聲傳感器的制造方法
【專利說明】聲傳感器發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種用于檢測(cè)空氣傳聲(airborne sound)的壓縮組件形式的空氣傳聲傳感器。該系統(tǒng)降低了工人將暴露在工業(yè)工人不能看到或聽到的，從高壓的工業(yè)加壓氣體系統(tǒng)逸出的危險(xiǎn)的高壓氣體射流中的危險(xiǎn)。
[0002]背景
[0003]在許多工業(yè)環(huán)境中，加壓管道的使用是常見的，如通常包含復(fù)雜的管道網(wǎng)以運(yùn)輸各種危險(xiǎn)的和非危險(xiǎn)的高壓介質(zhì)，如氣體和液體的石油鉆塔、精煉廠、氣體生產(chǎn)和儲(chǔ)存設(shè)施以及發(fā)電廠。管道也可用于操作或控制過程以及過程的分配和廢氣產(chǎn)物。氣體可能是有毒的或爆炸性的，這可能需要立即行動(dòng)，然而任何加壓的氣體泄漏應(yīng)最緊急地進(jìn)行處理，并因此需要仔細(xì)的泄漏監(jiān)測(cè)。
[0004]產(chǎn)生加壓氣體或依賴于加壓氣體作為機(jī)器操作的部分的其它工業(yè)操作包含當(dāng)部件磨損或處于壓力下時(shí)可能產(chǎn)生超聲波的機(jī)械零件。
[0005]大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)所的歷史超聲波噪聲評(píng)價(jià)表明，大多數(shù)人為的噪聲發(fā)生在聽覺范圍內(nèi)，而加壓氣體泄漏產(chǎn)生跨越聽覺范圍和超聲范圍的寬頻帶的聲壓級(jí)。超聲信號(hào)的大小是許多變量的函數(shù)，該許多變量包括上游到下游的壓力差、泄漏的大小、氣體的種類和氣體的溫度以及被驅(qū)動(dòng)的或閉合的加壓系統(tǒng)的類型。重要的是，無論系統(tǒng)是利用壓力發(fā)生器如栗來驅(qū)動(dòng)以保持系統(tǒng)壓力，或者如果系統(tǒng)是閉合的例如壓力容器，建立可能的泄漏曲線的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。如果系統(tǒng)由恒定的壓力驅(qū)動(dòng)，泄漏曲線將在整個(gè)頻率范圍內(nèi)以小幅波動(dòng)持續(xù)泄漏持續(xù)時(shí)間地保持相當(dāng)?shù)睾愣?，然而封閉系統(tǒng)由于能量轉(zhuǎn)移，將經(jīng)歷快速的冷卻，并且聲壓級(jí)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)以小幅波動(dòng)迅速降低，這需要即時(shí)檢測(cè)以避免氣藏(gas pools)未被發(fā)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然沒有兩個(gè)氣體泄漏會(huì)產(chǎn)生相同的曲線，但是隨著提高的頻率強(qiáng)度降低的寬頻帶特性允許泄漏易于檢測(cè)。
現(xiàn)有技術(shù)
[0006]超聲波燃?xì)庑孤z測(cè)器已經(jīng)是可獲得的，并且通常在25kHz到10kHz的超聲波頻率范圍內(nèi)工作，以消除人為的聽覺噪音并且避免誤報(bào)警。檢測(cè)器通常安裝在桿上或感應(yīng)區(qū)域上方的位置(例如約3m高度的桿上或壁上)，以增加通常是半球形或圓錐形的感應(yīng)范圍。
[0007]為了進(jìn)一步避免誤報(bào)警，檢測(cè)器設(shè)置在裝置接裝置(installat1n-by-1nstalIat1n)的基座上，其中警報(bào)級(jí)別設(shè)定為高于峰值超聲波背景值的點(diǎn)(對(duì)于低于74dB的背景，通常峰值背景為+6dB)，并且然后在它們用于報(bào)警目的之前在全進(jìn)程期間被監(jiān)控。用于無毒應(yīng)用的附加措施可以為報(bào)警功能施加延遲時(shí)間，以消除由金屬標(biāo)牌、壓力釋放閥和其它維護(hù)活動(dòng)如敲擊、噴砂和壓力洗滌產(chǎn)生的短期超聲峰值。
[0008]相比關(guān)注的區(qū)域，現(xiàn)有的檢測(cè)器提供有相對(duì)大的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)樾枰鼈冇靡粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)器覆蓋工業(yè)環(huán)境的所有區(qū)域，從44dB至+104dB，這導(dǎo)致了輸出信號(hào)的靈敏度降低。
[0009]進(jìn)一步的要求是確保良好的安全完整性等級(jí)(例如SIL-EN61508)，以保持功能。這個(gè)目前以兩種方式中的一個(gè)來完成，即通過簡(jiǎn)單檢測(cè)器中的檢測(cè)器設(shè)計(jì)和部件評(píng)估或用檢測(cè)器設(shè)計(jì)和與復(fù)雜檢測(cè)器中的自檢裝置聯(lián)接一起的部件評(píng)估。
[0010]通常在低功率本質(zhì)安全的檢測(cè)器中發(fā)現(xiàn)使用檢測(cè)器設(shè)計(jì)和部件評(píng)估的第一種方式的示例，而第二方法的示例包括背景監(jiān)控，其中超聲波背景值超出檢測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍的下限，從而造成升高的信號(hào)級(jí)，如EP 1522839中描述的外部安裝的壓電式轉(zhuǎn)換器(piezoelectric transducer)、如US 2011120209中描述的內(nèi)部加壓空氣射流和使用已知電壓對(duì)檢測(cè)器部件施以脈沖的電子測(cè)試。
[0011]使用檢測(cè)器設(shè)計(jì)和部件評(píng)估，安全完整性等級(jí)(SIL)的第一類型具有缺點(diǎn)，事實(shí)上，沒有反饋到控制室的正反饋以指示檢測(cè)器仍然是有功能的，因此維護(hù)需要定期進(jìn)行且由于檢測(cè)器的高度這通常會(huì)帶來成本。這種類型的檢測(cè)器通常達(dá)到SIL 1/2的低評(píng)定等級(jí)，這可以在某些安全關(guān)鍵系統(tǒng)上排除使用。
[0012]當(dāng)背景噪聲級(jí)低于檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，使用背景級(jí)的第二類型不起作用。如果背景級(jí)在檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，檢測(cè)器靈敏度的缺乏通常需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，以產(chǎn)生特別是在舊裝置上能夠準(zhǔn)確測(cè)量的信號(hào)，這兩種情況都需要定期成本維護(hù)。這種類型的檢測(cè)器通常也將達(dá)到SIL 1/2的低評(píng)定等級(jí)。
[0013]在US 2011120209中描述了如EP 1522839中描述的外部安裝的壓電式轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)。為了產(chǎn)生能夠充分檢測(cè)傳感器的噪聲，測(cè)試持續(xù)時(shí)間通常在15s左右，在該點(diǎn)檢測(cè)器有效地不理會(huì)環(huán)境，這在有毒氣體存在時(shí)可能排除使用。壓電式轉(zhuǎn)換器還具有約10dB的最大輸出，這阻止了在具有高背景噪聲的區(qū)域中使用。這種類型的檢測(cè)器通常達(dá)到SIL 2/3的評(píng)定等級(jí)，但對(duì)安裝環(huán)境將會(huì)有限制。
[0014]如US 2011120209中描述的內(nèi)部加壓的空氣射流的缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)部件的數(shù)量和噴嘴或管道被堵塞的可能性，尤其是在惡劣的環(huán)境中。這種類型的測(cè)試也具有針對(duì)壓電式轉(zhuǎn)換器所提到的缺點(diǎn)，而且，由于空氣壓力噴射組件的復(fù)雜性，這種類型的檢測(cè)器通常達(dá)到SIL 1/2的低評(píng)定等級(jí)，同時(shí)還在安裝環(huán)境上需要限制。
[0015]EP 1522839和US 2011120209中描述的方法的另外的缺點(diǎn)存在于操作所需的功率，這排除了在O類區(qū)域(爆炸氣氛-由氣體、蒸氣或霧形式的危險(xiǎn)物質(zhì)的混合物組成-連續(xù)或長(zhǎng)期存在的地方)的環(huán)境中使用。
[0016]使用電壓脈沖的電子測(cè)試的缺點(diǎn)是僅內(nèi)部組件被測(cè)試，意味著如果傳感器和傳感器/入口保護(hù)屏被分離，該測(cè)試將仍然指示通過狀態(tài)，即使由于分離產(chǎn)生氣穴(airpocket)，該檢測(cè)器已經(jīng)有效地變成聾的?！皯腋【w”類型的檢測(cè)器中的傳感器和傳感器/入口保護(hù)屏幕僅使用環(huán)氧密封膠的附著性附接，并且由于振動(dòng)、老化或化學(xué)物質(zhì)的腐蝕會(huì)分離。如果由于碰撞傳感器裂化，傳感器也能被損壞，這會(huì)導(dǎo)致敏感性的損失，然而仍然達(dá)到了檢驗(yàn)合格的條件，這種類型的檢測(cè)器通常達(dá)到SIL 2的評(píng)定等級(jí)。
[0017]因此，現(xiàn)有形式的SIL檢測(cè)具有可靠性的問題，不具備足夠的嚴(yán)謹(jǐn)性并且對(duì)安裝環(huán)境具有排除。
[0018]其它聲傳感器已被開發(fā)用于各種應(yīng)用，主要是與從高壓管道的泄漏檢測(cè)不相關(guān)，并且因此不適合于該用途。有幾個(gè)例子說明如下。
[0019]德國(guó)專利申請(qǐng)DE-A1-3023155 (Telemit 電子有限公司(Telemit ElectronicGmbH))教導(dǎo)了使用帶有受壓的壓電柱的壓電接觸式麥克風(fēng)。電連接是從壓電元件(2)的基座上的板(3)和殼體的基座上的第二觸點(diǎn)(6)。麥克風(fēng)是用于言語再現(xiàn)，對(duì)干擾的背景噪聲具有低敏感性。
[0020]歐洲專利申請(qǐng)EP-A2-0679874(西門子公司(Siemens AG))教導(dǎo)了一種聲傳感器，該聲傳感器具有在一側(cè)與導(dǎo)電殼體接觸和在相反側(cè)與金屬薄片接觸的壓電振蕩器。壓力元件通過接觸金屬薄片將壓電振蕩器壓在殼體基座上。
[0021]英國(guó)專利申請(qǐng)GB1529468(湯普森公司(Thompson-CSF))教導(dǎo)了一種在大深度處操作的水下電傳感器。該傳感器不適用于檢測(cè)空氣傳聲。它包括保持在較大的前板和配重塊之間的壓電陶瓷。
[0022]日本專利申請(qǐng)JP-S-A-5639699 (東京芝浦電氣有限公司(Tokyo ShibauraElectric Co))教導(dǎo)了一種聲傳感器，其具有在剛性殼體內(nèi)通過彈簧壓靠在殼體的基座上的壓電元件。在彈簧和壓電元件之間是比較大的減震器和電極板。螺旋彈簧根據(jù)電感選擇。
[0023]美國(guó)專利US 4461177 (Dunegan公司)涉及一種聲發(fā)射傳感器，其用于監(jiān)聽由被監(jiān)視對(duì)象的裂紋產(chǎn)生的聲音。該傳感器適于檢測(cè)從固體物發(fā)出的聲音，并不適于作為檢測(cè)空氣傳播的振動(dòng)的傳感器。它包括在前塊和配重塊之間由螺母和螺栓壓縮的聲學(xué)元件。壓電晶體裝在剛性且較大的殼體內(nèi)。
[0024]美國(guó)專利申請(qǐng)U