于该目 的的示例性F0M由德国韦德马克的SennheiserElectronicGmbH制造。光纤传声器的另 一个制造商是以色列MoshavMazor的Optoacoustics。
[0023] 在再另一个不例性实施方案中，超声波传声器2可以是基于MEMS(微电子机械系 统）技术的微型传声器，其可在远超15kHz可听范围且在100kHz外的超声波频率范围工 作。这种MEMS传声器可安装在印刷电路板（PCB)上，并容纳在允许超声波能量传递至感测 元件的环境坚固的机械外壳内。可以此方式使用的示例性MEMS传声器是由伊利诺斯州伊 塔斯加的KnowlesAcoustics制造的SiSonicTM表面安装传声器。在适于在危险地方操作 的示例性实施方案中，MEMS传声器可容纳在阻焰器后面。这种阻焰器在允许声能从外部环 境流动至传声器的同时，阻止点燃的火焰从传声器外壳结构内传输至外部环境。这种保护 方法被称为防爆或防焰。为行业和政府监管机构所广泛接受的防爆或防焰设计标准中的一 些有加拿大标准协会的CSAC22. 2第30-M1986号、工厂互保研究中心（FactoryMutual) 的FM3600和3615,以及国际电工委员会的IEC60079-0和IEC60079-1。其它保护方法 可用于其它环境保护要求，例如如国际电工委员会的IEC60529中描述的防止固体物、液 体进入以及机械冲击。
[0024] 无论传声器类型以及所利用的保护概念如何，由传声器2生成的模拟信号被模拟 数字转换器（ADC)3转换成数字信号。在示例性实施方案中，ADC3提供了具有12-位带符 号整数分辨率和200kHz的采样速率的信号4。
[0025] 在示例性实施方案中，超声波气体泄漏检测系统1包括电子控制器5,例如数字信 号处理器（DSP)、ASIC或基于微型计算机或微处理器的系统。在示例性实施方案中，信号 处理器5可包括DSP，然而可替代地，其它应用和实施方案中可采用其它装置或逻辑电路。 在示例性实施方案中，信号处理器5还包括作为串行通信接口（SCI)的双通用异步收发器 (UART)51、串行外围接口（SPI)52、内部ADC53、用于外部存储器（SRAM)21的外部存储器接 口（EMIF) 54和用于片上数据存储器的非易失存储器（NVM) 55。Modbus91或HART92协议 可用作通过UART51进行串行通信的接口。这两个协议以及其它用于将现场仪表接口连接 至用户计算机或可编程逻辑控制器（PLC)的协议（例如，PROFIbus、Fieldbus和CANbus) 在过程工业中是熟知的。
[0026] 在示例性实施方案中，信号处理器5通过SPI52从ADC3接收数字检测器信号4。 在示例性实施方案中，信号处理器5通过SPI52连接至多个其它接口。这些接口可包括外 部NVM22、实时时钟23、警报继电器24、故障继电器25、显示器26和模拟输出27。
[0027] 在示例性实施方案中，模拟输出27可产生0至20毫安（mA)的指示电流电平，其 可根据制定的设施协议用于触发补救行动，例如（仅作为实例）关闭过程设备。模拟输出 27处的第一电流电平（例如，在4mA与20mA之间）可指示气体泄漏，模拟输出27处的第二 电流电平（例如，4mA)可指示正常工作（例如，没有出现气体泄漏时），且模拟输出27处的 第三电流电平（例如，为0mA)可指示系统故障，该系统故障可能是由一些状况（例如，电气 故障）引起的。在其它实施方案中，可选择其它电流电平来表示各种状况。
[0028] 在示例性实施方案中，超声波气体泄漏检测系统1也可包括温度传感器6,其用于 提供指示气体检测器系统的周围温度的温度信号7以进行后续温度补偿。温度检测器6可 连接至信号处理器5的内部ADC53,其将温度信号7转换成数字表示。
[0029] 在示例性实施方案中，可对信号处理器5进行编程以使其执行如下面更完整地讨 论的信号预处理和人工神经网络（ANN)处理。
[0030] 图2是示例性气体检测系统的示例性功能框图100。该系统包括传感器数据收集 功能110,该功能从传声器传感器收集模拟传感器信号111，并将传感器信号转换成数字形 式112以便数字信号处理器进行处理。然后，将处理算法120应用于传感器数据，包括信号 预处理121、ANN验证函数122、声压计算123和后处理124,以确定传感器状态。在示例性 实施方案中，将计算的声压级（SPL)与预设阈值126进行比较，而后处理ANN确定传声器信 号是否由真实气体泄漏125生成。在示例性实施方案中，决策块125和126的组合会导致 四种组合：
[0031] 输出状态127A: (1)有气体泄漏与（2)SPL大于阈值的组合
[0032] 输出状态127B: (1)没有气体泄漏与（2)SPL大于阈值的组合
[0033] 输出状态127C: (1)有气体泄漏与（2)SPL不大于阈值的组合
[0034] 输出状态127D: (1)没有气体泄漏与（2)SPL不大于阈值的组合
[0035] 输出状态127A与真实气体泄漏以及超过SPL阈值（126)的情况对应。可将阈值 (126)看作气体检测阈值；用户可选择为输出块128内的警报继电器24设置较高的警报阈 值。输出状态127A还包括存在虚假警报（背景噪声）时更普遍的真实气体泄漏情况，这是 因为ANN被训练成将这种情况分类为真实气体泄漏。输出状态127B与已断定所测量的很 大的SPL并非由气体泄漏而是由虚假警报源引起的情况对应。输出状态127C与检测出真 实气体泄漏，但是在量值上不足以产生小于阈值（126)的SPL的情况对应。可将输出状态 127C看作是轻微泄漏，或者是提醒用户即将发生较大的泄漏。用户通常不需要采取纠正行 动，但是建议其更密切地监控设施。输出状态127D与什么都没发生的情况对应，即没有气 体泄漏的迹象，且背景SPL的值无关紧要。输出状态127D是典型的安静工业环境，例如偏 远的陆上井口。
[0036] 来自输出状态127A、127B、127C和127D的信息通过输出块128被连续传输至继电 器24和25、显示器26、模拟输出27以及外部通信接口，例如Modbus91和HART92。用户 可对输出块128进行编程以限定向各种用户界面发送的内容，例如显示器可指示SPL，无论 其是由气体泄漏还是虚假警报引起的，或显示器可仅指示确定由真实气体泄漏引起的SPL。 用户还可对输出块128进行配置以仅直接示出通过129测量和传输的SPL，无论是在输出 状态127A、127B、127C和127D的哪一种状态；以此方式，根据需要，可临时或永久性地绕过 ANN的处理和决策。用户也可通过输出块128设置高于决策块126中使用的最小气体检测 阈值的警报SPL阈值来激活警报继电器24。用户也可对输出块128进行编程使其具有用户 可设置的延时以确保由ANN确定的气体泄漏在通过例如警报继电器24采取纠正行动之前 持续一定时间。
[0037] 图1和图2中描述的超声波气体泄漏检测系统1的示例性实施方案提供了用于辨 别由压缩气体泄漏入空气中产生的超声波与附近的其它机械源、电气源、声源或生物源产 生的超声波的方法。来自这种其它源的超声波（被分类为虚假警报）可产生很大的用现 有技术超声波气体泄漏检测器读取的背景超声波：该高背景导致需提高警报级别，将其设 置为通常高于背景超声波6分贝。提高警报级别的缺点是减小了气体泄漏的检测距离，从 而减小了总覆盖区域，导致区域气体泄漏监控器更像点气体泄漏检测器。此外，真实气体泄 漏可能被忽略，直至泄漏非常严重才发现，经常造成灾难性后果。通过使用延时，也可利用 现有技术超声波气体泄漏检测器来处理产生瞬时或短暂超声波的虚假警报源，在发生危险 气体泄漏的情况下，其会导致所不希望的补救行动延迟。一种用于可靠地辨别并量化气体 泄漏的方法为降低警报级别提供了空间，从而扩展了检测范围和覆盖区域，并为减少补救 行动延时提供了空间。这种方法可使超声波气体泄漏检测系统能够提供一个或多个以下益 处：（1)区域监控器、（2)基于声速的反应时间，和（3)由于滋扰警报减少而导致的整个过程 生广的提商。
[0038] 在示例性实施方案中，从传声器2的模拟信号周期性地被ADC3转换成数字形式。 如图2所示，在数字化传感器信号上执行预处理121。在示例性实施方案中，预处理函数121 的目的是建立信号频率与时域之间的相关性。在图3所示的示例性实施方案中，预处理函 数121包括应用211数据加窗函数和应用212联合时频域分析（JTFA)函数。在示例性实 施方案中，数据加窗函数211涉及应用汉宁、汉明、Parzen、矩形、高斯、指数窗函数之一或 其它合适的数据加窗函数。在示例性实施方案中，数据加窗函数211包括汉明窗函数，其由 余弦型函数描述：

【权利要求】
1. 一种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超声 波与附近的其它机械源、电气源、声源或生物源产生的虚假警报超声波，所述检测器包括： 传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号； 电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，所述电子控制器包 括： 阈值比较器，其将代表感测的超声波能量的传感器信号值与气体检测阈值进行比较以 确定所述传感器信号值是否超过所述气体检测阈值，从而提供指示是否可能已检测出气体 泄漏的阈值比较器输出； 人工神经网络（ANN)，其用于处理从所述数字传感器信号得到的信号，并且应用被配 置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的 ANN输出； 输出决策，其用于根据所述阈值比较器输出和所述ANN输出生成检测器输出。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器为MEMS传声器。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器为光纤传声器。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中代表感测的超声波能量的所述传感器信号值为计 算的声压值。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中所述输出决策提供至少四种输出状态，其中： 第一输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与阈值比较器输出信号 指示可能已检测到气体泄漏的组合； 第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示可能已检测到气体泄漏的组合； 第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及 第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述第二输出状态与断定所述声压值并非由真实 气体泄漏引起的检测状态对应。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中所述第三输出状态与检测到在量值上不足以产生 小于所述气体检测阈值的声压值的真实气体的泄漏对应。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述第三输出状态与检测到轻微泄漏对应。
9. 一种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超声 波与虚假警报超声波，所述检测器包括： 传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号； 电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，所述电子控制器被配 置成提供： 预处理函数，其包括被配置为对所述数字传感器信号进行联合时频信号预处理以提供 预处理信号的算法； 声压计算函数，其响应于所述预处理信号以提供代表由所述传感器感测的声压的计算 声压值； 阈值比较器函数，其将所述计算声压值与气体检测阈值进行比较以确定所述计算声压 值是否超过所述气体检测阈值，并提供指示是否已超过所述气体检测阈值的阈值比较器输 出； 人工神经网络（ANN)函数，其用于处理所述预处理信号并应用被配置成辨别虚假警报 源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已检测到气体泄漏的ANN决策的ANN输出； 输出函数，其用于根据所述阈值比较器输出和所述ANN输出生成检测器输出。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述算法适于执行离散傅里叶变换、具有移动时 窗的短时傅里叶变换或离散小波变换之一。
11. 根据权利要求9所述的系统，其中所述传感器为超声波传声器。
12. 根据权利要求9所述的系统，其中所述检测器输出提供至少四种输出状态，其中： 第一输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与阈值比较器输出信号 指示可能已检测到气体泄漏的组合； 第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示可能已检测到气体泄漏的组合； 第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及 第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合。
13. 根据权利要求12所述的系统，其还包括警报继电器，且其中由所述电子控制器生 成的所述检测器输出被配置成在所述第一输出状态的情况下激活所述警报继电器。
14. 根据权利要求9所述的系统，其中所述ANN函数包括应用存储于所述电子控制器的 存储器中的预定训练连接权重，所述权重是暴露至由真实气体泄漏、包括机械源、电气源、 声源或生物源的虚假警报源以及真实气体泄漏与虚假警报源的组合产生的超声波的多个 组合的结果。
15. -种超声波气体泄漏检测器，其被配置为辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超 声波与虚假警报，所述检测器包括： 传感器，其用于检测超声波能量并提供传感器信号； 电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，所述电子控制器被配 置成提供： 计算函数，其用于生成代表感测的超声波能量的传感器信号值； 人工神经网络（ANN)函数，其用于处理从所述数字传感器信号得到的信号，并应用被 配置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并且提供指示是否已检测到气体泄漏的决 策的ANN输出，所述ANN输出包括至少两种输出状态，其中第一 ANN输出状态指示已检测到 气体泄漏，且第二ANN输出状态指示未检测到气体泄漏； 系统输出函数，其用于生成指示所述ANN输出和所述传感器信号值的检测器输出。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中所述系统输出函数根据所述ANN输出生成第一 检测器输出，和指示所述传感器信号值的第二检测器输出。
17. 根据权利要求15所述的系统，其中代表感测的超声波能量的所述传感器信号值为 计算声压值。
18. 根据权利要求15所述的系统，其中： 所述电子控制器还被配置为提供包括算法的预处理函数，所述算法被配置为对所述数 字传感器信号进行联合时频信号预处理以提供预处理信号；且 所述计算函数和所述ANN函数均对所述预处理信号进行处理以提供所述传感器信号 值和所述ANN输出。
19. 根据权利要求18所述的系统，其中所述算法适于执行离散傅里叶变换、具有移动 时窗的短时傅里叶变换或离散小波变换之一。
20. 根据权利要求15所述的系统，其还包括： 阈值比较器函数，其将所述计算声压值与气体检测阈值进行比较以确定所述计算声压 值是否超过所述气体检测阈值，并提供指示是否已超过所述气体检测阈值的阈值比较器输 出； 输出函数，其用于根据所述阈值比较器输出与所述ANN输出的组合生成检测器输出。
21. -种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超 声波与附近的其它机械源、电气源、声源或生物源产生的虚假警报超声波，所述检测器包 括： 传感器系统，其用于检测超声波能量并提供传感器信号，所述传感器系统包括宽带传 感器和至少一个窄带传感器； 电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，所述电子控制器包 括： 阈值比较器，其将代表感测的超声波能量的传感器信号值与气体检测阈值进行比较以 确定所述传感器信号值是否超过所述气体检测阈值，从而提供指示是否已检测出气体泄漏 的阈值比较器输出； 人工神经网络（ANN)，其用于处理从所述数字传感器信号得到的信号，并应用被配置 成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并且提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的 ANN输出； 输出决策，其用于基于所述阈值比较器输出和所述ANN输出生成检测器输出。
22. 根据权利要求21所述的检测器，其中所述宽带传感器为MEMS传声器和光纤传声器 之一。
23. 根据权利要求21所述的检测器，其中所述窄带传感器为压电传声器。
24. 根据权利要求21所述的检测器，其中所述代表感测的超声波能量的传感器信号值 为计算的声压值。
25. 根据权利要求24所述的检测器，其中所述输出决策提供至少四种输出状态，其中 第一输出状态来自ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与阈值比较器输出信号指示 可能已检测到气体泄漏的组合； 第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示可能已检测到气体泄漏的组合； 第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及 第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合。
26. 根据权利要求25所述的检测器，其中所述第二输出状态与断定所述声压值并非由 真实气体泄漏引起的检测状态对应。
27. 根据权利要求25所述的检测器，其中所述第三输出状态与检测到在量值上不足以 产生小于所述气体检测阈值的声压值的真实气体泄漏对应。
28. 根据权利要求27所述的检测器，其中所述第三输出状态与检测到轻微泄漏对应。
29. 根据权利要求21所述的检测器，其中所述至少一个窄带传感器包括多个在可听至 超声波频率范围内具有不重叠峰值频率响应的窄带传感器。
30. 根据权利要求29所述的检测器，其中所述多个窄带传感器的至少其中之一的频带 与由滋扰声源产生的频率对应。
31. 根据权利要求29所述的检测器，其中所述多个窄带传感器包括各自在10kHz、 25kHz、40kHz和55kHz具有峰值频率响应并具有大约3kHz的带宽的四个传感器。
32. -种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超 声波与虚假警报超声波，所述检测器包括： 传感器系统，其用于检测超声波能量并提供传感器信号，所述传感器系统包括宽带传 感器和各自具有不重叠频率响应的多个窄带传感器，所述宽带传感器和所述多个窄带传感 器在物理上接近并被配置为从远距离气体泄漏和其它声源接收声信号； 电子控制器，其响应于各个数字传感器信号，所述各个数字传感器信号的每一个代表 对应的来自所述宽带传感器和所述多个窄带传感器的各个传感器信号，所述电子控制器被 配置成提供： 预处理函数，其包括被配置为对数字传感器信号进行联合时频信号预处理以提供与超 声波频带对应的预处理信号的算法； 声压计算函数，其响应于所述预处理信号以提供代表由所述传感器感测的超声波声压 的计算声压值； 阈值比较器函数，其将所述计算声压值与气体检测阈值进行比较以确定所述计算声压 值是否超过所述气体检测阈值，并提供指示是否已超过所述气体检测阈值的阈值比较器输 出； 人工神经网络（ANN)函数，其用于处理所述预处理信号，且应用被配置成辨别虚假警 报源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已检测到气体泄漏的ANN决策的ANN输出； 输出函数，其用于基于所述阈值比较器输出和所述ANN输出生成检测器输出。
33. 根据权利要求32所述的检测器，其中所述算法适于执行离散傅里叶变换、具有移 动时窗的短时傅里叶变换或离散小波变换之一。
34. 根据权利要求32所述的检测器，其中所述宽带传感器为超声波传声器，且所述多 个窄带传感器包括压电声传感器。
35. 根据权利要求32所述的检测器，其中所述检测器输出提供至少四种输出状态，其 中： 第一输出状态来自ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与阈值比较器输出信号指示 可能已检测到气体泄漏的组合； 第二输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示可能已检测到气体泄漏的组合； 第三输出状态来自所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合；以及 第四输出状态来自所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏与所述阈值比较器输出 信号指示未检测到气体泄漏的组合。
36. 根据权利要求35所述的检测器，其还包括警报继电器，且其中由所述电子控制器 生成的所述检测器输出被配置成在所述第一输出状态的情况下激活所述警报继电器。
37. 根据权利要求32所述的检测器，其中所述ANN函数包括应用存储于所述电子控制 器的存储器中的预定训练连接权重，所述权重是暴露至由真实气体泄漏、包括机械源、电气 源、声源或生物源的虚假警报源以及真实气体泄漏与虚假警报源的组合产生的超声波的多 个组合的结果。
38. 根据权利要求32所述的检测器，其中所述多个窄带传感器中的至少一个的频带与 由滋扰声源产生的频率对应。
39. -种超声波气体泄漏检测器，其被配置成辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超 声波与虚假警报超声波，所述检测器包括： 传感器系统，其用于检测超声波能量并提供传感器信号，所述系统包括响应于超声波 频率宽带的宽带传感器，和在所述宽带内具有峰值频率响应的至少一个窄带传感器； 电子控制器，其响应于各个数字传感器信号，所述各个数字传感器信号代表每一个来 自所述宽带传感器和所述至少一个窄带传感器的传感器信号，所述电子控制器被配置成提 供： 计算函数，其用于生成代表感测的超声波能量的传感器信号值； 人工神经网络（ANN)函数，其用于处理从所述数字传感器信号得到的信号，应用被配 置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的 ANN输出；所述ANN输出包括至少两种输出状态，其中第一 ANN输出状态指示已检测到气体 泄漏，且第二ANN输出状态指示未检测到气体泄漏； 系统输出函数，其用于生成指示所述ANN输出和所述传感器信号值的检测器输出。
40. 根据权利要求39所述的检测器，其中所述至少一个窄带传感器包括在超声波频率 范围内具有不重叠峰值频率响应的多个窄带传感器。
41. 一种超声波气体泄漏检测器，其被配置为辨别由压缩气体泄漏入空气中产生的超 声波与虚假警报，所述检测器包括： 传感器系统，其用于检测超声波能量并提供传感器信号； 电子控制器，其响应于代表所述传感器信号的数字传感器信号，所述电子控制器被配 置成提供： 计算函数，其用于生成代表感测的超声波能量的传感器信号值； 人工神经网络（ANN)函数，其用于处理从所述数字传感器信号得到的信号，应用被配 置成辨别虚假警报源与气体泄漏的ANN系数，并提供指示是否已检测到气体泄漏的决策的 ANN输出； 系统输出函数，其用于生成指示所述ANN输出和所述传感器信号值的检测器输出。
42. 根据权利要求41所述的检测器，其中所述系统输出函数根据所述ANN输出生成第 一检测器输出，和指示所述传感器信号值的第二检测器输出。
43. 根据权利要求41或42所述的检测器，其中所述传感器系统包括MEMS传声器。
44. 根据权利要求41或42所述的检测器，其中所述传感器系统包括光纤传声器。
45. 根据权利要求41-44中的任一项所述的检测器，其中所述代表感测的超声波能量 的传感器信号值为计算的声压值。
46. 根据权利要求41-45中的任一项所述的检测器，其中所述输出决策函数提供至少 两种输出状态，其中： 第一输出状态为所述ANN输出信号指示已检测到气体泄漏； 第二输出状态为所述ANN输出信号指示未检测到气体泄漏。
47. 根据权利要求41-46中的任一项所述的检测器，其中： 所述电子控制器还被配置为提供包括算法的预处理函数，所述算法被配置为对所述数 字传感器信号进行联合时频信号预处理以提供预处理信号；且 所述计算函数和所述ANN函数均对所述预处理信号进行处理以提供所述传感器信号 值和所述ANN输出。
48. 根据权利要求47所述的检测器，其中所述算法适于执行离散傅里叶变换、具有移 动时窗的短时傅里叶变换或离散小波变换之一。
49. 根据权利要求41-48中的任一项所述的检测器，其还包括： 阈值比较器函数，其将所述计算声压值与气体检测阈值进行比较以确定所述计算声压 值是否超过所述气体检测阈值，并提供指示是否已超过所述气体检测阈值的阈值比较器输 出； 输出函数，其用于根据所述阈值比较器输出与所述ANN输出的组合生成检测器输出。
50. 根据权利要求41-49中的任一项所述的检测器，其中所述传感器系统包括响应于 超声波频率宽带的宽带传感器，和在所述宽带内具有峰值频率响应的至少一个窄带传感 器。
51. 根据权利要求50所述的检测器，其中所述至少一个窄带传感器包括在可听至超声 波频率范围内具有不重叠峰值频率响应的多个窄带传感器。
52. 根据权利要求51所述的检测器，其中所述多个窄带传感器中的至少一个的频带与 由滋扰声源产生的频率对应。
53. 根据权利要求51或52所述的检测器，其中所述多个窄带传感器包括各自在 10kHZ、25kHz、40kHz和55kHz具有峰值频率响应并具有大约3kHz的带宽的四个传感器。
54. 根据权利要求50所述的检测器，其中所述传感器系统包括各自具有不重叠频率响 应的多个窄带传感器，所述宽带传感器和所述多个窄带传感器在物理上接近并被配置为从 远距离气体泄漏和其它声源接收声信号。
55. 根据权利要求41-54中的任一项所述的检测器，其中所述电子控制器包括数字信 号处理器。
【文档编号】G01M3/24GK104412087SQ201380034004
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月22日 优先权日:2012年6月27日
【发明者】J·J·赫塞诺夫, J·G·罗梅罗, S·B·巴利加 申请人:通用显示器公司