定向超聲波氣體洩漏檢測器的製作方法

2023-05-14 17:40:51

超聲波氣體洩漏檢測器測量當氣體從較高壓力逃逸到環境大氣時由湍流生成的聲壓波。這種氣體洩漏檢測器用作工業安全設備，以監測可燃氣體或有毒氣體不必要地或意外地釋放到大氣中。洩漏需要在其幅值進一步增加之前快速標識，以便允許及時採取補救動作。超聲波氣體洩漏檢測器具有優於其它氣體檢測器類型的優點，這在於氣體不需要到達檢測器；即使洩漏氣體被風分散，也可以檢測到氣體洩漏。

常規的超聲波氣體洩漏檢測器是全向的，並且在提供關於加壓氣體洩漏的大小和持續時間的有用信息的同時，不向維護人員提供關於氣體洩漏的位置的任何信息。作為視線光學檢測器的常規的開放路徑檢測器也不提供洩漏位置信息。常規點檢測器(諸如催化、紅外或電化學檢測器)需要以增加的費用彼此接近地放置，以提供更精確的洩漏位置信息。紅外氣體雲成像相機是昂貴的，它們的靈敏度隨著被監測的氣體而變化很大，並且它們的性能很大程度上取決於洩漏氣體雲和背景溫度之間的差別。由於這樣的原因，紅外氣體雲成像相機不容易在工業固定氣體檢測裝置中採用。因此，需要把洩漏位置或至少洩漏方向的益處增加到超聲波氣體洩漏檢測設備。

技術實現要素：

定向超聲波氣體洩漏檢測器的實施例包括間隔開的MEMS麥克風陣列，每個麥克風響應於來自氣體洩漏源的入射空中超聲波能量以生成麥克風信號。波束成形處理器響應於來自陣列的麥克風信號，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到達角。該陣列可以設置在防爆外殼結構中以在危險場所操作，或者實施為本徵安全設備。在另一實施例中，顯示器響應於處理器輸出信號以生成表示被監視的場景的圖像，其中波束方向上的入射能量的估計幅值被疊加在圖像上。

附圖說明

當結合附圖閱讀時，本領域技術人員將根據以下具體實施方式容易地理解本公開的特徵和優點，其中：

圖1是MEMS麥克風和相關聯的電子器件的2維陣列的示例性實施例的示意性方框圖。

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

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

圖4以橫截面描繪了用於氣體洩漏檢測器系統的示例性防爆外殼結構和系統。圖4A圖示了用於接納圖4所描繪的系統的示例性外殼結構和系統。圖4B圖示了氣體洩漏檢測器的另一實施例，其中感測頭遠離主系統外殼。圖4C圖示了防爆外殼結構中的聲學檢測器系統的另一實施例。

圖5是圖示了如上文關於圖1至圖3所描述的用於麥克風陣列的本徵安全電路的簡化電路示意圖。

圖6是圖1至圖3的定向超聲波氣體洩漏檢測器的特徵的示意性方框圖。

圖7是採用麥克風陣列的定向超聲波氣體洩漏檢測器的實施例的特徵的功能方框圖。

圖8是定向超聲波氣體洩漏檢測器的另一實施例的特徵的功能方框圖。

圖9是使用圖1的2維波束成形陣列來定位的實驗室超聲波源的示例性實施例，並且其中所定位的實驗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視的場景的顯示器，其中定向超聲波檢測器具有以設備為中心的視場。

具體實施方式

在以下具體實施例中並且在附圖中的幾個附圖中，相同的元件使用相同的附圖標記來標識。附圖不按比例繪製，並且為了說明的目的，相關的特徵尺寸可能被誇大。

市場上的超聲波氣體洩漏檢測器可以利用單個預極化壓力麥克風，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製造的。超聲波區域被限定為超過人類聽覺的頻率範圍，起點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，並且超聲波氣體洩漏檢測系統的實踐應用通常用於小於100kHz的頻率。

在示例性實施例中，定向超聲波氣體洩漏檢測器包括間隔開的麥克風陣列。每個麥克風響應於來自設置在陣列的範圍內的氣體洩漏源的入射空中寬帶超聲波能量，以生成麥克風信號。波束成形處理器響應於來自該陣列的麥克風信號，以生成處理器輸出信號，該處理器輸出信號指示從設置在該陣列的範圍內(例如，距該陣列30米至50米的範圍內)的氣體洩漏源入射在陣列上的超聲波能量的估計到達角。該陣列可以容納在防爆外殼結構中，或者該檢測器可以被設計為本徵安全設備，以滿足由管理機構團體限定的危險場所中的操作要求。在該情景中，危險場所是包含或可能包含可燃氣體、蒸汽或灰塵的可燃濃度的區域。麥克風優選地與陣列中的相鄰麥克風間隔開不大於5mm的間隔距離。

在示例性實施例中，在陣列中利用的超聲波麥克風可以是基於MEMS(微機電系統)技術的微型麥克風，其可以在超過15kHz的可聽範圍並且超出100kHz的超聲波頻率範圍內很好地操作。MEMS麥克風可以安裝在印刷電路板(PCB)上、並且容納在批准用於危險場所的環境耐用機械外殼中，其準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麥克風在工業超聲波氣體洩漏檢測器中的實施，並且這些專利公開的全部內容通過引用併入本文。

離散的預極化不鏽鋼超聲波麥克風提供優良的超聲波性能，但是被包裝成用於工業氣體洩漏檢測器的陣列太大且昂貴。MEMS麥克風是比較微型的，並且本身被放置在電路板上以形成麥克風陣列。在示例性實施例中，總共九個MEMS麥克風(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線性陣列中均勻且相等地間隔開。為了在兩個垂直方向上實現均勻且相等的間隔，陣列以「T」的形狀來定位：這是由MEMS麥克風包裝所規定的，其是矩形而不是正方形或圓形。在氣體洩漏的超聲波檢測的示例性實施例中，電路板上的麥克風陣列區域通常將不超過10平方釐米。由麥克風生成的信號由ADC 11數位化，並且由具有嵌入式軟體的處理器(通常指示為12)處理。對於產生數字輸出的麥克風，處理器可以處理這樣的數位訊號而不需要ADC 11。

在示例性實施例中，N個全向MEMS麥克風在一列中均勻間隔開，其中，N至少為2。圖2是五個MEMS麥克風(1，2，3，4和5)的線性陣列20的圖示，其中麥克風間間距為d，並且聲音以與麥克風陣列軸線成一定角度θ入射。波束成形是用於定向信號傳輸或接收的傳感器陣列中的信號處理技術，後者是麥克風的情況。適用於使用均勻線性陣列(ULA)進行波束成形的一些規則是：

a)麥克風數目的增加可以增強被限定為陣列增益的陣列的信噪比，並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是麥克風的數目。陣列增益可以幫助增加檢測距離。增加N還導致物理上較大的陣列。

b)使用更大數目個麥克風而增加總陣列長度D會改善空間解析度。D被稱為孔徑尺寸，並且在N個麥克風被相等間隔開距離d的情況下，D＝(N-1)d。對於寬邊方向，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。

c)麥克風間麥克風間距d確定可以被控制而沒有混疊效應的最高頻率fmax。最高頻率fmax的聲學波長是最短波長λmin，並且麥克風間距d必須滿足準則d<λmin/2以防止空間混疊。對於空氣中的聲速為340m/sec並且麥克風間距d＝3.4mm，λmin為6.8mm，fmax＝50kHz；這樣的波束成形器可以用於低於50kHz的超聲波頻率，而沒有導致方向性圖案的主瓣的副本的混疊效應。對於尺寸大約為3mm的MEMS麥克風，可能的最小麥克風間間距也大約為3mm，致使fmax值為50kHz左右。

d)超聲波的大氣衰減是頻率的函數，並且從40kHz處的大約1dB/m增加到170kHz處的大約10dB/m。因此，在實踐中，超聲波氣體洩漏檢測器設計限於低於大約75kHz的頻率；由於大氣衰減，相同的頻率限制可能應用于波束成形，由於上述對麥克風間間距的實際限制而進一步限制為50kHz。因為量級為0.1kg/sec的工業標準洩漏率，所以超聲波氣體洩漏檢測器的氣體洩漏範圍至多為幾十米。

圖2是五個MEMS麥克風(1，2，3，4和5)的線性陣列20的圖示，其中麥克風間間距為d，並且聲音以與麥克風陣列軸線成一定角度θ入射。圖中最右側的MEMS麥克風1比其左側的MEMS麥克風2更早地接收聲音；該差異被稱為到達時間差(TDOA)。在遠場近似中，與聲音的麥克風間距和波長相比較，聲源更遠。這種近似在氣體洩漏幾米遠的情況下有效。在遠場中在陣列的範圍內接收的聲音波前可以被認為是平面的而非是球形的；對於平面波前，用於在連續麥克風之間接收聲音的時間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，該延遲會導致由麥克風接收的信號之間的相移。延遲與麥克風陣列的入射角和幾何形狀直接有關。給定麥克風陣列的幾何形狀，延遲或相位差異可以用於估計入射能量的入射到達角。

被稱為延遲與求和波束成形的技術可以用於估計入射角θ。如果時間延遲被添加到來自每個麥克風的記錄信號，其等於由額外行進時間引起的延遲並且與其相對，則將產生彼此完全同相的信號。對這些同相信號求和將致使相長幹涉，其將通過陣列中的若干個麥克風來放大該結果，並且產生指向性圖案中的主瓣。這被稱為時間延遲與求和波束成形。對於DOA(到達方向)估計(也被稱為AOA(到達角))，可以迭代地測試所有可能方向的時間延遲。如果猜測錯誤，則信號將相消幹擾，從而致使輸出信號減小，而正確的猜測將導致上文所描述的信號放大。在實踐中，時間延遲被連續地掃掠，從而導致從初始角度(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)

在示例性實施例中，控制角在72個步幅中以2.5度步幅而增加，從而提供180度的波束控制。對於圖1的兩個垂直ULA中的每個垂直ULA獨立地執行該波束控制。由參照垂直於平面陣列的軸的兩個垂直ULA生成的方位角和仰角(Ф，θ)角度坐標會產生聲音掃掠錐體(cone of sound sweep)。在示例性實施例中，在每個步幅角，對n個數據樣本的來自圖1的陣列中的每個MEMS麥克風的信號以150kHz進行採樣，其中，n可以是256。

圖3示出了時間延遲與求和波束成形的功能軟體實施方式的示例性實施例。對n個數據樣本的來自MEMS麥克風的信號(101至105)進行採樣，其中，n可以是256，採樣率為150kHz；在圖1和圖2中五個麥克風在這裡被示出為ULA，但是對于波束成形，ULA可以具有大於最少兩個的任何數目個麥克風。所採樣的數據流通過乘以偶數個111或奇數個112而被分成偶數值和奇數值。在113中組合偶數(I同相)數據和奇數(Q異相或正交)數據以產生複數，其對於隨後的軟體處理來說更容易生成與沿著到達方向(DOA)的相長幹涉相對應的峰值幅值。這種同相正交技術在數位訊號處理中是眾所周知的。在113處產生的複數乘以掃描因數114，該掃描因數114是由控制角θ(等式2)的餘弦和正弦構成的複數。

掃描因數(n)＝複數(cos(θn),(sin(θn)) (3)

其中，n是0度和180度之間(例如，在72個步幅中)的控制角方向。

來自其它MEMS麥克風中的每個MEMS麥克風的數據被類似地處理115，並且來自所有MEMS麥克風的經處理的信號被求和116。對求和的數據116求平均117，並且被歸一化118為在所有掃描角上計算的最大值。對於從0度到180度的每個掃描角120，繼續該過程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。

連續執行圖3中所描述的計算，並且在一個示例性實施例中，對於上文所描述的參數(採樣率150kHz、每步幅256個數據樣本、72個步幅)，完整的0度至180度掃描的時間大約為0.1秒。使用上文所描述的波束成形參數，時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時間。應當指出，如果存在超過一個超聲波源，則波束成形繪圖可以指示多於一個DOA矢量；向用戶提供整個波束成形掃描中的局部最大峰值的相對強度，從而使得能夠相應地採取動作。波束成形掃描中的主瓣峰值的幅值指示超聲波源的強度。單個平面麥克風陣列計算到達方向，而不計算距超聲波源的距離；因而，遠處的強超聲波源可以生成與更靠近麥克風陣列的較弱的超聲波源相同的SPL和主瓣峰值尺寸。

在示例性實施例中，僅當超聲波SPL高於指定閾值時，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。

對於諸如圖1所示的示例性2維陣列，對於每個ULA獨立地執行DOA計算，提供兩個獨立的角度(Ф，θ)，其提供加壓氣體洩漏相對於垂直於平面麥克風陣列的軸線的方位角和仰角方向。在待檢測的氣體洩漏源為幾米遠的遠場近似中，圖1的MEMS麥克風陣列的事實在於「T」的形狀在「+」形式的更自然和居中的MEMS麥克風陣列上不引起任何顯著誤差，其中，兩個線性陣列的交點是坐標系的原點。

圖3是圖示了用於定向氣體洩漏檢測器的時間延時與求和波束成形的示例性實施例的流程圖。其它波束成形技術是可用的並且對於本領域技術人員是已知的。這些波束成形技術包括在參考文獻中詳述的幾種類型的基於頻率或頻譜的波束成形，並且可以被認為在本發明的範圍和精神內。然而，在圖1中體現的平面陣列由兩個垂直線性陣列組成，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行波束成形，其中更大數目個模擬或數字MEMS麥克風的代價是附加電子電路、數學上複雜的波束成形算法以及增加的板載計算能力和內存。在不背離本發明的範圍和精神的情況下，本領域技術人員可以進行各種修改和改變。

為了在氣體洩漏檢測器(工業應用)中使用MEMS麥克風，麥克風優選地被封裝以滿足在由管理機構團體限定的危險場所中的操作要求。一種全球公認的氣體檢測器的保護方法是防爆方法(Ex d)，其確保任何爆炸條件被包含在殼體內，不點燃周圍環境，並且可以利用阻焰器作為感測元件前面的保護元件。阻焰器防止意外點燃的火焰或爆炸的傳輸，同時準許空氣和氣體的流動。工業和政府監管團體針對防爆設計而廣泛接受的標準中的一些標準是來自加拿大標準協會的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。

另一保護方法是本徵安全性(Ex ia)，其由國際電工委員會的IEC 60079-11涵蓋。在本徵安全的保護方法中，本徵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，使得不會生成導致點燃爆炸性氣體混合物的火花。

在用於工業應用的MEMS麥克風或麥克風陣列的實踐實施方式中，陣列可以放置在諸如美國專利申請2009/0060246 A1與防爆(Ex d)外殼或本徵安全(Ex ia)保護方法中詳述的聲學透射保護膜後面。

圖4圖示了防爆聲學系統50的示例性實施例。該示例性實施例包括外殼52，其在示例性實施例中可以由鋁、不鏽鋼或具有合適抗拉強度的其它工業金屬製成。在該示例中，外殼52可以採用大致柱形配置，其中有中空開放的內部空間。外殼的外部表面和內部表面可以使用各種臺肩和階梯表面來加工或製造，並且外表面可以包括螺紋部分。例如，圖4中所描繪的系統50包括具有通常被描繪為52A的中空內部空間的外殼52。在外殼的換能器端52E處，中空內部空間由倒角或引入部52B形成，並且提供用於聲學能量的埠或窗口以撞擊安裝在外殼中的換能器。外殼的內部中空或開放區域52A可以由支撐臺肩表面52C和52D製作，其可以配準系統50的特定元件的位置。

示例性系統50包括多孔金屬燒結盤53，其在示例性實施例中可以由316L型不鏽鋼製成。盤53設置在由臺肩52C配準在適當位置的外殼52的前部或換能器端52E上，並且用作阻焰器。燒結盤53可以壓配合到外殼中、附接到外殼、或者與外殼一體製作。如果燒結物和外殼材料都是不鏽鋼，則可以使用後一種方法。在示例性實施例中，燒結金屬盤53的厚度可以為八分之一英寸，其中最大孔徑為250微米，其根據管理機構團體的設計指南和測試得知以滿足Ex d保護方法的要求。示例性盤直徑為1.0英寸。麥克風陣列54安裝在電路板55的前側上，並且放置為靠近但不與燒結金屬盤接觸；盤和換能器之間的示例性間距距離為0.015英寸。

如果MEMS麥克風是已知為「底部埠」或「零高度」的類型，則麥克風陣列可替代地安裝在電路板55的後側上；在這種情況下，超聲波通過電路板中的通孔或孔洞而到達MEMS麥克風。Knowles MEMS麥克風SPU0410LR5H是可以使用的示例性底部埠模擬麥克風。Knowles MEMS麥克風SPH0641LU4H是可以可替代地使用的示例性底部埠數字麥克風。圖4C示出了防爆聲學系統50'的備選實施例，其中，陣列54'安裝在電路板55的背側上、遠離阻焰器53，並且超聲波能量穿過電路板55中的孔洞或開口64。圖4C的實施例在其它方面類似於圖4的實施例。

對於系統50在潮溼環境中的操作，疏水膜56可以放置在燒結盤53和外部環境之間。膜56可以因其優良的聲學透射性能而被選擇；這種膜的示例是由紐約華盛頓港的Pall Corporation製造的Versapor 5000R。適用於該目的的其它膜由馬裡蘭埃爾克頓的W.L.Gore&Associates，Inc.製造。

優選地，選擇燒結金屬盤的孔隙率和厚度，使得盤不會顯著退化期望頻率範圍(例如，超聲波頻率)的聲學聲波對麥克風的透射。因此，燒結盤53不僅為在危險環境中的操作提供保護，而且還提供對灰塵和水的防範，同時仍然準許優良的聲學聲波透射。如果需要，則疏水膜56提供對環境的附加保護。它還防止灰塵和水分到達燒結金屬盤53，從而防止多孔金屬盤被堵塞。

仍然參照圖4，用於聲學換能器的偏壓線、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域內的適當位置，同時外殼52中的中空區域的剩餘部分使用電絕緣灌封化合物59從後部來密封。適用於該目的的依從機構(agency compliant)的灌封化合物的示例是來自Emerson&Cuming的Stycast 2850FT。

在示例性實施例中，具有防爆麥克風陣列的聲學系統50可以提供用於超聲波檢測的完整傳感器。通過包封的後端和燒結金屬盤前端，它適於在爆炸性危險場所中操作，其作為遠程安裝的單獨的傳感器、或者作為例如通過螺紋接合而附接到也適於危險場所的另一外殼中的傳感器。系統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包含用於調理並且處理傳感器麥克風陣列信號並且隨後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50被示出為擰入殼體70中，其也滿足在爆炸性危險環境中操作的要求。聲學系統50可以是例如系統50(圖4)。在殼體70本身防爆的情況下，本申請中的聲學系統50可以省略一些實施例的防火密封結構59。在該示例性實施例中，外殼70包括主殼體或底部部分72、以及蓋子74；該蓋子74被示出具有光學窗口76以觀察與聲學聲壓級成比例的所顯示的信號。殼體的底部72具有使得能夠將外殼安裝在合適的安裝支架上的特徵。

第二外殼70可以包含為麥克風供電、處理由麥克風陣列生成的電信號、以及向用戶提供輸出以監測並且記錄聲學信號所需的電子器件。

進一步地，在其它實施例中，麥克風陣列系統50可以遠離殼體70安裝，並且遠程外殼和殼體之間的連接可以滿足在爆炸性危險環境中操作的要求。圖4B中圖示了遠程安裝的麥克風陣列的示例性實施例。諸如導管中的電纜70A之類的通信鏈路會提供麥克風陣列50和外殼70之間的信號連接。

MEMS麥克風是通常在2.5V下操作並且汲取小於1mA電流的低功率和低電壓設備。因此，MEMS麥克風非常適合於本徵安全的保護方法。圖5示出了連接在危險區域中的MEMS麥克風陣列160和電源158之間的示例性本徵安全電路150。電路150利用限流電阻器156和齊納二極體152A，152B；在該示例性實施例中冗餘地使用兩個齊納二極體。齊納二極體是這樣的二極體：不但允許電流以與理想二極體相同的方式在正向方向上流動，而且當電壓高於被稱為擊穿電壓的特定的明確定義的值時，準許該電流在反向方向上流動。如果在儀器安全區域內部生成意外的高電壓，則通過齊納二極體的高反向電流會導致保險絲154在電能被傳送到位於危險區域中的麥克風陣列160之前被燒斷。

如圖6所示，在採用MEMS麥克風陣列的氣體洩漏檢測器系統150的示例性實施例中，對九個MEMS麥克風(152a至152i)的輸出進行信號調理(153a至153i)，然後如果麥克風輸出是模擬的，則進行數位化153，並且由超聲波氣體洩漏檢測器150進一步處理，其包括電子控制器155(例如，數位訊號處理器(DSP))、ASIC或基於微計算機或基於微處理器的系統。對於麥克風提供數位化輸出的情況，信號調理153a至153i包括模擬到數字轉換，並且不需要內部ADC 153。在示例性實施例中，信號處理器155可以包括DSP，儘管可以可替代地採用其它設備或邏輯電路用於其它應用和實施例。在示例性實施例中，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/發送器(UART)151、串行外圍接口(SPI)152、內部ADC 153(如果需要)、用於外部存儲器(SRAM)21的外部存儲器接口(EMIF)154、以及用於片上數據存儲的非易失性存儲器(NVM)156。Modbus 91或HART 92協議可以用作通過UART 151的串行通信的接口。這兩個協議在加工工業中是公知的，連同諸如PROFIbus、Fieldbus和CANbus之類的其它協議，用於將現場儀表接口到用戶的計算機或可編程邏輯控制器(PLC)。在示例性實施例中，信號處理器155通過SPI 152連接到多個其它接口。這些接口可以包括外部NVM 22、警報繼電器23、故障繼電器24、顯示器25和模擬輸出26。

在示例性實施例中，模擬輸出26可以產生介於0毫安和20毫安(mA)之間的指示電流水平，其可以用於觸發補救動作，諸如僅作為示例，依照既定的設施協議來關閉處理設備。模擬輸出26處的第一電流水平(例如，介於4mA和20mA之間)可以指示氣體洩漏，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，當不存在氣體洩漏時)，並且模擬輸出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致的系統故障。在其它實施例中，可以選擇其它電流水平來表示各種條件。

在示例性實施例中，如下文更全面地討論的，信號處理器155被編程為執行信號預處理和人工神經網絡(ANN)處理。如下文更全面地描述的，信號處理器155執行波束成形功能。在檢測到來自氣體洩漏的超聲波時，所計算的超聲波的到達方位角和仰角(Ф，θ)連同所測量的聲壓級(SPL)可以經由顯示器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施例中，該信息可以用於將氣體洩漏SPL和方向坐標重疊到被監視場景的圖像上。

US 2014/0000347詳述了人工神經網絡(ANN)如何能夠在超聲波氣體洩漏檢測器中用於區分由加壓氣體洩漏生成的超聲波與由例如機械或生物源產生的噪擾超聲波。ANN可以與聲壓級(SPL)閾值(US2014/0000347A1的圖2)結合使用，或者避開使用SPL閾值(US2014/0000347A1的圖5)。在本示例性實施例中，在波束成形用於確定所接收的超聲波的DOA的情況下，US2014/0000347 A1的教導可以用於確定所接收的超聲波能量是從加壓氣體洩漏(威脅)發出還是從噪擾源(假警報)發出。可以使用來自屬於兩個ULA的任何MEMS麥克風的信號來執行SPL測量和ANN計算。在DOA繪圖示出了單個超聲波源的實例中，可以標識加壓氣體洩漏或噪擾超聲波的方向。基於非ANN的信號處理還可以用於區分氣體洩漏與噪擾超聲波的存在。可替代地，超聲波氣體洩漏檢測器可以是簡單閾值設備，其沒有用來區分氣體洩漏超聲波與噪擾超聲波的裝置。因此，使用ULA和DOA計算的波束成形獨立於超聲波氣體洩漏檢測器的氣體洩漏區分能力。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洩漏或噪擾超聲波的警報的觸發。

圖7是可以通過對數位訊號處理器155(圖6)的合適編程來實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的兩個垂直ULA的九個模擬(在該示例性實施例中)MEMS麥克風(152a至152i)的輸出進行信號調理(153a至153i)，然後進行數位化211，通常被指示為210。然後對傳感器數據應用處理算法220，包括如美國公開申請US2014/0000347A1中所詳述的信號預處理221、ANN驗證功能222和後處理224、以及聲壓計算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角和峰值。在示例性實施例中，比較所計算的聲壓級(SPL)223與預設閾值227，同時後處理的ANN確定麥克風信號是否由實際氣體洩漏225生成。在示例性實施例中，判定方框225和227的組合產生四種組合：

輸出狀態228A是對於這樣的組合：(1)氣體洩漏(是)；

並且(2)SPL>閾值(是)

輸出狀態228B是對於這樣的組合：(1)氣體洩漏(否)；

並且(2)SPL>閾值(是)

輸出狀態228C是對於這樣的組合：(1)氣體洩漏(是)；

並且(2)SPL>閾值(否)

輸出狀態228D是對於這樣的組合：(1)氣體洩漏(否)；

並且(2)SPL>閾值(否)

輸出狀態228A與真實氣體洩漏的情況相對應，其中超聲波超過SPL閾值227，並且從所計算的(Ф，θ)方位角和仰角發出。閾值227可以被認為是氣體檢測閾值；用戶可以選擇在輸出方框230中為警報繼電器23設置較高的警報閾值。輸出狀態228B與這樣的情形相對應：所測量的大SPL已被診斷為不是由氣體洩漏引起、而是由以所計算的(Ф，θ)方位角和仰角所定位的假警報源引起。輸出狀態228C與真實氣體洩漏的檢測相對應，但是在幅值上足夠小以產生小於閾值127的SPL。輸出狀態228C可以被認為是輕微洩漏，或者向用戶提供更大的緊急洩漏的警告。用戶通常不會採取糾正動作，但被建議更密切地監測該設施。輸出狀態228D與沒有發生什麼的情形相對應；沒有氣體洩漏的證據，在波束成形繪圖中沒有峰值，其中背景SPL的值被認為無關緊要。輸出狀態228D典型的是安靜工業環境，諸如遠程陸上井口。

現在參照圖8，描繪了超聲波氣體洩漏檢測器250的另一示例性實施例的特徵，其描繪了氣體洩漏檢測器的功能方框圖。該實施例類似於圖7中描繪的實施例。然而，在該示例性實施例中，信號處理器155被編程為實施處理算法220'，其中，如圖7的方框227所示，沒有對根據聲壓計算223計算的SPL與預設閾值進行比較。相反，所計算的SPL 229被直接發送到輸出方框230。同時，經後處理的ANN經由判定方框225來確定超聲波是由輸出狀態232指示的真實氣體洩漏生成、還是由輸出狀態231所示的假警報生成。然後，輸出方框230經由警報繼電器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氣體洩漏的存在(根據輸出狀態232)、AOA方向27(Ф，θ)和嚴重性(SPL，以dB為單位)(根據信號229)。如果所計算的SPL被示出為根據判定方框225經由輸出狀態231通過假警報來產生，則輸出方框230可以類似地經由顯示器25、模擬輸出26和外部通信接口(諸如Modbus 91和HART 92)來通知用戶假警報事件及其嚴重性(以dB為單位)；然而，在由輸出狀態231指示的假警報事件的情況下，可能不會激活警報繼電器23。

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

為了以視覺、實踐和定量的方式更好地向用戶傳達洩漏氣體的方向和尺寸，更複雜的實施例可以通過使用一致的光學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角(AoA)(圖7或圖8的27)。因此，用戶可以看到氣體洩漏的實際位置以及SPL值，其形象化地重疊在設備的圖像上，該設備可能是產生在幾米之外可檢測的強烈的超聲波能量的氣體洩漏的源。雖然深度或距離信息不是由單個2維平面麥克風陣列提供的，但根據圖像而清楚的是，超聲波能量從可疑設備發出而不是在其間的空氣空間發出。這種視覺圖像還具有以下優點：已知的友好氣體洩漏(諸如用於維護目的的加壓空氣釋放)可以由用戶帶出(zoned out)。還可以容易地監測由機械生成的超聲波噪聲的增加，同時使用諸如更早所描述的ANN之類的技術來區分這種超聲波噪擾與實際氣體洩漏。進一步的益處包括記錄和回放引起警報(或假警報)的事件的超聲疊加圖像，包括設備故障的突出顯示、事件的時間演變、以及工業設施的安全方面。這種超聲疊加的圖像可以經由網絡攝像頭或在內部安全攝像機網絡上而連續監測。

實施在用於危險環境中的工業應用的可見圖像上疊加超聲波能量通常涉及低成本MEMS麥克風陣列、適於危險場所的殼體中的模擬和數字電子器件、以及工業成像器。這種對可燃和有毒的真實世界氣體洩漏的超聲成像通過常規點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。紅外氣體雲成像相機價格高昂，它們的靈敏度隨著被監測的氣體而變化很大，並且它們的性能在很大程度上取決於洩漏氣體雲溫度和背景溫度之間的差別。由於這樣的原因，紅外氣體雲成像相機不容易在工業固定氣體檢測裝置中採用，儘管它們能夠在數百米內進行遠程氣體雲檢測。

上文所描述的超聲波方案不存在與紅外氣體雲成像相關聯的許多缺點。超聲波氣體洩漏檢測、定位和成像的主要要求在於洩漏氣體處於壓力下，而不管其是否是可燃的、有毒的或惰性的，並且在於氣體洩漏處於至多幾十米的距離處(通常少於30米或50米)。在這些條件下，可以使用超聲波氣體洩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)的加壓氣體洩漏。使用超聲波氣體洩漏檢測器可以容易地檢測到不能通過光學或紅外裝置檢測到的高度可燃氣體(諸如氫氣)，同時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洩漏位置信息。

圖9描繪了生成超聲波的聲學源300的屏幕快照；該聲學源放置在使用來自National Instruments的LabVIEW顯示的可見相機圖像的中間。圓圈302是聲源的矢量位置，其由上文所描述的時間延遲與求和波束成形器100計算並且疊加在可見圖像上。如果聲學源移動到不同的位置，則圓圈將跟隨聲學源。指針304，306指示聲源的水平角坐標和垂直角坐標。水平方向為90度，並且因此在MEMS麥克風陣列軸線上。垂直方向為95度，並且因此在MEMS麥克風陣列軸線下方5度。所測量的SPL被示出為69dB，並且大於被設置為65dB的閾值。

在另一實施例中，由波束成形器針對每個掃描角方向測量的超聲波的幅值可以疊加在對應的可見圖像像素上，從而提供所觀察的場景的連續超聲波圖。對於示例性實施例，對於72個方位角掃描角方向中的每個方位角掃描角方向，還存在產生72×72個掃描角方向的矩陣的72個仰角掃描角方向，其中波束成形器計算在該示例中總共5184個方向的72×72方向中的每個方向的超聲波幅值。這些超聲波幅值可以重疊在對應的可見圖像像素區域上，例如，使用如對於使用熱成像器的溫度測量所進行的顏色編碼方案。可替代地，每個位置處的數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視的場景的顯示器，其中，定向聲學檢測器具有以危險場所中的設備500(例如，壓縮機)為中心的視場。波束成形陣列會生成指示由設備的不同部分所生成的超聲波SPL的信號。該示例中的設備的部分會生成比其它設備更強烈的超聲波SPL，從而產生當波束成形器在方位角和仰角方向上連續掃描時的局部最大值或峰值。圖10示出了當波束成形器在方位角和仰角方向上連續掃描時所測量的幾個峰值幅值。計算機SPL幅值被疊加在被監視的場景的圖像上；在圖10的示例性實施例中，在顯示器中僅顯示大於或等於63dB的閾值的SPL值。因此，連續掃描波束成形陣列能夠監測壓縮機，並且提供來自壓縮機的不同部分的超聲波發射的記錄。這些信息可能對維護和過程人員有用。

儘管前述已經對主題的具體實施例進行了描述和說明，但是在不背離本發明的範圍和精神的情況下，本領域技術人員可以進行對其進行各種修改和改變。