[发明专利]共振声气体传感器

说明书

本发明公开了共振声气体传感器以及用于操作声气体传感器的方法，其通过使用动态阈值以识别共振峰值并优化对后续共振峰值的搜索来改善检测和减小功率消耗。共振声气体传感器可以使用一个或两个单独的换能器来产生电子信号，该电子信号被滤波并用于识别共振峰值，即使用电压值或阻抗值来识别共振峰值，并且使用共振峰值来确定所测量的气体混合物的组成。

背景技术

对爆炸性气体的检测是采矿、石油和天然气工业、以及由天然气供电的的商业、住宅和工业环境中的重要安全组成部分。如公共事业公司所供应的，天然气是通常>95％的甲烷，因此几乎所有的商业检测器都被设计成感测该化合物并测量其在空气中的浓度。特别令人关切的是5-15％的爆炸浓度范围。以这些传感器为基础的感测技术包括中红外光谱、热导率、厚膜半导体的电阻、来自催化氧化的热量、以及来自火焰离子化的电流。这些传感器中的每一个在以下方面具有限制：所覆盖的浓度范围、准确度、选择性、所需的功率、简易操作、校准、稳健性、寿命和/或成本。

一些类型的声传感器已经用于天然气工业。这些传感器中的许多传感器基于高压气体在其离开小孔口时产生的噪声，并且尤其可用于市场的生产和传输区段，其中压力通常为200-1500psi。然而，向最终用户的天然气分配处于低得多的压力(低至0.25psi)，使得在背景噪声上将不可检测到泄漏的声音。另外，来自高压泄漏的噪声对于所发射的气体的种类是非选择性的。声传感器基于气体混合物组成对声波行为的影响来计算包括特定感兴趣气体的气体的组成。这可以通过测量声信号的渡越时间、或通过测量存在共振的频率来完成，该共振是由于基于声音行进通过的流体的组成而引起的声音速度改变。

还期望由于分布式和远程感测系统的上升而最大化传感器的功率效率。在这些系统中，传感器可以被放置在一定位置处并仅由维护人员偶尔访问，并且位置可能很难接近电源。因此，传感器可能需要依靠电池电量来长期运行期，或者利用有限功率采集能力。提高这些传感器的功率效率增加了其可以被部署的时间量，或简化了将这些传感器并入远程感测环境或另外的有限功率环境中的装置的设计要求。

发明内容

本发明的系统实施方案是声传感器，其包括气体可渗透的测量室、沿着测量室定位或定位在测量室内的发射器和接收器、驱动振荡器以驱动发射器的微控制器、以及处理接收器的输出的积分峰值检测电路。积分峰检测电路对接收器的电压响应进行积分。使用动态阈值来确定何处存在对噪声较不敏感并同时保持灵敏度的峰值。在一些实施方案中，系统被构造成一旦检测到峰值就在频率空间中进行前跳，以便一旦已经确定第一峰值，就基于参照气体(诸如空气)中将期望共振峰值的位置来更有效地搜索后续的共振峰值。在一些实施方案中，单独的发射器和接收器可以被单个换能器替换，其复阻抗由模数转换器测量。

本发明的方法包括测量接收器对频率的响应并且确定该响应是否指示共振峰值。如果响应不指示共振峰值，则使初始频率增加粗调量并且重复测量。如果响应指示共振峰值，则设置动态阈值并且捕获产生高于该阈值的响应的频率，其中共振峰值被确定为在产生高于阈值的结果的最低频率与最高频率之间的中点处。在一些实施方案中，该方法然后可以行进到通过基于空气中的共振频率峰值之间的距离使所确定的共振频率增加恒定值，并且使用该经增加的值作为用于该方法的后续迭代的初始频率来发现下一个共振峰值。

附图说明

图1是具有单独发射器和接收器的声气体传感器的图。

图2是具有参照室以及测试室的声气体传感器的图。

图3是具有一个换能器的声气体传感器的图。

图4是用于特定气体的共振峰值以及用于根据这些峰值中的一个来确定共振频率的动态阈值的设置。

图5是声气体传感器的电子器件的一部分的电路图。

图6是用于操作声传感器以设置动态阈值并有效搜索后续共振峰值的方法的流程图。

具体实施方式