一種新型有毒有害氣體檢測系統(tǒng)的設計

楊 懋

(海軍裝備部， 宜賓 644000)

有毒有害氣體(簡稱：毒氣)對人類健康的危害極大，甚至致人死亡。偵檢管是較為成熟有效的毒氣檢測技術，具有操作簡便、分析快速、可信度高、適應性好、價格低廉的優(yōu)點[1, 2]，是目前毒氣檢測的主要技術手段之一。然而，該器材要求使用人員必須到現(xiàn)場進行手動操作，檢測結果上報慢，無法在無人值守條件下或高危險情況下完成毒氣偵察，而且自動化程度和信息化程度極低，會存在人為誤差。

因此，亟需研發(fā)一款無人值守、遠程可控、智能識別、可靠性高、自動化程度高、對人員傷害小的在線檢測系統(tǒng)，既可快速檢測毒氣，也能掌握毒氣泄露時毒氣的分布情況。本研究設計的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)設計有3個區(qū)別于傳統(tǒng)毒氣檢測的關鍵技術，分別為自動化完成偵檢管檢測、顏色智能識別和信息化控制。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)組成

有毒有害氣體檢測系統(tǒng)主要包含兩個部分，分別為遠程控制部分和毒氣檢測部分。遠程控制部分由計算機終端和控制中心組成，計算機終端用于接收下位機信號和給下位機發(fā)送信號，控制中心用于與計算機終端、有毒有害氣體確證裝置進行信息交匯。毒氣檢測部分由有毒有害氣體確證裝置、偵檢管和預留接口組成，有毒有害氣體確證裝置包括控制模塊、選管機構、切管機構、取樣機構和顏色識別器，可自動完成偵檢管檢測毒氣功能；預留接口可與多個有毒有害氣體確證裝置連接，實現(xiàn)多個點位的毒氣檢測。計算機終端與控制中心之間通過網(wǎng)線連接，控制中心與有毒有害氣體確證裝置之間通過R485通訊線連接?？傮w的系統(tǒng)組成框圖見圖1。

圖1 有毒有害氣體檢測系統(tǒng)組成框圖

1.2 系統(tǒng)功能

本研究所設計的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)，不僅能對偵毒管自動執(zhí)行選管、切管、采樣過程，智能識別偵檢管內(nèi)發(fā)生化學反應后的顏色信息，自動完成偵檢管檢測毒氣的功能；也能通過控制中心與計算機終端、有毒有害氣體確證裝置的信息交匯，對無人值守區(qū)域進行毒氣的遠程、實時檢測。該系統(tǒng)既可作為有毒有害氣體的檢測系統(tǒng)，來檢測毒氣種類和濃度，也可作為毒氣二次確證裝置，來確證毒氣報警器的報警信息。

1.3 工作原理

1.3.1系統(tǒng)的工作原理

打開有毒有害氣體檢測系統(tǒng)，設定毒氣種類和濃度，計算機終端通過TCP/IP協(xié)議將該毒氣種類傳遞給控制中心，控制中心將計算機傳過來的數(shù)據(jù)轉化處理后經(jīng)由通信模塊發(fā)送給有毒有害氣體確證裝置?？刂颇K根據(jù)內(nèi)設工作邏輯選取相應的偵檢管，隨后依次對偵檢管進行切管和氣體取樣，顏色識別器實時識別偵檢管顏色信息，并將偵檢結果上傳到控制中心，控制中心將處理后的信息上傳到計算機終端，計算機軟件界面顯示對應的信息。

1.3.2偵檢管檢測原理

偵檢管是有毒有害氣體檢測分析的重要部分，可對毒氣進行定性半定量檢測。根據(jù)化學反應顯色原理，當毒氣通過偵檢管時，毒氣與偵檢管內(nèi)的化學試劑發(fā)生化學反應，根據(jù)反應顏色判別氣體種類，根據(jù)顏色深淺判定氣體的概率濃度。

1.3.3顏色識別原理

顏色識別主要通過顏色識別傳感器完成分析判斷，根據(jù)三原色理論，當專用識別光源照射到被測物體后，能檢測出反射到傳感器芯片上紅、藍、綠3種顏色的光強值，根據(jù)這3個光強值，可以輸出16進制的RGB色號，控制模塊根據(jù)預設色號范圍和智能識別模型進行比對計算，得出毒氣類別。

1.4 工作流程

系統(tǒng)開機后，打開計算機終端的軟件，對整個系統(tǒng)進行自檢。自檢完成后，在軟件界面選擇某種毒氣并輸入毒氣濃度，控制中心依據(jù)邏輯將該毒氣信息轉化后下達給有毒有害氣體確證裝置，有毒有害氣體確證裝置通過控制模塊控制盤式選管機構選取該毒氣偵檢管，并將該偵檢管旋轉到切管工作區(qū)。切管機構進行切管，切管后采樣泵運行相應時間，取樣機構將一定量樣氣吸入偵檢管內(nèi)富集，停止采樣泵，樣氣與偵檢管內(nèi)的物質發(fā)生化學反應。最后顏色識別器進行顏色識別并傳給控制模塊，控制模塊將判別結果通過控制中心上傳到計算終端，并在界面上顯示出檢測結果。圖2為有毒有害氣體檢測系統(tǒng)工作流程圖。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

有毒有害氣體確證裝置由控制模塊、選管機構、切管機構、取樣機構和顏色識別器5部分組成，并配套偵檢管，可代替人工操作，自動完成選管、切管、抽氣、顯色反應、顏色判別、結果輸出等過程。

2.1.1控制模塊

控制模塊由單片機、信號處理芯片、外圍電路、防浪涌組件、穩(wěn)壓電路、I/O接口等組成，直接或間接控制整個裝置的正常工作。單片機和信號處理芯片選用高速、低功耗、干擾性強的產(chǎn)品。防浪涌組件主要包括電容、電解電容、抗浪涌二極管等器件。穩(wěn)壓電路包括外部穩(wěn)壓電路和內(nèi)部穩(wěn)壓電路。

圖2 有毒有害氣體檢測系統(tǒng)工作流程圖

2.1.2選管機構

選管機構由電機、旋轉主軸、旋轉支架、軸連接片、偵檢管固定套管等組成，用于選取和旋轉相應偵檢管到預設位置。為了滿足不同種類偵檢管的安裝，選管機構采用多角旋轉支架結構固定偵檢管，可同時裝載6只以上偵檢管，滿足不同種類偵檢管的安裝、減小儀器體積。電機采用體積小，重量輕，可靠性高的產(chǎn)品。旋轉主軸、軸連接片、偵檢管固定套管采用輕量化設計，使得機構結構簡單、輕便、可靠、使用壽命長。偵檢管固定套管抽氣端采用特殊結構，保證抽氣過程中的氣路密閉性。選管機構設計如圖3所示。

圖3 選管機構示意圖

2.1.3切管機構

切管機構用于打開偵檢管上下兩端，使偵檢管由密封狀態(tài)進入工作狀態(tài)。為保證打開偵檢管兩端時平穩(wěn)、可靠、不異常炸裂、切口平滑，切割過程通過高速磨切方式將玻璃管兩端打開，擺動電機選用直流減速電機，切割電機選用直流高速電機，切割片采用質地堅硬、耐熱耐磨、磨片顆粒細膩、切削性好、精度高的金剛砂輪片，保證正常打開偵檢管上下兩端。切管機構設計見圖4。

2.1.4取樣機構

取樣機構由傳動絲桿、電機、抽氣組件、限位開關等組成，主要用于抽取空氣樣品、完成偵檢管內(nèi)吸附材料的飽和性吸附，實現(xiàn)樣氣與吸附材料反應、顯色。抽氣組件由隔膜泵、密封套件(圖5)、管路組成，可保證流量穩(wěn)定。限位開關通過位置感應控制行程距離，確保準確到達預設位置。取樣機構整體結構簡單、輕便、靈敏度高。

圖4 切管機構示意圖

圖5 密封套件示意圖

2.1.5顏色識別器

顏色識別器主要用于識別反應后的偵檢管顏色。顏色識別器的設計為一款全彩的顏色識別模塊，內(nèi)部自帶濾波器，可消除信號抖動，具有高性能、高精度的優(yōu)點，可在一定的范圍內(nèi)對可見光的顏色進行識別，對光的強弱進行檢測。圖6為顏色識別器識別偵檢管顏色信息的示意圖。

圖6 顏色識別器識別顏色示意圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

有毒有害氣體檢測系統(tǒng)軟件部分由兩部分組成，分別是有毒有害氣體確證裝置內(nèi)的控制軟件和計算機終端的分析處理軟件。本系統(tǒng)所用的通訊協(xié)議為標準的modbus-rtu協(xié)議，通訊協(xié)議格式為8位有效數(shù)據(jù)、1位停止位、無校驗(8 N 1)。

有毒有害氣體確證裝置通過通信模塊，接收遠程控制終端發(fā)送的毒氣檢測指令，根據(jù)內(nèi)設工作邏輯控制各個機構，控制流程主要由控制模塊實現(xiàn)，依次完成選管、切管、抽氣、顏色判別、輸出結果等相應動作邏輯，圖7為有毒有害氣體確證裝置的控制流程圖。有毒有害氣體確證裝置在接收到計算機終端的毒氣信息后，控制模塊通過解析上位機指令，確定上位機所需偵檢管，彈開設備外殼的進風口，啟動選管機構，并將該偵檢管送往切管工作區(qū)。控制模塊根據(jù)預設程序，保證偵檢管準確進入切割區(qū)域，隨后啟動切管機構，完成切割過程。切割過程完成后，控制模塊將偵檢管旋轉至采樣工作區(qū)，啟動采樣機構，按預設程序完成抽氣工作和化學顯色。然后控制模塊將偵檢管旋轉至顏色識別區(qū)。顏色識別器完成顏色識別并將16進制的RGB色號傳給控制模塊，控制模塊通過系統(tǒng)預先設置的色號范圍和智能判別模型進行比對計算，從而確認毒氣報警信息，并將該結果上傳給控制中心。

圖7 有毒有害氣體確證裝置控制流程圖

計算機終端的分析處理軟件采用FameView組態(tài)軟件來編譯，可實現(xiàn)控制中心與計算機終端的通訊，該分析處理軟件可安裝在windows7.0及以上的系統(tǒng)，軟件顯示內(nèi)容主要包括毒氣信息、狀態(tài)顯示、歷史報表、幫助，軟件界面如圖8所示。計算機終端首先接收外接平臺(例如：報警器、氣象傳感器)或者人為給定的毒氣信息，寫入發(fā)給有毒有害氣體確證裝置的數(shù)據(jù)，控制中心對數(shù)據(jù)處理后，通過modbus-rtu通訊協(xié)議寫入指令，發(fā)送數(shù)據(jù)并下達給控制模塊?？刂浦行膶崟r上傳檢測過程并在計算機終端的軟件界面顯示，歷史報表實時記錄檢測過程和時間，通過報表顯示的方式在計算機終端上顯示。

圖8 軟件界面

3 系統(tǒng)測試與結果分析

為了充分驗證該系統(tǒng)設計的實用性，分別對該系統(tǒng)的功能進行逐一驗證。

3.1 測試方法

為了驗證該系統(tǒng)的遠程可控功能，連接計算機終端、控制中心和有毒有害氣體確證裝置，點擊計算機終端軟件界面上的啟動、暫停、停止按鈕，觀察有毒有害氣體確證裝置的工作狀態(tài)。

為了驗證有毒有害氣體確證裝置對偵毒管的自動選管、切管和采樣功能，將有色煙霧發(fā)生器與采樣機構的采樣泵進氣口連接，將偵檢管裝入選管機構，打開有色煙霧發(fā)生器出氣口開關，通過計算機終端啟動有毒有害氣體確證裝置，觀察確證裝置自動執(zhí)行工作流程的系統(tǒng)狀態(tài)，記錄系統(tǒng)的測試情況。

為了驗證顏色識別器對顏色深淺的智能識別能力，使用1mL標準取樣針，抽取1mL墨汁原液，分別注入到100mL～1000mL清水中，獲取到1∶100、1∶200、1∶300、1∶400、1∶500、1∶600、1∶700、1∶800、1∶900、1∶1000等10種顏色樣本。用10塊脫脂棉，分別蘸取以上10種顏色樣本，甩干。把獲取到顏色樣本的脫脂棉填充入偵檢管內(nèi)部，分別將該樣本管放置于顏色識別器前進行顏色識別。

3.2 測試過程與結果

測試過程和結果見表1。

表1 有毒有害氣體檢測系統(tǒng)功能測試過程和結果

4 結論

設計了一種新型有毒有害氣體檢測系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的架構和軟硬件設計。所設計的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)能遠程實時檢測有毒有害氣體濃度，通過自動化技術，解決了無人值守條件下或高危險情況下偵檢管檢測毒氣的問題。系統(tǒng)功能測試結果表明，該系統(tǒng)可以自動對偵檢管完成選管、切管、采樣等過程，能對反應后的偵檢管顏色進行智能識別，計算機終端能遠程且有效的接收檢測結果并在軟件界面顯示，在有毒有害氣體監(jiān)測、預警等領域具有很好的應用前景。另外，計算機終端可通過控制中心與多臺有毒有害氣體確證裝置通信，通過合理布設有毒有害氣體確證裝置，可實現(xiàn)多點位染毒態(tài)勢感知，確定毒氣來源信息。