聲傳感器的制造方法
【專利說明】聲傳感器發明領域
[0001]本發明總體上涉及一種用于檢測空氣傳聲(airborne sound)的壓縮組件形式的空氣傳聲傳感器。該系統降低了工人將暴露在工業工人不能看到或聽到的，從高壓的工業加壓氣體系統逸出的危險的高壓氣體射流中的危險。
[0002]背景
[0003]在許多工業環境中，加壓管道的使用是常見的，如通常包含復雜的管道網以運輸各種危險的和非危險的高壓介質，如氣體和液體的石油鉆塔、精煉廠、氣體生產和儲存設施以及發電廠。管道也可用于操作或控制過程以及過程的分配和廢氣產物。氣體可能是有毒的或爆炸性的，這可能需要立即行動，然而任何加壓的氣體泄漏應最緊急地進行處理，并因此需要仔細的泄漏監測。
[0004]產生加壓氣體或依賴于加壓氣體作為機器操作的部分的其它工業操作包含當部件磨損或處于壓力下時可能產生超聲波的機械零件。
[0005]大多數工業場所的歷史超聲波噪聲評價表明，大多數人為的噪聲發生在聽覺范圍內，而加壓氣體泄漏產生跨越聽覺范圍和超聲范圍的寬頻帶的聲壓級。超聲信號的大小是許多變量的函數，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動的或閉合的加壓系統的類型。重要的是，無論系統是利用壓力發生器如栗來驅動以保持系統壓力，或者如果系統是閉合的例如壓力容器，建立可能的泄漏曲線的強度和持續時間。如果系統由恒定的壓力驅動，泄漏曲線將在整個頻率范圍內以小幅波動持續泄漏持續時間地保持相當地恒定，然而封閉系統由于能量轉移，將經歷快速的冷卻，并且聲壓級在整個頻率范圍內以小幅波動迅速降低，這需要即時檢測以避免氣藏(gas pools)未被發現。應當指出的是，雖然沒有兩個氣體泄漏會產生相同的曲線，但是隨著提高的頻率強度降低的寬頻帶特性允許泄漏易于檢測。
現有技術
[0006]超聲波燃氣泄漏檢測器已經是可獲得的，并且通常在25kHz到10kHz的超聲波頻率范圍內工作，以消除人為的聽覺噪音并且避免誤報警。檢測器通常安裝在桿上或感應區域上方的位置(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范圍。
[0007]為了進一步避免誤報警，檢測器設置在裝置接裝置(installat1n-by-1nstalIat1n)的基座上，其中警報級別設定為高于峰值超聲波背景值的點(對于低于74dB的背景，通常峰值背景為+6dB)，并且然后在它們用于報警目的之前在全進程期間被監控。用于無毒應用的附加措施可以為報警功能施加延遲時間，以消除由金屬標牌、壓力釋放閥和其它維護活動如敲擊、噴砂和壓力洗滌產生的短期超聲峰值。
[0008]相比關注的區域，現有的檢測器提供有相對大的動態范圍，因為需要它們用一個標準檢測器覆蓋工業環境的所有區域，從44dB至+104dB，這導致了輸出信號的靈敏度降低。
[0009]進一步的要求是確保良好的安全完整性等級(例如SIL-EN61508)，以保持功能。這個目前以兩種方式中的一個來完成，即通過簡單檢測器中的檢測器設計和部件評估或用檢測器設計和與復雜檢測器中的自檢裝置聯接一起的部件評估。
[0010]通常在低功率本質安全的檢測器中發現使用檢測器設計和部件評估的第一種方式的示例，而第二方法的示例包括背景監控，其中超聲波背景值超出檢測器動態范圍的下限，從而造成升高的信號級，如EP 1522839中描述的外部安裝的壓電式轉換器(piezoelectric transducer)、如US 2011120209中描述的內部加壓空氣射流和使用已知電壓對檢測器部件施以脈沖的電子測試。
[0011]使用檢測器設計和部件評估，安全完整性等級(SIL)的第一類型具有缺點，事實上，沒有反饋到控制室的正反饋以指示檢測器仍然是有功能的，因此維護需要定期進行且由于檢測器的高度這通常會帶來成本。這種類型的檢測器通常達到SIL 1/2的低評定等級，這可以在某些安全關鍵系統上排除使用。
[0012]當背景噪聲級低于檢測器的動態范圍時，使用背景級的第二類型不起作用。如果背景級在檢測器的動態范圍內，檢測器靈敏度的缺乏通常需要進一步的驗證，以產生特別是在舊裝置上能夠準確測量的信號，這兩種情況都需要定期成本維護。這種類型的檢測器通常也將達到SIL 1/2的低評定等級。
[0013]在US 2011120209中描述了如EP 1522839中描述的外部安裝的壓電式轉換器的缺點。為了產生能夠充分檢測傳感器的噪聲，測試持續時間通常在15s左右，在該點檢測器有效地不理會環境，這在有毒氣體存在時可能排除使用。壓電式轉換器還具有約10dB的最大輸出，這阻止了在具有高背景噪聲的區域中使用。這種類型的檢測器通常達到SIL 2/3的評定等級，但對安裝環境將會有限制。
[0014]如US 2011120209中描述的內部加壓的空氣射流的缺點是運動部件的數量和噴嘴或管道被堵塞的可能性，尤其是在惡劣的環境中。這種類型的測試也具有針對壓電式轉換器所提到的缺點，而且，由于空氣壓力噴射組件的復雜性，這種類型的檢測器通常達到SIL 1/2的低評定等級，同時還在安裝環境上需要限制。
[0015]EP 1522839和US 2011120209中描述的方法的另外的缺點存在于操作所需的功率，這排除了在O類區域(爆炸氣氛-由氣體、蒸氣或霧形式的危險物質的混合物組成-連續或長期存在的地方)的環境中使用。
[0016]使用電壓脈沖的電子測試的缺點是僅內部組件被測試，意味著如果傳感器和傳感器/入口保護屏被分離，該測試將仍然指示通過狀態，即使由于分離產生氣穴(airpocket)，該檢測器已經有效地變成聾的。“懸浮晶體”類型的檢測器中的傳感器和傳感器/入口保護屏幕僅使用環氧密封膠的附著性附接，并且由于振動、老化或化學物質的腐蝕會分離。如果由于碰撞傳感器裂化，傳感器也能被損壞，這會導致敏感性的損失，然而仍然達到了檢驗合格的條件，這種類型的檢測器通常達到SIL 2的評定等級。
[0017]因此，現有形式的SIL檢測具有可靠性的問題，不具備足夠的嚴謹性并且對安裝環境具有排除。
[0018]其它聲傳感器已被開發用于各種應用，主要是與從高壓管道的泄漏檢測不相關，并且因此不適合于該用途。有幾個例子說明如下。
[0019]德國專利申請DE-A1-3023155 (Telemit 電子有限公司(Telemit ElectronicGmbH))教導了使用帶有受壓的壓電柱的壓電接觸式麥克風。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(6)。麥克風是用于言語再現，對干擾的背景噪聲具有低敏感性。
[0020]歐洲專利申請EP-A2-0679874(西門子公司(Siemens AG))教導了一種聲傳感器，該聲傳感器具有在一側與導電殼體接觸和在相反側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]英國專利申請GB1529468(湯普森公司(Thompson-CSF))教導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JP-S-A-5639699 (東京芝浦電氣有限公司(Tokyo ShibauraElectric Co))教導了一種聲傳感器，其具有在剛性殼體內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。螺旋彈簧根據電感選擇。
[0023]美國專利US 4461177 (Dunegan公司)涉及一種聲發射傳感器，其用于監聽由被監視對象的裂紋產生的聲音。該傳感器適于檢測從固體物發出的聲音，并不適于作為檢測空氣傳播的振動的傳感器。它包括在前塊和配重塊之間由螺母和螺栓壓縮的聲學元件。壓電晶體裝在剛性且較大的殼體內。
[0024]美國專利申請U