氣體監(jiān)控器、系統(tǒng)及方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請是2013年10月7日提交的申請序列號為61/887, 768的美國臨時(shí)申請的 正式申請；也是2014年7月7日提交的申請序列號為14/325,028的美國專利申請的部分 繼續(xù)申請，后者是2013年7月18日提交的申請序列號為61/847,846的美國臨時(shí)申請的正 式申請；也是2014年5月29日提交的申請序列號為14/290, 755的美國專利申請的部分繼 續(xù)申請，后者是2013年6月7日提交的申請序列號為61/832,259的美國臨時(shí)申請的正式 申請，所有的這些申請?jiān)诖藚⒖家搿?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及氣體監(jiān)控，其中對氣體的值進(jìn)行無線傳輸（在此，"本發(fā)明"或"發(fā)明" 指舉例的實(shí)施例，并非特定指代權(quán)利要求中所包含的每個(gè)實(shí)施例）。更特別地，本發(fā)明涉及 利用設(shè)備在地下環(huán)境或石油或天然氣鉆井中對氣體進(jìn)行監(jiān)測，其中氣體值從所述設(shè)備中無 線傳輸，且當(dāng)氣體值超過預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，或者來自設(shè)備輸入的輸入信號從該設(shè)備中無線發(fā)出 時(shí)，設(shè)備中的警報(bào)啟動。
【背景技術(shù)】
[0004] 這部分的目的在于介紹涉及與本發(fā)明不同方面相關(guān)的本領(lǐng)域中的不同方面。以下 討論在于提供促進(jìn)本發(fā)明理解的信息。因此，應(yīng)當(dāng)出于此目的來理解以下的說明，而不應(yīng)當(dāng) 理解為【背景技術(shù)】的承認(rèn)。
[0005] 在此稱為AMS的大氣監(jiān)控系統(tǒng)，以及它們的要求在The Mine Safety Health Administration' s 30 CFR§ 75. 351 中有詳細(xì)的描述：
[0006] http: //www. msha. rov/30CFR/75. 351. htm
[0007] 歷史上，AMS由連接在硬線網(wǎng)絡(luò)上的氣體監(jiān)控器組成，所有這些硬線網(wǎng)絡(luò)都與中 心區(qū)域通信，如（b)(1)部分中的上述要求所述。隨著礦井?dāng)U大以及額外監(jiān)控器的需求，增 加電纜的長度來促進(jìn)新的監(jiān)控位置的通信和電力。隨著科技的進(jìn)步，可使用無線和電池供 電方法。不再需要提供數(shù)據(jù)和電力的電纜延伸長度。如今，礦井具有使用硬線系統(tǒng)或具有 無線的硬線系統(tǒng)與硬線系統(tǒng)兩者混合的選擇。這在包括永久和短暫監(jiān)控需求的礦井監(jiān)控 中變得十分有效。沿著環(huán)形公路的地區(qū)一般都不會改變，并最適合于硬線監(jiān)測，而礦井的 發(fā)展區(qū)域比較適合于無線/電池供電的方法。除了現(xiàn)有的硬線網(wǎng)絡(luò)，無線的通信網(wǎng)絡(luò)仍需 要將數(shù)據(jù)從無線監(jiān)控器中輸送到指定的中心地區(qū)。這就可用一種用作無線監(jiān)控器數(shù)據(jù)的 接入點(diǎn)的裝置，來進(jìn)入現(xiàn)有的硬線網(wǎng)絡(luò)或完全分開的真正無線網(wǎng)絡(luò)，例如Strata Products Worldwide, LLC 的 CommTrac 系統(tǒng)。
[0008] 從（c) (2)部分的上述要求來看，AMS必須具有以下能力：當(dāng)在任何傳感器上的一 氧化碳濃度或甲烷濃度達(dá)到警報(bào)水平時(shí)，如§ 75. 351 (i)中所述，在指定表面位置上自動 提供視覺和聽覺信號。這些信號必須具有可被AMS操作員看見或聽見的足夠強(qiáng)度。
[0009] 這部分重要的細(xì)節(jié)在于"甲烷"的提及。傳統(tǒng)的AMS硬線系統(tǒng)利用催化珠技術(shù)，僅 以0-5%的體積量程來提供甲烷監(jiān)控。超過5%的甲烷濃度將導(dǎo)致催化劑技術(shù)的永久失效。 在災(zāi)難和礦井通風(fēng)喪失時(shí)，甲烷水平可輕易地超過5%的濃度?，F(xiàn)有的技術(shù)不能提供在營救 效果中的關(guān)鍵的大氣信息。沒有無線或硬線選擇的存在來滿足這種需求。此外，可用的無 線氣體監(jiān)測裝置僅將一氧化碳作為可檢測的氣體，且其濃度的最大范圍僅在100PPM。
[0010] 從（C) (4)部分的上述要求來看，AMS必須具有以下能力："當(dāng)在任何傳感器上的一 氧化碳，煙霧，或甲烷濃度達(dá)到警報(bào)水平時(shí)，如§ 75. 351 (i)中所述，在所有受影響的工作 區(qū)域和影響區(qū)域中自動提供視覺和聽覺信號，其中在這些區(qū)域中的機(jī)械礦井裝備被卸載或 移走，這些信號必須具有可被工作的礦工看見或聽見的足夠強(qiáng)度。甲烷信號必須可與其它 信號相區(qū)別"。
[0011] 傳統(tǒng)的AMS硬線系統(tǒng)通過混合的監(jiān)控器/警報(bào)單元來提供這種能力，盡管現(xiàn)在不 存在這種要求的無線選擇。如果使用無線的監(jiān)控方法來滿足這部分的警報(bào)要求，礦井一般 被迫進(jìn)行分開的控制網(wǎng)絡(luò)。
[0012] 與礦井相似，石油和天然氣鉆井需要在不將電纜和電線聚集在例如井周圍的情況 下監(jiān)控大氣中的不同氣體的危險(xiǎn)水平。在例如石油和天然氣鉆井的這些地方，還存在著危 險(xiǎn)氣體的風(fēng)險(xiǎn)，以及監(jiān)測大氣中這些危險(xiǎn)氣體的需求。一般來說，通過在整個(gè)鉆井中的電纜 和電線來連接的氣體監(jiān)控器用于監(jiān)測鉆井中的危險(xiǎn)氣體。所有這些在整個(gè)鉆井中分布的電 纜和電線的存在產(chǎn)生了合理組織和定位所述電纜和電線的問題，使得它們不會干涉鉆井的 運(yùn)作，也不會在運(yùn)作時(shí)受到破壞而失去與監(jiān)控器的連接。如果失去了和監(jiān)控器的連接，那么 監(jiān)控器以及將所述監(jiān)控器與遠(yuǎn)程站連接的用于監(jiān)控的電纜或電線的整個(gè)長度都需要被檢 查，來糾正和監(jiān)控器通信的損失。這種電纜和電線可延伸很長的距離，并位于困難的位置來 檢查，并可成為糾正的顯著問題。
[0013] 此外，在礦井中，以理想的不受察覺的方式來追蹤和與礦工通信是非常重要的。此 外，除了礦井環(huán)境和其本身是危險(xiǎn)的地方，礦工攜帶越多的裝備，就越難執(zhí)行該礦工的任務(wù) 以及在礦井中越難移動。現(xiàn)在需要的是一種簡單的方法去讓礦工警惕危險(xiǎn)或突發(fā)的情況， 以及讓該礦工將礦井的情況和礦井的位置告知遠(yuǎn)程站。
[0014] 為了進(jìn)一步提供礦工的安全性，礦工需要攜帶一個(gè)燈，例如帶在頭上的帽燈，并需 要在礦井中被追蹤，還被保護(hù)不與機(jī)器接觸，以不會在運(yùn)作時(shí)因?yàn)橐馔饨佑|機(jī)器而受傷。后 者的保護(hù)通過利用礦工攜帶的接近裝置以及置于機(jī)器上的接近傳感器來提供，當(dāng)確定礦工 攜帶的接近裝置在接近傳感器的預(yù)設(shè)位置范圍內(nèi)時(shí)，該機(jī)器關(guān)閉，使得礦工不會受傷。因?yàn)?礦工已經(jīng)被要求攜帶燈，而接近裝置一般被礦工提著，通過將這些功能結(jié)合追蹤則比較理 想，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)存在于礦工身上。
[0015] 為了提供給礦工和來自礦工的通信，來告知重要信息，或追蹤礦工來使礦工可與 遠(yuǎn)程站通信，在整個(gè)礦井中的通信網(wǎng)絡(luò)是非常關(guān)鍵的。因?yàn)榈V井對于通信網(wǎng)絡(luò)，冗余性，以 及理想地傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，和雙向傳輸聲音的聲音網(wǎng)絡(luò)都是非常困難的環(huán)境，其中能 結(jié)合傳輸數(shù)據(jù)和工作則比較理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明涉及一種礦井中的氣體監(jiān)控器。該監(jiān)控器包括一個(gè)殼體。所述監(jiān)控器包括 置于所述殼體內(nèi)的電池，所述監(jiān)控器包括氣體傳感器部分，所述氣體傳感器部分由所述電 池供電電池供電，并與所述電池電通信，所述氣體傳感器檢測礦井中的第一氣體以及與所 述第一氣體不同的至少一種第二氣體。所述監(jiān)控器包括置于所述殼體內(nèi)的警報(bào)部分，所述 警報(bào)部分由電池供電并與所述電池電通信，當(dāng)所述氣體傳感器部分感測到第一或第二氣體 的其中之一高于一預(yù)定閾值時(shí)，所述警報(bào)部分發(fā)出視覺警報(bào)和聽覺警報(bào)。所述監(jiān)控器包括 置于所述殼體內(nèi)的無線通信部分，所述無線通信部分由電池供電，并與所述電池和傳感器 部分電通信，該無線通信部分從所述殼體發(fā)送氣體傳感器感測到的第一或第二氣體的其中 之一的無線信號。所述監(jiān)控器包括置于殼體內(nèi)的處理器，所述處理器由電池供電，并與無線 通信部分、警報(bào)部分、傳感器部分和電池進(jìn)行電通信。
[0017] 本發(fā)明涉及在礦井中監(jiān)控氣體的方法。所述方法包括利用氣體傳感器部分檢測礦 井中的第一氣體，以及與所述第一氣體不同的至少一種第二氣體的步驟，所述氣體傳感器 部分由電池供電，并與所述電池電通信，所述氣體傳感器部分和電池置于所述殼體內(nèi)；還包 括當(dāng)氣體傳感器部分感測到第一或第二氣體的其中之一高于預(yù)定閾值時(shí)，利用警報(bào)部分發(fā) 出視覺警報(bào)和聽覺警報(bào)的步驟，所述警報(bào)部分由電池供電，置于所述殼體內(nèi)，并與所述電池 電通信；還包括利用無線通信部分從所述殼體處發(fā)出氣體傳感器部分感測到第一或第二氣 體的其中之一的無線信號的步驟，所述無線通信部分置于所述殼體內(nèi)，由所述電池供電，并 與所述電池和傳感器部分電通信。
[0018] 本發(fā)明涉及一種礦井中的氣體監(jiān)控器。該監(jiān)控器包括一個(gè)殼體。所述監(jiān)控器包括 置于所述殼體內(nèi)的電池，所述監(jiān)控器包括氣體傳感器部分，所述氣體傳感器部分通過電池 供電，并與所述電池電通信，所述氣體傳感器部分監(jiān)控礦井中的第一氣體以及與所述第一 氣體不同的至少一種第二氣體。所述監(jiān)控器包括端子部分，所述端子部分包括兩種狀態(tài)，輸 出配置狀態(tài)以及輸入配置狀態(tài)，在其中的輸出配置狀態(tài)中的輸出信號從處理器發(fā)送到第一 裝置，在其中的輸入狀態(tài)結(jié)構(gòu)中可接收來自第二裝置的輸入信號。所述監(jiān)控器包括置于所 述殼體內(nèi)的無線通信部分，所述無線通信部分由電池供電，并與所述電池和傳感器部分電 通信，該無線通信部分從殼體內(nèi)發(fā)出氣體傳感器感測到的第一或第二氣體的其中之一的無 線信號。所述監(jiān)控器包括置于所述殼體內(nèi)的處理器，所述處理器由電池供電，并與無線通信 部分，警報(bào)部分，傳感器部分和電池進(jìn)行電通信。
[0019] 本發(fā)明涉及一種礦井中的氣體監(jiān)控器。該監(jiān)控器包括一個(gè)殼體。所述監(jiān)控器包括 置于所述殼體內(nèi)的電池，所述監(jiān)控器包括氣體傳感器部分，所述氣體傳感器部分通過電池 供電，并與所述電池電通信，所述氣體傳感器監(jiān)控礦井中的第一氣體以及與所述第一氣體 不同的至少一種第二氣體。所述監(jiān)控器包括置于所述殼體內(nèi)的無線通信部分，所述無線通 信部分由電池供電，并與所述電池和傳感器部分電通信，該無線通信部分從殼體內(nèi)發(fā)出氣 體傳感器感測到的第一或第二氣體的其中之一的無線信號。所述監(jiān)控器包括至少一個(gè)與遠(yuǎn) 程裝置連接的輸入，所述輸入提供了關(guān)于遠(yuǎn)程裝置的狀態(tài)信號，這種信號通過無線通信部 分從檢測器處傳輸；所述監(jiān)控器包括置于殼體內(nèi)的處理器，所述處理器由電池供電，并與無 線通信部分，輸入，傳感器部分和電池進(jìn)行電通信。
[0020] 本申請涉及一種監(jiān)測地下氣體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一種監(jiān)控器，所述監(jiān)控器檢測 位于地下隧道的氣體，并確定氣體的氣體值。所述監(jiān)控器具有聽覺警報(bào)和視覺警報(bào)，所述聽 覺警報(bào)和視覺警報(bào)在檢測氣體高于預(yù)定值時(shí)被驅(qū)動，以及收發(fā)器，所述收發(fā)器傳輸氣體值。 所述系統(tǒng)包括無線電信網(wǎng)絡(luò)，其中來自設(shè)備的氣體值在所述無線電信網(wǎng)絡(luò)中傳輸。所述系 統(tǒng)包括遠(yuǎn)程站，所述遠(yuǎn)程站接收來自網(wǎng)絡(luò)的氣體值。
[0021] 本發(fā)明涉及一種用于在石油或天然氣鉆井中監(jiān)測氣體的系統(tǒng)64,如圖13所示，所 述系統(tǒng)包括監(jiān)控器10,所述監(jiān)控器10檢測鉆井中的氣體，并確定氣體的氣體值。所述監(jiān)控 器10具有聽覺警報(bào)30和視覺警報(bào)32,當(dāng)所檢測的氣體高于預(yù)定值時(shí)候，所述聽覺警報(bào)30 和視覺警報(bào)32驅(qū)動，并包括收發(fā)器48,所述收發(fā)器輸送氣體值。所述系統(tǒng)64包括無線電 信網(wǎng)絡(luò)66,其中的氣體值從所述監(jiān)控器10處在所述無線電信網(wǎng)絡(luò)66上輸送。所述系統(tǒng)64 包括遠(yuǎn)程站68,所述遠(yuǎn)程站68接收來自所述網(wǎng)絡(luò)66的氣體值。
[0022] 本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)程站68,所述遠(yuǎn)程站接收來自無線網(wǎng)絡(luò)66的氣體值。該遠(yuǎn)程站 68包括接收器，該接收器無線接收來自網(wǎng)絡(luò)66的氣體值。所述遠(yuǎn)程站68包括處理器22， 所述處理器22與所述接收器通信，并接收來自接收器的氣體值。所述遠(yuǎn)程站68包括與處 理器22通信的顯示器38,當(dāng)所述氣體值高于預(yù)定水平時(shí)，所述處理器22在所述顯示器38 上顯示警報(bào)指示。
[0023] 本發(fā)明涉及一種通信系統(tǒng)64,如圖14a和14b所示。所述系統(tǒng)64包括只發(fā)出數(shù)據(jù) 的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204。所述系統(tǒng)64包括無線網(wǎng)絡(luò)202,在所述無線網(wǎng)絡(luò)202上雙向發(fā)送聲音和 數(shù)據(jù)。所述系統(tǒng)64包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)206,所述節(jié)點(diǎn)206的分布和相互的間隔形成了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 204和無線網(wǎng)絡(luò)202。每個(gè)節(jié)點(diǎn)206包括數(shù)據(jù)部分223,所述數(shù)據(jù)部分223在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204 上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，無線部分224,所述無線部分224在所述無線網(wǎng)絡(luò)202上接收和發(fā)送聲 音信號，以及電源部分200,所述電源部分與數(shù)據(jù)部分224和無線部分223電通信，所述電源 部分200為數(shù)據(jù)部分224和無線部分223供電。
[0024] 本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204和無線網(wǎng)絡(luò)202的通信節(jié)點(diǎn)206,如圖14a和14b所示。 所述節(jié)點(diǎn)206包括數(shù)據(jù)部分224,所述數(shù)據(jù)部分224無線接收在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204上的數(shù)據(jù)。所 述節(jié)點(diǎn)206包括無線部分223,所述無線部分223接收和發(fā)送在無線網(wǎng)絡(luò)202上的信號。所 述節(jié)點(diǎn)206包括電源部分200,所述電源部分與所述數(shù)據(jù)部分224和無線部分223電通信， 并驅(qū)動所述數(shù)據(jù)部分224和無線部分223。所述節(jié)點(diǎn)206包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器226,所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器226與所述數(shù)據(jù)部分224和無線部分223通信，其將來自數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 在無線網(wǎng)絡(luò)202上傳輸?shù)膫鬏斝盘枴?br>[0025] 本發(fā)明涉及一種在礦井中通信的方法。所述方法包括在所述多個(gè)節(jié)點(diǎn)206的第一 節(jié)點(diǎn)206的數(shù)據(jù)部分204處無線接收來自數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204的數(shù)據(jù)的步驟，所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204 只發(fā)送數(shù)據(jù)。所述多個(gè)節(jié)點(diǎn)206分布并相互間隔，形成了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204和無線網(wǎng)絡(luò)202。還 包括利用與所述數(shù)據(jù)部分224通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器226將來自數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)204的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成傳 輸信號的步驟，所述傳輸信號在無線網(wǎng)絡(luò)202上傳輸。所述無線網(wǎng)絡(luò)202雙向地傳輸和接 收聲音和數(shù)據(jù)。還包括利用所述第一節(jié)點(diǎn)206的無線部分223在無線網(wǎng)絡(luò)202上傳輸來自 所述第一節(jié)點(diǎn)206的傳輸信號的步驟。還包括利用電源部分200來驅(qū)動所述數(shù)據(jù)部分224 和所述無線部分223的步驟，所述電源部分與所述數(shù)據(jù)部分224和所述無線部分223電通 {目。
[0026] 本發(fā)明涉及一種在通信網(wǎng)絡(luò)66中的礦工通信器298,如圖15所示。所述通信器 298包括一個(gè)殼體12。所述通信器298包括位于所述殼體12內(nèi)的處理器22。所述通信器 298包括收發(fā)器48,所述收發(fā)器48位于所述殼體12內(nèi)，并與所述處理器22和網(wǎng)絡(luò)66通信， 以發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)66或從所述網(wǎng)絡(luò)66中接收僅數(shù)據(jù)，但不包括文本。所述通信器298包括輸 入300,所述輸入位于殼體12內(nèi)，并與所述處理器22通信，所述輸入提供觸發(fā)信號給處理 器22。所述通信器298包括警報(bào)302,所述警報(bào)302與殼體12接觸，并與所述處理器22通 信，當(dāng)所述警報(bào)302信號被收發(fā)器48接收時(shí)，所述警報(bào)302被所述