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(shù)，具有操作簡便、分析快速、可信度高、適應(yīng)性好、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)[1, 2]，是目前毒氣檢測的主要技術(shù)手段之一。然而，該器材要求使用人員必須到現(xiàn)場進(jìn)行手動(dòng)操作，檢測結(jié)果上報(bào)慢，無法在無人值守條件下或高危險(xiǎn)情況下完成毒氣偵察，而且自動(dòng)化程度和信息化程度極低，會(huì)存在人為誤差。

因此，亟需研發(fā)一款無人值守、遠(yuǎn)程可控、智能識(shí)別、可靠性高、自動(dòng)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(shí)毒氣的分布情況。本研究設(shè)計(jì)的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3個(gè)區(qū)別于傳統(tǒng)毒氣檢測的關(guān)鍵技術(shù)，分別為自動(dòng)化完成偵檢管檢測、顏色智能識(shí)別和信息化控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

有毒有害氣體檢測系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分，分別為遠(yuǎn)程控制部分和毒氣檢測部分。遠(yuǎn)程控制部分由計(jì)算機(jī)終端和控制中心組成，計(jì)算機(jī)終端用于接收下位機(jī)信號(hào)和給下位機(jī)發(fā)送信號(hào)，控制中心用于與計(jì)算機(jī)終端、有毒有害氣體確證裝置進(jìn)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(yù)留接口組成，有毒有害氣體確證裝置包括控制模塊、選管機(jī)構(gòu)、切管機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)和顏色識(shí)別器，可自動(dòng)完成偵檢管檢測毒氣功能；預(yù)留接口可與多個(gè)有毒有害氣體確證裝置連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)位的毒氣檢測。計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)，不僅能對偵毒管自動(dòng)執(zhí)行選管、切管、采樣過程，智能識(shí)別偵檢管內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的顏色信息，自動(dòng)完成偵檢管檢測毒氣的功能；也能通過控制中心與計(jì)算機(jī)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(jìn)行毒氣的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)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(bào)警器的報(bào)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(shè)定毒氣種類和濃度，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)傳過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)工作邏輯選取相應(yīng)的偵檢管，隨后依次對偵檢管進(jìn)行切管和氣體取樣，顏色識(shí)別器實(shí)時(shí)識(shí)別偵檢管顏色信息，并將偵檢結(jié)果上傳到控制中心，控制中心將處理后的信息上傳到計(jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)軟件界面顯示對應(yīng)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(jìn)行定性半定量檢測。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)顯色原理，當(dāng)毒氣通過偵檢管時(shí)，毒氣與偵檢管內(nèi)的化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)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(shí)別原理

顏色識(shí)別主要通過顏色識(shí)別傳感器完成分析判斷，根據(jù)三原色理論，當(dāng)專用識(shí)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(lán)、綠3種顏色的光強(qiáng)值，根據(jù)這3個(gè)光強(qiáng)值，可以輸出16進(jìn)制的RGB色號(hào)，控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)色號(hào)范圍和智能識(shí)別模型進(jìn)行比對計(jì)算，得出毒氣類別。

1.4 工作流程

系統(tǒng)開機(jī)后，打開計(jì)算機(jī)終端的軟件，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(zhuǎn)化后下達(dá)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(jī)構(gòu)選取該毒氣偵檢管，并將該偵檢管旋轉(zhuǎn)到切管工作區(qū)。切管機(jī)構(gòu)進(jìn)行切管，切管后采樣泵運(yùn)行相應(yīng)時(shí)間，取樣機(jī)構(gòu)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(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最后顏色識(shí)別器進(jìn)行顏色識(shí)別并傳給控制模塊，控制模塊將判別結(jié)果通過控制中心上傳到計(jì)算終端，并在界面上顯示出檢測結(jié)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(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

有毒有害氣體確證裝置由控制模塊、選管機(jī)構(gòu)、切管機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)和顏色識(shí)別器5部分組成，并配套偵檢管，可代替人工操作，自動(dòng)完成選管、切管、抽氣、顯色反應(yīng)、顏色判別、結(jié)果輸出等過程。

2.1.1控制模塊

控制模塊由單片機(jī)、信號(hào)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(gè)裝置的正常工作。單片機(jī)和信號(hào)處理芯片選用高速、低功耗、干擾性強(qiáng)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(jī)構(gòu)

選管機(jī)構(gòu)由電機(jī)、旋轉(zhuǎn)主軸、旋轉(zhuǎn)支架、軸連接片、偵檢管固定套管等組成，用于選取和旋轉(zhuǎn)相應(yīng)偵檢管到預(yù)設(shè)位置。為了滿足不同種類偵檢管的安裝，選管機(jī)構(gòu)采用多角旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)固定偵檢管，可同時(shí)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(jī)采用體積小，重量輕，可靠性高的產(chǎn)品。旋轉(zhuǎn)主軸、軸連接片、偵檢管固定套管采用輕量化設(shè)計(jì)，使得機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，保證抽氣過程中的氣路密閉性。選管機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 選管機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.3切管機(jī)構(gòu)

切管機(jī)構(gòu)用于打開偵檢管上下兩端，使偵檢管由密封狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。為保證打開偵檢管兩端時(shí)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(dòng)電機(jī)選用直流減速電機(jī)，切割電機(jī)選用直流高速電機(jī)，切割片采用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐熱耐磨、磨片顆粒細(xì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4。

2.1.4取樣機(jī)構(gòu)

取樣機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)絲桿、電機(jī)、抽氣組件、限位開關(guān)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(shí)現(xiàn)樣氣與吸附材料反應(yīng)、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(guān)通過位置感應(yīng)控制行程距離，確保準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)設(shè)位置。取樣機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單、輕便、靈敏度高。

圖4 切管機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 密封套件示意圖

2.1.5顏色識(shí)別器

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

圖6 顏色識(shí)別器識(shí)別顏色示意圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)終端的分析處理軟件。本系統(tǒng)所用的通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)(8 N 1)。

有毒有害氣體確證裝置通過通信模塊，接收遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送的毒氣檢測指令，根據(jù)內(nèi)設(shè)工作邏輯控制各個(gè)機(jī)構(gòu)，控制流程主要由控制模塊實(shí)現(xiàn)，依次完成選管、切管、抽氣、顏色判別、輸出結(jié)果等相應(yīng)動(dòng)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(jì)算機(jī)終端的毒氣信息后，控制模塊通過解析上位機(jī)指令，確定上位機(jī)所需偵檢管，彈開設(shè)備外殼的進(jìn)風(fēng)口，啟動(dòng)選管機(jī)構(gòu)，并將該偵檢管送往切管工作區(qū)?？刂颇K根據(jù)預(yù)設(shè)程序，保證偵檢管準(zhǔn)確進(jìn)入切割區(qū)域，隨后啟動(dòng)切管機(jī)構(gòu)，完成切割過程。切割過程完成后，控制模塊將偵檢管旋轉(zhuǎn)至采樣工作區(qū)，啟動(dòng)采樣機(jī)構(gòu)，按預(yù)設(shè)程序完成抽氣工作和化學(xué)顯色。然后控制模塊將偵檢管旋轉(zhuǎn)至顏色識(shí)別區(qū)。顏色識(shí)別器完成顏色識(shí)別并將16進(jìn)制的RGB色號(hào)傳給控制模塊，控制模塊通過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的色號(hào)范圍和智能判別模型進(jìn)行比對計(jì)算，從而確認(rèn)毒氣報(bào)警信息，并將該結(jié)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(jì)算機(jī)終端的分析處理軟件采用FameView組態(tài)軟件來編譯，可實(shí)現(xiàn)控制中心與計(jì)算機(jī)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(bào)表、幫助，軟件界面如圖8所示。計(jì)算機(jī)終端首先接收外接平臺(tái)(例如：報(bào)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(dá)給控制模塊?？刂浦行膶?shí)時(shí)上傳檢測過程并在計(jì)算機(jī)終端的軟件界面顯示，歷史報(bào)表實(shí)時(shí)記錄檢測過程和時(shí)間，通過報(bào)表顯示的方式在計(jì)算機(jī)終端上顯示。

圖8 軟件界面

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為了充分驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性，分別對該系統(tǒng)的功能進(jìn)行逐一驗(yàn)證。

3.1 測試方法

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程可控功能，連接計(jì)算機(jī)終端、控制中心和有毒有害氣體確證裝置，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)終端軟件界面上的啟動(dòng)、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(yàn)證有毒有害氣體確證裝置對偵毒管的自動(dòng)選管、切管和采樣功能，將有色煙霧發(fā)生器與采樣機(jī)構(gòu)的采樣泵進(jìn)氣口連接，將偵檢管裝入選管機(jī)構(gòu)，打開有色煙霧發(fā)生器出氣口開關(guān)，通過計(jì)算機(jī)終端啟動(dòng)有毒有害氣體確證裝置，觀察確證裝置自動(dòng)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(yàn)證顏色識(shí)別器對顏色深淺的智能識(shí)別能力，使用1mL標(biāo)準(zhǔn)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(shí)別器前進(jìn)行顏色識(shí)別。

3.2 測試過程與結(jié)果

測試過程和結(jié)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(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型有毒有害氣體檢測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測有毒有害氣體濃度，通過自動(dòng)化技術(shù)，解決了無人值守條件下或高危險(xiǎn)情況下偵檢管檢測毒氣的問題。系統(tǒng)功能測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以自動(dòng)對偵檢管完成選管、切管、采樣等過程，能對反應(yīng)后的偵檢管顏色進(jìn)行智能識(shí)別，計(jì)算機(jī)終端能遠(yuǎn)程且有效的接收檢測結(jié)果并在軟件界面顯示，在有毒有害氣體監(jiān)測、預(yù)警等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。另外，計(jì)算機(jī)終端可通過控制中心與多臺(tái)有毒有害氣體確證裝置通信，通過合理布設(shè)有毒有害氣體確證裝置，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位染毒態(tài)勢感知，確定毒氣來源信息。