專利名稱：：檢測器系統和檢測或確定氣體混合物內特定氣體的方法
技術領域：
：本發明涉及氣體檢測領域。具體地說，本發明涉及特別是在存在氣體爆炸危險的區域內應用的具有低能耗的氣體檢測器。
背景技術：
：具體地說，在石油開采平臺上以及處理和加工烴的工廠中，能夠盡快檢測出泄漏的可燃氣體的存在是很重要的。實際上，目前石油開采平臺上重復發生的氣體泄漏中百分之五十以上是以人工方式檢測的。這種檢測具有偶然性并且表明了需要安裝更多的氣體檢測器。要在石油開采平臺上使用的氣體檢測器必需滿足嚴格的技術要求。它們必需極其可靠、敏感、防暴(EX即proved)并且必須能夠長時間處于惡劣天氣條件下。存在能夠滿足這些要求的高技術設備，但是每個檢測器價格極高，并且安裝成本高昂，其中的原因在于它們必須以固定線路鏈接到中心。這限制了面積的覆蓋。希望有更廉價的氣體檢測器類型。因此檢測器裝置采用無線類型是一個優點(具體地說，是由于安裝成本的原因)。然后，同時關心的是對各檢測器裝置使用單獨的電源(例如，電池供電)。然而，與此同時檢測器必須持續地處于"開(ON)"，并且常規的氣體檢測器通常汲取(draw)的電流如此之大以至于電池供電變得不切實際或者不可能。具體地說，這種類型的氣體檢測器能夠精確判定特定氣體類型的濃度，例如，比更加"非專用"的檢測器能耗高得多的甲烷檢測器，該"非專用"檢測器能夠檢測氣體混合物的變化但不能確切地判定向該混合物中添加了哪種氣體。(非專用檢測器類型的示例是利用靜電、電磁或者壓電激活的聲學傳感器。專用檢測器類型的示例是能夠專門用于例如甲烷、C3H8、(A、天然氣而制成的光聲(photoacoustical)傳感器和其他的紅外傳感器。)對于氣體檢測器的布置所關心的其他方面是，在缺乏電力和數據通信并且人們不能進行固定檢測器安裝的平臺上的檢修孔或油罐(tank)內以及礦井中，區域是有限的。因此需要如下的檢測器，其不僅確實能效高，而且能夠對被認為在給定區域內存在危險的特定氣體進行良好的測量。在專利申請EP1316799A2中公開了現有技術的一個示例，其中，針對特定氣體的氣體檢測器被用來控制通風系統。該公開主要涉及計算激活閾值的算法。國際專利申請W000/16091Al描述了針對多種特定氣體的氣體傳感器組，其中，通過多路復用器(multiplexer)對用于單一氣體的傳感器的控制裝置進行斷電和加電以避免來自各傳感器的信號的串擾。專利申請US-2004065140A1、GB-2364807A、JP-2002109656A和US-6321588Bl示出了用于監視工廠中幾乎不能接近的地方的氣體濃度變化或氣體泄漏的系統和方法。這些系統和方法包括至少一個傳感器和借助于能夠斷電或者利用了脈動電池的傳感器和其他組件的節能方法。該領域中現有技術的這些示例沒有解決上述問題。本發明力求滿足以上對價格合5理和高能效氣體檢測器的需求。
發明內容為解決上述問題并滿足上述需求，根據本發明，提供了一種檢測或者確定氣體混合物中至少一種特定氣體的檢測器系統，其中，該檢測器系統的特性在于其包括-至少一個第一檢測器，其持續地監視所述氣體混合物以檢測所述混合物的成分變化，以及-至少一個第二檢測器，其能夠確定所述氣體混合物中的所述至少一種特定氣體的濃度，其中，所述第二檢測器被設置成當所述第一檢測器檢測到所述變化時被激活。根據本發明的檢測器系統的有利和優選的實施方式從所附從屬專利權利要求2-19顯現出來。本發明還包括另一個方面。在本發明的第二方面中借助于檢測或者確定氣體混合物中至少一種特定氣體的方法來實現本發明，并且所述方法的特殊特征在于其包括以下步驟-利用至少一個第一檢測器持續地監視所述氣體混合物以檢測所述混合物的成分變化，-當所述第一檢測器檢測到所述變化時激活至少一個第二檢測器，以及-所述第二檢測器執行對所述氣體混合物中所述至少一種特定氣體的濃度的確定。根據本發明的方法的有利和優選的實施方式將從所附從屬專利權利要求21-34顯現出來。下面將描述本發明的實施方式，并且給出附圖的說明，其中-圖1示出了根據本發明的檢測器系統的主要實施方式的框圖，-圖2示出了關于系統中檢測器之間的協作的功能圖，以及-圖3示出了根據本發明的檢測器系統的一個特定實施方式，其中以獨立控制器作為第一檢測器組與第二檢測器組之間的鏈路。具體實施例方式圖1示出了本發明的第一實施方式的示意圖。主方框是具有如電子設備和傳感器之類的必要裝置的第一氣體檢測器Dw和靠近Dw設置并具有相應的必要裝置的第二氣體檢測器DHP。Dw要求來自能量供應B的很少電力供應P"而激活狀態下的DHP要求來自電源B的更多能量供應Pp第一檢測器中Dw中的傳感器能夠檢測環境大氣(不限于自然的大氣，而可以是檢測器正在監視的環境中的任何現有的氣體混合物)中的氣體成分的變化，但是不一定能夠區分不同的特定氣體。在可能作出錯誤檢測的意義上來說，甚至不需要非常可靠。另一氣體檢測器DHp被設置成對一種特定氣體或者一些特定氣體(這些特定氣體被認為對控制實際環境是重要的)的濃度進行測量，從而僅當第一檢測器Dw檢測到大氣成分的變化時才由第一檢測器I激活另一氣體檢測器DHP。該"專用"檢測器或傳感器DHP是如下6類型，即它使用比第一檢測器更大量的能量P"但在多數時間內是不激活的。如果該第二檢測器DHP確認了第一檢測器的檢測(即，發現足夠高濃度的實際危險氣體)，則它在信號鏈路L上向接收機R發送消息。在一個特殊實施方式中，利用根據Zigbee標準的無線鏈路執行分析結果到接收機R的傳送。本發明的一個重要的實施方式是如圖l所示鏈接至另一檢測器DHp的控制單元CU。該控制單元被設置成對來自檢測器DHp的表示實際特定氣體的測得濃度水平的輸出信號(或者多種特定氣體的幾個輸出信號)進行評估。有利的是，控制單元CU由微處理器構成。它可以是具有經由線路的信號鏈路的獨立單元，其可以與氣體測量單元DHp共處一地，或者其可以使用無線電鏈路。在這種情況下，"專用"檢測器/測量單元DHP必須配備有無線電發射機。這進一步增大了檢測器的電流汲取，但這是可以接受的，因為如上所述，我們討論的是檢測器DHP的短時激活時段。因此，在上述這種情況下，控制單元CU可以與接收機R共處一地，即，接收機R因此而可以被看成是控制單元CU的一部分(即，與圖1所示的情況相反)。控制單元CU的一個功能可以是在緊接著在通過將激活信號發送回DHp而表明該一種或該多種特定氣體的非危險濃度水平的測量之后對第二檢測器DHP進行去激活。(在沒有控制單元的一個另選實施方式中，DHp可以具有在超時時自動去激活的集成計時器)。控制單元CU的另一功能是當測得濃度水平在危險范圍內時向外部發出信號，即如圖1所示，該信號被發送到遠程接收機單元R。該信號是通過通信裝置L來發送，該通信裝置L可以是無線電鏈路并優選地是具有低發射效應的短距離類型，或者是通過大氣或通過光纖的光學鏈路。然后，必須設置必要的公知類型的發射機和接收機裝置、控制單元CU和接收機單元R。(在沒有控制單元的一個另選實施方式中，DHp本身可以具有集成微型發射機，該集成微型發射機向接收機R傳送表示測得值的信號)。無論怎樣，這種控制單元CU已經存儲有大氣中實際特定氣體的濃度的一定閾值，并且該控制單元將相對于該閾值而對測得值進行檢驗以確定是否應當對DHP進行去激活，或者確定是否應當向接收機R發出信號。(注意為了不消耗比從控制單元CU向接收機單元R傳送信號的情況所需要的電力更多的電力，例如如果測量值沒有表現出進一步的快速增長，則可以再次對第二檢測器DHp進行去激活。即使在測量到過濃度(over-concentration)之后也可以應用"合理去激活"的算法。然后在給定時間之后進行新的激活)。作為控制單元CU的進一步發展的步驟，它可以包含測得氣體濃度值的記錄和存儲單元。或者，這種記錄單元可以設置在接收機R內。在人員和/或昂貴設備所在區域中，與氣體檢測系統相關的自然且重要的功能是可以由監視人員追蹤的即時警報信號。這種警報或警告設備可以設置在接收單元R中，通常是在監視中心內。或者，這種警報或警告設備可以集成在控制單元CU中或者第二檢測器Dm本身當中。這種警報裝置可以包括例如閃爍型的警告燈、汽笛或警報喇叭形式的聲源以及用于由人員穿戴的接收單元的振動設備。此外，接收單元R還可以鏈接到如下設備，該設備確保了位于設置有給出警報的檢測器系統的區域(而通常與是否使用了給出人能感覺到的警報的設備無關)內的生產或加工設備立即停機。7上面提到，控制單元CU可以無線地鏈接到第二檢測器DHP，以從該檢測器接收信號。無線鏈路還可以在另一方向上工作(例如，與去激活功能相關)，因此DHp必須具有集成的無線電接收機。在本發明的一個重要的實施方式中，單個控制單元CU服務于多個第二檢測器DHP。控制單元CU的一個重要的功能是對單個閾值是可重新編程的，既可以針對相對于濃度確定的特定氣體，也可以針對第二檢測器DHP的單個單元。如果控制單元CU設置在中心并且與接收單元R在一起、集成有接收單元R、或者作為接收單元R的替換，可以由操作者設定這種閾值。根據本發明，如上所述，該檢測器系統可以用于對石油開采平臺上的氣體泄漏或者工廠中大量被輸送和加工的烴(即油和氣)進行檢測。在這種情況下，重要的是對自然大氣進行現場(insitu)監視使得能足夠快速地檢測到環境中的氣體泄漏。在這種情況下，我們討論的是也會有爆炸風險烴氣(例如，甲烷)檢測。根據本發明的檢測器系統還可以設置在不同環境中并用于測量不同的危險氣體，例如，氯作為其中成分的氣體、氟化碳(fluoridecarbon)氣體、氫氣、氧氣、硫化氫、一氧化碳和二氧化碳。此外，所關注的還有氦氣、水蒸汽和SF6氣體。本發明的主要問題如上所述是實現持續但節能的檢測，這是通過如下原理而實現的，即，消耗較少能量的非專用氣體檢測器持續地工作并且每當檢測到變化時將專用檢測器喚醒，然后該專用檢測器在被再次去激活之前測量特定氣體的濃度。因此，消耗較多能量的專用檢測器僅激活較短時段。這意味著系統能夠利用電池供電而長時間工作。檢測器Dw可以包括如下類型的傳感器，即，該類型傳感器在現場檢測實際氣體混合物的平均分子量的變化并因此而檢測實際氣體混合物的非特定分子量的變化。該非專用檢測器應當是"超敏感的"，即，它比實際必要的情形更頻繁地給出警報，但從不會漏掉對變化的警報，即，即使微小的變化也會導致DHP的喚醒。有利的是，第一檢測器Dw可以包括如下類型的傳感器，S卩，該類型的傳感器主要使用利用了靜電或壓電激活的微聲學傳感器。此外，作為替代的是，還可以使用專用于一種獨特氣體的第一檢測器D『只要該檢測器適合持續的電池供電，即，其汲取足夠小的功率。這種檢測器的類型是對測量具有低精度，并且頻繁給出錯誤警報，但這沒有太大關系。這種檢測器中的傳感器類型的示例是用于指示甲烷的金屬氧化物半導體傳感器和電化學電池。作為將在該檢測器Dw中使用的具有低能耗的合適的非專用傳感器的示例，在優選的實施方式中，可以使用2007年2月19日授權的挪威專利323259中描述的微型氣體傳感器。對于另一專用檢測器D^在本發明的有利實施方式中，它包括基于特定氣體吸收紅外輻射的能力而工作的傳感器。所謂NDIR(非擴散IR)氣體傳感器和光聲傳感器可作為候選，特別是由半導體技術制造的微型化的傳感器。對此請參考挪威專利第321281號(2006年4月18日授權)，其示出了特別適于這種檢測器的光源。在特定實施方式中，第二檢測器DHp具有由如下微處理器所代表的集成智能，該微處理器具有根據來自第一檢測器Dw的信號水平或信號類型來選擇要測量(預設的一組氣體中的)哪種獨特氣體的功能。如果第一檢測器立即發出指示了成分確實發生變化的信號，這可以解釋為實際氣體組成的大泄漏，并且這可能意味著應當首先檢測獨特氣體。在起始(starting)信號不太強烈的情況下，可能關注不同的順序。在這種情況下，前提條件是單個第二檢測器DHP具有測量多種特定氣體的能力。這是可以實現的，并且例如通過多IR型傳感器來實現，其中，按照每種氣體處于一個具有窗口的室中的方式來包含實際氣體。對于幾個第一檢測器和第二檢測器的情況，集成處理器智能可以基于哪個第一檢測器DHP給出了觸發信號來確定哪個檢測器DHP將被激活并執行濃度測量。第二檢測器DHP處的處理器能夠通過識別來自單個第一檢測器Dw的信號而處理這種確定。圖2示出了根據本發明的檢測器系統的運行。該圖中左部分具有傳感器的低能耗非專用檢測器無限循環地對氣體混合物(其可以是環境大氣，但也可以是管道中的氣體混合物等)進行監視，并檢查該混合物的成分是保持恒定還是發生改變。(如上所述，有可能的是，它能夠對特定氣體的濃度水平進行監視)。只要成分保持恒定，檢測器就繼續該監視而不進行任何另外的動作。然而，如果成分改變處于能夠被檢測到的幅度內，則位于該圖右側的以更高功耗執行特定分析的檢測器中的傳感器SHp被激活(喚醒)。如果分析結果例如表明該氣體混合物中烴HC的百分比小于或等于2500ppm，這意味著非專用傳感器作出了錯誤的測量，或者檢測到的氣體混合物的成分變化與HC的減小無關，或者最終出現的HC的變化沒有超過被認為危險的限度。右側檢測器自身對功率進行修正以減小整個系統的功耗。然而，如果通過測量到比例如2500ppm更高的烴濃度而確認了左側檢測器的估計，則給出警報。圖3示出了本發明的另一實施方式。這里以控制器CU2的形式引入第一檢測器Dw與第二檢測器DHp之間的"鏈路"。包括微處理器和被選擇作為單元之間的無線鏈路(例如，短距離無線電)的類型的發射機/接收機設備的該控制器CU2可以承擔如下任務，即對來自單個第一檢測器Dw的輸入信號進行排序，以決定將利用全部第二檢測器DHP或利用這些第二檢測器D^中的特定單個檢測器來確定哪種特定氣體的濃度。優選地可設置在中心的CU2對各單個檢測器在系統中的布置進行總體掌握，并能夠由人員根據變化(例如，新檢測器的部署、閾值水平的變化等)來進行重新編程。假設所有檢測器配置有發射機/接收機設備。從圖1中可以看出，在本發明的一個簡單的實施方式中，兩個接近設置的檢測器I)w和IV都具有來自于公共電池B的電源。這是電源的典型形式，但并不限于電池電源。在具有"可收集(harvestable)"能量形式(例如，太陽光、風或者持續的振動)的地方，可以建立向檢測器供電的能量收集系統。不排除使用已知類型的不間斷電源的可能性。以上假設了第一非專用檢測器和第二專用檢測器DHP位于彼此靠近的位置處。在特定實施方式中，這可能意味著它們組裝在一起，并且能夠被制造成一個單元甚至是微型化類型。但是，在利用了幾個檢測器的根據本發明的檢測器系統的不同實施方式中，這些檢測器可能能夠被置于不同位置處。在這種情況下，即使兩種不同類型的檢測器被布置成彼此相距幾十米的距離，也可以將石油開采平臺限定為一個位置。這種布置可以使得CU或CU2了解一種特定氣體或幾種特定氣體的擴散狀況。權利要求一種檢測或者確定氣體混合物中至少一種特定氣體的檢測器系統，該檢測器系統包括至少一個第一檢測器(DLP)，該至少一個第一檢測器持續地監視所述氣體混合物以檢測所述混合物的成分變化，其特征在于，所述系統包括至少一個第二檢測器(DHP)，該至少一個第二檢測器能夠確定所述氣體混合物中的所述至少一種特定氣體的濃度，其中，所述第二檢測器(DHP)被設置成當所述第一檢測器(DLP)檢測到所述變化時被激活(C)。2.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，控制單元(CU)可操作地鏈接到所述第二檢測器(DHP)并對來自該第二檢測器的濃度測量信號進行評估。3.根據權利要求2所述的檢測器系統，其特征在于，所述控制單元(CU)被設置成當所述濃度測量信號表示所述至少一種特定氣體的低于預定值的濃度時使所述第二檢測器(DHP)去激活。4.根據權利要求2所述的檢測器系統，其特征在于，所述控制單元(CU)被設置成當所述濃度測量信號表示所述至少一種特定氣體的高于預定值的濃度時經由通信裝置(L)向接收機單元(R)發出信號。5.根據權利要求4所述的檢測器系統，其特征在于，所述控制單元(CU)和所述接收機單元(R)中的至少一個包括用于記錄測得氣體濃度值的記錄單元。6.根據權利要求4所述的檢測器系統，其特征在于，所述接收機單元(R)、所述控制單元(CU)和所述第二檢測器(DHP)中的至少一個包括警告裝置或警報裝置。7.根據權利要求6所述的檢測器系統，其特征在于，所述警告裝置或警報裝置是基于發出光、聲和振動中的至少一種。8.根據權利要求4所述的檢測器系統，其特征在于，所述通信裝置(L)包括光學鏈路和無線電鏈路中的至少一種。9.根據權利要求2所述的檢測器系統，其特征在于，所述控制單元(CU)無線地鏈接到所述第二檢測器(DHP)。10.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述檢測器(Dw，DHP)被布置在所述自然大氣中以對該自然大氣進行監視。11.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述第二檢測器(DHP)具有確定以下至少一種的濃度的特定能力氣態烴、氟化碳、含氯氣體、SF6、水蒸汽、氦氣、氫氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳和氧氣。12.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述第一檢測器(DJ是如下類型，其能耗極低且適合于持續電池供電。13.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述第一檢測器(DJ包括對所述氣體混合物中平均分子量的變化進行檢測的傳感器。14.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述第一檢測器(Dw)包括基于微聲學原理的傳感器。15.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述第二檢測器(DHP)包括以下傳感器中的一種基于所述至少一種特定氣體吸收紅外輻射能力的傳感器和基于光聲原理的傳感器。16.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述第一檢測器(DJ具有檢測所述至少一種氣體的特定能力，但是具有更低精度要求和低能耗。17.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述至少一個第二檢測器(DHP)具有內置的處理器智能，該處理器智能能夠基于來自所述第一檢測器(DJ的信號水平而選擇確定所述特定氣體中的一種獨特氣體。18.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述至少一個第一檢測器(DJ與所述至少第二檢測器(DHP)之間的無線信號鏈路經由如下中央控制器(CU2)，該中央控制器(CU2)至少能夠對來自單個第一檢測器(DJ的輸入信號進行排序并確定必須由所述第二檢測器(DHP)中的至少一個來確定哪種特定氣體的濃度。19.根據權利要求1所述的檢測器系統，其特征在于，所述檢測器(D^Dhp)中每一個的電源是以下至少一種-不間斷電源，-電池(B)，以及-能量收集裝置。20.—種檢測或者確定氣體混合物中至少一種特定氣體的方法，其中，所述氣體混合物由至少一個第一檢測器(DJ持續地監視以檢測所述混合物的成分變化，其特征在于所述方法包括以下步驟-當所述第一檢測器(DJ檢測到所述變化時，激活(C)至少一個第二檢測器(DJ，以及-所述第二檢測器(DHP)執行對所述氣體混合物中所述至少一種特定氣體的所述濃度的所述確定。21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，控制單元(CU)可操作地鏈接到所述第二檢測器(DHP)并對來自該第二檢測器的濃度測量信號進行評估。22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，當所述濃度測量信號表示所述至少一種特定氣體的低于預定值的濃度時，所述控制單元(CU)使所述第二檢測器(DHP)去激活。23.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，當所述濃度測量信號表示所述至少一種特定氣體的高于預定值的濃度時，所述控制單元(CU)經由通信裝置(L)向接收機單元(R)發出信號。24.根據權利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制單元(CU)和所述接收機單元(R)中的至少一個使用記錄單元對測得氣體濃度值進行記錄。25.根據權利要求23所述的方法，其特征在于，當所述至少一種特定氣體的濃度高于所述預定值時，所述接收機單元(R)、所述控制單元(CU)和所述第二檢測器(DHP)中的至少一個使用警告裝置或警報裝置發出警報。26.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，借助于光、聲和振動中的至少一種發出警告或警報。27.根據權利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制單元(CU)經由通信裝置(L)發出信號，該通信裝置包括光學鏈路和無線電鏈路中的至少一種。28.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述控制單元(CU)與所述第二檢測器(DHP)之間的所述信號鏈路無線地執行。29.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述檢測器(D^Dhp)對自然大氣進行監視。30.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二檢測器(DHP)執行以下至少一種的濃度確定氣態烴、氟化碳、含氯氣體、SF6、水蒸汽、氦氣、氫氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳和氧氣。31.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一檢測器(DJ中的傳感器對所述氣體混合物中平均分子量的變化進行檢測。32.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一檢測器(Dw)具體地檢測所述至少一種氣體，但具有低精度和低能耗。33.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少一個第二檢測器(DHP)中的內置處理器智能基于從所述第一檢測器(DJ接收的信號水平，選擇執行對所述特定氣體中一種獨特氣體的確定。34.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述檢測器(D^Dhp)中的每一個從以下至少一種接收能量-不間斷電源，-電池(B)，以及_用于收集可再生能量的裝置。全文摘要為了以精確和可靠的方式實現氣體檢測，但同時不消耗太多的能量，提供了一種氣體檢測系統，其一般包括一對兩個不同的氣體檢測器。第一檢測器(DLP)持續地激活，并實質上對局部氣體混合物的非特定變化進行感測。作為對該變化的反應，該對檢測器中的第二檢測器(DHP)被激活。該檢測器(DHP)執行一種特定氣體或者幾種特定氣體的濃度確定。該第二檢測器(DHP)可以是如下類型，即它消耗更多功率但在返回到僅第一檢測器(DLP)被激活的非激活狀態之前短時段內激活。然而，第一檢測器(DLP)是使用較小功率的類型。文檔編號G01N21/90GK101796409SQ200880025140公開日2010年8月4日申請日期2008年7月16日優先權日2007年7月17日發明者克努特·桑德文,哈康·薩格伯格,紐爾斯·彼得·奧斯特布,西古爾德·T·莫申請人:Wgd公司