[發明專利]基于雙相機的冷鏡式露點儀及其圖像處理方法

無效

• 申請號: 201110316957.3
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN103063610A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 水浩淼;李祥偉;姚勝衛;劉濛
• 申請（專利權）人: 上海電控研究所
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 金家山

技術領域

本發明涉及一種冷鏡式露點儀，其應用于氣體檢測領域，尤其應用于高純氣體中微量水分的檢測；此外，本發明還涉及該冷鏡式露點儀的圖像處理方法。

背景技術

氣體濕度是指氣體中水蒸汽的含量。氣體露點溫度是氣體常用的濕度表示方法之一，是指用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸汽冷卻至凝聚相出現，或通過控制冷鏡面的溫度，使氣體中的水蒸汽與(凝聚相)鏡面露層的平展表面呈熱力學平衡狀態，準確的測出此時的溫度即為該氣體的露點溫度，測量氣體露點溫度的儀器稱為露點儀。

現有冷鏡式露點儀的工作原理是：當被測氣體進入結露室，并以一定流速掠過鏡面(鏡面溫度高于該氣體的露點溫度)，干燥的鏡面將光源的入射光近乎于全反射。露點儀進行測量時，首先根據光電檢測器檢測到的反射光的強度來控制制冷裝置，使鏡面溫度下降，直至鏡面出現冷凝(結霜或結露)，此時入射光在鏡面上將會產生漫反射，反射光的強度則會相應改變，光電檢測器感應到反射光信號的變化，鎖定溫度。此時的溫度就是該氣體的露點值。

目前大部分采用液氮制冷的冷鏡式露點儀的感光器件均采用單一的感光器件如光電池、光敏二極管、光敏電阻及光電管等對鏡面反射光線進行測量。該方法可靠性和抗干擾性較差，一般測量準確度為±2℃。如果要提高準確度，必須對溫度控制精度提高。控制液氮制冷方法非常困難，增加了設計難度和成本。若改用其他制冷方式如熱電制冷配合壓縮機使用，雖然能夠提高測量精度，但是體積龐大，失去了液氮制冷方式露點儀的便攜性，目前除液氮制冷以外體積較小的冷鏡式露點儀測量范圍通常在20℃～-75℃，無法滿足-80℃以下露點氣體的測量。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發明所要解決的技術問題是提出一種測量準確度高并基于雙相機的冷鏡式露點儀，并提出該冷鏡式露點儀的圖像處理方法。本發明通過使用雙相機，從不同位置對鏡面的結露情況進行判定，從而提高檢測靈敏度，即使在控制液氮降溫速度困難的情況下，通過快速反應補償了降溫速度帶來的溫度過沖誤差，從而使得測量準確率能夠達到±1℃以內。

本發明為解決其技術問題而采用的技術方案是：一種基于雙相機的冷鏡式露點儀，包括圖像采集和處理系統、制冷系統、氣體檢測系統和電氣系統，圖像采集和處理系統負責對鏡面結露圖像以及鏡面反射光線散射圖像進行采集和分析，從而判定氣體露點溫度；制冷系統采用液氮作為冷源，通過控制液氮容器中加熱器件的功率調節降溫速度；氣體檢測系統包括測量腔體、管路、流量計和調節閥門組成；電氣系統包括電源模塊、控制模塊和顯示模塊，其中：

圖像采集和處理系統用于判定鏡面結露狀態，主要包括兩個CCD相機、兩組光學鏡頭、兩個準平行光源、光闌組件以及集成了圖像采集單元和圖像處理單元的主板；兩個準平行光源之一安裝在鏡面的側上方，其發出的光線以一定的角度照射到鏡面上，反射后的光線通過光闌組件，經過鏡頭后被CCD相機捕獲。另一個光源安裝在鏡面正上方，光源的上方安裝鏡頭和相機，照射在鏡面的光線反射后通過鏡頭被另一個CCD相機捕獲；兩個相機拍攝的圖像通過USB2.0接口傳輸至主板的圖像采集單元，圖像處理單元對采集到的圖像數據進行實時存儲，并在露點測量分析軟件的支持下進行圖像分析處理。

本發明提供的基于雙相機的冷鏡式露點儀的圖像處理方法，通過對采集的圖像進行處理和分析，從而判斷露點溫度，控制電氣系統正常工作，并提供友好的人機交互界面，包括如下步驟：雙相機圖像處理及分析步驟、測量流程控制步驟和人機互交界面設計，其中：

雙相機圖像處理步驟用于分析在不同鏡面溫度時，鏡面上方圖像和鏡面反射光線圖像的不同特征，根據圖像特征采用直方圖比對、輪廓比較、邊緣檢測和特征提取等圖像處理算法判斷鏡面是否結露；

測量流程控制步驟主要包括采集并實時顯示鏡面溫度，并根據圖像處理和分析結果控制電氣系統對鏡面進行降溫、升溫和其他處理；

人機交互界面設計進一步包括如下步驟：實時顯示兩個CCD相機采集的圖像；在測量過程中顯示不同指示狀態提醒用戶當前儀器處于降溫、升溫、分析露點或者停止狀態；顯示露點測量結果；用戶操作的按鈕設計等內容。

相對于現有技術，本發明在原采用液氮制冷的冷鏡式露點儀基礎上改進了光學系統，采用了雙CCD相機代替硅光電池，使用圖像處理的方法判斷鏡面結露狀態，提高了測量靈敏度，將準確度由原來的±2℃提高至±1℃以內。

附圖說明

圖1是本發明雙相機圖像處理冷鏡式露點儀光學系統設計示意圖。

具體實施方式