有毒有害氣體報警器智能檢定裝置的研制

郭 波,張 征,許思思

（山東省計量科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

有毒有害氣體報警器智能檢定裝置的研制

郭 波,張 征,許思思

（山東省計量科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

為提高檢定的準(zhǔn)確度和工作效率，保障工作人員的健康，綜合運用自動配氣技術(shù)、圖像采集與識別技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和檢定信息系統(tǒng)等，研制一套有毒有害氣體報警器智能檢定裝置。該裝置配氣精度達(dá)到±1%，圖像采集識別率達(dá)100%，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平均響應(yīng)時間小于5s，具備遙控操作控制功能，提供開放的數(shù)據(jù)通信接口，能夠自動生成、核驗、批準(zhǔn)和打印檢定證書，具有較好的實用價值。

智能檢定；自動配氣；圖像識別；遠(yuǎn)程控制；證書自動處理

0 引 言

對有毒有害氣體報警器的傳統(tǒng)檢定效率低下，而且很多報警器安裝環(huán)境惡劣，檢定人員容易出現(xiàn)疏漏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集出錯。通過自動配氣、機(jī)器視覺技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)等可提高檢定的效率和準(zhǔn)確度[1-5]。

目前，國外存在有關(guān)自動配氣裝置的研究，如美國ENVIRONIS公司，但尚無將其應(yīng)用于有毒有害氣體檢定的報道。國內(nèi)關(guān)于檢定系統(tǒng)自動化的研究集中在對電能表以及一些指針式儀表檢定數(shù)據(jù)的自動識別和輸出[6-14]，另外也有關(guān)于自動配氣的報道[15-16]，但其只是簡單配制氣體，沒有與檢定過程相結(jié)合，無法實現(xiàn)檢定全過程的智能化、自動化。李祖斌等[17]從自動配氣、檢定數(shù)據(jù)處理和檢定證書自動生成等方面對可燃易爆有害氣體報警器自動檢定裝置進(jìn)行了研制，但并沒有綜合運用圖像采集與識別技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)；穆克和韓志剛[18]對有毒有害氣體報警器檢定的自動配氣和圖像采集技術(shù)進(jìn)行了探討，但并未涉及對檢定過程的遠(yuǎn)程控制。

本研究綜合運用自動配氣技術(shù)、圖像識別技術(shù)、移動手持終端開發(fā)技術(shù)和檢定信息平臺等，研制一套覆蓋報警器檢定全過程的智能化檢定裝置，減少由于人為因素所造成的測量誤差，可大大提高檢定準(zhǔn)確度和檢定效率。

1 方法與原理

研制的有毒有害氣體檢測報警器智能檢定裝置主要由自動配氣系統(tǒng)、圖像采集與識別裝置、手持盒控制終端、檢定信息平臺4個部分構(gòu)成。

1.1 自動配氣系統(tǒng)

由于所設(shè)計的配氣系統(tǒng)主要用于計量檢定，需要少量多次地配制氣體，為避免更換儲存不同濃度氣體的氣瓶以及更換氣瓶減壓閥帶來的不便，本研究采用動態(tài)配氣法。在計量檢定過程中，只需要一個濃度較高的樣氣氣瓶和一個高純氮氣或空氣氣瓶即可，無需更換氣瓶和減壓閥。配制流程如圖1所示。

圖1 配氣流程圖

1.2 圖像采集與識別裝置

該裝置的主要功能是實現(xiàn)無數(shù)據(jù)傳輸接口的有毒有害氣體檢測報警器的檢定數(shù)據(jù)自動采集與識別。要求裝置數(shù)據(jù)采集及識別準(zhǔn)確率達(dá)到100%，并且可完成數(shù)據(jù)的自動處理，同時要求體積較小，穩(wěn)定性高。在本項目中，為了減小整個系統(tǒng)的體積，采用凌動計算機(jī)作為主控計算機(jī)，在該計算機(jī)上配置有圖像采集卡與CCD相聯(lián)，在計算機(jī)的控制下，CCD將采集到的圖像送入計算機(jī)內(nèi)存。

1.3 手持盒控制終端

手持終端主要包括電源系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)4個部分。手持盒主要負(fù)責(zé)實時顯示測量過程中的基本信息、示值誤差、重復(fù)性和響應(yīng)時間，并能夠遠(yuǎn)程控制檢定裝置進(jìn)行配氣、檢定等一系列操作。

手持終端的作用是近距離內(nèi)無線控制報警器檢定裝置執(zhí)行相應(yīng)操作，并在手持終端上顯示報警器的相關(guān)參數(shù)以及檢定結(jié)果等內(nèi)容，該終端控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)作為控制核心。

1.4 檢定信息平臺

該平臺是一個專用的信息管理、數(shù)據(jù)處理的MIS系統(tǒng)，平臺的核心是報警器信息管理及檢定工作流控制，最終實現(xiàn)檢定原始記錄和證書的自動生成。平臺需要記錄和管理在報警器檢定過程中所取得的各類數(shù)據(jù)，主要有器具收發(fā)、證書管理（電子簽名、證書核驗）兩大基礎(chǔ)功能，在平臺中突出強(qiáng)調(diào)了計量器具檢定的流程管理。

2 結(jié)果與討論

2.1 自動配氣系統(tǒng)

利用北京均方理化科技研究所的GXH-1050型高精度紅外線氣體分析器來對配制出的標(biāo)氣進(jìn)行分析，測得實驗數(shù)據(jù)。本試驗以CO、CH4兩種氣體為例，分析配制的氣體準(zhǔn)確度。

本研究采用體積分?jǐn)?shù)為4050×10-6的一氧化碳作為樣氣，進(jìn)行一氧化碳各體積分?jǐn)?shù)氣體的配制。對配制的甲烷氣體的測試試驗中，采用體積分?jǐn)?shù)為99.999%的甲烷作為樣氣，進(jìn)行稀釋。稀釋氣為高純空氣（22%氧氣、78%氮氣）。利用配氣系統(tǒng)配制體積分?jǐn)?shù)為3%的甲烷氣體對紅外線分析器進(jìn)行標(biāo)定，然后利用分析器對配制的各體積分?jǐn)?shù)氣體進(jìn)行測量。由圖2、圖3、表1和表2可知，配氣系統(tǒng)具有很好的線性，配制的氣體具有很好的穩(wěn)定性。

圖2 低體積分?jǐn)?shù)CO的線性圖

圖3 低體積分?jǐn)?shù)CH4的線性圖

表1 高體積分?jǐn)?shù)一氧化碳重復(fù)性

表2 高體積分?jǐn)?shù)CH4重復(fù)性

自動配氣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)就是配制出的標(biāo)氣體積分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確度，在設(shè)計時提出的誤差≤±1%。以CO為例，根據(jù)一氧化碳檢測報警器檢定規(guī)程，分別配制150×10-6，501×10-6，702×10-6的氣體，與鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行比較，測試結(jié)果如表3所示。由表可知，瓶裝標(biāo)準(zhǔn)氣體與配氣系統(tǒng)配制氣體的測量數(shù)據(jù)比對誤差約±1.0%。由此可知，本課題所制備的配氣系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表3 配氣系統(tǒng)與重量法對比

2.2 圖像采集與識別

本研究圖像處理利用OpenCV提供的處理函數(shù)完成，流程如下：1）將彩色圖像灰度化，并平滑處理；2）圖像進(jìn)行腐蝕膨脹處理，減小噪音干擾；3）對圖像進(jìn)行邊緣處理，獲取內(nèi)部輪廓，以便提取字符特征，邊緣檢定后圖像如圖4所示；4）將字符串分隔成單個字符進(jìn)行處理，分割后圖像如圖5所示。本研究圖像采集的識別率達(dá)100%。

圖4 邊緣檢定后圖像

圖5 字符分割后圖像

識別出字符后，即對這些數(shù)字按照計算規(guī)則進(jìn)行計算后存儲，將原始數(shù)據(jù)存儲于計算機(jī)中，當(dāng)一個儀表的所有數(shù)據(jù)都計算完后，系統(tǒng)將對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計算處理，然后將測試結(jié)果發(fā)送到手持終端設(shè)備，由測試人員對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。如果在測試的過程中，出現(xiàn)了漏測，系統(tǒng)的軟件將對該數(shù)據(jù)進(jìn)行特別警示，提醒工作人員檢定測試結(jié)果，并提示是否進(jìn)行重新測量。

另外，本裝置的圖像采集與識別系統(tǒng)，使用凌動工控計算機(jī)作為主控設(shè)備，該設(shè)備不僅具備體積小、功效低和主頻高等特征，而且穩(wěn)定性好。另外，圖像采集卡的性能也影響著裝置的穩(wěn)定性，本研究可選用的型號有SDK2000、SDK3000、VC4000等。其中，SDK2000的穩(wěn)定性最差并且只可支持一路視頻信號，SDK3000穩(wěn)定性較好，但同時也只可支持一路視頻信號。本研究選用的是VC4000，其可同時支持4路視頻信號輸入，且使用與SDK3000相同的芯片和驅(qū)動，穩(wěn)定性好，從而保證了圖像采集與識別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 手持盒控制終端和檢定信息平臺

手持盒主要負(fù)責(zé)實時顯示測量過程中的基本信息、示值誤差、重復(fù)性和響應(yīng)時間，并能夠遠(yuǎn)程控制檢定裝置進(jìn)行配氣、檢定等一系列操作。

檢定信息平臺采用瀏覽器+服務(wù)器的運行方式（B/S架構(gòu)模式）。所有需要的軟件只安裝在服務(wù)器中，客戶端通過瀏覽器（IE6）來完成所有的操作。本系統(tǒng)通過檢定信息平臺能夠?qū)崿F(xiàn)被檢報警器基本信息（生成廠家、型號規(guī)格、出廠編號等）、送檢信息（送檢企業(yè)、聯(lián)系人、送檢日期等）、檢定信息（示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時間、檢定結(jié)果等）的管理，平臺通過應(yīng)用成熟的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實現(xiàn)了一套全面的、高效的、適合于有毒有害氣體檢測報警器檢定流程的計量業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)，能對檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成證書的生成、核驗、批準(zhǔn)和打印等操作，這大大節(jié)省了人力資源，提高了工作效率。

圖6 設(shè)置配置信息

2.4 裝置整體構(gòu)成及技術(shù)指標(biāo)

本裝置具有以下性能指標(biāo)：

1）智能檢定裝置符合JJG 678——2007《催化燃燒式甲烷測定器》、JJG 693——2011《可燃?xì)怏w檢測報警器》、JJG 915——2008《一氧化碳檢測報警器》檢定規(guī)程的要求。

2）配氣組分：空氣（99.99%高純氮氣）、已知濃度的樣氣；供氣能力：0～2SL/min；流量準(zhǔn)確度：±1.0%；重復(fù)性：±1.0%。

3）圖像采集識別率：100%。

4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平均響應(yīng)時間約5s。

5）具備遙控操作控制功能；

6）裝置提供開放的數(shù)據(jù)通信接口；

7）能夠自動生成、核驗、批準(zhǔn)和打印檢定證書。

箱體的密封采用塑料密封槽。箱體周圍的進(jìn)線孔和進(jìn)氣孔縫隙等用密封膠填充即可達(dá)到密封目的。主控箱下層側(cè)邊的CCD輸出線孔、電源線孔以及計算機(jī)與顯示屏的聯(lián)線孔，都用密封圈密封，以避免檢定氣體泄露。本裝置在上殼體上邊沿焊接一圈凹槽，將橡膠皮條壓入凹槽，并用密封膠粘牢固，當(dāng)上蓋蓋到上殼體時，上蓋壓到橡膠條上，橡膠條受壓變形便起到密封作用，密封效果較好。通過密封設(shè)計最大程度地減少在檢定過程中有害檢定氣體泄露，避免污染測試人員所在的辦公空間。另外，本裝置采用手持盒遠(yuǎn)程控制終端，能夠遠(yuǎn)程控制檢定裝置進(jìn)行配氣、檢定等一系列操作，使得檢定人員遠(yuǎn)離檢定現(xiàn)場，避免受到有毒有害氣體的侵襲。

3 結(jié)束語

本研究將自動配氣技術(shù)與圖像采集及識別技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)有毒有害氣體檢測報警器的智能檢定。配氣精度達(dá)到±1%，檢定數(shù)據(jù)識別準(zhǔn)確度達(dá)到100%；采用.Net編程技術(shù)，實現(xiàn)了有毒有害氣體檢測報警器信息的智能化管理、檢定數(shù)據(jù)的自動化處理及原始記錄、檢定證書的自動生成，極大提高了工作效率；研制了手持盒遙控終端，利用無線傳輸技術(shù)遠(yuǎn)程控制配氣及圖像采集、識別裝置，保護(hù)了工作人員免受有害氣體的侵襲。

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Development of intelligent verification system for toxic and hazardous gas alarms

GUO Bo，ZHANG Zheng，XU Sisi
（Shandong Institute of Metrology，Ji’nan 250014，China）

An intelligent verification device for toxic and hazardous gas alarms was developed to improvetheaccuracyand efficiency of detection and ensure thehealthinessof workersin combination with automatic gas distribution，image acquisition&recognition and remote control technologies as well as detection data system.The gas distribution precision of the device is±1%，with the image acquisition and recognition rate up to 100%and the average response time of its data processing system less than 5 seconds.By means of remote control and operation and open data communication interfaces，the device can automatically generate，check，approve and print verification certificates.

intelligent verification；automatic gas distribution；image recognition；remote control；automatic certificate processing

A

：1674-5124（2015）05-0075-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.019

2014-09-23；

：2014-11-12

山東省科技廳科技發(fā)展計劃項目（2011YD20004）山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目（2010KY07）濟(jì)南市科學(xué)技術(shù)局科技計劃項目（201102007）

郭 波（1975-），男，山東濟(jì)南市人，高級工程師，碩士，主要從事化學(xué)計量學(xué)研究。