楊銀銀，丁 斌，何飛飛

（南通市計量檢定測試所，江蘇南通226000）

0 引言

溶解氧濃度是衡量水體質(zhì)量的重要指標(biāo)，對環(huán)境保護、水資源配置、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域具有重要意義，也是水工環(huán)文地質(zhì)調(diào)查中水質(zhì)測量的必測指標(biāo)，因此實現(xiàn)水中溶解氧的準(zhǔn)確測量即保證溶解氧測定儀的準(zhǔn)確度是十分必要的［1］。溶解氧測定儀主要有覆膜電極溶解氧測定儀和熒光法溶解氧測定儀［2］。

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局最新頒布的JJG291—2018《溶解氧測定儀檢定規(guī)程》，規(guī)程中溶解氧測定儀的檢定條件包括：恒溫水浴環(huán)境的保證、無氧水的制備、飽和溶氧水的制備以及大氣壓數(shù)值的測量等。溶解氧濃度的最終測定結(jié)果與檢定時的溫度、大氣壓以及水中的含鹽量有關(guān)［3］。目前，在實際溶解氧設(shè)備檢定過程中，檢定員需要按規(guī)程分別進行上述操作，且最終檢定結(jié)果需通過查表計算后獲取，整個檢定流程較為復(fù)雜且效率低。為解決傳統(tǒng)溶解氧測定儀校準(zhǔn)效率低、穩(wěn)定性差和準(zhǔn)確度低的問題，本文設(shè)計了一套通用型多功能溶解氧測試儀校準(zhǔn)裝置。

1 裝置整體構(gòu)造示意圖及技術(shù)指標(biāo)

1.1 溶解氧測定儀自動校準(zhǔn)裝置整體構(gòu)造

溶解氧測定儀自動校準(zhǔn)裝置整體構(gòu)造示意圖如圖1所示。

該套裝置在硬件上不僅能夠通過預(yù)設(shè)條件來滿足特定的檢定環(huán)境要求，同時可制備飽和溶氧水等標(biāo)準(zhǔn)水溶液，且設(shè)備內(nèi)置大氣壓監(jiān)測裝置，同步完成大氣壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測和記錄。另外，在軟件上設(shè)計數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)分析和計算模塊等，利用系統(tǒng)的優(yōu)勢，對檢定過程中多次收集的所有數(shù)據(jù)進行分析，完成異常數(shù)據(jù)的剔除、誤差分析、趨勢分析等，并通過提前導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)的《氧在不同水溫、大氣壓的水中飽和濃度值表》來完成最終檢定結(jié)果的輸出，保證檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。且該檢定裝置能夠同時滿足電化學(xué)探頭法和熒光法溶解氧測定儀的檢定要求。

圖1 整體構(gòu)造示意

1.2 技術(shù)指標(biāo)

（1）制備的飽和溶解氧質(zhì)量濃度誤差不超過±0.1 mg/L。（2）恒溫水浴溫度范圍：0～80 ℃，溫度波動不大于0.01 ℃，溫度均勻度不大于0.01 ℃。（3）內(nèi)置氣壓表最大誤差不超過±2.5 hPa。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 恒溫水浴裝置

以恒溫水浴裝置為主標(biāo)準(zhǔn)器，溫控系統(tǒng)采用高精度數(shù)字溫控儀，PID 控制，顯示分辨率0.001 ℃，升降溫速率快，穩(wěn)定時間短，方便溶解氧測定儀檢定環(huán)境10 ℃，20 ℃，30 ℃的快速切換，大大提高了檢測效率?？販叵到y(tǒng)預(yù)留485 通信接口，直接與軟件系統(tǒng)連接?？販貍鞲衅鬟x用精密AA級四線制Pt100鉑電阻。

2.2 數(shù)字式大氣壓力計

配備的大氣壓力計選用數(shù)字型大氣壓力計，監(jiān)測大氣壓的同時可監(jiān)測環(huán)境的溫濕度，主標(biāo)準(zhǔn)器預(yù)留大氣壓力表的安裝位置及數(shù)據(jù)傳輸接口。監(jiān)測的大氣壓結(jié)果用于標(biāo)準(zhǔn)飽和氧的計算，環(huán)境溫濕度值可直接傳輸至軟件系統(tǒng)用于記錄環(huán)境的原始溫濕度。

2.3 鼓泡裝置

槽體工作區(qū)配高溶氧鼓泡裝置，采用納米氣盤打出的氣泡，更多氣體與水面積接觸更廣，使得溶氧量更大，高密度氣孔霧化效果，出泡均勻細膩，溶氧量高。平面設(shè)計冒泡面更大，氣泡大小可以調(diào)節(jié)。

3 軟件系統(tǒng)

通用型多功能溶解氧測試儀校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)通過溫度控制模塊控制恒溫水槽達到指定溫度，然后通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取當(dāng)前溫度標(biāo)準(zhǔn)值、大氣壓標(biāo)準(zhǔn)值，多次采集，并對多次采集的數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)的剔除、誤差分析、趨勢分析等，并通過提前導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)的《氧在不同水溫、大氣壓的水中飽和濃度值表》來完成最終檢定結(jié)果的輸出；通過對視頻傳感器采集到的待檢設(shè)備顯示屏上的圖像數(shù)據(jù)進行算法分析，獲取待檢設(shè)備當(dāng)前的溶解氧和溫度數(shù)據(jù)得到測試值；并將溶解氧、溫度、大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)值和測試值以及其他相關(guān)信息上傳至基石系統(tǒng)，通過儀器連接模塊生成原始記錄。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括大氣壓傳感器、溫度傳感器以及視頻傳感器的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器。其中大氣壓傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)根據(jù)硬件供應(yīng)商提供的RS232通信協(xié)議進行采集。

被檢溶解氧測定儀的顯示結(jié)果，包括溶解氧濃度值和溫度值，視頻傳感器通過UVC（全稱為：USB video class 或USB video device class）協(xié)議進行圖像數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

3.2 儀表識別算法

本算法采用基于視頻的數(shù)字儀表示數(shù)識別算法，包括圖像采集和預(yù)處理模塊、數(shù)字區(qū)域定位于傾斜校正模塊、數(shù)字字符分割與歸一化模塊、數(shù)字字符識別模塊以及識別結(jié)果輸出模塊。

基于視頻的數(shù)字儀表示數(shù)識別算法中視頻圖像的采集是算法識別的第一步，本算法采用USB高清攝像機采集儀表圖像，圖像分辨率1 280×1 024，幀率為15幀/秒。采集到原始視頻幀需要先做圖像預(yù)處理采集進行后期的識別。圖像預(yù)處理之后，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過灰度化、均衡化、去噪和二值化，最終得到數(shù)字儀表示數(shù)的二值化圖像，在識別之前還需要定位數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域，并對圖像進行矯正處理。

根據(jù)前面的處理，已經(jīng)獲得了精確定位并矯正后的數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域的二值化圖像。接下來就要對數(shù)字字符進行分割和歸一化處理，以方便后期進行特征提取和識別。

數(shù)字儀表示數(shù)圖像的識別包括兩大部分：第一部分是儀表圖像的特征提取，即對歸一化數(shù)字字符提取有效的特征；第二部分是圖像的識別，利用提取到的數(shù)字字符特征，采用相應(yīng)的字符識別系統(tǒng)，對圖像進行識別。圖像采集算法流程如圖3所示。

圖3 圖像采集算法流程

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

在恒溫水槽達到特定檢定環(huán)境時，對檢定過程中多次采集的所有數(shù)據(jù)進行分析，完成異常數(shù)據(jù)的剔除、誤差分析、趨勢分析以及待檢設(shè)備數(shù)字儀表識別等，并通過提前導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)的《氧在不同水溫、大氣壓的水中飽和濃度值表》，該表由JJG291—2018《溶解氧測定儀檢定規(guī)程》附錄C 提供，表中未列出的水中飽和氧濃度通過內(nèi)插法計算得到［4］，并完成最終檢定結(jié)果的輸出。

3.4 溫度控制模塊

通過溫度調(diào)節(jié)器廠家提供的RS485協(xié)議，系統(tǒng)可以控制恒溫水槽達到指定的溫度，滿足特定的檢定環(huán)境要求。

3.5 儀器連接模塊

數(shù)據(jù)分析得到結(jié)果以及采集到的環(huán)境溫濕度值，通過儀器連接模塊接入基石系統(tǒng)，生成原始記錄，并最終生成證書。

3.6 軟件操作界面

軟件操作界面如圖4所示。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)溶解氧測定儀校準(zhǔn)效率低、穩(wěn)定性差和準(zhǔn)確度低的問題，設(shè)計了一套溶解氧測定儀自動校準(zhǔn)裝置。恒溫水浴裝置溫度的升降溫速率、穩(wěn)定性、均勻性極大地提高了校驗過程的效率和穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)的自動控溫、自動采集數(shù)據(jù)、自動計算結(jié)果，實現(xiàn)了檢測過程的自動化，且該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與本所基石系統(tǒng)的無縫對接，實現(xiàn)原始記錄和證書的自動生成，真正實現(xiàn)檢測過程的優(yōu)化。

圖4 軟件操作界面