有毒有害气体报警器数字检测系统的设计

有毒有害气体报警器数字检测系统的设计
穆克;韩志刚
【摘要】报警器检定属于新兴的检定项目.从检定规程到检定方法以及检定手段都有必要提高和完善.目前,检测中的通气、换气、读数等都是由人工来完成,不仅需要大量的重复性劳动,费时费力,而且难以保证检测结果的准确可靠.因此有必要建立一套自动化检测装置,按照计量检定规程的要求,来自动完成对气体检测仪的检定或校准.为满足上述需要,设计研制了有毒有害气体报警器数字检测系统,该系统包括多通道气体采集硬件系统、混合气体浓度数字识别系统和检测控制系统三部分.通过测量技术、电子技术和计算机技术的综合运用,可以提高检测的工作效率,提高检定工作的可靠性和准确性,降低人为误差.通过检测手段的改进,达到促进检定规程的进一步完善.%Alarm verification is a new test item. Verification regulations and methods and means are necessary to be improved and perfected. At present, the works of the ventilation and reading during the detection are completed manually. Not only does it need a large number of repetitive works, and is time-consuming and laborious, but also is difficult to guarantee the accuracy and reliability of results. If you will test the stability of the instrument, then more time will be needed. So it is necessary to establish an automated detection device to accomplish the verification and calibration of the gas detector in accordance with the requirements of verification procedures. To meet these needs, a digital detection system with the alarming functional for toxic and harmful gas was designed. The system included three parts of multi-channel gas collection hardware system, mixed gas concentration identification system and detection and
control system. By using the measuring technology, electronic technology and computer technology, detection efficiency, reliability and accuracy of test are all improved, and human error is also reduced. The verification regulation is further promoted through the improved detection means.【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》
【年(卷),期】2012(032)001
【总页数】5页(P74-77,83)
【关键词】报警器;计量测试;检测系统
【作者】穆克;韩志刚
【作者单位】辽宁石油化工大学信息与控制工程学院,辽宁抚顺113001;抚顺市计量测试所,辽宁抚顺113001
【正文语种】中文
【中图分类】X830;TP277
目前，国外规模较大的气体检测仪生产厂有类似的产品，但主要是针对产品的出厂检验为目的，不具备计量检定功能。

在国内，国家级的煤矿产品检验实验室及国家计量院有类似产品应用。

虽然具有计算机控制功能，但其读数和气路切换等还是由人工完成。

应用于气体稀释方面的智能动态配气装置等，也只限于动态配气方面的自动化，没有检测控制方面的功能。

本文建立一套自动化检测装置，按照计量检定规程的要求，来自动完成对气体检测仪的检定或校准。

一般用于可燃易爆有害气体检测报警器的检定装置主要由标气瓶、减压器、流量计组成［1］。

本文设计的气体报警器智能检测实验装置的电气流程图如图1所示。

原料气1、原料气2、原料气3至原料气n分别经过各路的高压阀门、高压表、减压阀、低压
表和质量流量控制器进入气体混合器，混合后通过流量计1进入被检仪器。

流量
计2起旁路作用，将多余的气体放空。

被检仪器的声音和显示数值，通过声级计
和数字识别系统输入计算机。

同时通过温度传感器、湿度传感器和压力传感器将环境中的温度、湿度和压力信号输入计算机，计算机连接打印机输出，也可连接到局域网。

原料气1、原料气2、…、原料气n为n种不同的原料气体，可根据需要来确定n 的数值，通常可将原料气1、原料气2设定为氮气和氧气，原料气3至原料气n
为各种有毒有害气体（一般应采用经稀释的标准气体），详见可燃气体检测报警器检定规程［2－6］。

气体通过高压阀门、高压表、经减压阀后，使气体的压力符
合质量流量控制器的要求，再经低压表到达质量流量控制器。

经计算机对各路质量流量控制器的控制，流出的气体经混合器混合后输出符合要求浓度的气体，经流量计1送到被检仪器。

通过图像识别装置和声级计分别将采集被测仪器的显示数值
和报警声音的分贝数值送入计算机中。

依据检测不同仪器的计量检定规程，通过相应的检测程序，对质量流量控制器控制，按照检定规程的要求步骤，完成仪器的全部检定过程。

实现检定/校准/测试等证书或报告的自动生成。

1.2.1 识别系统流程数字仪表识别系统由视频采集、数字特征提取与识别组成。

经摄像头拍摄数字仪表的图像，将彩色图像转化为灰度图像，经自适应阈值二值化、倾斜校正、字符分割等步骤完成数字识别。

仪表数字识别系统流程如图2所示［8］。

1.2.2 字符串区域定位处理方法本系统采用人机互动的鼠标选取法。

鼠标选择矩形框的方式来定位字符串。

调整矩形框的大小直到恰好圈住感兴趣字符串为止，保存矩形框的高、宽及上边界和左边界4个坐标变量，以此裁剪出感兴趣域。

（1）自适应阈值二值化
图像二值化是图像预处理的关键，其效果将直接影响后续数字的识别。

图像二值化的关键在于阈值的选取，二值化算法整体可以分为全局阈值二值化算法和局部阈值二值化算法［7－8］。

对于光照不均的情况，其直方图有时会出现单峰甚至多峰的情况，此时，背景中某些地方的灰度级会接近前景，利用全局阈值二值化算法在分割时会出现断裂和大面积粘连现象。

而局部阈值方法则可能造成伪影等现象。

在工业环境中数字仪表经常受到光照不均匀等因素的影响，使图像的灰度不均匀和突变。

所以在二值化之前，对图像直方图规定化，把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布，这样就增加了像素灰度值的动态范围，达到增强图像整体对比度的效果。

在此基础上采用滑动窗口的自适应阈值二值化方法可以避免全局和局部阈值的缺点。

（2）图像去噪
二值化后的图像使字符和背景得到很好的分离，但是经过二值化处理后，图像中常常存在一些噪声。

它们以单个点或者多个点连接在一起的形式存在，这些噪声影响了字符串分割和识别的准确率，因此应对图像进行去噪处理。

系统采用基于孤立像素连通域的方法去除噪声。

一般数字字符在整个图片中占大部分区域，而且通常是在图片的中央，而噪声一般出现在图片的四周。

所以根据连通域的大小和位置，制定了两个筛选准则：面积准则和重心准则。

（3）字符串分割
经过倾斜矫正、二值化、去除噪声后得到质量比较好的图像，一般情况下利用投影法能进行自动分割，水平投影在理想的二值图像中位于字符之间的灰度值为0，投
影图将会在字符之间形成波谷，或者说在字符处形成波峰，利用这一特征即可把数字字符串分隔开。

但是在以下情况下该方法会造成误差。

①噪声点的影响。

②字符串排列是水平的，如果倾斜，字符的投影在竖直方向可能会出现互相重叠，使得原本字符之间的间隔的零值投影不存在。

③对断裂和粘连字符分割错误。

就本系统而言，①、②经过预处理后不会受到影响，但一些仪表数字投影之后会出现断裂和粘连的情况，为避免这一情况本系统使用鼠标先将字符串定位，然后在此基础上分割字符串。

由于各个数字所字符宽度相同，给出数字位数后经过字宽计算，对字符串平均分割便可以得出每个数字的左右边界。

对于倾斜的图像，首先进行倾斜矫正，再定位分割字符串［8］。

1.2.3 数字识别系统采用基于拓扑结构的图像数字识别分类方法，该方法将模式识别中统计方法和结构方法融合，经过对这两种形式数字的拓扑结构观察和分析，发现每个数字都是一独立连通区域且把其背景分割出若干四连通空白区域（数字外背景或数字内封闭的空白区域），所以利用数字的这种拓扑结构特征来寻找数字的分类方法［9］。

根据连通区域的不同利用射线的方法来记录射线经过的连通区域个数，以此作为判断数字特征的方法。

并根据数字特征建立编码库，依次存储0至9，以及小数点等数字特征。

根据数字特征来判断经过处理的图象，如果和特征吻合即可以判断出此数字图象属于那一范畴。

1.2.4 系统实现及实验结果分析选取各种数显仪表做实验，在室内环境下该系统识别率达98%以上，拒识率为0.3%，对8位数字的识别时间小于仪表数字的平均变化时间，达到了系统预期目标。

影响识别率的因素主要有预处理过程中光线的影响，造成图像二值化不理想，这是后续数字识别的关键；利用连通区域标识分类
法对图像的封闭性等结构要求比较高，本应成为一个单独连通域的对象有时由于数字残缺或预处理环节的不当会造成不封闭，影响数字的正确分类，这些不足是进一
步研究和改善的关键。

本系统由参数设置、流量控制、数据采集和显示打印四部分组成。

系统启动后初始化界面如图3所示。

主要用于设置各种气体的流量配比、转换系数、通气时间、通气间隔时间、通气次数、数据采集时间及间隔等参数。

图4为配气设置窗口，图5为气体库设置窗口。

主要用于根据参数设置的控制计划控制质量流量控制器的开关控制和流量控制。

主要用于采集被检仪器的读数信息数据，用摄像头记录设备的读数，存入到计算机可识别的文件当中，并保存到数据文件中，同时自动计算示值误差、重复性和报警误差等数据并保存到数据文件中去。

同时利用声级计采集声音信号，通过温度、湿度和压力传感器采集温度、湿度和压力信号［10］。

图6为实时检测可燃气流量
的曲线界面。

主要用于显示流量控制器的状态信息、被检仪器的读数信息、示值误差、重复性和报警误差等数据（如图7所示），同时可以将数据信息形成报表打印输出和打印
相关证书。

在实验装置中配有可调的直流稳压电源，可提供固定仪器使用的外接电源；配有常用便携仪器的充电器，可对大多数的便携仪器充电；配有电流、电压、频率等检测功能，可检测仪器输出信号。

该气体报警器智能检测装置所采用的数字识别技术和自动配气技术，使报警器检测规范化，为制定更加科学合理的检定规程打下了物质基础。

目前该系统已经在计量测试所试用，系统稳定并通过省级鉴定。

【相关文献】
［1］李祖斌，姜建伟，文峰.可燃易爆有害气体报警器自动检定装置的研制［J］.中国测试技术，2008，34（4）：84－87.
［2］JJG 693－2004可燃气体检测报警器检定规程［S］.
［3］JJG 915－2008一氧化碳检测报警器［S］.
［4］JJG 695－2003硫化氢气体检测仪检定规程［S］.
［5］JJG 551－2003二氧化硫气体检测仪检定规程［S］.
［6］JJG 365－2008电化学氧测定仪检定规程［S］.
［7］崔行巨，段会川，王金玲，等.数显仪表数字实时识别系统的设计与实现［J］.计算机工程与
设计，2010，31（1），214－217.
［8］崔行巨.数显与指针仪表示值识别技术的研究与应用［D］.济南：山东师范大学，2011. ［9］张燏，吴志斌，陈淑珍，等.一种新的自适应二值化方法［J］.计算机工程，2002，28（5）：184－185.
［10］滕国库，张一弓.基于 ARM嵌入式芯片TCP/IP协议的数据采集设计［J］.辽宁石油化工大
学学报，2007，27（4）：51－55.。