專利名稱：基于無線傳輸和圖像控制技術(shù)SF₆濕度的檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高精度測量及實時監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及對電力系統(tǒng)中的高壓斷路 器中的SF6氣體濕度精確檢測，并可以通過無線方式實時傳輸?shù)臋z測儀器。滿足對高壓斷 路器中SF6高精度的檢測要求，并適應(yīng)于無人值守的場所。
背景技術(shù)：
電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程強(qiáng)制規(guī)定，在斷路器等設(shè)備投運(yùn)前和運(yùn)行中都必須定期對SF6氣體 的密度和含水量進(jìn)行檢測。露點儀是用來測量濕度的儀器，濕度是指氣體中水蒸汽的含量。 氣體露點溫度是常用的濕度表示法。其定義為，用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸氣冷卻 至凝聚相出現(xiàn)，或通過控制制冷面的溫度，使氣體的水蒸氣與水的平展表面呈熱力學(xué)平衡 狀態(tài)，準(zhǔn)確的測出此時的溫度，即為該氣體的露點溫度。由于冷卻的方法、露點檢測的方法各不相同，露點儀的種類繁多，目前國際上的露 點儀主要采用光電檢測熱電制冷鏡面冷凝式精密露點儀.這種露點儀通過光敏管感受鏡面 反射光的變化來判斷鏡面是否有蒸氣的凝聚相出現(xiàn)，但是在測量露點溫度低于0°c的氣體 時，由于無法判斷鏡面上凝潔的是露還是霜，這樣就會引入測量誤差(露點溫度比霜點溫 度高0. 5°C 1. O0C )。由于無法區(qū)別露點和霜點，進(jìn)而也不能統(tǒng)計露點數(shù)量并對鏡面制冷 速度進(jìn)行調(diào)整，很難達(dá)到讓露點均勻分布于鏡面之上。同樣也會引起誤差。目前的露點儀 都是便攜式的，檢測時需到現(xiàn)場，斷電，長時間排放SF6氣體，檢測后必須補(bǔ)氣，整個過程煩 瑣，耗時耗物費力，影響電網(wǎng)正常運(yùn)行，減少營業(yè)收入。此外。SF6氣體作為一種氟化物，是 破壞地球臭氧層和產(chǎn)生溫室效應(yīng)的有害氣體之一。3&氣體在經(jīng)分合間拉弧后，會分解出多 種有毒物質(zhì)，直接影響現(xiàn)場檢測人員的身體健康?；跓o線傳輸和圖像控制技術(shù)SF6濕度檢測儀利用微型攝像機(jī)做為檢露傳感器實 時監(jiān)測鏡面，采用熱電制冷器冷卻鏡面，圖像采集板實時的采集鏡面的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并利用圖 像識別的數(shù)學(xué)方法來判別鏡面是否結(jié)露或者結(jié)霜，并得到露點統(tǒng)計數(shù)量和分布情況，CPU則 根據(jù)露點統(tǒng)計數(shù)量和分布來調(diào)節(jié)鏡面的溫度，使其自動平衡于氣體的露點溫度，并使露點 均勻地分布于鏡面之上，氣體中的水蒸汽與鏡面上的露點呈熱力學(xué)平衡狀態(tài)，此時測得的 鏡面溫度則為被測氣體的露點溫度。可以準(zhǔn)確快速地測量氣體濕度，精度達(dá)到0.2°c。并且 該儀器可安裝于變電站待檢設(shè)備現(xiàn)場，采用GSM無線傳輸模塊和PDU模式的短消息編碼，實 現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測和實時測量，避免了親臨現(xiàn)場所造成的財力物力損失和排放氣體造成的環(huán)境 污染。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型第一目的是為了克服光電露點法的檢測誤差以及不能實時在線監(jiān)測 的缺點，可進(jìn)一步提高檢測精度，并可以在線檢測的基于無線傳輸和圖像控制技術(shù)SF6濕度 檢測儀。本實用新型的另一目的是提供以上方法的一種檢測儀[0007]包括DSP芯片，所述DSP芯片連接有RAM存儲器、Flash存儲器、鍵盤和GSM無線通 訊模塊，監(jiān)視器通過編碼電路連接在DSP芯片的一個輸入端，圖像傳感器通過視頻解碼電 路連接在DSP芯片的一個輸入端；溫度傳感器的信號輸出端通過放大電路后連接在A/D轉(zhuǎn) 換電路上，再連接在DSP芯片的一個輸入端上；DSP芯片的一個輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換電路和 V/I轉(zhuǎn)換電路連接在半導(dǎo)體制冷器件的工作電路控制端，DSP芯片的輸出端還連接GSM無線 通訊模塊。本實用新型檢測儀器固定安裝于待檢設(shè)備現(xiàn)場，通過無線方式與監(jiān)測中心通信， 實現(xiàn)在線實時檢測。本實用新型采用微型攝像機(jī)實時采集制冷鏡面圖像，通過高速dsp處理器實時處 理微型攝像機(jī)采集的制冷鏡面圖像，采用數(shù)字圖像處理方法對圖像進(jìn)行處理識別氣體中的 水分在制冷鏡面上凝結(jié)的露點還是霜點，并統(tǒng)計露點數(shù)量和分布情況；根據(jù)鏡面圖像的統(tǒng) 計露點數(shù)量和分布情況控制制冷速度，使得露點均勻分布于制冷鏡面；采用gsm模塊與監(jiān) 測中心通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和實時在線監(jiān)測。所述采用的圖像處理方法為紋理特征識別的灰度共生矩陣法或圖像灰度直方圖 法。本實用新型采用微型攝像機(jī)作為傳感元件，特點是1、可以采集鏡面圖像，而不是只能夠反映鏡面的光線變化。2、采用圖像識別技術(shù)處理圖像可以識別圖像的紋理變化，區(qū)別露點和霜點，可以統(tǒng)計露點的數(shù)量和分布情況。采用圖像控制技術(shù)控制制冷鏡面的制冷速速根據(jù)制冷鏡面的結(jié)露情況，將其作為輸入?yún)?shù)，控制半導(dǎo)體制冷器件的制冷速度。3、采用無線傳輸方式作為傳輸媒介可以將檢測儀器固定安裝于待檢設(shè)備現(xiàn)場，避免了現(xiàn)場檢測法對人力物力的浪 費，和需要排放氣體，斷電等弊端。通過無線方式與監(jiān)測中心通信，實現(xiàn)在線實時檢測。本實用新型采用基于高速DSP和微型攝像機(jī)的圖像采集系統(tǒng)硬件替代普通光電 露點儀，實現(xiàn)了對制冷鏡面圖像的采集，而不是原有的只能夠采集反射光線的強(qiáng)弱。本實用 新型的硬件平臺對制冷鏡面圖像的實時采集；并采用數(shù)字圖像處理方法實現(xiàn)了對露點和霜 點的區(qū)分以及露點數(shù)量和分布情況的統(tǒng)計；三將當(dāng)前時刻制冷鏡面圖像中露點數(shù)量和分布 情況作為參數(shù)，自動調(diào)節(jié)制冷鏡面的制冷速度；四采用GSM網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介，可將本實用 新型安裝于待測設(shè)備現(xiàn)場，代替了原有的親臨現(xiàn)場檢測。

圖1為本實用新型的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的電路圖。
具體實施方式
圖中，1氣室、2進(jìn)氣口、3出氣口、4制冷鏡面、5溫度傳感器、6半導(dǎo)體制冷器件、7 微型攝像頭、8光源、9DSP芯片、10監(jiān)視器、IlRAM存儲器、12 Flash存儲器、13鍵盤、14編碼 電路、15 A/D轉(zhuǎn)換電路、16放大電路、17視頻解碼電路、18圖像傳感器、19 GSM無線通訊模塊、20 D/A轉(zhuǎn)換電路、21 V/I轉(zhuǎn)換電路。如圖1所示，在密閉的氣室1的兩端分別設(shè)置SF6進(jìn)氣口 2和出氣口 3，在氣室1 內(nèi)的下底水平設(shè)置鏡面向上的制冷鏡面4，在氣室1的背面設(shè)置溫度傳感器5，溫度傳感器 5的下端設(shè)置半導(dǎo)體制冷器件6。在在氣室1內(nèi)的上方設(shè)置光源8和監(jiān)視器10，監(jiān)視器10 采用微型攝像機(jī)。如圖2所示，本實用新型核心DSP芯片9連接有RAM存儲器ll、Flash存儲器12、 鍵盤13和GSM無線通訊模塊19，監(jiān)視器10通過編碼電路14連接在DSP芯片9的一個輸入 端。圖像傳感器18通過視頻解碼電路17也連接在DSP芯片9的一個輸入端上。溫度傳感 器5的信號輸出端通過放大電路16后連接在A/D轉(zhuǎn)換電路15上，再連接在DSP芯片9的 一個輸入端上。DSP芯片9的一個輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換電路20和V/I轉(zhuǎn)換電路21連接在 半導(dǎo)體制冷器件6的工作電路控制端。DSP芯片9的輸出端還連接GSM無線通訊模塊19。本實用新型采用微型攝像機(jī)實時采集制冷鏡面圖像，通過高速dsp處理器實時處 理微型攝像機(jī)采集的制冷鏡面圖像，采用數(shù)字圖像處理方法對圖像進(jìn)行處理識別氣體中的 水分在制冷鏡面上凝結(jié)的露點還是霜點，并統(tǒng)計露點數(shù)量和分布情況；根據(jù)鏡面圖像的統(tǒng) 計露點數(shù)量和分布情況控制制冷速度，使得露點均勻分布于制冷鏡面；采用gsm模塊與監(jiān) 測中心通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和實時在線監(jiān)測。其中，采用的圖像處理方法或以為紋理特征識 別的灰度共生矩陣法，也可以為圖像灰度直方圖法。本實用新型的硬件電路包括圖像采集電路，溫度測量控制電路，通信電路。核心模 塊圖像采集識別電路由攝像頭，解碼芯片，DSP，DRAM，F(xiàn)LASH等組成。電路組成見圖2。微 型攝像機(jī)作為傳感原件，安裝于氣室頂部，見圖1 ；代替了以往的以光敏管作為傳感原件的 電路。其核心DSP是TI的工作頻率高達(dá)600MHz的處理器TMS320DM6437，高達(dá)5600MIPS。 系統(tǒng)解碼芯片采用TVP5150，其功耗低、支持NTSC / PAL / SECAM等格式。系統(tǒng)運(yùn)行時，被 測氣體以一定的流速進(jìn)入氣室掠過制冷鏡面，制冷鏡面開始制冷；光源打開，微型攝像機(jī)將 實時采集鏡面圖像，并交由DSP實時處理。實時采集的圖像數(shù)據(jù)被放入內(nèi)存后，將采用圖像處理方法實時處理圖像。主要完 成工作有圖像濾波；圖像直方圖統(tǒng)計，圖像灰度級變換，圖像灰度共生矩陣計算等一系列圖 像算法。圖像濾波采用基于鄰域信息的自適應(yīng)濾波，因為圖像濾波的主要作用是為了消除 鏡面圖像噪聲，但是為了保證露點檢測的靈敏度，在濾波的過程中，必須使鏡面圖像的細(xì)節(jié) 不受破壞，同時鏡面圖像上的露點和背景具有不同的統(tǒng)計特性同，因此在對鏡面圖像進(jìn)行 濾波時采用數(shù)字自適應(yīng)濾波，這樣既保留了有用的邊緣信息，又有利于保護(hù)鏡面圖像細(xì)節(jié)。 圖像邊緣灰度在其鄰域的一個或幾個方向上存在連續(xù)性，而噪聲點灰度在絕大多數(shù)方向上 不連續(xù)，即如果圖像中某一點為邊緣象素，則該點僅在其鄰域的某一或幾個方向上的差分 具有極大值，而噪聲點則在絕大多數(shù)方向上的差分具有極大值；均值濾波適合濾除高斯噪 聲，中值濾波適合濾除脈沖噪聲，加權(quán)中值則適合濾除細(xì)節(jié)圖像的脈沖噪聲。因此，可以通 過鄰域信息差分值的差異來決定象素的類別，判斷每個象素點是屬于高斯噪聲，脈沖噪聲 和細(xì)節(jié)點中的哪一種，然后針對不同類別的象素點采取不同的濾波算法。對鏡面圖像進(jìn)行 基于鄰域信息的自適應(yīng)濾波的步驟如下(1)選取3 X3的模板，分析計算中心點(x，y)與其鄰域8個象素的差分；[0030](2)根據(jù)閾值Tl得出N，根據(jù)N對象素點進(jìn)行分類；(3)如果N=O，則以正方形3 X3為模板進(jìn)行均值濾波，用模板灰度的平均值來 代替中心點(x，y)的灰度值，否則轉(zhuǎn)步驟；(4)如果N> T2，則以正方形3 X3為模板進(jìn)行中值濾波，用模板灰度的中間值 來代替中心點(x, y)的灰度值，否則轉(zhuǎn)步驟(5)；(5)對點(X，y)進(jìn)行加權(quán)中值濾波；(6)對圖像中的每個象素循環(huán)進(jìn)行(1) - (5)的步驟。圖像灰度直方圖統(tǒng)計算法，實現(xiàn)了對露點和霜點的區(qū)分。制冷鏡面在未結(jié)露霜前 是光滑的，其灰度分布是均勻的，當(dāng)鏡面上有水蒸氣的凝聚相出現(xiàn)后，其灰度就會有所變 化。如果鏡面上凝聚相是露點，則鏡面圖像的灰度范圍變化不大，仍大概分布在整個灰度范 圍內(nèi)，但露點圖像對應(yīng)的灰度級像素比例增加；如果鏡面上凝聚相是霜，則其灰度級范圍 縮小，集中在一個區(qū)間。根據(jù)鏡面上凝聚相是露點和霜點時候的圖像灰度級范圍不同，可以 對圖像進(jìn)行灰度直方圖化。得到圖像灰度級函數(shù)。從而判別當(dāng)前鏡面圖像上的凝聚相是霜 點還是露點。露點數(shù)量和分布情況統(tǒng)計采用的方法是灰度共生矩陣法?；叶裙采仃嚪从沉藞D 像灰度關(guān)于方向、相鄰間隔、變化幅度的綜合信息，它可作為分析圖像基元和排列結(jié)構(gòu)的信 息。作為紋理分析的特征量，往往不是直接應(yīng)用計算的灰度共生矩陣，而是在灰度共生矩陣 的基礎(chǔ)上再提取紋理特征量，稱為二次統(tǒng)計量。一幅圖像的灰度級數(shù)一般是256，這樣計算 的灰度共生矩陣太大。為了解決這一問題，在求灰度共生矩陣之前，采用圖像灰度級變換算 法，壓縮為16級。并根據(jù)算法需求，在灰度共生矩陣二次統(tǒng)計量的選擇上，選取了入下幾 種(1)角二階矩(或能量)。它是灰度共生矩陣元素值的平方和，反映了圖像灰度 分布均勻程度和紋理粗細(xì)度。當(dāng)共生矩陣中元素集中分布時，該值較大。(2)熵。熵是圖像所具有的信息量的度量，當(dāng)共生矩陣中元素分散分布時，熵較 大。熵表示了圖像中紋理的非均勻程度或復(fù)雜程度。(3)慣性矩。慣性矩即對比度，反映了圖像的清晰度和紋理溝紋深淺的程度。灰 度差即對比度大的像素對越多，慣性矩越大。(4)局部平穩(wěn)。反映圖像紋理的同質(zhì)性，度量圖像紋理局部變化的多少。其值大 則說明圖像紋理的不同區(qū)域間缺少變化，局部非常均勻。以上幾種二次統(tǒng)計量相結(jié)合，可以反映當(dāng)前鏡面圖像上露點的情況。軟件算法實 時處理圖像最終得到這些參數(shù)作為對制冷鏡面溫度控制的參考參數(shù)。制冷鏡面的制冷速度自動調(diào)節(jié)由溫度測量控制部分軟件算法完成。該算法驅(qū)動硬 件電路中的溫度傳感器和AD變換電路采集制冷鏡面溫度，驅(qū)動DA，VI變換電路控制半導(dǎo)體 制冷器件，實現(xiàn)對制冷鏡面制冷速度的調(diào)節(jié)。算法根據(jù)當(dāng)前制冷鏡面溫度和制冷鏡面圖像 的露點統(tǒng)計數(shù)量和分布情況來調(diào)節(jié)制冷鏡面制冷速度，讓鏡面溫度控制可以根據(jù)當(dāng)前結(jié)露 情況進(jìn)行調(diào)整，使得鏡面溫度最終可以平衡于露點溫度，避免出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象。當(dāng)露點統(tǒng) 計數(shù)量變化過快時，或者分布不均勻時，減小鏡面溫度下降速度，反之，增加鏡面溫度下降 速度。這樣即保證了露點平衡的時間效率，又不會因為溫度下降過快而低于露點溫度。最 終使得溫度平衡與露點溫度。此時測得的溫度即氣體的露點溫度，代表了待測氣體的濕度。[0043] 無線通信部分主要由由MC35i構(gòu)成，MC35i是西門子公司推出的GPRS通訊模塊，支 持語音通訊，具有GPRS，USSD和CSD三種數(shù)據(jù)傳輸方式以及短信和FAX功能。模塊具有體積 小、重量輕、功耗低等特點。MC35i的工作電壓為3. 3 4. 8V，典型電壓為4. 2V。最大工作 電流為2A。模塊可以工作在EGSM900和GSM1800兩個頻段。利用AT指令進(jìn)行控制。系統(tǒng) 采用三線制(RXD/T)(D/GND)的方式連接MC35i與微控制器。通信軟件的主要工作是接收檢 測中心發(fā)送的命令消息和發(fā)送檢測結(jié)果短消息到檢測中心。接收短消息即是將接收到的短 消息內(nèi)容進(jìn)行解碼，其次從短消息的PDU格式中獲得接收所用的SMS服務(wù)中心號碼、發(fā)送 端號碼、短信發(fā)送的時間和內(nèi)容、從而解析得到檢測中心下達(dá)的命令。得到命令后，啟動系 統(tǒng)完成檢測。如果是發(fā)送短消息，那么主要的工作是將發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的編碼，其次就 是將發(fā)送所用的SMS服務(wù)中心號碼、目標(biāo)號碼、有效時間和編碼后的短信內(nèi)容按照PDU的 格式發(fā)送出去。即實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測。
權(quán)利要求1.基于無線傳輸和圖像控制技術(shù)SF6濕度的檢測儀，其特征在于包括DSP芯片，所述 DSP芯片連接有RAM存儲器、Flash存儲器、鍵盤和GSM無線通訊模塊，監(jiān)視器通過編碼電路 連接在DSP芯片的一個輸入端，圖像傳感器通過視頻解碼電路連接在DSP芯片的一個輸入 端；溫度傳感器的信號輸出端通過放大電路后連接在A/D轉(zhuǎn)換電路上，再連接在DSP芯片的 一個輸入端上；DSP芯片的一個輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換電路和V/I轉(zhuǎn)換電路連接在半導(dǎo)體制 冷器件的工作電路控制端，DSP芯片的輸出端還連接GSM無線通訊模塊。
專利摘要基于無線傳輸和圖像控制技術(shù)SF6濕度的檢測儀，涉及高精度測量及實時監(jiān)測領(lǐng)域，包括DSP芯片，DSP芯片連接有RAM存儲器、Flash存儲器、鍵盤和GSM無線通訊模塊，監(jiān)視器通過編碼電路連接在DSP芯片的一個輸入端，圖像傳感器通過視頻解碼電路連接在DSP芯片的一個輸入端；溫度傳感器的信號輸出端通過放大電路后連接在A/D轉(zhuǎn)換電路上，再連接在DSP芯片的一個輸入端上；DSP芯片的一個輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換電路和V/I轉(zhuǎn)換電路連接在半導(dǎo)體制冷器件的工作電路控制端，DSP芯片的輸出端還連接GSM無線通訊模塊。本實用新型可以區(qū)別露點和霜點，統(tǒng)計露點的數(shù)量和分布情況，實現(xiàn)在線實時檢測。
文檔編號G01N25/68GK201852805SQ201020615189
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者喬輝, 潘操, 王洪元, 王茂祥 申請人:常州大學(xué), 常州寶威電子科技有限公司