基于无线传输和图像控制技术SF₆湿度的检测仪的制作方法

专利名称：基于无线传输和图像控制技术SF₆湿度的检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及高精度测量及实时监测领域，具体涉及对电力系统中的高压断路器 中的SF6气体湿度精确检测，并可以通过无线方式实时传输的检测仪器。满足对高压断 路器中SF6高精度的检测要求，并适应于无人值守的场所。
背景技术：
电网运行规程强制规定，在断路器等设备投运前和运行中都必须定期对SF6气体 的密度和含水量进行检测。露点仪是用来测量湿度的仪器，湿度是指气体中水蒸汽的含 量。气体露点温度是常用的湿度表示法。其定义为，用等压冷却的方法使气体中的水蒸 气冷却至凝聚相出现，或通过控制制冷面的温度，使气体的水蒸气与水的平展表面呈热 力学平衡状态，准确的测出此时的温度，即为该气体的露点温度。由于冷却的方法、露点检测的方法各不相同，露点仪的种类繁多，目前国际上 的露点仪主要采用光电检测热电制冷镜面冷凝式精密露点仪.这种露点仪通过光敏管感 受镜面反射光的变化来判断镜面是否有蒸气的凝聚相出现，但是在测量露点温度低于0°c 的气体时，由于无法判断镜面上凝洁的是露还是霜，这样就会引入测量误差(露点温度 比霜点温度高0.5°c 1.0°C)。由于无法区别露点和霜点，进而也不能统计露点数量并对 镜面制冷速度进行调整，很难达到让露点均勻分布于镜面之上。同样也会引起误差。目 前的露点仪都是便携式的，检测时需到现场，断电，长时间排放SF6气体，检测后必须补 气，整个过程烦琐，耗时耗物费力，影响电网正常运行，减少营业收入。此外。SF6气 体作为一种氟化物，是破坏地球臭氧层和产生温室效应的有害气体之一。SF6气体在经分 合闸拉弧后，会分解出多种有毒物质，直接影响现场检测人员的身体健康。基于无线传输和图像控制技术SF6湿度检测仪利用微型摄像机做为检露传感器 实时监测镜面，采用热电制冷器冷却镜面，图像采集板实时的采集镜面的状态数据，并 利用图像识别的数学方法来判别镜面是否结露或者结霜，并得到露点统计数量和分布情 况，CPU则根据露点统计数量和分布来调节镜面的温度，使其自动平衡于气体的露点温 度，并使露点均勻地分布于镜面之上，气体中的水蒸汽与镜面上的露点呈热力学平衡状 态，此时测得的镜面温度则为被测气体的露点温度。可以准确快速地测量气体湿度，精 度达到0.2°C。并且该仪器可安装于变电站待检设备现场，采用GSM无线传输模块和 PDU模式的短消息编码，实现了远程监测和实时测量，避免了亲临现场所造成的财力物 力损失和排放气体造成的环境污染。

发明内容
本发明第一目的是为了克服光电露点法的检测误差以及不能实时在线监测的缺 点，可进一步提高检测精度，并可以在线检测的基于无线传输和图像控制技术SF6湿度检 测仪。本发明的另一目的是提供以上方法的一种检测仪包括DSP芯片，所述DSP芯片连接有RAM存储器、Flash存储器、键盘和GSM无 线通讯模块，监视器通过编码电路连接在DSP芯片的一个输入端，图像传感器通过视频 解码电路连接在DSP芯片的一个输入端；温度传感器的信号输出端通过放大电路后连接 在A/D转换电路上，再连接在DSP芯片的一个输入端上；DSP芯片的一个输出端通过D/ A转换电路和V/I转换电路连接在半导体制冷器件的工作电路控制端，DSP芯片的输出端 还连接GSM无线通讯模块。本发明检测仪器固定安装于待检设备现场，通过无线方式与监测中心通信，实 现在线实时检测。本发明采用微型摄像机实时采集制冷镜面图像，通过高速dsp处理器实时处理微 型摄像机采集的制冷镜面图像，采用数字图像处理方法对图像进行处理识别气体中的水 分在制冷镜面上凝结的露点还是霜点，并统计露点数量和分布情况；根据镜面图像的统 计露点数量和分布情况控制制冷速度，使得露点均勻分布于制冷镜面；采用gsm模块与 监测中心通信，实现远程监测和实时在线监测。所述采用的图像处理方法为纹理特征识别的灰度共生矩阵法或图像灰度直方图 法。本发明采用微型摄像机作为传感元件，特点是
1、可以采集镜面图像，而不是只能够反映镜面的光线变化。2、采用图像识别技术处理图像
可以识别图像的纹理变化，区别露点和霜点，可以统计露点的数量和分布情况。采用图像控制技术控制制冷镜面的制冷速速
根据制冷镜面的结露情况，将其作为输入参数，控制半导体制冷器件的制冷速度。3、采用无线传输方式作为传输媒介
可以将检测仪器固定安装于待检设备现场，避免了现场检测法对人力物力的浪费， 和需要排放气体，断电等弊端。通过无线方式与监测中心通信，实现在线实时检测。本发明采用基于高速DSP和微型摄像机的图像采集系统硬件替代普通光电露点 仪，实现了对制冷镜面图像的采集，而不是原有的只能够采集反射光线的强弱。本发明 的硬件平台对制冷镜面图像的实时采集；并采用数字图像处理方法实现了对露点和霜点 的区分以及露点数量和分布情况的统计；三将当前时刻制冷镜面图像中露点数量和分布 情况作为参数，自动调节制冷镜面的制冷速度；四采用GSM网络作为通信媒介，可将本 发明安装于待测设备现场，代替了原有的亲临现场检测。


图1为本发明的一种结构示意图。图2为本发明的电路图。
具体实施 方式图中，1气室、2进气口、3出气口、4制冷镜面、5温度传感器、6半导体制冷 器件、7微型摄像头、8光源、9DSP芯片、10监视器、IlRAM存储器、12 Flash存储器、 13键盘、14编码电路、15A/D转换电路、16放大电路、17视频解码电路、18图像传感器、19 GSM无线通讯模块、20D/A转换电路、21V/I转换电路。如图1所示，在密闭的气室1的两端分别设置SF6进气口 2和出气口 3，在气室 1内的下底水平设置镜面向上的制冷镜面4，在气室1的背面设置温度传感器5，温度传感 器5的下端设置半导体制冷器件6。在在气室1内的上方设置光源8和监视器10，监视 器10采用微型摄像机。如图2所示，本发明核心DSP芯片9连接有RAM存储器11、Flash存储器12、 键盘13和GSM无线通讯模块19，监视器10通过编码电路14连接在DSP芯片9的一个 输入端。图像传感器18通过视频解码电路17也连接在DSP芯片9的一个输入端上。温 度传感器5的信号输出端通过放大电路16后连接在A/D转换电路15上，再连接在DSP 芯片9的一个输入端上。DSP芯片9的一个输出端通过D/A转换电路20和V/I转换电 路21连接在半导体制冷器件6的工作电路控制端。DSP芯片9的输出端还连接GSM无 线通讯模块19。本发明采用微型摄像机实时采集制冷镜面图像，通过高速dsp处理器实时处理微 型摄像机采集的制冷镜面图像，采用数字图像处理方法对图像进行处理识别气体中的水 分在制冷镜面上凝结的露点还是霜点，并统计露点数量和分布情况；根据镜面图像的统 计露点数量和分布情况控制制冷速度，使得露点均勻分布于制冷镜面；采用gsm模块与 监测中心通信，实现远程监测和实时在线监测。其中，采用的图像处理方法或以为纹理 特征识别的灰度共生矩阵法，也可以为图像灰度直方图法。
本发明的硬件电路包括图像采集电路，温度测量控制电路，通信电路。核心模 块图像采集识别电路由摄像头，解码芯片，DSP，DRAM, FLASH等组成。电路组成见 图2。微型摄像机作为传感原件，安装于气室顶部，见图1;代替了以往的以光敏管作为 传感原件的电路。其核心DSP是TI的工作频率高达600MHz的处理器TMS320DM6437， 高达5600MIPS。系统解码芯片采用TVP5150，其功耗低、支持NTSC / PAL / SECAM 等格式。系统运行时，被测气体以一定的流速进入气室掠过制冷镜面，制冷镜面开始制 冷；光源打开，微型摄像机将实时采集镜面图像，并交由DSP实时处理。实时采集的图像数据被放入内存后，将采用图像处理方法实时处理图像。主要 完成工作有图像滤波；图像直方图统计，图像灰度级变换，图像灰度共生矩阵计算等一 系列图像算法。图像滤波采用基于邻域信息的自适应滤波，因为图像滤波的主要作用是为了消 除镜面图像噪声，但是为了保证露点检测的灵敏度，在滤波的过程中，必须使镜面图像 的细节不受破坏，同时镜面图像上的露点和背景具有不同的统计特性同，因此在对镜面 图像进行滤波时采用数字自适应滤波，这样既保留了有用的边缘信息，又有利于保护镜 面图像细节。图像边缘灰度在其邻域的一个或几个方向上存在连续性，而噪声点灰度在 绝大多数方向上不连续，即如果图像中某一点为边缘象素，则该点仅在其邻域的某一或 几个方向上的差分具有极大值，而噪声点则在绝大多数方向上的差分具有极大值；均值 滤波适合滤除高斯噪声，中值滤波适合滤除脉冲噪声，加权中值则适合滤除细节图像的 脉冲噪声。因此，可以通过邻域信息差分值的差异来决定象素的类别，判断每个象素点 是属于高斯噪声，脉冲噪声和细节点中的哪一种，然后针对不同类别的象素点采取不同 的滤波算法。对镜面图像进行基于邻域信息的自适应滤波的步骤如下(1)选取3X3的模板，分析计算中心点(x,y)与其邻域8个象素的差分；
(2)根据阈值Tl得出N，根据N对象素点进行分类；
(3)如果N=O，则以正方形3X3为模板进行均值滤波，用模板灰度的平均值来代替 中心点(x,y)的灰度值，否则转步骤⑷；
(4)如果N>T2，则以正方形3X3为 模板进行中值滤波，用模板灰度的中间值来代 替中心点(x,y)的灰度值，否则转步骤(5)；
(5)对点(x,y)进行加权中值滤波；
(6)对图像中的每个象素循环进行(1)- (5)的步骤。图像灰度直方图统计算法，实现了对露点和霜点的区分。制冷镜面在未结露霜 前是光滑的，其灰度分布是均勻的，当镜面上有水蒸气的凝聚相出现后，其灰度就会有所变 化。如果镜面上凝聚相是露点，则镜面图像的灰度范围变化不大，仍大概分布在整个灰 度范围内，但露点图像对应的灰度级像素比例增加；如果镜面上凝聚相是霜，则其灰度级 范围缩小，集中在一个区间。根据镜面上凝聚相是露点和霜点时候的图像灰度级范围不 同，可以对图像进行灰度直方图化。得到图像灰度级函数。从而判别当前镜面图像上的 凝聚相是霜点还是露点。露点数量和分布情况统计采用的方法是灰度共生矩阵法。灰度共生矩阵反映了 图像灰度关于方向、相邻间隔、变化幅度的综合信息，它可作为分析图像基元和排列结 构的信息。作为纹理分析的特征量，往往不是直接应用计算的灰度共生矩阵，而是在灰 度共生矩阵的基础上再提取纹理特征量，称为二次统计量。一幅图像的灰度级数一般是 256，这样计算的灰度共生矩阵太大。为了解决这一问题，在求灰度共生矩阵之前，采用 图像灰度级变换算法，压缩为16级。并根据算法需求，在灰度共生矩阵二次统计量的选 择上，选取了入下几种
(1)角二阶矩(或能量)。它是灰度共生矩阵元素值的平方和，反映了图像灰度分 布均勻程度和纹理粗细度。当共生矩阵中元素集中分布时，该值较大。(2)熵。熵是图像所具有的信息量的度量，当共生矩阵中元素分散分布时，熵 较大。熵表示了图像中纹理的非均勻程度或复杂程度。(3)惯性矩。惯性矩即对比度，反映了图像的清晰度和纹理沟纹深浅的程度。 灰度差即对比度大的像素对越多，惯性矩越大。(4)局部平稳。反映图像纹理的同质性，度量图像纹理局部变化的多少。其 值大则说明图像纹理的不同区域间缺少变化，局部非常均勻。以上几种二次统计量相结合，可以反映当前镜面图像上露点的情况。软件算法 实时处理图像最终得到这些参数作为对制冷镜面温度控制的参考参数。制冷镜面的制冷速度自动调节由温度测量控制部分软件算法完成。该算法驱动 硬件电路中的温度传感器和AD变换电路采集制冷镜面温度，驱动DA，VI变换电路控制 半导体制冷器件，实现对制冷镜面制冷速度的调节。算法根据当前制冷镜面温度和制冷 镜面图像的露点统计数量和分布情况来调节制冷镜面制冷速度，让镜面温度控制可以根 据当前结露情况进行调整，使得镜面温度最终可以平衡于露点温度，避免出现过饱和现 象。当露点统计数量变化过快时，或者分布不均勻时，减小镜面温度下降速度，反之， 增加镜面温度下降速度。这样即保证了露点平衡的时间效率，又不会因为温度下降过快而低于露点温度。最终使得温度平衡与露点温度。此时测得的温度即气体的露点温度， 代表了待测气体的湿度。 无线通信部分主要由由MC35i构成，MC35i是西门子公司推出的GPRS通讯模 块，支持语音通讯，具有GPRS,USSD和CSD三种数据传输方式以及短信和FAX功能。 模块具有体积小、重量轻、功耗低等特点。MC35i的工作电压为3.3 4.8V，典型电压 为4.2V。最大工作电流为2A。模块可以工作在EGSM900和GSM1800两个频段。利 用AT指令进行控制。系统采用三线制(RXD/TXD/GND)的方式连接MC35i与微控制 器。通信软件的主要工作是接收检测中心发送的命令消息和发送检测结果短 消息到检测 中心。接收短消息即是将接收到的短消息内容进行解码，其次从短消息的PDU格式中获 得接收所用的SMS服务中心号码、发送端号码、短信发送的时间和内容、从而解析得到 检测中心下达的命令。得到命令后，启动系统完成检测。如果是发送短消息，那么主要 的工作是将发送的内容进行相应的编码，其次就是将发送所用的SMS服务中心号码、目 标号码、有效时间和编码后的短信内容按照PDU的格式发送出去。即实现了远程监测。
权利要求
1.基于无线传输和图像控制技术SFjM度的检测仪，其特征在于包括DSP芯片，所 述DSP芯片连接有RAM存储器、Flash存储器、键盘和GSM无线通讯模块，监视器通 过编码电路连接在DSP芯片的一个输入端，图像传感器通过视频解码电路连接在DSP芯 片的一个输入端；温度传感器的信号输出端通过放大电路后连接在A/D转换电路上，再 连接在DSP芯片的一个输入端上；DSP芯片的一个输出端通过D/A转换电路和V/I转换 电路连接在半导体制冷器件的工作电路控制端，DSP芯片的输出端还连接GSM无线通讯 模块。
全文摘要
基于无线传输和图像控制技术SF6湿度的检测仪，涉及高精度测量及实时监测领域，包括DSP芯片，DSP芯片连接有RAM存储器、Flash存储器、键盘和GSM无线通讯模块，监视器通过编码电路连接在DSP芯片的一个输入端，图像传感器通过视频解码电路连接在DSP芯片的一个输入端；温度传感器的信号输出端通过放大电路后连接在A/D转换电路上，再连接在DSP芯片的一个输入端上；DSP芯片的一个输出端通过D/A转换电路和V/I转换电路连接在半导体制冷器件的工作电路控制端，DSP芯片的输出端还连接GSM无线通讯模块。本发明可以区别露点和霜点，统计露点的数量和分布情况，实现在线实时检测。
文档编号G01N25/68GK102012383SQ20101055094
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者乔辉, 潘操, 王洪元, 王茂祥 申请人:常州大学, 常州宝威电子科技有限公司