有毒有害气体报警器智能检定装置的研制

郭 波,张 征,许思思

（山东省计量科学研究院，山东 济南 250014）

有毒有害气体报警器智能检定装置的研制

郭 波,张 征,许思思

（山东省计量科学研究院，山东 济南 250014）

为提高检定的准确度和工作效率，保障工作人员的健康，综合运用自动配气技术、图像采集与识别技术、远程控制技术和检定信息系统等，研制一套有毒有害气体报警器智能检定装置。该装置配气精度达到±1%，图像采集识别率达100%，数据处理系统平均响应时间小于5s，具备遥控操作控制功能，提供开放的数据通信接口，能够自动生成、核验、批准和打印检定证书，具有较好的实用价值。

智能检定；自动配气；图像识别；远程控制；证书自动处理

0 引 言

对有毒有害气体报警器的传统检定效率低下，而且很多报警器安装环境恶劣，检定人员容易出现疏漏，导致数据采集出错。通过自动配气、机器视觉技术、远程控制技术等可提高检定的效率和准确度[1-5]。

目前，国外存在有关自动配气装置的研究，如美国ENVIRONIS公司，但尚无将其应用于有毒有害气体检定的报道。国内关于检定系统自动化的研究集中在对电能表以及一些指针式仪表检定数据的自动识别和输出[6-14]，另外也有关于自动配气的报道[15-16]，但其只是简单配制气体，没有与检定过程相结合，无法实现检定全过程的智能化、自动化。李祖斌等[17]从自动配气、检定数据处理和检定证书自动生成等方面对可燃易爆有害气体报警器自动检定装置进行了研制，但并没有综合运用图像采集与识别技术和远程控制技术；穆克和韩志刚[18]对有毒有害气体报警器检定的自动配气和图像采集技术进行了探讨，但并未涉及对检定过程的远程控制。

本研究综合运用自动配气技术、图像识别技术、移动手持终端开发技术和检定信息平台等，研制一套覆盖报警器检定全过程的智能化检定装置，减少由于人为因素所造成的测量误差，可大大提高检定准确度和检定效率。

1 方法与原理

研制的有毒有害气体检测报警器智能检定装置主要由自动配气系统、图像采集与识别装置、手持盒控制终端、检定信息平台4个部分构成。

1.1 自动配气系统

由于所设计的配气系统主要用于计量检定，需要少量多次地配制气体，为避免更换储存不同浓度气体的气瓶以及更换气瓶减压阀带来的不便，本研究采用动态配气法。在计量检定过程中，只需要一个浓度较高的样气气瓶和一个高纯氮气或空气气瓶即可，无需更换气瓶和减压阀。配制流程如图1所示。

图1 配气流程图

1.2 图像采集与识别装置

该装置的主要功能是实现无数据传输接口的有毒有害气体检测报警器的检定数据自动采集与识别。要求装置数据采集及识别准确率达到100%，并且可完成数据的自动处理，同时要求体积较小，稳定性高。在本项目中，为了减小整个系统的体积，采用凌动计算机作为主控计算机，在该计算机上配置有图像采集卡与CCD相联，在计算机的控制下，CCD将采集到的图像送入计算机内存。

1.3 手持盒控制终端

手持终端主要包括电源系统、无线通信系统、主控系统和显示系统4个部分。手持盒主要负责实时显示测量过程中的基本信息、示值误差、重复性和响应时间，并能够远程控制检定装置进行配气、检定等一系列操作。

手持终端的作用是近距离内无线控制报警器检定装置执行相应操作，并在手持终端上显示报警器的相关参数以及检定结果等内容，该终端控制系统采用MCS-51系列单片机作为控制核心。

1.4 检定信息平台

该平台是一个专用的信息管理、数据处理的MIS系统，平台的核心是报警器信息管理及检定工作流控制，最终实现检定原始记录和证书的自动生成。平台需要记录和管理在报警器检定过程中所取得的各类数据，主要有器具收发、证书管理（电子签名、证书核验）两大基础功能，在平台中突出强调了计量器具检定的流程管理。

2 结果与讨论

2.1 自动配气系统

利用北京均方理化科技研究所的GXH-1050型高精度红外线气体分析器来对配制出的标气进行分析，测得实验数据。本试验以CO、CH4两种气体为例，分析配制的气体准确度。

本研究采用体积分数为4050×10-6的一氧化碳作为样气，进行一氧化碳各体积分数气体的配制。对配制的甲烷气体的测试试验中，采用体积分数为99.999%的甲烷作为样气，进行稀释。稀释气为高纯空气（22%氧气、78%氮气）。利用配气系统配制体积分数为3%的甲烷气体对红外线分析器进行标定，然后利用分析器对配制的各体积分数气体进行测量。由图2、图3、表1和表2可知，配气系统具有很好的线性，配制的气体具有很好的稳定性。

图2 低体积分数CO的线性图

图3 低体积分数CH4的线性图

表1 高体积分数一氧化碳重复性

表2 高体积分数CH4重复性

自动配气机的主要技术指标就是配制出的标气体积分数的准确度，在设计时提出的误差≤±1%。以CO为例，根据一氧化碳检测报警器检定规程，分别配制150×10-6，501×10-6，702×10-6的气体，与钢瓶标准气体进行比较，测试结果如表3所示。由表可知，瓶装标准气体与配气系统配制气体的测量数据比对误差约±1.0%。由此可知，本课题所制备的配气系统达到了预期目标。

表3 配气系统与重量法对比

2.2 图像采集与识别

本研究图像处理利用OpenCV提供的处理函数完成，流程如下：1）将彩色图像灰度化，并平滑处理；2）图像进行腐蚀膨胀处理，减小噪音干扰；3）对图像进行边缘处理，获取内部轮廓，以便提取字符特征，边缘检定后图像如图4所示；4）将字符串分隔成单个字符进行处理，分割后图像如图5所示。本研究图像采集的识别率达100%。

图4 边缘检定后图像

图5 字符分割后图像

识别出字符后，即对这些数字按照计算规则进行计算后存储，将原始数据存储于计算机中，当一个仪表的所有数据都计算完后，系统将对这些数据进行进一步计算处理，然后将测试结果发送到手持终端设备，由测试人员对这些数据进行进一步的分析。如果在测试的过程中，出现了漏测，系统的软件将对该数据进行特别警示，提醒工作人员检定测试结果，并提示是否进行重新测量。

另外，本装置的图像采集与识别系统，使用凌动工控计算机作为主控设备，该设备不仅具备体积小、功效低和主频高等特征，而且稳定性好。另外，图像采集卡的性能也影响着装置的稳定性，本研究可选用的型号有SDK2000、SDK3000、VC4000等。其中，SDK2000的稳定性最差并且只可支持一路视频信号，SDK3000稳定性较好，但同时也只可支持一路视频信号。本研究选用的是VC4000，其可同时支持4路视频信号输入，且使用与SDK3000相同的芯片和驱动，稳定性好，从而保证了图像采集与识别系统的稳定性。

2.3 手持盒控制终端和检定信息平台

手持盒主要负责实时显示测量过程中的基本信息、示值误差、重复性和响应时间，并能够远程控制检定装置进行配气、检定等一系列操作。

检定信息平台采用浏览器+服务器的运行方式（B/S架构模式）。所有需要的软件只安装在服务器中，客户端通过浏览器（IE6）来完成所有的操作。本系统通过检定信息平台能够实现被检报警器基本信息（生成厂家、型号规格、出厂编号等）、送检信息（送检企业、联系人、送检日期等）、检定信息（示值误差、重复性、响应时间、检定结果等）的管理，平台通过应用成熟的网络和数据库等技术，实现了一套全面的、高效的、适合于有毒有害气体检测报警器检定流程的计量业务管理信息系统，能对检定数据进行处理，并完成证书的生成、核验、批准和打印等操作，这大大节省了人力资源，提高了工作效率。

图6 设置配置信息

2.4 装置整体构成及技术指标

本装置具有以下性能指标：

1）智能检定装置符合JJG 678——2007《催化燃烧式甲烷测定器》、JJG 693——2011《可燃气体检测报警器》、JJG 915——2008《一氧化碳检测报警器》检定规程的要求。

2）配气组分：空气（99.99%高纯氮气）、已知浓度的样气；供气能力：0～2SL/min；流量准确度：±1.0%；重复性：±1.0%。

3）图像采集识别率：100%。

4）数据处理系统平均响应时间约5s。

5）具备遥控操作控制功能；

6）装置提供开放的数据通信接口；

7）能够自动生成、核验、批准和打印检定证书。

箱体的密封采用塑料密封槽。箱体周围的进线孔和进气孔缝隙等用密封胶填充即可达到密封目的。主控箱下层侧边的CCD输出线孔、电源线孔以及计算机与显示屏的联线孔，都用密封圈密封，以避免检定气体泄露。本装置在上壳体上边沿焊接一圈凹槽，将橡胶皮条压入凹槽，并用密封胶粘牢固，当上盖盖到上壳体时，上盖压到橡胶条上，橡胶条受压变形便起到密封作用，密封效果较好。通过密封设计最大程度地减少在检定过程中有害检定气体泄露，避免污染测试人员所在的办公空间。另外，本装置采用手持盒远程控制终端，能够远程控制检定装置进行配气、检定等一系列操作，使得检定人员远离检定现场，避免受到有毒有害气体的侵袭。

3 结束语

本研究将自动配气技术与图像采集及识别技术结合，实现有毒有害气体检测报警器的智能检定。配气精度达到±1%，检定数据识别准确度达到100%；采用.Net编程技术，实现了有毒有害气体检测报警器信息的智能化管理、检定数据的自动化处理及原始记录、检定证书的自动生成，极大提高了工作效率；研制了手持盒遥控终端，利用无线传输技术远程控制配气及图像采集、识别装置，保护了工作人员免受有害气体的侵袭。

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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

山东省科技厅科技发展计划项目（2011YD20004）山东省质量技术监督局科技计划项目（2010KY07）济南市科学技术局科技计划项目（201102007）

郭 波（1975-），男，山东济南市人，高级工程师，硕士，主要从事化学计量学研究。