專利名稱：一種焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于環境檢測技術領域，尤其涉及焊接現場全方位有害氣體檢測與報警方法。
背景技術：
在焊接生產過程中，會產生大量有害氣體，尤其在大規模機械加工場合如造船、鍋爐、汽車等加工車間。這些有害氣體包括CO、C02、03、N02、HF等，會使人產生如胸悶、肺氣腫、哮喘和中樞神經紊亂等病理反應，嚴重影響施工人員的健康。但由于工作場域大、焊接量大、氣流復雜，難以對整個焊接車間的有害氣體的濃度狀態做出安全的評估。當前針對焊接現場有害氣體處理的方法主要側重于抽吸與排放，如專利(200910043693. I)、專利(201010505553. 4)、專利(CN2170120)、專利(CN2759599)均提出 了如何抽吸或排放有害煙氣，但沒有對焊接現場有害氣體的濃度狀態進行整體評估和報警；為了能夠獲得具體點位置的氣體濃度信息，專利(CN2884363)采用了便攜式氣體檢測報警儀，可讀取所處位置的濃度信息，但各孤立節點之間不能交流信息；在通常安裝氣體探測器時，氣體傳感器的位置也往往是固定的，沒有提出對整個車間焊エ所處位置的氣體濃度檢測方法，所以不能對整個焊接生產現場氣體的濃度狀態做出安全評估或詳細有效的報警方法。因此針對焊接現場的焊エ操作位置移動、氣流復雜的特點，尋求新的、可靠的有害氣體檢測和報警方法，對提高焊接煙塵處理的效率、凈化焊接操作環境有著重要意義。
發明內容
發明目的針對上述現有存在的問題和不足，本發明的目的是提供了ー種焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置，它以提供靈活可靠全方位、成本低廉的焊接現場氣體濃度的檢測與報警方法為目的，從而改善焊接工作環境、保護焊接操作人員的健康。技術方案為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案一種焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置，包括固定式探測器陣列、流動式無線探測器網絡、無線信息采集網絡和控制及報警器，其中所述固定式探測器陣列，包括多個探測節點，并固定設在焊接現場的上空，用于檢測焊接現場高空的有害氣體濃度；所述流動式無線探測器網絡，包括多個能無線發送信息的探測節點，該探測節點由操作人員隨身攜帯或設于焊接面罩上，用于檢測操作人員所處位置的有害氣體濃度；所述無線信息采集網絡，包括多個采集節點，并與固定式探測器陣列的探測節點的位置對應，用于接收固定式探測器列陣和流動時無線探測器網絡中探測節點發出的有害氣體濃度的信息，并對操作人員所處位置進行定位；所述控制及報警器，與固定式探測器陣列和無線信息采集網絡連接，井根據無線信息采集網絡發出的信息控進行制并報警。進ー步的，所述無線信息采集網絡的各采集節點包括無線通訊模塊、三維角度傳感器、無線電測向模塊和測向模塊驅動裝置，其中所述無線通訊模塊，用于接收流動式無線探測器網絡中各探測節點發出的有害氣體濃度信息；所述三維角度傳感器，與無線電測向模塊固定，并對流動式探測器網絡中探測節點進行定位；所述無線電測向模塊，用于測定與其通訊的流動式探測器網絡中探測節點的位置；所述測向模塊驅動裝置，用于驅動無線電測向模塊，使其能迅速對準與之通訊的流動式探測器網絡的探測節點。進ー步，所述無線信息采集網絡對操作人員所處位置的定位方法如下建立坐標系，通過3個采集節點對流動式無線網絡中探測節點進行定位，該3個采集節點的坐標已知，分別為O1 (X1, Y1, Z1)、02 (x2, j2, z2)、03(x3, y3, z3),同時設所述探測節點的坐標為(\，3個采集節點的無線電測向模塊對準該流動式探測節點后，通過三維角度傳感器獲得相應采集節點與該探測節點的在坐標系中的三維角度；@0U為線段O1Ol上一點，(\2為線段02(\上一點，Ou為線段03(\上一點，當這三點在ー個水平面上吋，z坐標值相等，設這三點坐標分別為(x0l，y0l, z0)、(xo2, jo2, z0)、(xo3, yo3, z0)，計算線段 OliOl2> 0L20L3> OliOl3 的長度，求取這三個線段長度平方之和，如式(I)所示
(X01-X02) 2+ (x02_x03)2+ (xOI-xOs)2+ (y0i_y02)2+2+ (Yoi-Yos)2⑴式(I)中，Xtjl=X1-(ZrZ0)cos a I/cos Y 1，Yol=Y1- (Z1-Z0) cos β I/cos γ I;xo2=x2- (Z2-Z0) cos α 2/cos γ 2，yo2=y2- (z2~z0) cos β 2/cos Y 2;Xo3=X3- (z3-z。)cos a 3/cos Y 3，yo3=y3- (z3-z0) cos β 3/cos Y 3;上式中，坐標(X1,Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、三維角度(a 1，β 1，γ I)、(a 2，β 2, Y 2)>( a 3, β 3，Y 3)均為已知,只剩下ζ。一個自變量,則就變成對式(I)求ー維極小值問題，當求得使上式的值最小的三個坐標后，則這三個坐標的重心即為點的位置，其坐標值為( (xo1+xo2+xo3)/3, (yol+yo2+yo3)/3, ζ。)(2)。有益效果與現有技術相比，本發明具有以下優點解決了焊接生產現場立體空間各點處的有毒氣體濃度檢測、整體車間安全評估、報警問題；采用流動式無線探測器網絡能夠快捷地獲得整個焊接車間各焊接操作人員位置的氣體濃度信息；采用固定和流動同時檢測的途徑，可以獲得焊接車間全方位的有害氣體濃度分布情況，為氣體安全評估和報警提供了可靠信息；依據相關準則對焊接車間氣體安全狀態進行評估、報警，使其余焊接煙氣處理系統可以根據這些信息進行相關動作，進ー步提升了焊接煙氣處理的效率和可靠性。
圖I為本發明所述有害氣體濃度檢測報警裝置的結構框圖；圖2為本發明所述固定式探測器陣列與無線信息采集網絡中各節點的位置示意圖；圖3為本發明所述無線信息采集網絡中采集節點的結構框圖；圖4為本發明所述無線信息采集網絡中采集節點與流動式無線探測器中探測節點的相對位置示意圖；圖5為本發明所述流動式無線探測器中探測節點相對于無線信息采集網絡中采集節點的三維角度示意圖； 圖6為本發明所述流動式無線探測器網絡中各節點工作流程示意圖；圖7為本發明所述無線信息采集網絡中各節點工作流程。
其中，固定式探測器陣列I、流動式無線探測器網絡2、無線信息采集網絡3、控制及報警器4、探測節點5、采集節點3-1、第一采集節點3-1-1、第二采集節點3-1-2、第三采集節點3-1-3。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進ー步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所 附權利要求所限定的范圍。①本發明采用的總體方案采用固定和流動檢測相結合的途徑，即在車間的中、高位置安裝固定探測器陣列，在焊接操作人員身上或焊接面具上安裝流動式無線探測器并形成無線測控網絡，通過這些固定探測器陣列和無線探測器網絡，獲取焊接現場的立體空間中多點濃度信息；在這些立體空間的多點濃度信息基礎上，對整個焊接車間內的有害氣體濃度狀態進行評估，根據評估結果發出四種等級不同的報警信號。②有害氣體濃度檢測與報警系統結構如圖I所示，有害氣體濃度檢測與報警系統由以下幾個部分組成固定式探測器陣列I、流動式無線探測器網絡2、無線信息采集網絡3、控制及報警器4。固定式探測器陣列I用于檢測車間中或高位置處的有害氣體濃度，陣列中各探測節點5位置固定；在焊接車間中、高位置(4-8m范圍)選取一系列點，用于安裝探測器，這些探測器形成固定式探測器陣列1，各節點均掛接于現場總線上，因此各節點所測的濃度數據可通過現場總線發往控制及報警裝置。上述固定式探測器陣列I中各節點可采用帶有485通訊接ロ協議的AM-CO—氧化碳探測器和RBT6000型C02探測器，為公開技術；485總線為公開的現場總線技木。流動式探測器網絡用于檢測焊接操作人員所處位置的有害氣體濃度，流動式探測器網絡中的各探測節點5由焊接操作人員隨身攜帯或安裝于焊接面罩上，這樣可以實時反映操作人員所處位置的有害氣體濃度。無線信息采集網絡3用于接受流動式探測器網絡中各節點的信息，包括兩種信息焊接操作人員位置信息和各流動節點的有害氣體濃度信息。如圖2所示，固定式探測器陣列I中各節點和無線信息采集網絡3中各節點的安裝位置一一對應，固定式探測器陣列I中各節點和無線信息采集網絡3中各節點均掛接于現場總線上，所采集的固定點濃度信息、流動點位置和氣體濃度信息通過現場總線，被傳輸至控制及報警器4。③焊接區域固定式探測器陣列I與流動式探測器網絡信息獲取方法如圖4、圖6所示，流動式探測器網絡各節點處于無線信息采集網絡3各節點的下方，當無線探測器網絡中的節點移動到新的位置或系統剛開機時，無線探測器網絡中的節點必須向外發送自己的地址信號，無線信息采集網絡3中接收到該信息的節點并給予回應，確認節點地址；然后無線信息采集網絡3中參與通訊的節點，利用各流動探測器的地址，采用逐一輪詢的方式獲取各流動點氣體濃度數據。如圖3、圖7所示，無線信息采集網絡3中各節點的結構由以下幾個部分組成■ 無線通訊模塊、三維角度傳感器、無線電測向模塊、測向模塊驅動裝置、微處理器、通訊接ロ ；無線通訊模塊用于接收流動式探測器網絡各節點發出的濃度信息，三維角度傳感器與無線電測向模塊固定在一起，無線電測向模塊用于測定與之通訊的流動式探測器網絡中節點的位置，測向模塊驅動裝置用于驅動無線電測向模塊，使之能夠迅速對準與之通訊的節點，從而通過三維角度傳感器確定流動探測器節點的位置。無線通訊模塊可采用短距離RF射頻無線收發模塊，為公開技術；三維角度傳感器可采用L3G4200D型三軸數字陀螺儀模塊，為公開技術；無線電測向模塊可采用PJ-2D型無線電測向機，為公開技術；測向模塊驅動裝置可采用三維電動云臺(355度旋轉，垂直90度)，為公開技術；微處理器的核心硬件部分可采用TMS320LF2812型DSP或PIC16F877A型單片機 等，為公開技術；通訊接ロ可由MAX485芯片的標準電路組成，為公開技術。④流動探測器節點的位置確定方法通過多個(至少3個)無線信息采集網絡3節點的三維角度傳感器確定流動探測器節點位置的原理如下(以3個節點為例)如圖4、圖5所示，設絕對坐標系XYZ，坐標系原點為O ;01、02、03分別為絕對坐標系XYZ平移至無線信息采集網絡3中的第一采集節點(3-1-1)、第二采集節點(3-1-2)、第三采集節點(3-1-3)形成的相對坐標；測向模塊驅動裝置對準與之通訊的流動式探測器后，設某流動式探測器中心的坐標為，則通過三維角度傳感器測出線段O1Ol在坐標系(Xl-Yl-Zl)中三維角度為(α I, β I, Y I);與此類似，可以獲得線段02(\在相對坐標系(Χ2-Υ2-Ζ2)的三維角度為(α 2，β 2，Y 2)，線段03(\在相對坐標系(Χ3-Υ3-Ζ3)中的三維角度(α 3，β 3，Y 3)。由于無線電測向模塊中各節點的中心在絕對坐標系中的位置為已知，即01、02、03點在絕對坐標系中的坐標(X1, Yi, Z1)、(x2, Y2, Z2)、(x3, y3, z3)為已知,設Oli為線段O1Ol上一點，(\2為線段02(\上一點，Ou為線段03(\上一點，當這三點在ー個水平面上吋，ζ坐標值相等，設這三點坐標分別為(x0l，y0l, ζ0)、(χο2, γο2, z0)、(xo3, yo3, z0)，計算線段 OliOl2、Ol2Ol3、OliOl3的長度，求取這三個線段長度平方之和，如式(I)所示(X01-X02) 2+ (X02_X03) 2+ (xOI-xOs) 2+ (y0l_y02) 2+2+ (Yol-Yos) 2⑴式(I)中，X01=X1-(Z1-Z0)cos α I/cos Y I, Y01=Y1- (Z1-Z0) cos β I/cos y I;Xo2=X2- (z2-z。)cos a 2/cos y 2, yo2=y2- (z2_z。)cos β 2/cos y 2;Xo3=X3- (z3-z。) cos a 3/cos y 3, yo3=y3- (z3_z。) cos β 3/cos y 3;由上文可知，坐標(X1,Y1, Z1)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, z3)、三維角度(a I, β I, y I)、(a 2，β 2, Y 2)>( a 3, β 3，Y 3)均為已知,只剩下z。一個自變量,則就變成對式(I)求ー維極小值問題，可用爬山法、順序搜索法解決。當求得使上式的值最小的三個坐標后，則這三個坐標的重心即為點的位置,其坐標值為( (χο1+χο2+χο3)/3, (Υοι+Υο2+Υο3)/3, ζ0)(2)。獲取各節點氣體濃度信息方法請結合圖4，當系統開始工作后，無線信息采集網絡3的各節點接受其下方的流動式無線探測器網絡2各節點發出的濃度信息；由于焊接操作人員是移動的，具有不同的數字地址編號的流動式探測器網絡的節點安裝于焊接面罩上或由焊接操作人員隨身攜帯，這樣可實時反映操作人員所處位置有害氣體濃度狀態；為了防止信息擁堵，限制流動式無線探測器網絡2各節點無線傳輸距離(小于15m)，使無線信息采集網絡3的各節點在単位時間內接收到的流動式探測器網絡的節點數量有限。請結合圖6，當流動式探測器網絡的節點開始工作后，工作流程如下Stepl :首先自動上報自身的地址，直至無線探測器網絡中有節點回應；Step2 :等待無線探測器網絡中參與通訊的節點發出輪詢指令；Step3 :如果在規定時間內沒有收到輪詢指令，返回Stepl ；Step4:如果在規定時間內收到了輪詢指令，則發送本流動探測器所處位置氣體濃度，返回Step2。流動式探測器網絡的各節點一直處于上述循環工作的流程中，直至斷電結束。·請結合圖7，無線信息采集網絡3的各節點的工作流程如下Stepl :首先等待是否有流動式探測器網絡的節點上報地址，如果有，記錄相應節點的地址并作出回應；St印2 :經過一段時間延時后，繼續判斷是否有新的地址上報，如果有新的地址上報，則返回到Stepl，如果沒有，轉到下一歩；St印3 :根據已經記錄的地址，發出輪詢指令，如果在規定的時間內沒有回應，則返回Stepl，如果在規定的時間內有回應則轉入下ー步；St印4 :繼續向該地址發出輪詢指令，與該地址的流動探測器節點進行通訊，同時接受相應地址的濃度信息，為測向模塊工作提供信號源；St印5 :判斷測向工作是否結束，如果沒有結束，返回Step4，如果已經結束，轉到下一歩；St印6:通過現場總線發送相應地址濃度信息和三維角度傳感器輸出的空間角度信息，返回Step3。無線信息采集網絡33的各節點一直處于上述循環工作的流程中，直至斷電結束。控制及報警裝置4接收到各流動探測點的濃度和相對于三個(或三個以上)無線信息采集網絡3節點的三維角度后，根據公式(I)、公式(2)可計算出該流動探測器的位置，從而獲得焊接現場全方位的氣體濃度分布狀況。⑤有害氣體濃度狀態評估與報警當獲取了焊接現場空間多點的有害氣體濃度信息后，就需要對這些信息進行處理，做出相應的判斷，系統會按照以下方法進行分析評估和報警。按照歐盟對職業性接觸有害物質的限定值(參見文獻Dipl. -Ing, V. -E, Spiegel-Ciobanu.在焊接及相關エ藝過程中的有害物質(一)·焊接技術.第31卷第2期2002年4月)，C02、CO氣體在空氣中的濃度限定值分別為30mL/m3、5000mL/m3，控制及報警裝置(4)接收到各固定點濃度和流動點濃度和位置信號時，做出以下報警形式當60%或以上數目的探測器的濃度達到限制濃度的60%吋，發出藍色預警信號，提醒現場操作人員有害氣體濃度正在積聚；當60%或以上數目的探測器的濃度達到限制濃度的80%吋，發出黃色預警信號，提醒現場操作人員有害氣體濃度已經接近限制值，需要加強通風措施；當60%或以上數目的探測器的濃度達到限制濃度的100%時，發出橙色報警信號，提醒現場操作人員有害氣體濃度已經達到限制值，需要立即強制通風措施或疏散；當60%或以上數目的探測器的濃度達到限制濃度的120%及以上時，發出紅色報警 信號，提醒現場操作人員有害氣體濃度已經超過限制值，需要立即強制通風或疏散。
權利要求
1.一種焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置，其特征在于包括固定式探測器陣列、流動式無線探測器網絡、無線信息采集網絡和控制及報警器，其中 所述固定式探測器陣列，包括多個探測節點，并固定設在焊接現場的上空，用于檢測焊接現場高空的有害氣體濃度； 所述流動式無線探測器網絡，包括多個能無線發送信息的探測節點，該探測節點由操作人員隨身攜帶或設于焊接面罩上，用于檢測操作人員所處位置的有害氣體濃度； 所述無線信息采集網絡，包括多個采集節點，并與固定式探測器陣列的探測節點的位置對應，用于接收固定式探測器列陣和流動時無線探測器網絡中探測節點發出的有害氣體濃度的信息，并對操作人員所處位置進行定位； 所述控制及報警器，與固定式探測器陣列和無線信息采集網絡連接，并根據無線信息采集網絡發出的信息控進行制并報警。
2.根據權利要求I所述焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置，其特征在于所述無線信息采集網絡的各采集節點包括無線通訊模塊、三維角度傳感器、無線電測向模塊和測向模塊驅動裝置，其中 所述無線通訊模塊，用于接收流動式無線探測器網絡中各探測節點發出的有害氣體濃度 目息; 所述三維角度傳感器，與無線電測向模塊固定，并對流動式探測器網絡中探測節點進行定位； 所述無線電測向模塊，用于測定與其通訊的流動式探測器網絡中探測節點的位置； 所述測向模塊驅動裝置，用于驅動無線電測向模塊，使其能迅速對準與之通訊的流動式探測器網絡的探測節點。
3.根據權利要求2所述焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置，其特征在于所述無線信息采集網絡對操作人員所處位置的定位方法如下 建立坐標系，通過3個采集節點對流動式無線網絡中探測節點進行定位，該3個采集節點的坐標已知，分別為O1 (X1, Y1, Z1)、02 (x2, y2, z2)、03(x3, y3, z3),同時設所述探測節點的坐標為(\，3個采集節點的無線電測向模塊對準該流動式探測節點后，通過三維角度傳感器獲得相應采集節點與該探測節點的在坐標系中的三維角度；設Oli為線段0從上一點，(\2為線段02(\上一點，Ou為線段03(\上一點，當這三點在一個水平面上時，z坐標值相等，設這三點坐標分別為(Xtjl, y0l, z0)、(xo2, jo2, z0)、(xo3, yo3, z0)，計算線段 0u0l2、Ol2Ol3> OliOl3 的長度，求取這三個線段長度平方之和，如式(I)所示(Χο1~Χο2) 2+ (Χ02_Χ03) 2+ (Χο1_Χο3) 2+ (Υ0 102) 2+ (Yο2~Υ2+ (Υο1_Υο3) 2⑴式⑴中，X01=X1-(Z1-Z0) cos α I/cos y I, Y01=Y1- (Z1-Z0) cos β I/cos y I;Xo2=X2- (Z2-Z0) cos a 2/cos y 2, yo2=y2- (z2-z0) cos β 2/cos y 2;Xo3=X3- (Z3-Z0) cos a 3/cos y 3, yo3=y3- (z3_z0) cos β 3/cos y 3; 上式中，坐標(X1, Y1, Z1)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, z3)、三維角度(a 1，β 1，γ I)、(a 2，β 2, Y 2)>( a 3, β 3，Y 3)均為已知,只剩下ζ。一個自變量,則就變成對式(I)求一維極小值問題，當求得使上式的值最小的三個坐標后，則這三個坐標的重心即為點的位置，其坐標值為 ((xo1+xo2+xo3) /3, (y0l+y02+y03)/3，Z0)(2)。
全文摘要
本發明公開了一種焊接現場全方位有害氣體檢測報警裝置，在車間的中、高位置安裝固定探測器陣列，在焊接操作人員身上或焊接面具上安裝流動式無線探測器并形成無線測控網絡，通過這些固定探測器陣列和無線探測器網絡，獲取焊接現場的立體空間中多點濃度信息；在這些立體空間的多點濃度信息基礎上，對整個焊接車間內的有害氣體濃度狀態進行評估，根據評估結果發出四種等級不同的報警信號。本發明具有以下優點解決了焊接生產現場立體空間各點處的有毒氣體濃度檢測、整體車間安全評估、報警問題；采用固定和流動同時檢測的途徑，可以獲得焊接車間全方位的有害氣體濃度分布情況，為氣體安全評估和報警提供了可靠信息。
文檔編號G08B21/12GK102855737SQ20121032874
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者陳書錦, 戚順順, 盧阿麗, 朱文琪 申請人:江蘇科技大學