[发明专利]声传感器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于检测空气传声(airborne sound)的压缩组件形式的空气传声传感器。该系统降低了工人将暴露在工业工人不能看到或听到的，从高压的工业加压气体系统逸出的危险的高压气体射流中的危险。

背景技术

在许多工业环境中，加压管道的使用是常见的，如通常包含复杂的管道网以运输各种危险的和非危险的高压介质，如气体和液体的石油钻塔、精炼厂、气体生产和储存设施以及发电厂。管道也可用于操作或控制过程以及过程的分配和废气产物。气体可能是有毒的或爆炸性的，这可能需要立即行动，然而任何加压的气体泄漏应最紧急地进行处理，并因此需要仔细的泄漏监测。

产生加压气体或依赖于加压气体作为机器操作的部分的其它工业操作包含当部件磨损或处于压力下时可能产生超声波的机械零件。

大多数工业场所的历史超声波噪声评价表明，大多数人为的噪声发生在听觉范围内，而加压气体泄漏产生跨越听觉范围和超声范围的宽频带的声压级。超声信号的大小是许多变量的函数，该许多变量包括上游到下游的压力差、泄漏的大小、气体的种类和气体的温度以及被驱动的或闭合的加压系统的类型。重要的是，无论系统是利用压力发生器如泵来驱动以保持系统压力，或者如果系统是闭合的例如压力容器，建立可能的泄漏曲线的强度和持续时间。如果系统由恒定的压力驱动，泄漏曲线将在整个频率范围内以小幅波动持续泄漏持续时间地保持相当地恒定，然而封闭系统由于能量转移，将经历快速的冷却，并且声压级在整个频率范围内以小幅波动迅速降低，这需要即时检测以避免气藏(gas pools)未被发现。应当指出的是，虽然没有两个气体泄漏会产生相同的曲线，但是随着提高的频率强度降低的宽频带特性允许泄漏易于检测。

超声波燃气泄漏检测器已经是可获得的，并且通常在25kHz到100kHz的超声波频率范围内工作，以消除人为的听觉噪音并且避免误报警。检测器通常安装在杆上或感应区域上方的位置(例如约3m高度的杆上或壁上)，以增加通常是半球形或圆锥形的感应范围。

为了进一步避免误报警，检测器设置在装置接装置(installation-by-installation)的基座上，其中警报级别设定为高于峰值超声波背景值的点(对于低于74dB的背景，通常峰值背景为+6dB)，并且然后在它们用于报警目的之前在全进程期间被监控。用于无毒应用的附加措施可以为报警功能施加延迟时间，以消除由金属标牌、压力释放阀和其它维护活动如敲击、喷砂和压力洗涤产生的短期超声峰值。

相比关注的区域，现有的检测器提供有相对大的动态范围，因为需要它们用一个标准检测器覆盖工业环境的所有区域，从44dB至+104dB，这导致了输出信号的灵敏度降低。

进一步的要求是确保良好的安全完整性等级(例如SIL-EN61508)，以保持功能。这个目前以两种方式中的一个来完成，即通过简单检测器中的检测器设计和部件评估或用检测器设计和与复杂检测器中的自检装置联接一起的部件评估。

通常在低功率本质安全的检测器中发现使用检测器设计和部件评估的第一种方式的示例，而第二方法的示例包括背景监控，其中超声波背景值超出检测器动态范围的下限，从而造成升高的信号级，如EP 1522839中描述的外部安装的压电式转换器(piezoelectric transducer)、如US 2011120209中描述的内部加压空气射流和使用已知电压对检测器部件施以脉冲的电子测试。

使用检测器设计和部件评估，安全完整性等级(SIL)的第一类型具有缺点，事实上，没有反馈到控制室的正反馈以指示检测器仍然是有功能的，因此维护需要定期进行且由于检测器的高度这通常会带来成本。这种类型的检测器通常达到SIL 1/2的低评定等级，这可以在某些安全关键系统上排除使用。

当背景噪声级低于检测器的动态范围时，使用背景级的第二类型不起作用。如果背景级在检测器的动态范围内，检测器灵敏度的缺乏通常需要进一步的验证，以产生特别是在旧装置上能够准确测量的信号，这两种情况都需要定期成本维护。这种类型的检测器通常也将达到SIL 1/2的低评定等级。

在US 2011120209中描述了如EP 1522839中描述的外部安装的压电式转换器的缺点。为了产生能够充分检测传感器的噪声，测试持续时间通常在15s左右，在该点检测器有效地不理会环境，这在有毒气体存在时可能排除使用。压电式转换器还具有约100dB的最大输出，这阻止了在具有高背景噪声的区域中使用。这种类型的检测器通常达到SIL 2/3的评定等级，但对安装环境将会有限制。