一种焊接现场全方位有害气体检测报警装置

摘要

本发明公开了一种焊接现场全方位有害气体检测报警装置，在车间的中、高位置安装固定探测器阵列，在焊接操作人员身上或焊接面具上安装流动式无线探测器并形成无线测控网络，通过这些固定探测器阵列和无线探测器网络，获取焊接现场的立体空间中多点浓度信息；在这些立体空间的多点浓度信息基础上，对整个焊接车间内的有害气体浓度状态进行评估，根据评估结果发出四种等级不同的报警信号。本发明具有以下优点：解决了焊接生产现场立体空间各点处的有毒气体浓度检测、整体车间安全评估、报警问题；采用固定和流动同时检测的途径，可以获得焊接车间全方位的有害气体浓度分布情况，为气体安全评估和报警提供了可靠信息。

权利要求

1.一种焊接现场全方位有害气体检测报警装置，其特征在于：包括固定式探测器阵列、流动式无线探测器网络、无线信息采集网络和控制及报警器，其中： 所述固定式探测器阵列，包括多个探测节点，并固定设在焊接现场的上空，用于检测焊接现场高空的有害气体浓度； 所述流动式无线探测器网络，包括多个能无线发送信息的探测节点，该探测节点由操作人员随身携带或设于焊接面罩上，用于检测操作人员所处位置的有害气体浓度； 所述无线信息采集网络，包括多个采集节点，并与固定式探测器阵列的探测节点的位置对应，用于接收固定式探测器列阵和流动式无线探测器网络中探测节点发出的有害气体浓度的信息，并对操作人员所处位置进行定位； 所述控制及报警器，与固定式探测器阵列和无线信息采集网络连接，并根据无线信息采集网络发出的信息进行控制并报警； 所述无线信息采集网络的各采集节点包括无线通讯模块、三维角度传感器、无线电测向模块和测向模块驱动装置，其中： 所述无线通讯模块，用于接收流动式无线探测器网络中各探测节点发出的有害气体浓度信息； 所述三维角度传感器，与无线电测向模块固定，并对流动式无线探测器网络中探测节点进行定位； 所述无线电测向模块，用于测定与其通讯的流动式无线探测器网络中探测节点的位置；

所述测向模块驱动装置，用于驱动无线电测向模块，使其能迅速对准与之通讯的流动式无线探测器网络的探测节点。

2.根据权利要求1所述焊接现场全方位有害气体检测报警装置，其特征在于：所述无线信息采集网络对操作人员所处位置的定位方法如下： 建立坐标系，通过3个采集节点对流动式无线探测器网络中探测节点进行定位，该3个采集节点的坐标已知，分别为O1(x1,y1,z1)、O2(x2,y2,z2)、O3(x3,y3,z3)，同时设所述流动式无线探测器网络的探测节点的坐标为OL，3个采集节点的无线电测向模块对准该流动式无线探测器网络的探测节点后，通过三维角度传感器获得相应采集节点与该流动式无线探测器网络的探测节点的在坐标系中 的三维角度；设OL1为线段O1OL上一点，OL2为线段O2OL上一点，OL3为线段O3OL上一点，当这三点在一个水平面上时，z坐标值相等，设这三点坐标分别为(xo1,yo1,zo)、(xo2,yo2,zo)、(xo3,yo3,zo)，计算线段OL1OL2、OL2OL3、OL1OL3的长度，求取这三个线段长度平方之和，如式（1）所示：

2 2 2 2 2 2

(xo1-xo2)+(xo2-xo3)+(xo1-xo3)+(yo1-yo2)+(yo2-yo3)+(yo1-yo3) (1) 式(1)中，xo1=x1-(z1-zo)cosα1/cosγ1,yo1=y1-(z1-zo)cosβ1/cosγ1; xo2=x2-(z2-zo)cosα2/cosγ2,yo2=y2-(z2-zo)cosβ2/cosγ2; xo3=x3-(z3-zo)cosα3/cosγ3,yo3=y3-(z3-zo)cosβ3/cosγ3; 上 式 中，坐 标 (x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、3 个 采 集 节 点 三 维 角 度（α1,β1,γ1）、（α2,β2,γ2）、（α3,β3,γ3）均为已知，只剩下zo一个自变量，则就变成对式（1）求一维极小值问题，当求得使上式的值最小的三个坐标后，则这三个坐标的重心即为OL点的位置，其坐标值为： (（xo1+xo2+xo3）/3,（yo1+yo2+yo3）/3,zo)(2)。

说明书

一种焊接现场全方位有害气体检测报警装置

技术领域

[0001] 本发明属于环境检测技术领域，尤其涉及焊接现场全方位有害气体检测与报警方法。

背景技术

[0002] 在焊接生产过程中，会产生大量有害气体，尤其在大规模机械加工场合如造船、锅炉、汽车等加工车间。这些有害气体包括CO、CO2、O3、NO2、HF等，会使人产生如胸闷、肺气肿、哮喘和中枢神经紊乱等病理反应，严重影响施工人员的健康。但由于工作场域大、焊接量大、气流复杂，难以对整个焊接车间的有害气体的浓度状态做出安全的评估。

[0003] 当前针对焊接现场有害气体处理的方法主要侧重于抽吸与排放，如专利（200910043693.1）、专利（201010505553.4）、专利（CN2170120）、专利（CN2759599）均提出了如何抽吸或排放有害烟气，但没有对焊接现场有害气体的浓度状态进行整体评估和报警；为了能够获得具体点位置的气体浓度信息，专利（CN2884363）采用了便携式气体检测报警仪，可读取所处位置的浓度信息，但各孤立节点之间不能交流信息；在通常安装气体探测器时，气体传感器的位置也往往是固定的，没有提出对整个车间焊工所处位置的气体浓度检测方法，所以不能对整个焊接生产现场气体的浓度状态做出安全评估或详细有效的报警方法。

[0004] 因此针对焊接现场的焊工操作位置移动、气流复杂的特点，寻求新的、可靠的有害气体检测和报警方法，对提高焊接烟尘处理的效率、净化焊接操作环境有着重要意义。

发明内容

[0005] 发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种焊接现场全方位有害气体检测报警装置，它以提供灵活可靠全方位、成本低廉的焊接现场气体浓度的检测与报警方法为目的，从而改善焊接工作环境、保护焊接操作人员的健康。

[0006] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种焊接现场全方位有害气体检测报警装置，其特征在于：包括固定式探测器阵列、流动式无线探测器网络、无线信息采集网络和控制及报警器，其中：

[0007] 所述固定式探测器阵列，包括多个探测节点，并固定设在焊接现场的上空，用于检测焊接现场高空的有害气体浓度；

[0008] 所述流动式无线探测器网络，包括多个能无线发送信息的探测节点，该探测节点由操作人员随身携带或设于焊接面罩上，用于检测操作人员所处位置的有害气体浓度；

[0009] 所述无线信息采集网络，包括多个采集节点，并与固定式探测器阵列的探测节点的位置对应，用于接收固定式探测器列阵和流动式无线探测器网络中探测节点发出的有害气体浓度的信息，并对操作人员所处位置进行定位；

[0010] 所述控制及报警器，与固定式探测器阵列和无线信息采集网络连接，并根据无线信息采集网络发出的信息进行控制并报警；

[0011] 所述无线信息采集网络的各采集节点包括无线通讯模块、三维角度传感器、无线电测向模块和测向模块驱动装置，其中：

[0012] 所述无线通讯模块，用于接收流动式无线探测器网络中各探测节点发出的有害气体浓度信息；

[0013] 所述三维角度传感器，与无线电测向模块固定，并对流动式无线探测器网络中探测节点进行定位；

[0014] 所述无线电测向模块，用于测定与其通讯的流动式无线探测器网络中探测节点的位置；

[0015] 所述测向模块驱动装置，用于驱动无线电测向模块，使其能迅速对准与之通讯的流动式无线探测器网络的探测节点。

[0016] 进一步的，所述无线信息采集网络对操作人员所处位置的定位方法如下：

[0017] 建立坐标系，通过3个采集节点对流动式无线探测器网络中探测节点进行定位，该3个采集节点的坐标已知，分别为O1(x1,y1,z1)、O2(x2,y2,z2)、O3(x3,y3,z3)，同时设所述流动式无线探测器网络的探测节点的坐标为OL，3个采集节点的无线电测向模块对准该流动式无线探测器网络的探测节点后，通过三维角度传感器获得相应采集节点与该流动式无线探测器网络的探测节点的在坐标系中的三维角度；设OL1为线段O1OL上一点，OL2为线段O2OL上一点，OL3为线段O3OL上一点，当这三点在一个水平面上时，z坐标值相等，设这三点坐标分别为(xo1,yo1,zo)、(xo2,yo2,zo)、(xo3,yo3,zo)，计算线段OL1OL2、OL2OL3、OL1OL3的长度，求取这三个线段长度平方之和，如式（1）所示：

[0018] (xo1-xo2)2+(xo2-xo3)2+(xo1-xo3)2+(yo1-yo2)2+(yo2-yo3)2+(yo1-yo3)2 (1)[0019] 式(1)中，xo1=x1-(z1-zo)cosα1/cosγ1,yo1=y1-(z1-zo)cosβ1/cosγ1;

[0020] xo2=x2-(z2-zo)cosα2/cosγ2,yo2=y2-(z2-zo)cosβ2/cosγ2;

[0021] xo3=x3-(z3-zo)cosα3/cosγ3,yo3=y3-(z3-zo)cosβ3/cosγ3;

[0022] 上式中，坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、3个采集节点三维角度（α1,β1,γ1）、（α2,β2,γ2）、（α3,β3,γ3）均为已知，只剩下zo一个自变量，则就变成对式（1）求一维极小值问题，当求得使上式的值最小的三个坐标后，则这三个坐标的重心即为OL点的位置，其坐标值为：

[0023] (（xo1+xo2+xo3）/3,（yo1+yo2+yo3）/3,zo) (2)

[0024] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：解决了焊接生产现场立体空间各点处的有毒气体浓度检测、整体车间安全评估、报警问题；采用流动式无线探测器网络能够快捷地获得整个焊接车间各焊接操作人员位置的气体浓度信息；采用固定和流动同时检测的途径，可以获得焊接车间全方位的有害气体浓度分布情况，为气体安全评估和报警提供了可靠信息；依据相关准则对焊接车间气体安全状态进行评估、报警，使其余焊接烟气处理系统可以根据这些信息进行相关动作，进一步提升了焊接烟气处理的效率和可靠性。

附图说明

[0025] 图1为本发明所述有害气体浓度检测报警装置的结构框图；

[0026] 图2为本发明所述固定式探测器阵列与无线信息采集网络中各节点的位置示意图；

[0027] 图3为本发明所述无线信息采集网络中采集节点的结构框图；

[0028] 图4为本发明所述无线信息采集网络中采集节点与流动式无线探测器中探测节点的相对位置示意图；

[0029] 图5为本发明所述流动式无线探测器中探测节点相对于无线信息采集网络中采集节点的三维角度示意图；

[0030] 图6为本发明所述流动式无线探测器网络中各节点工作流程示意图；

[0031] 图7为本发明所述无线信息采集网络中各节点工作流程。

[0032] 其中，固定式探测器阵列1、流动式无线探测器网络2、无线信息采集网络3、控制及报警器4、探测节点5、采集节点3-1、第一采集节点3-1-1、第二采集节点3-1-2、第三采集节点3-1-3。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

[0034] ①本发明采用的总体方案

[0035] 采用固定和流动检测相结合的途径，即在车间的中、高位置安装固定探测器阵列，在焊接操作人员身上或焊接面具上安装流动式无线探测器并形成无线测控网络，通过这些固定探测器阵列和无线探测器网络，获取焊接现场的立体空间中多点浓度信息；在这些立体空间的多点浓度信息基础上，对整个焊接车间内的有害气体浓度状态进行评估，根据评估结果发出四种等级不同的报警信号。

[0036] ②有害气体浓度检测与报警系统结构

[0037] 如图1所示，有害气体浓度检测与报警系统由以下几个部分组成：固定式探测器阵列1、流动式无线探测器网络2、无线信息采集网络3、控制及报警器4。

[0038] 固定式探测器阵列1用于检测车间中或高位置处的有害气体浓度，阵列中各探测节点5位置固定；在焊接车间中、高位置（4-8m范围）选取一系列点，用于安装探测器，这些探测器形成固定式探测器阵列1，各节点均挂接于现场总线上，因此各节点所测的浓度数据可通过现场总线发往控制及报警装置。

[0039] 上述固定式探测器阵列1中各节点可采用带有485通讯接口协议的AM-CO一氧化碳探测器和RBT6000型CO2探测器，为公开技术；485总线为公开的现场总线技术。

[0040] 流动式探测器网络用于检测焊接操作人员所处位置的有害气体浓度，流动式探测器网络中的各探测节点5由焊接操作人员随身携带或安装于焊接面罩上，这样可以实时反映操作人员所处位置的有害气体浓度。

[0041] 无线信息采集网络3用于接受流动式探测器网络中各节点的信息，包括两种信息：焊接操作人员位置信息和各流动节点的有害气体浓度信息。

[0042] 如图2所示，固定式探测器阵列1中各节点和无线信息采集网络3中各节点的安装位置一一对应，固定式探测器阵列1中各节点和无线信息采集网络3中各节点均挂接于现场总线上，所采集的固定点浓度信息、流动点位置和气体浓度信息通过现场总线，被传输至控制及报警器4。

[0043] ③焊接区域固定式探测器阵列1与流动式探测器网络信息获取方法

[0044] 如图4、图6所示，流动式探测器网络各节点处于无线信息采集网络3各节点的下方，当无线探测器网络中的节点移动到新的位置或系统刚开机时，无线探测器网络中的节点必须向外发送自己的地址信号，无线信息采集网络3中接收到该信息的节点并给予回应，确认节点地址；然后无线信息采集网络3中参与通讯的节点，利用各流动探测器的地址，采用逐一轮询的方式获取各流动点气体浓度数据。

[0045] 如图3、图7所示，无线信息采集网络3中各节点的结构由以下几个部分组成：无线通讯模块、三维角度传感器、无线电测向模块、测向模块驱动装置、微处理器、通讯接口；无线通讯模块用于接收流动式探测器网络各节点发出的浓度信息，三维角度传感器与无线电测向模块固定在一起，无线电测向模块用于测定与之通讯的流动式探测器网络中节点的位置，测向模块驱动装置用于驱动无线电测向模块，使之能够迅速对准与之通讯的节点，从而通过三维角度传感器确定流动探测器节点的位置。

[0046] 无线通讯模块可采用短距离RF射频无线收发模块，为公开技术；

[0047] 三维角度传感器可采用L3G4200D型三轴数字陀螺仪模块，为公开技术；

[0048] 无线电测向模块可采用PJ-2D型无线电测向机，为公开技术；

[0049] 测向模块驱动装置可采用三维电动云台（355度旋转，垂直90度），为公开技术；

[0050] 微处理器的核心硬件部分可采用TMS320LF2812型DSP或PIC16F877A型单片机等，为公开技术；

[0051] 通讯接口可由MAX485芯片的标准电路组成，为公开技术。

[0052] ④流动探测器节点的位置确定方法

[0053] 通过多个（至少3个）无线信息采集网络3节点的三维角度传感器确定流动探测器节点位置的原理如下（以3个节点为例）：

[0054] 如图4、图5所示，设绝对坐标系XYZ，坐标系原点为O；O1、O2、O3分别为绝对坐标系XYZ平移至无线信息采集网络3中的第一采集节点（3-1-1）、第二采集节点（3-1-2）、第三采集节点（3-1-3）形成的相对坐标；测向模块驱动装置对准与之通讯的流动式探测器后，设某流动式探测器中心的坐标为OL，则通过三维角度传感器测出线段O1OL在坐标系(X1-Y1-Z1)中三维角度为（α1,β1,γ1）；与此类似，可以获得线段O2OL在相对坐标系(X2-Y2-Z2)的三维角度为（α2,β2,γ2），线段O3OL在相对坐标系(X3-Y3-Z3)中的三维角度（α3,β3,γ3）。

[0055] 由于无线电测向模块中各节点的中心在绝对坐标系中的位置为已知，即O1、O2、O3点在绝对坐标系中的坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)为已知，设OL1为线段O1OL上一点，OL2为线段O2OL上一点，OL3为线段O3OL上一点，当这三点在一个水平面上时，z坐标值相等，设这三点坐标分别为(xo1,yo1,zo)、(xo2,yo2,zo)、(xo3,yo3,zo)，计算线段OL1OL2、OL2OL3、OL1OL3的长度，求取这三个线段长度平方之和，如式（1）所示：

[0056] (xo1-xo2)2+(xo2-xo3)2+(xo1-xo3)2+(yo1-yo2)2+(yo2-yo3)2+(yo1-yo3)2(1)[0057] 式(1)中，xo1=x1-(z1-zo)cosα1/cosγ1,yo1=y1-(z1-zo)cosβ1/cosγ1;

[0058] xo2=x2-(z2-zo)cosα2/cosγ2,yo2=y2-(z2-zo)cosβ2/cosγ2;

[0059] xo3=x3-(z3-zo)cosα3/cosγ3,yo3=y3-(z3-zo)cosβ3/cosγ3;

[0060] 由上文可知，坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、三维角度（α1,β1,γ1）、（α2,β2,γ2）、（α3,β3,γ3）均为已知，只剩下zo一个自变量，则就变成对式（1）求一维极小值问题，可用爬山法、顺序搜索法解决。当求得使上式的值最小的三个坐标后，则这三个坐标的重心即为OL点的位置，其坐标值为：

[0061] (（xo1+xo2+xo3）/3,（yo1+yo2+yo3）/3,zo)(2)。

[0062] 获取各节点气体浓度信息方法：请结合图4，当系统开始工作后，无线信息采集网络3的各节点接受其下方的流动式无线探测器网络2各节点发出的浓度信息；由于焊接操作人员是移动的，具有不同的数字地址编号的流动式探测器网络的节点安装于焊接面罩上或由焊接操作人员随身携带，这样可实时反映操作人员所处位置有害气体浓度状态；为了防止信息拥堵，限制流动式无线探测器网络2各节点无线传输距离（小于15m），使无线信息采集网络3的各节点在单位时间内接收到的流动式探测器网络的节点数量有限。

[0063] 请结合图6，当流动式探测器网络的节点开始工作后，工作流程如下：

[0064] Step1：首先自动上报自身的地址，直至无线探测器网络中有节点回应；

[0065] Step2：等待无线探测器网络中参与通讯的节点发出轮询指令；

[0066] Step3：如果在规定时间内没有收到轮询指令，返回Step1；

[0067] Step4：如果在规定时间内收到了轮询指令，则发送本流动探测器所处位置气体浓度，返回Step2。

[0068] 流动式探测器网络的各节点一直处于上述循环工作的流程中，直至断电结束。

[0069] 请结合图7，无线信息采集网络3的各节点的工作流程如下：

[0070] Step1：首先等待是否有流动式探测器网络的节点上报地址，如果有，记录相应节点的地址并作出回应；

[0071] Step2：经过一段时间延时后，继续判断是否有新的地址上报，如果有新的地址上报，则返回到Step1，如果没有，转到下一步；

[0072] Step3：根据已经记录的地址，发出轮询指令，如果在规定的时间内没有回应，则返回Step1，如果在规定的时间内有回应则转入下一步；

[0073] Step4：继续向该地址发出轮询指令，与该地址的流动探测器节点进行通讯，同时接受相应地址的浓度信息，为测向模块工作提供信号源；

[0074] Step5：判断测向工作是否结束，如果没有结束，返回Step4，如果已经结束，转到下一步；

[0075] Step6：通过现场总线发送相应地址浓度信息和三维角度传感器输出的空间角度信息，返回Step3。

[0076] 无线信息采集网络33的各节点一直处于上述循环工作的流程中，直至断电结束。

[0077] 控制及报警装置4接收到各流动探测点的浓度和相对于三个（或三个以上）无线信息采集网络3节点的三维角度后，根据公式（1）、公式（2）可计算出该流动探测器的位置，从而获得焊接现场全方位的气体浓度分布状况。

[0078] ⑤有害气体浓度状态评估与报警

[0079] 当获取了焊接现场空间多点的有害气体浓度信息后，就需要对这些信息进行处理，做出相应的判断，系统会按照以下方法进行分析评估和报警。按照欧盟对职业性接触有害物质的限定值（参见文献Dipl.-Ing,V.-E,Spiegel-Ciobanu.在焊接及相关工艺过程中的有害物质（一）.焊接技术.第31卷第2期2002年4月），CO2、CO气体在空气中的浓度限定值分别为30mL/m3、5000mL/m3，控制及报警装置（4）接收到各固定点浓度和流动点浓度和位置信号时，做出以下报警形式：

[0080] 当60%或以上数目的探测器的浓度达到限制浓度的60%时，发出蓝色预警信号，提醒现场操作人员有害气体浓度正在积聚；

[0081] 当60%或以上数目的探测器的浓度达到限制浓度的80%时，发出黄色预警信号，提醒现场操作人员有害气体浓度已经接近限制值，需要加强通风措施；

[0082] 当60%或以上数目的探测器的浓度达到限制浓度的100%时，发出橙色报警信号，提醒现场操作人员有害气体浓度已经达到限制值，需要立即强制通风措施或疏散；

[0083] 当60%或以上数目的探测器的浓度达到限制浓度的120%及以上时，发出红色报警信号，提醒现场操作人员有害气体浓度已经超过限制值，需要立即强制通风或疏散。