本申请要求于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/394,534以及于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/394,566的权益，其要求于2016年2月5日提交的美国临时专利申请序列号62/291,823的权益，其公开内容通过引用并入本文。
背景技术：
以下提供的信息用以协助读者理解下文公开的技术以及该技术通常可以被使用的环境。除非在此文件中另有明确说明，本文所用的术语并非旨在限定任何特定的狭义解释。本文阐述的参考附图可以有助于理解本技术或者其背景。本文引用的全部参考的公开内容通过引入并入。
许多气体传感器包括将传感器的分析组件与传感器意图监测的环境分离或者分割的气体多孔构件/屏障或者扩散屏障。这种多孔构件通常被用于降低或者消除可能妨碍传感器分析组件运行的污染物地进入，和/或在传感器暴露的环境中隔离作为点火源的分析组件。当使用这种多孔构件时，由传感器检测/监测的待分析物气体必须通过多孔构件以到达传感器的分析组件。多孔构件透射通过分析物的能力和效果直接影响了传感器能够对所监测外部环境中分析物的相对浓度变化进行响应的速度，精度和准确度。作为结果，设计和/或选择多孔构件以满足分析物透射通过传感器分析组件相应的多孔构件，使得传感器能够对以标称或者最小速率对所监测环境分析物的级别和/或相对级别的变化作出响应，精度和准确度由传感器感应规范定义。一旦部署了传感器，与多孔构件接触或者渗入其中的外部污染物(出现在正常运行环境或非典型事件或维护行为中)能够直接阻止分析物在环境和传感器分析组件之间的透射，或者作为外部污染物与多孔构件化学反应的结果。这种对分析物透射通过多孔构件的禁止，导致了目标传感器对分析物响应速率的偏差和/或对分析物浓度地绝对或者相对变化评估精度/准确度的偏差，被指定为术语“堵塞”或者“阻塞”。此外，引起阻塞的污染物或状态通常也被称为“堵塞”。发生在工业环境中通常的示例堵塞，其中传感器对分析物的响应能够被外喷漆，水，污垢/泥，昆虫或动物分泌物，或其他外部扩散-妨碍物质转为部分地或者全部地阻止。未能识别透射通过传感器多孔构件的障碍能够导致欠检测或者未检测到分析物浓度等级超过安全环境的限制。
除了扩散堵塞或其他传感器多孔构件之外，传感器本身的性能可能随时间下降。慎重以规定对气体检测仪器按期进行功能测试。通常的做法是，例如，每天对便携式气体检测仪器执行“碰撞检查”，或者功能检查。这种检查的目的是确保通常被称为仪器的全部气体检测系统的功能。还可以对固定气体检测仪器执行周期性的碰撞检查或者功能检查，例如，延长完整校准之间的时间间隔。气体检测系统至少包括一个气体传感器，电子电路和驱动传感器的电源，解译其响应并且向用户显示其响应。系统进一步包括封装以及保护这些组件的外壳。碰撞检查通常包括：a)应用感兴趣的气体(通常是该仪器意图检测的目标气体或者待分析物气体)；b)采集并且解译传感器相应；c)：向最终用户指示系统的功能状态(即，无论仪器是否功能正常)。
如上文所述，这种碰撞检查是按期执行的，对于便携式气体检测仪器通常是每天。碰撞检查为用户提供了相对高的气体检测设备工作正常的保证。碰撞检查测试以相同的必要方式执行气体检测设备所有部件的所有必要功能以检测危险气体的警报级别。在这方面，碰撞检查确保了有效气体从仪器外部传入，通过任何透射路径(包括，例如，任何保护和/或扩散组件或膜)以接触有源传感器组件。碰撞检查还确保了检测传感器本身的方面正常工作以及传感器提供正常的响应函数或信号。碰撞检查进一步确保了传感器与相关的电源盒电子电路的正常连接并且正常的解译传感器信号。此外，碰撞检查确保了气体检测仪器的指示器或用户界面(例如，显示屏和/或通知功能)是否按预期发挥作用。
然而，周期的/每天的碰撞检查存在多个显著缺点。例如，这种碰撞检查是耗时的，尤其在具有多个气体检测系统或仪器的设施中。碰撞检查还需要使用昂贵及潜在危险的校准气体(即，传感器响应的待分析物气体或模拟气体)。此外，碰撞检查还需要专门的气体传送系统，通常包括加压气瓶，减压调节器，和用以向仪器正确提供校准气体的管道和适配器。对专门气体传送系统的需求经常意味着碰撞检查个人气体检测设备的时机受限于气体传送装备可利用的时间和地点。
最近，已经提出了多个系统和方法来降低所需的碰撞测试数量。这种系统可以，例如，包括传感器的电子询问和/或对传感器透射路径的测试，包括通过扩散或者其他屏障(因此并不施加待分析物气体或模拟气体)。尽管如此，仍然需要开发改进改进的测试系统和方法用于减少传感器所需碰撞检查的次数。
技术实现要素：
在一个方面中，检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法，多孔构件分离设备的内腔和周围环境，该设备包括响应于位于内腔内的分析物的气体传感器，方法包括在内腔内发射压力波并且通过响应于位于内腔内压力波的传感器测量响应。在内腔内发射压力波可以，例如，包括激活位于在内腔内的扬声器(用以，例如，发射声波)。通过响应压力波的传感器测量响应可以，例如，包括通过位于内腔内的麦克风测量响应。在多个实施例中，压力波被在内腔内以多个频率被发射，并且响应在多个频率中的一个以上处被测量。
测量响应可以，例如，包括测量透射、反射或者吸收(压力波)中的至少一个。幅度变化和相位变化中的至少一个可以，例如，被测量。在多个实施例中，相位变化被测量。在多个实施例中，幅度变化和相位变化中的每一个都被测量。锁定算法可以，例如，被用于测量幅度变化和相位变化中的每一个。相位和幅度可以，例如，被在所发射压力波的多个频率中的每一处被测量。
所发射压力波的多个频率中的至少一个可以，例如，是多孔构件的自谐振频率，以及响应可以在与渗入多孔膜孔中的堵塞相关联的频率处被测量。经测量的响应可以，例如，被用于辨别与多孔构件外表面相关的至少部分堵塞与渗入多孔构件孔中的至少部分堵塞。
在另一方面中，用以在周围环境中检测待分析物气体的气体传感器设备包括具有内腔和端口的外壳、与端口操作连接以将内腔与周围环境分离的多孔构件、响应位于在内腔内的待分析物的传感器、位于内腔内的压力波源，响应位于内腔内的压力波的传感器；以及与响应压力波的传感器操作连接的电路，以将响应于压力波的传感器的响应与多孔构件中的堵塞相关联。压力波源可以，例如，包括扬声器，以及响应压力波的传感器可以，例如，包括麦克风。扬声器可以，例如发射声波或者声音。声波可以以多个频率被发射。
电路可以，例如，测量透射、反射或者吸收的压力波中的至少一个。在多个实施例中，电路测量幅度变化和相位变化中的至少一个。电路可以，例如，测量相位变化。在多个实施例中，电路测量幅度变化和相位变化中的每一个。相位变化和幅度变化中的每一个可以在所发射压力波的多个频率中的多于一个频率处被测量。
电路可以，例如，包括与存储器系统操作连接的处理器系统。存储器系统可以，例如，包括由处理系统可执行以测量幅度变化和相位变化中每一个的锁定算法。
经发射压力波的多个频率中的至少一个可以，例如，是多孔构件的自谐振频率，以及在多个频率中至少一个频率处被测量的响应在与渗入多孔膜孔中的堵塞相关。电路可以，例如，适于使用经测量的响应来辨别与多孔构件外表面相关的至少部分堵塞和渗入多孔构件孔中的至少部分堵塞。
在另一个方面中，检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法包括在内腔内发射压力波并且经由响应于位于内腔内压力波的传感器测量响应的相位变化，该多孔构件分离设备的内腔和周围环境，该设备包括响应于位于内腔内的分析物的气体传感器。响应的相位变化可以，例如，经由响应压力波的传感器来测量，该传感器位于或者处于内腔内。方法进一步包括测量响应的幅度变化。在多个实施例中，响应的相位变化在多于一个频率处被测量。在多个实施例中，响应的相位变化和幅度变化在多于一个频率处被测量。
测量响应可以，例如，包括测量透射、反射或者吸收中的至少一个。在多个实施例中，锁定算法被用于测量幅度变化和相位变化中的每一个。多于一个频率中的至少一个可以，例如，是多孔构件的自谐振频率以及在多于一个频率中的至少一个频率处被测量的响应与渗入多孔膜孔中的堵塞可相关联。
方法可以进一步包括使用经测量的响应来辨别与多孔构件外表面相关的至少部分堵塞和渗入多孔构件孔中的至少部分堵塞。压力波可以，例如，在多孔构件的频率处被发射以及在自谐振频率处测量的响应可以与确定渗入多孔膜孔的至少部分阻塞相关联。
在另一方面中，用以在周围环境中检测待分析物气体的气体传感器设备包括具有内腔和端口的壳体，与端口操作连接的以将内腔与周围环境分离的多孔构件，响应于位于内腔内的待分析物的传感器，位于在内腔内的压力波源，响应于压力波的传感器；以及与响应于压力波的传感器操作连接的电路，以将响应压力波传感器的相位响应与多孔构件中的堵塞相关。响应压力波的传感器可以被放置在内腔内。电路还可以适用于进一步实现本文描述的其他动作和/或功能。
在另一个方面中，检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法包括在内腔内发射压力波并且通过响应于位于内腔内压力波的传感器测量在多于一个频率处的响应变化，多孔构件分离设备的内腔和周围环境，该设备包括响应于位于内腔内的分析物的气体传感器。响应变化可以，例如，通过响应压力波的传感器来测量，其中的传感器位于或者处于在内腔内。响应的相位变化可以在每一个频率处被测量。在多个实施例中，响应的幅度变化可以在每一个频率处被测量。在多个实施例中，响应的相位变化和幅度变化可以在每一个频率处被测量。
测量响应包括测量透射、反射或者吸收中的至少一个。在多个实施例中，锁定算法被用于测量幅度变化和相位变化中的每一个。多于一个频率的至少一个频率可以，例如，是多孔构件的自谐振频率以及响应在与渗入多孔膜孔中的堵塞相关的多于一个频率中的至少一个频率处被测量。
在另一个方面中，用以在周围环境中检测待分析物气体的气体传感器设备包括具有内腔和端口的壳体，与端口操作连接以将内腔与周围环境分离的多孔构件，响应位于在内腔内的待分析物的传感器，位于在内腔内适应于以多于一个频率发射压力波的多个压力波源，与响应压力波的传感器操作连接的响应压力波和电路，以将响应于多于一个频率的每个频率处的压力波的传感器的响应与孔构件中的堵塞相关。响应压力波的传感器可以位于内腔内。电路还可以适于进一步实现本文所述的其他动作和/或功能。
在另一个方面中，检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法包括在内腔内发射压力波并且经由响应于位于内腔内压力波的传感器测量响应的相位变化，该多孔构件分离设备的内部体积和设备的外部体积。通常，本文所述的方法和设备可以被用于检测在任何包括多孔构件的设备或者系统中的至少部分堵塞。
在另一方面中，设备包括具有内腔和端口的壳体，与端口操作连接的以将内腔与周围环境分离的多孔构件，位于在内腔内的压力波源，响应压力波的传感器，以及与响应于压力波的传感器操作连接以将响应压力波传感器的相位响应与多孔构件中的阻塞相关联的电路。响应于压力波的传感器可以被放置在在内腔内。电路还可以适用于进一步实现本文描述的其他动作和/或功能。
在另一方面中，检测多孔构件中的至少部分堵塞的方法包括在内腔内发射压力波并且经由响应于位于内腔内压力波的传感器测量在多于一个频率处的响应变化，该多孔构件分离设备的内部体积和设备的外部体积。在多个实施例中，响应的相位变化在每一个频率处被测量。在多个实施例中在多个实施例中，响应的幅度变化在每一个频率处被测量。在多个实施例中，响应的相位变化和幅度变化在每一个频率处被测量。
在又一方面中，设备，包括具有内腔和端口的壳体，与端口操作连接的以将内腔与周围环境分离的多孔构件，位于在内腔内适应于以多于一个频率发射压力波的压力波源，响应压力波的传感器，与响应于压力波的传感器操作连接的以将响应于在多于一个频率中的每一个频率处的压力波的传感器的响应与多孔构件中的堵塞相关联的电路。电路还可以适应于进一步实现本文所述的其他动作和/或功能。
鉴于以下结合附图的详细描述，本设备，系统和方法以及其属性和伴随的优点将被最好地体会和理解。
附图说明
图1示出了本文中气体传感器的实施例。
图2示出了本文中气体传感器的另一实施例。
图3示出了在图2所示传感器中堵塞多孔金属熔块以及未堵塞多孔金属熔块在一定频率范围处的压力或者声学传感器的响应。
图4示出了本文中气体传感器的另一实施例。
图5示出了在图4所示传感器中堵塞多孔金属熔块以及未堵塞多孔金属熔块在一定频率范围处的压力或者声学传感器的响应。
图6示出了用于研究如图4所示的气体传感器设备的测试系统的实施例。
图7示出了针对图4的气体传感器设备的多孔金属熔块的堵塞在一定百分比范围处的反射系数的幅度变化。
图8示出了针对图4的气体传感器设备多孔金属熔块的堵塞在一定百分比范围处的反射系数的相位变化。
图9a示意性地示出了在有堵塞存在的膜或者熔块中声音的透射(t)、反射(r)和吸收(a)。
图9b示出了入射到诸如熔块的多孔构件的声波的能量平衡的框图。
图9c示出了阐述接收信号矢量相加的极坐标图。
图9d示出了阐述接收信号分量在出现外部堵塞时变化的极坐标图。
图9e示出了在单个询问频率(500hz)处利用单个参量(反射幅度的变化)的堵塞分类以及分类错误的代表性示例。
图9f示出了在多个询问频率处使用幅度响应证明在20％和60％堵塞情况下具有独立频率阈值的代表性堵塞分类。
图9g示出了在多个询问频率处使用相位响应证明在20％和60％堵塞情况下具有独立频率阈值的代表性堵塞分类。
图9h示出了在三个询问频率处对20％和60％堵塞的结合幅度和相位的代表性极坐标图，其中阴影区域显示了图9e中所标识的检测区域的应用被应用到在3khz情况的堵塞检测。
图9i示出了阐述用于分辨由多孔构件外部梗阻导致堵塞的方法的代表性实施例的框图。
图10a示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在胶带堵塞情况下在一定频率范围处的透射系数变化。
图10b示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在胶带堵塞情况下在一定频率范围处的反射系数变化。
图10c示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在胶带堵塞情况下在一定频率范围处的吸收系数变化。
图11a示出了图4所示的气体传感器设备的多孔金属熔块在冰块堵塞情况下在一定频率范围处的吸收系数变化。
图11b示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在冰块堵塞情况下在一定频率范围处的反射系数变化。
图11c示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在冰块堵塞情况下在一定频率范围处的吸收系数变化。
图11d示出了穿行熔块的波在熔块发生了存在冰块堵塞情况的相移。
图12a示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在盐堵塞情况下在一定频率范围处的吸收系数变化。
图12b示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在盐堵塞情况下在一定频率范围处的反射系数变化。
图12c示出了图4的气体传感器设备的多孔金属熔块在盐堵塞情况下在一定频率范围处的吸收系数变化。
图13a示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于使用阻塞透射的多孔构件的一个或多个自然谐振频率，来分辨源于多孔构件的声学变化，其中的多孔构件不受内部污染物的妨碍。
图13b示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于使用阻塞透射的多孔构件的一个或多个自然谐振频率来分辨源于多孔构件的声学变化，该一个或多个自然谐振频率显示出熔块侵入污染物引起地阻抗变化(例如，内部谐振频率的移动)导致发射和返回信号地变化。
图14示出了反射系数的频率依赖性，在研究中显示了由多孔构件的孔污染导致的在大约为6.5khz的谐振频率处反射到接收器的声学能量变化。
图15a示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于促进增强的谐振频率监测，通过使用内部共振腔选择耦合到多孔构件的腔的几何形状和扬声器/麦克风端口的几何形状。
图15b示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于促进增强的谐振频率监测，通过利用附加的外部谐振腔体选择耦合到多孔构件的腔的几何形状和扬声器/麦克风端口的几何形状。
图16示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于堵塞的透射检测，显示了用于非阻塞状态的主要声学信号的传播。
图17a示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于堵塞的透射检测，显示了在多孔构件与接收器之间的阻碍。
图17b示出了系统和方法的实施例的框图，其中的系统和方法用于堵塞的透射检测，显示了在接收器的与多孔构件相对一侧上的阻碍。
具体实施方式
将容易理解的是，除所描述的代表性实施例以外，如在本文附图中通常描述和说明的实施例的组件，可以以各种不同的配置来安排以及设计。因此，如在附图中所说明的，下文中代表性实施例的更多细节描述，并非旨在限制所要求保护实施例的范围，而是仅仅为了对代表性实施例进行说明。
本说明书全篇中对“一个实施例”或者“实施例”(或者相似的)的引用意味着与实施例相关的所述专门特征，结构或者特点包含在至少一个实施例中。因此，在说明书全篇中各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”或者其他相似的短语不一定都指同一个实施例。
此外，所述的特征，结构或者特点可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。在下文描述中，提供了许多具体细节以作出多个实施例的全面理解。一个本领域的技术人员将认识到，无论如何，多种实施例能够在缺少一个或多个具体细节，或者利用其它方法，组件，材料等被实行。在其他情况下，熟知的结构，材料或者操作没有被详细显示或者描述以防混淆。
如本文和所附权利要求书中所使用的，除非文中有明确说明，单数形式“一”“一个”，和“所述的”包括多个引用。因此，例如，对“一个传感器”的引用包括多个这样的传感器和本领域技术人员已知的等同物，等等，以及对“所述的传感器”的引用包括多个这样的传感器和本领域技术人员已知的等同物，等等。本文中对数值范围的描述仅仅被用来作为单独提及每个落在范围内每一个单独数值的快捷方式。除非在本文中另外指出，以及每个单独的值和中间范围都被合并到说明书中，如同在本文中单独列举的一样。除非在本文中另外指出或者另有明确的文本以禁止，本文描述的全部方法能够以任何合适的顺序来执行。
如本文所用的，术语“电路”或者“电路系统”包括但不限于，用以执行(一个或多个)功能或者(一个或多个)动作的硬件、固件、软件或者每个的结合。例如，基于期望的特征或者需求，电路可以包括由软件控制的微处理器，诸如专用集成电路(asic)的离散逻辑，或者其他任何可编程逻辑设备。电路还可以完全体现为软件。
如本文所用的，术语“控制系统”或者“控制器”包括但不限于，调配以及控制一个或多个输入或输出设备的任何电路或者设备。例如，控制器能够包括具有能够经编程来执行输入或输出功能的一个或多个处理器、微处理器、或者中央处理器(cpu)的设备。
如本文所用的，术语“处理器”包括但不限于，一个或多个处理器系统或者独立处理器，例如，以任何组合的微处理器、微处理器、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运行的多种其他电路相关联，例如存储器系统(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)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、时钟、解码器、存储控制器，或者中断控制器，等等。这些支持电路可以在处理器或其电子封装的内部或者外部。支持电路与处理器可操作的通信。在框图或者其他附图中，支持电路并非必须与处理器分开显示。
作为度量标准，堵塞可以直接指定分析物传递通过多孔构件的阻抗，和/或指定由该传递阻抗导致的传感器性能的相应变化。堵塞可以，例如，以连续的方式计量。例如，堵塞可以以百分比进行计量，范围从当分析物正常或标称地传递通过多孔构件时的0％到标识了在传感器的分析组件与所监测环境之间分析物传递的完全禁止的100％。堵塞还可以借助命名为诸如未堵塞(指分析物通常或者正常的传递通过多孔构件)或者部分(指分析物传递的阻抗超过了通常或正常但低于完全禁止传递)或者完全(指完全禁止分析物传递通过多孔构件)的离散状态进行计量。备选地，堵塞能够归因于布尔状态，其中未堵塞状态指示分析物传递通过多孔构件的禁止下降到指定的可接受的限制以下，以及堵塞状态指示分析物传递禁止超过了指定的限制。检测以及堵塞的指定(和/或导致传感器性能受损)中进行充分测量对于确保传感器功能是十分重要的。如下文所述，未能识别的传递通过传感器多孔构件的障碍可以导致超过安全环境限制的分析物浓度水平的欠检测或者未检测。
在多个实施例中，本文中设备、系统和方法被用于检测通过，例如用于检测目标或者待分析物气体的传感器的多孔构件、膜或者屏障(例如，扩散屏障)的流量。这种多孔构件在多个代表性实施例中可以，例如，是多孔金属熔块或者多孔聚合物膜。在多个实施例中，诸如扬声器的压力波或者声波源、发生器或者发射器，被播放到诸如多孔熔块或者多孔膜的多孔构件后方(即，在传感器的一侧并且在周围环境一侧的对面)的空间或者内腔，。对所生成声学/压力波(例如，声音)的响应通过诸如麦克风的压力波传感器、声学传感器或者接收器被测量，并且与传递通过膜的气体相关。一般来说，在本文中可以使用对介质(例如，空气)中传播的压力变化或者压力波作出响应的任何传感器或者接收器。这种传感器或者接收器有时在本文中通常被称为声学传感器或者接收器。
现有设备、系统和方法可以，例如被用于固定或者便携式气体仪器中，但是在固定的气体仪器中尤其有用。当在固定(而不是便携式)气体仪器情况下，当仪器投入使用时被校准。如上文所述，在投入使用后，建议频繁对仪器进行“碰撞测试”以检查传感器的气体流量以及传感器按照预期做出响应。同样如上所述，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(或者传感器响应的模拟气体)施加到仪器使用并且检查仪器的预期或者可接受的响应。如果传感器响应是可接受的(使用，例如，预定的阈值)，则用户能够随后能够将仪器标定到目标气体的已知浓度。
使用例如，在美国专利号7,413,645、7,959,777和美国专利申请公开号2014/0273263、2013/0193004、2013/0192332、2013/0186776、2013/0186777和美国专利申请号15/012,919中所述的电子询问系统和方法，其公开内容通过引入并入本文，人们能够电子询问传感器，从而确定传感器性能变化，并且补偿传感器输出使传感器的响应可接受，从而延长(或消除)了碰撞检查间的时间段。传感器电子询问可以，例如，包括将电能施加到电极或者传感器元件，并且测量对所施加电能和/或电极或者传感器元件的电特性的响应，以确定传感器状态。然而电子询问传感器不能够估计或者检测多孔构件的堵塞，该多孔构件的堵塞将传感器与周围环境或者外部世界隔离，或者保护传感器免受周围环境或者外部世界影响。结合具有检测这种多孔构件阻塞的系统、设备和方法的电子询问传感器，提供了进一步减少或者消除设备碰撞测试的能力。
在本文的多个代表性实施例中，为了检测多孔构件的堵塞(其将气体传感器与周围环境隔离)，从源/扬声器中发射声波或波与多孔构件和它的任何堵塞相互作用。信号随后通过声学传感器/麦克风被接收。响应被处理并且与通过多孔构件的流量损失，和/或传感器情况下传感器气体响应的损失相关联。有多个分析和/或处理数据以确定存在堵塞和/或堵塞程度的方法。在多个实施例中，源/扬声器和声学传感器如气体传感器一样被放置在或者位于多孔构件的同一侧。
在本文研究的多个实施例中，测试了可燃性气体传感器设备100，该可燃性气体传感器设备100包括在内腔120内的传感器110，该内腔120由防爆壳体130和呈多孔熔块140形式的多孔构件所创建。例如，催化可燃气体传感器设备和它的电子询问在美国专利申请公开号2014/0273263中描述，其公开内容通过引用并入本文。尽管在本文的多个代表性实施例中研究了可燃性气体传感器，但本文中的设备、系统和方法能够被用于与任何传感器(例如，电化学传感器、光声传感器、等等)或者其他设备相连，在任何传感器或其他设备中的多孔构件或膜将内腔或者空间与外部环境隔离。在设备10的实施例中，扬声器150和麦克风160也都位于在腔120内。并不是必须将扬声器150和麦克风160与内腔120的其他部分和传感器110声学隔离，或者狭窄的引导在其间的声学/压力波的传播。在所示的实施例中，传感器110、扬声器150和麦克风160都与包括印制电路板170的电路系统电连接，该印制电路板170可以与如图1中示意性示出的控制电路系统180电连接，该控制电路系统180可以位于防爆壳体130内部和/或外部。控制系统180可以，例如，包括处理器系统190(包括诸如微处理器的一个或多个处理器)和与处理器系统190操作连接的存储器系统194。存储器系统194可以，例如，包括在其中存储的并且通过处理器系统190可执行的一个或多个算法。
如在图1中所示，例如，声波在腔120内朝向熔块140传播。不受任何机制的限制，声波中的一些进入熔块140，以及声波中的一些被反射回内腔120内。就此而言，进入熔块140的声波中，一些被吸收入熔块140，一些反射回内腔130(声波从其发出)内，以及一些通过了熔块140进入防爆壳体130外部的周围环境。穿过了熔块140并且在防爆壳体130外部的声波是“损失”的声波，其与熔块140的堵塞程度高度相关。当熔块140被堵塞时，更少的声波(例如，声波)被损失，并且更多的声波被反射会腔120。在多个研究中，多个频率被由扬声器150生成。如果，例如，人们查看在频域中什么频率被由麦克风160接收，则应该能够容易的挑出所生成的频率。然后，一旦能够在每个频率处设置阈值，用以确定堵塞或者未堵塞响应应该的幅度和/或相位。也可以在时域进行分析(其中阈值可以，例如，被设置为响应的幅度和/或时间延迟)。在时域中，包括多个频率的驱动力，例如，由扬声器生成。
在生成各种频率以及在麦克风160上测量响应的试验中，出乎意料的发现，当熔块140被堵塞时，一些频率处的响应事实上更安静/降低。还发现，腔120的谐振可能十分显著，并且在与询问信号一样的相同频率区域内。
为了解决在内腔内的谐振，制造了如图2所示无壳体的可燃性气体传感器设备100a，其中的扬声器150a和麦克风160a被放置在一个通道或者多个通道132a中，该一个或者多个通道132a与熔块140a和传感器110a之间的腔130a声学连接。与可燃性气体传感器设备100相比，发现由麦克风160a接收的声压力水平(spl)以及针对熔块140a的spl有所增加。由于spl增加，在堵塞和未堵塞状态间的信号响应增加。图3显示了来自针对堵塞熔块、未堵塞熔块、以及开放熔块(即，没有熔块)的代表性响应对频率研究的数据。
可燃性气体传感器设备100a没有显示出可燃性气体传感器设备100所经历的谐振，并且如上所述在从堵塞状态至非堵塞状态的响应中显示出了更大差异。然而，可燃性气体传感器设备100b的设计缺点是难以制作。
在图4的设备100b中，扬声器150b和麦克风160b都被放置在临近于印制电路板170b或者在印制电路板170b上。包括微处理器190b和处理器194b的控制系统也被并入在印制电路板170b中，以控制系统，以及执行监测堵塞所需的计算。然而，不同于设备100，扬声器150b和麦克风160b分别经由通道132b和134b直接端口到传感器110b和熔块140b之间的腔130b的体积。图4中设备100b的设计减少了腔130b的体积(与图1的设备100相比)，传感器110b、麦克风150b和扬声器160b被放置在该腔130b内，同时与图2的设备100a相比显著的提高了可制造性。设备100b更小的腔与不用端口的情况相比提供了多种优点。就此而言，因为必须与被监测的周围空气交换的空气更少，传感器响应速度更快。此外，麦克风160从扬声器150b接收的信号的音量(响度)增加，这是因为扬声器150b只需要驱动更小体积的腔。图5示出了，在一定频率范围上，涂料堵塞的熔块140b和未堵塞的熔块140b之间的反射系数振幅响应的区别，其中频率在x轴上以及测量的响应幅度在y轴上。
基于图4的设备100b的设计，制成了测试系统100b’(在图6简要说明)，其中具有以及不具有各种堵塞类型的不同熔块140b能够容易地安置与测试系统100b’操作连接以及与之移除连接。测试系统100b’进一步包括放置在熔块140b外部的第二声学传感器/麦克风164b。来自测试系统100b’的经测量的输出，包括透射系数(通过麦克风164b测量)、反射系数(通过麦克风160b测量)和吸收系数(经计算)的相位和幅度响应的变化。本文的系统可以测量反射能量和/或透射能量。单独测量反射能量提供了仅在设备的外壳中使用声学传感器或者麦克风的益处。此外，例如，在传感器用于有害环境中的情况下，其中可能存在可燃性和/或爆炸性气体，在防爆壳体中的声学传感器外壳消除了潜在的点火源。然而，本安电路和/或额外的保护可以被用于放置在多孔构件外部的可能存在有害，可燃性和/或爆炸性气体的环境中的声学传感器或者麦克风。
在多个研究中，针对每个经测试的熔块140b，在一个或多个频率处测量反射和/或透射。图7和图8，相应的示出了在500hz的频率处对各种堵塞类型的代表性的幅度和相位响应。尽管关于熔块140b堵塞的信息能够从例如经测量的反射和/或透射数据的相位或者幅度中任何一个的变化来获得。已经发现分析相位和幅度中的每一个可能是有益的。就此而言，在特定频率处，某类型的堵塞可以引起幅度的显著变化并且相位变化很小或者不变。相似的，在特定频率处，某类型的堵塞可以引起相位的显著变化并且幅度变化很小或者不变。
图9a示意性地示出了与诸如存在堵塞的熔块的多孔构件相互作用的声波/声音的透射(t)、反射(r)和吸收(a)。在图9a中，i表示到熔块(或者其他多孔构件)的入射波(从，例如，扬声器产生)，以及r1、r2、r3分别是在熔块表面、顶部、堵塞处的反射波。t表示透射的波并且a表示吸收的波。
在本文的多个实施例中，全部或者结合的反射波r＝r1+r2+r3被测量。以下公式描述如何将r1关联到入射波：r1≈i*γ1其中γ1是熔块至腔边界的反射系数。该反射系数是频率依赖的并且包含相位和振幅信息。以下公式描述如何将r2关联到入射波：r2≈i*(1-γ1)*γ2，其中γ2是熔块至空气/堵塞边界的反射系数。相似的，在以下公式中r3关联到入射波：r3≈i*(1-γ1)*(1-γ2)*γ3，其中γ3是与熔块隔开的堵塞/环境元素的反射系数。本文中在麦克风处测量的全部反射波考虑了全部三种反射波。
图9b描绘了本文中回射声学询问系统的一个实施例的另一个示意说明，该回射声学询问系统用以评估多孔构件或者屏障的声学特征变化，和/或，声波源或者发射器以及声波传感器或者接收器对侧上的声学反射变化，这指示了障碍或者堵塞的侵入或者存在。如上文所述，回射系统在发射器和/或接收器安置在多孔构件或者屏障相对侧时困难或者危险的情况下，尤其具有优势。
这种系统的操作可以使用声学能量守恒原理来论述，该声学能量守恒原理描述了透射通过封闭边界、，从封闭边界反射以及被封闭边界吸收的能量的总和等于该边界内生成和/或入射到其上的总能量/功率。此原理在描述从声波源或者发射器生成的透射回到声波传感器或者接收器的声学询问信号的传播时是有用的。考虑到发射器和接收器单独界定的边界，从发射器返回到接收器的声学能量分量被划分为入射到多孔构件声音所导致的反射和返回能量的和以及传播到接收器但没有碰撞到多孔构件上的声学能量。未入射路径的声学能量并未被多孔构件或者在多孔构件对侧的环境的阻抗改变，并且因此包含很少或者没有关于这些的信息。从入射到多孔构件声音返回到接收器的声学能量分量包括如下能量的矢量和：通过多孔构件反射能量；以及走迂回路径通过多孔构件到多孔构件外部的周围环境中并且反射回多孔构件并且随后透射通过多孔构件回到接收器的能量。反射能量的振幅和相位主要由多孔构件的声学阻抗(用反射系数rcoef表示)产生并且因此包含主要与多孔构件相关的信息。从多孔构件外部的环境返回的声学能量的振幅和相位受多孔构件的声学阻抗(用透射系数tcoef表示)以及环境复合阻抗(用rscatter_coef表示)的两次影响，以及因此包含关于多孔构件以及环境的复合信息。
图9c示出了使用发射器幅度和相位作为参考的返回到接收器的信号分量的图形矢量和，从而产生复合的接收信号。这些向量的幅度和相位是频率依赖的并且因此复合的和导致具有频率依赖的幅度和相位的接收信号。具有最大幅度和/或最大相位偏差的向量分量对复合接收信号的幅度和相位影响最大。如图9d所示，返回到接收器的非入射声学信号不受多孔构件以及在多孔构件另一边环境的声学阻抗变化的影响并且因此包含与堵塞检测有关的可忽略的的信息。这表明了声学设计策略，该声学设计策略最大化发射功率的入射分量同时最小化在非入射路径中传播的分量，以最大化复合接收信号上承载信息的信号的幅度和影响，同时最小化信息缺陷的非入射信号的影响和作用(噪声)。
声学询问系统利用了返回到接收器的发射器声学能量的振幅和/或相位变化与通过熔块和/或组合的熔块与外部障碍的气体渗透率的变化之间的相关性，用以推测来自熔块的接收器侧的来自外部环境的气体传递(堵塞)/从外部环境到熔块的发射器侧的气体传递(堵塞)的限制的变化。由于多孔构件和外部障碍的声学阻抗(以及相关的透射、反射和吸收系数)是频率依赖的，为了堵塞检测的目的，人们可以选择询问频率，其中的询问频率，该讯问频率使堵塞和未堵塞状态间的反射和/或返回的声幅和/或相位的差异最大化。这个频率容易经由，例如，如本文所述(例如，在制造时)的多孔构件的常规实验表征来确定。基于幅度和/或相位相对于未堵塞系统参考幅度和/或相位的变化能够推断堵塞百分比或者声明布尔堵塞状态。图9d的极坐标图示出了接收信号的幅度和相位的结果变化，该接收信号由返回向量以及反射向量变化导致，该返回向量以及反射的向量变化由外部阻碍导致。
在多个实施例中，通过利用在单个或者多个频率处所接收信号的幅度和相位两者的变化以创建用于辨认多孔构件堵塞状态的多维阈值方案来显著提升堵塞检测。在单个频率处使用例如反射的幅度的单阈值可以引起如图9e所示的堵塞检测错误。与图7相似，图9e中，施加到多孔构件的不同堵塞材料在500hz处反射的变化相对所得的测量百分比作图。在30％堵塞处的横轴堵塞阈值线表示了检测目标。在图9e的代表性示例中，高于30％的堵塞被确定为被堵塞(利用，例如，操作/操作器系统的警告)，而低于这个阈值的堵塞被确定为未堵塞。在该单个频率处，单个阈值模式，使用垂直幅度检测阈值检测堵塞。反射幅度变化超出这个阈值被确定为堵塞，而那些低于这个阈值的被确定为未堵塞。如图所示，该单个阈值方法会引起检测错误，如当堵塞低于30％时，一些堵塞材料表现出了反射幅度变化超出阈值(错误类型1)，而当堵塞超出30％时，一些堵塞材料出现出了低于检测阈值的反射幅度变化(错误类型2)。期望避免错误类型1，因为这种错误可能导致错误的确定/警告和/或发起无意义的维护周期以清理或者修复堵塞。同样期望避免错误类型2，因为这种错误在出现潜在损害堵塞时可能导致对于堵塞的多孔构件的确定失败/警告错误。
图9f至图9h示出了，使用来自三个独立频率的幅度和相位两者的数据来辨认20％堵塞和60％堵塞的差异。图9f和图9g证明了在每个叠加频率处具有相应阈值的20％和60％堵塞的幅度和相位的变化。将被错误的(错误类型1)确定/警告的堵塞状态在检测中仅利用在500hz和1khz处的幅度响应。假如检测模式要求全部询问频率的幅度超过其相应的幅度阈值来确定/警告多孔构件被阻塞，在3khz处列入额外的幅度将引起无堵塞的正确声明。图9i示出了在3khz的检测边界叠加的联合幅度和相位阈值化的极坐标图，以进一步说明了使用联合响应阈值以降低多孔构件堵塞状态的错误分类和声明。
堵塞的辨别通过在复合的接收器信号受返回信号(由外部障碍导致的堵塞)或者反射信号(由多孔构件污染物导致的堵塞)中任何一个所支配的频率处评估所检测堵塞(即，多孔构件外部的障碍/堵塞或者多孔构件内部的污染物/渗入物产生的障碍/堵塞)的来源。堵塞位于熔块或者其他多孔膜的表面的情况下，操作器可以，例如，清洁多孔的表面。堵塞作用物渗入熔块或者其他多孔构件孔的情况下，可能需要更换。
图9i示出了辨别以及评估毗邻于多孔构件(外部障碍)的堵塞或者障碍。为了分辨作为所接收声学信号变化来源的多孔构件与外部障碍，选择询问信号的频率(或者多个频率)通常是，多孔构件基本上是透明的(即，透射通过多孔构件的频率是主要的并且多孔构件反射和吸收的是次要的)从而复合的所接收信号由引入的外部堵塞或者障碍导致的返回信号的变化所支配。
图10a至12c示出了透射到周围环境，反射/返回到接收器的声学信号能量，以及通过引入位于多孔膜外表面外侧的外部堵塞或者障碍吸收的能量频率依赖的变化。如图10a至12c所用的，“未处理”指示正常的参考示例，未堵塞的多孔构件或者熔块，而“经处理”指示额外的外部堵塞或者障碍导致地变化。ra表示由障碍反射以及后续返回的向量支配的到接收器的复合(反射+返回)信号。ra随着堵塞出现而增加，因为来自于堵塞的反射导致返回能量增加。ta表示透射通过经结合的多孔构件和任何堵塞的声学能量。因为吸收和反射导致，ta随堵塞而减少。alpha表示经结合的多孔构件和任何堵塞所吸收的声学能量。因为吸收的缘故，alpha随着堵塞的出现而增加。在图10a至12c研究的多孔金属熔块的情况下，未污染熔块在6.5khz处的自然谐振频率增加了多孔构件/熔块的吸收并且降低了熔块的透射，从而对于堵塞和未堵塞情况下的复合接收器信号基本相同并且由来自于多孔构件/熔块的反射信号支配。
图10a、10b和10c，分别的示出了未处理熔块140b和用胶带堵塞的熔块140b的测试系统的透射系数，反射系数和alpha/吸收系数的输出。图11a、11b和11c，示出了未处理熔块140b和用冰堵塞的熔块140b的测试系统的透射系数，反射系数和alpha/吸收系数的输出。图12a、12b和12c，示出了未处理熔块140b和用盐堵塞的熔块140b的测试系统的透射系数，反射系数和alpha/吸收系数的输出。在图11a至图12c，两个熔块140b在每次研究时被测试。
如图11b所示，在冰堵塞研究中测试的整个频率范围内，反射系数幅度变化约20％。对于用盐烧硬的熔块，反射幅度系数的输出有稍有不同，其中在低于1khz的频率处，反射幅度系数变化约为20％，但是在大约6.5khz处逐渐具有与干净熔块相同的响应。如上所述，确定在大约6.5khz处，熔块140b处于自谐振并且吸收了附近频率的声音。
图11a至11c，例如，显示了熔块每一方面幅度的频率依赖性、透射吸收、反射。反射，当熔块140b未被堵塞作用物处理时，对应大约70％的入射信号幅度(参见例如图11b或者12b)。当熔块被堵塞作用物处理时，反射系数能够达到100％(参见例如图12b)。
图13a和13b示出了熔块140b声学变化的分辨和评估(指示多孔构件的内部污染，例如熔块140b)。为了辨别作为所接收声学信号变化(推断多孔构件中污染物的潜在堵塞)来源的多孔构件，选择多孔构件正常不传导并且在正常和污染的多孔构件间反射能量有显著变化的询问频率或者频率组(即，穿透多孔构件的声学信号正常被吸收而不是透射通过)。在这些频率处，所接收信号相对不受熔块外表面存在或者出现的障碍影响，因为只有微不足道的声学能量传送到该外部障碍并且随后返回到接收器。
图14示出了针对熔块140b的在6.5khz自然谐振频率处返回到接收器的声学能量变化，其中的声学能量变化由熔块140b的声学阻抗变化导致，其中的声学阻抗变化由污染物浸入或者侵入熔块140的孔所引起。在图14中，对污染或者渗透的熔块140b的处理响应与未处理响应之间在6.5khz处存在显著差异，而在，例如，如图10b所示的外部或者表面障碍的情况下，反射能量大部分受外部障碍影响。
在多个实施例中，幅度和/或相位变化的检测与多孔构件的谐振频率相关联，和/或通过设计将扬声器/麦克风系统耦合到多孔构件的内腔的几何机构可以增强多孔构件谐振频率变化的检测。这种系统的谐振频率可以，例如，由多孔构件的声学阻抗以及所连接内腔的声学特性联合确定。额外的检测增强可以，例如，通过如图15a所示的，通过选择声学端口的几何形状以实现交感共振来实施，其中的声学端口将扬声器和/或麦克风连接到密封到多孔构件的内腔。备选地或者附加地，如图15b所示，声学谐振腔可以被固定到多孔构件的环境(外部)侧，用以增强通过多孔构件返回到接收器的信号。
如上所述的回射系统通过使发射器和接收器处在多孔构件的相同侧提供优势。再一次，这种安排对多孔构件将一侧(外部)的危险或者爆炸环境与另一侧(内部)的组件隔离的情况尤其有益，其中的组件能够被有害环境损害或者削弱，或者其代表对外部环境的潜在点火源。然而，使用声学信号的幅度和/或信号变化检测以及分辨多孔构件的堵塞并不限于回射系统。另一种方法是建造直接监测透射通过多孔构件的声学信号的检测系统。图16简要示出了这种透射检测系统的实施例，该透射检测系统使用了位于多孔构件相对侧上的发射器和接收器。这种实施例可以包括额外的屏障或者保护组件/方法用以保护接收器免受外部环境影响或者隔离作为点火源的接收器。如上所示，本安电路可以被用于接收器。附加的接收器屏障可能引起在接收器屏障以及多孔构件上形成堵塞的机会，其中的多孔构件将传感器与周围环境区分开来，从而复杂化多孔构件堵塞检查的可靠性，以及对其有潜在影响。如图16中描述的，检测信号包括透射通过多孔构件或者屏障(i2)直接到达接收器的声学信号以及从周围反射和散射到接收器的声学信号部分(irec)的复合。因此，堵塞检测以及分辨由在一个或多个频率处复合信号的幅度和/或相位变化来确定。不同于回射系统，如图17a和17b中所描述的，堵塞位于多孔构件与接收器之间或者在接收器另一侧是可能的，相应的，需要不同的或者额外的所接收声学信号和堵塞之间的相互关系，用以关联检测系统的变化与堵塞状态的变化。附加地，通过在多孔构件谐振频率处的堵塞吸收或者反射概率来分辨外部堵塞和多孔构件的污染物是复杂的，由污染引起的谐振变化，潜在的导致多孔构件透射变化的检测复杂化。
在使用本文中诸如设备100和测试系统100b’开发的原始数据上测试了多种算法，并且有方法可以处理这些数据，这些数据给出信号，这个信号会随着堵塞而变化。在多个实施例中，使用了基于锁定方法的算法。当多孔构件如上所述被堵塞时，通过扬声器播放并且由麦克风接收的信号的相位和幅度两者将会变化。锁定方法提供了两者几乎未处理的输出。就其本质而言，锁定算法是单调的或者极窄频带的检测器。使用单个锁定检测器跨多频率检测需要多次询问，其中的声学发射器一次激励一个频率。或者，能够借助锁定通过同时在多个频率驱动发射器来进行多频率询问(如果这些频率足够分离以借助锁定检测器的带宽来分辨)并且借助并行的锁定检测器(每一个频率使用一个)检测。还能够通过记录接收器信号并且重复通过锁定检测器传递信号进行多频率询问，其中的锁定检测器在每一次传递时锁定在每一个感兴趣频率处。多音和宽带询问信号可以，例如，与基于傅里叶频率响应功能检测一起使用。其他的宽带兼容检测模式可以与宽带或者多音技术一起使用。人们还可以使用时域检测技术。再一次，很多检测模式适用于在本文中的设备，系统和方法中使用。合适的检测模式示例包括，但不限于，锁定算法，傅里叶变换，小波/曲波，以及希尔伯特变换。
在多个实施例中，声波源或者扬声器还能够用作本文章设备中的声波传感器。就此而言，从多孔构件的堵塞产生的壳体内腔内的声压变化能够改变扬声器(波源)的声负载，导致在扬声器驱动终端的反电动势，电流或阻抗(合成的电动势和电流)的变化中可检测到的失真和/或幅度和/或相位的其他频率可参照的变化。类似于本文其他处所讨论的利用与发射器分离的麦克风或者接收器接收的信号，这种扬声器声学负载变化的测量与评估能够与多孔构件的堵塞有关。
除了与上文所述的传感器电子询问有关的传感器输出修正以外，本文的设备和系统还可以经操作或者适于将一个或者多个修正应用到由流量路径/堵塞测试结果所确定的传感器输出上。就此而言，传感器可以，例如，被认为是“分子计数器”。因此，分析传感器以这样的方式被校准，即某些分析物分子在其扩散通过仪器时在分析工作或者感应电极处进行反映并且基于先前的校准将测量值转换成例如百万分之一(ppm)或者基于百分比的等效读数。当与传感器相关的多孔构件或者屏障是打开或者畅通的，相同情况下的扩散率是十分重复的。如果多孔构件被堵塞或者流通路径以其他方式被阻碍，分子可以从仪器外壳的外部扩散到传感器的速率可以变慢，因此降低分子遇到传感器活性部分的速率，从而降低输出。通过测量部分堵塞作为一个或者多个关于此测试的结果，人们能够调整传感器的灵敏度以保持精确的读数，而忽略此种部分堵塞。
堵塞百分比可以例如容易通过实验与校正因子相关联。例如，关联的查找表或者关联的算法/公式可以被存储在本文的设备和系统的存储器中，并且从中确定传感器灵敏的校正因子。
目前，前文所述以及附图阐述了当前的多个代表性实施例。根据上述教导，各种修改，添加和替代设计对于本领域技术人员而言是显而易见的，并没有超出本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述说明指示。落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化和变更都将被包含在其范围内。