CN110286093B - 一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法，首先获取同一检测环境下0％、合格浓度阈值a％、基准浓度辅助阈值X％下玻璃瓶的二次谐波峰值P0、Pa、PX，再计算P0、Pa之间及P0、PX之间差值的绝对值得到Da、Dx，以及将P0写入一个长度为M的队列；再对各个待检测玻璃瓶进行质量检测：采集玻璃瓶的二次谐波峰值PN并判定PN≤Pa是否成立，若成立，表示药瓶合格，反之药瓶不合格；若合格，再判定PN≤PX是否成立，若成立，将药瓶的二次谐波峰值写入队列，再求队列均值得到PL，及进行更新Pa＝PL+Da，PX＝PL+Da，更新后用于对下个药瓶的检测，本发明实时剔除了环境因素的干扰提升检测可靠性。

Description

一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法，通过基于阈值动态自适应的气体浓度探测来鉴别玻璃瓶是否合格。
背景技术
在制药行业中，国际上已有公司将波长调制光谱(wavelength modulationspectroscopy，WMS)技术应用在密封玻璃药瓶内氧气浓度检测上，如美国的LIGHTHOUSE公司，意大利的贝威蒂公司等。然而，因玻璃瓶壁所致光学噪声、系统仪器噪声、非线性强度调制及随机的自由空间的温度湿度等影响，WMS技术析取的二次谐波信号存在背景波动，从而影响浓度测量的精度和稳定性。因此，消除背景波动的影响是提高浓度测量以及玻璃药瓶合格检测的核心内容。
目前在光谱技术的实时扣背景非线性校正研究中，Werle等提出先采集背景气体的谱线信号，再采集目标气体谱线吸收信号进行扣除的方法，Persson等人通过改进光路气室结构进行非线性处理以减少基线的影响，但上述方法都只适合于有气体吸收池的系统中；LIGHTHOUSE、贝威蒂等公司公开的技术方法需要在药品生产线上间隔地增加标准瓶，以侦测生产线上背景噪声从而实现噪声扣除，然而，额外布置的标准瓶降低了生产线产能，且事先获取的背景噪声和当前被测药瓶的背景噪声因时差而存在差异。因此，有必要研究一种无需标准瓶、阈值自适应的玻璃药瓶内气体浓度检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法，其通过阈值动态自适应调节进行气体浓度探测来鉴别玻璃瓶是否合格，是运算更简单、实时性强的可有效降低或消除背景干扰的玻璃瓶合格检测手段，该方法无需在生产线上增加标准瓶，且不局限于气体吸收池的系统，即在开放环境下也可以实现高精度检测。
本发明提供的一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法，包括如下步骤：
S1：获取玻璃瓶内目标气体的合格浓度阈值a％以及基准浓度辅助阈值X％，并在当前环境下利用波长调制光谱检测方法分别获取0％、a％、X％浓度下的玻璃瓶的二次谐波峰值P0、Pa、PX，其中，0％＜X％＜a％；
S2：计算二次谐波峰值P0、Pa之间差值的绝对值得到Da以及二次谐波峰值P0、PX之间差值的绝对值得到Dx；
S3：基于步骤S2中差值Da以及Dx对待检测玻璃瓶进行质量检测，过程如下：
S31：采集待检测玻璃瓶的二次谐波峰值，并判断是否小于或等于合格浓度阈值a％下的二次谐波峰值Pa，若是，所述待检测玻璃瓶为合格药瓶并执行步骤S32，否则，为不合格玻璃瓶，再检测下一待检测玻璃瓶；
S32：判断所述待检测玻璃瓶的二次谐波峰值是否小于或等于基准浓度辅助阈值X％下的二次谐波峰值PX，若是，将所述待检测玻璃瓶的二次谐波峰值按序加入队列L中；
所述队列L的长度为M，初始队列L中第一个元素等于二次谐波峰值P0且其他元素为空值，当队列已满后，添加新元素时按序丢弃旧元素；
S33：计算当前队列L内元素的均值PL，并用均值PL与差值Da的和更新合格浓度阈值a％下的二次谐波峰值Pa，用均值PL与差值Dx的和更新基准浓度辅助阈值X％下的二次谐波峰值PX，其中，利用更新后的数据按照步骤S31-步骤S33检测下一待检测玻璃瓶。
本发明基于实际生产线上大多数玻璃瓶是合格并且玻璃瓶目标气体浓度为0％的这一先验条件，在当前生产环境下，通过邻近时间内实时筛选出的满足基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值范围的二次谐波峰值做平均，得到一个动态的基准浓度的二次谐波峰值PL，用其从而替代传统在线检测产线中0％标准样瓶的作用，由于二次谐波峰值PL是利用邻近时间数据得到，其隐含了当前的背景干扰因素，因此再利用基准浓度值的二次谐波峰值PL动态更新合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa以及基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值PX，最后利用更新合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa来鉴别当前玻璃瓶的合格与否，更新合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa中隐含的当前背景干扰因素与当前玻璃瓶的二次谐波峰值中存在的背景干扰相抵消，进而有效地消除当前玻璃瓶对应的二次谐波峰值存在的背景干扰，实时降低或剔除环境因素的干扰提升了玻璃瓶检测准确率。应当理解，本公开的获取的P0、Pa、PX以及后续检测玻璃药瓶时，优选是在同一检测环境中进行，只是同一检测检测环境下不同时间也会存在一些环境干扰的差异，本发明正是利用邻近时间的数据来消除背景干扰，这也是基于邻近时间内背景干扰的差异很小。
进一步优选，所述合格浓度阈值a％为5％，基准浓度辅助阈值X％为1％。
进一步优选，队列L的长度M是根据生产线上待测玻璃瓶的移动速度来确定，速度越快，长度M越大。
进一步优选，移动速度为200-600瓶/分钟时，长度M的取值范围为[15,35]。
进一步优选，更新队列L中的元素时，依据先进先出的规则丢弃旧元素。
最先入队的元素排在队首，之后入队的元素依次向后排列；队列应该满足先进先出的规则，即当队列排满后，如果还有元素需要入队，则此时队首元素自动溢出。
其中，目标气体为氧气，玻璃瓶为玻璃药瓶。
有益效果
1、本发明设定一个固定M长度的队列L，队列L中的元素是根据实时筛选出的满足基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值范围的二次谐波峰值动态更新的，因此，针对当前时刻，由于背景干扰在较短时间内的变化较小，求取队列L中元素平均值得到动态的基准浓度的二次谐波峰值是隐含了当前背景干扰因素。同时，本发明基于任意背景下，由于差值Da及Dx是扣除了实时环境的变化和空气的影响，因此，利用差值Da、Dx以及基准浓度的二次谐波峰值PL动态更新的合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa以及基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值PX是隐含了当前背景干扰因素，进而在利用动态更新合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa来鉴别当前玻璃瓶的合格与否时，其可以与当前玻璃瓶的二次谐波峰值中存在的背景干扰相抵消，进而有效地消除当前玻璃瓶对应的二次谐波峰值存在的背景干扰，实时降低或剔除环境因素的干扰进而提升了玻璃瓶检测准确率。
2、本发明提供的检测方法运算简单，实时性强，是利用实时数据进行动态更新，准确且实时剔除了环境波动带来的误差，且该方法不需要气体吸收池系统，在开放隔目标气体环境也可以实时反映环境的变化，更满足实际产业线需求。
3、本发明也通过实验验证了本发明检测方法的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1与现有算法的数据对比图；
图3是本发明现有算法的数据示意图；
图4是本发明实施例2的数据示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提供的一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法是用于玻璃瓶目标气体浓度探测，其中，玻璃瓶内目标气体浓度超过设定的标准时视为不合格的玻璃瓶，其具体利用二次谐波峰值作为比较特征来鉴别玻璃瓶的是否合格。本发明主要是用于目标气体为氧气的玻璃药瓶检测。本公开的检测过程中，利用通过邻近时间内实时筛选出的满足基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值范围的二次谐波峰值做平均，得到一个动态的基准浓度的二次谐波峰值PL，其与当前环境相关联，进而将其替代传统在线检测产线中0％标准样瓶的作用；同时利用基准浓度值的二次谐波峰值PL动态更新合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa以及基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值PX，相较于传统检测方式中固定的合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa，本发明该方法中的合格浓度阈值a％的二次谐波峰值Pa是随当前环境干扰波动而动态变化的，利用其来实时检测当前玻璃瓶的质量时，两两之间的环境干扰可以抵消，使得检测结果与实际结果更加吻合；同理，基准浓度辅助阈值X％的二次谐波峰值PX也是随当前环境干扰波动而动态变化的，因此，利用其更新的队列与当前环境更加吻合，最后又提升了基准浓度的二次谐波峰值PL的可靠性，形成了一个与当前环境相吻合的动态变化的判断标准。
如图1所示，本发明实施例提供的一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法，主要适用于目标气体为氧气的玻璃药瓶中检测，即包括如下步骤：
S1：获取玻璃药瓶内残氧量的合格浓度阈值a％以及基准浓度辅助阈值X％，并在同一检测环境下利用波长调制光谱检测方法分别获取0％、a％、X％浓度下的玻璃药瓶的二次谐波峰值P0、Pa、PX，其中，0％＜X％＜a％。本发明优选合格浓度阈值a％＝5％，基准浓度辅助阈值X％＝1％，其他可行的实施例中，合格浓度阈值a％以及基准浓度辅助阈值X％根据实际生产检测需求来设定。需要说明的是，本实施例中玻璃药瓶是密封的，并是在空气中进行测量。
S2：计算二次谐波峰值P0、Pa之间差值的绝对值得到Da以及二次谐波峰值P0、PX之间差值的绝对值得到Dx。Da＝Pa-P0，Dx＝PX-P0，其中，对于任意背景环境，由于差值等式中已扣除了实时环境的变化和空气的影响，因此差值Da和Dx均不变。
S3：基于步骤S2中差值Da以及Dx对生产线上待检测玻璃药瓶进行质量检测，其中，对生产线到的每一个玻璃药瓶重复以下步骤：
S31：采集待检测玻璃药瓶的二次谐波峰值PN，并判断是否小于或等于合格浓度阈值a％下的二次谐波峰值Pa(判断PN≤Pa？)；若是，所述待检测玻璃药瓶为合格药瓶并执行步骤S32，否则，为不合格玻璃药瓶，再检测下一待检测玻璃药瓶；
S32：判断所述待检测玻璃药瓶的二次谐波峰值是否小于或等于基准浓度辅助阈值X％下的二次谐波峰值PX(判断PN≤PX？)；若是，将所述待检测玻璃药瓶的二次谐波峰值按序加入队列L中；
队列L的长度为M，初始队列L中第一个元素等于二次谐波峰值P0且其他元素为空值，添加新元素时按序丢弃旧元素，即最先入队的元素排在队首，之后入队的元素依次向后排列；队列应该满足先进先出的规则，即当队列排满后，如果还有元素需要入队，则此时队首元素自动溢出。
S33：计算当前队列L内元素的均值PL，并用均值PL与差值Da的和更新合格浓度阈值a％下的二次谐波峰值Pa(Pa＝PL+Da)，用均值PL与差值Dx的和更新基准浓度辅助阈值X％下的二次谐波峰值PX(PX＝PL+Da)，其中，利用更新后的数据按照步骤S31-步骤S33检测下一待检测玻璃药瓶。
为了验证本发明的可靠性，在实施例1中选择合格浓度阈值a％＝5％，基准浓度辅助阈值X％＝1％，且以当前环境为背景，采集激光照射下5％、1％和0％的标准样瓶的二次谐波峰值为：P5＝5、P1＝1和P0＝0，因此，Da＝P5-P0＝5，Dx＝P1-P0＝1。在实验环境中连续测量100个密封的玻璃药瓶，100个玻璃药品中含11个氧气浓度为4％的标准玻璃药瓶和9个氧气浓度为6％的标准玻璃药瓶，对测量所得数据分别用现有算法以及本实施例方法进行处理得到如图2所示的数据。
现有算法一：不考虑环境对生产线药瓶二次谐波峰值的影响，即取a＝5时，恒用不变量P5＝5作为药瓶是否合格的依据，其中，辅助阈值为P5＝5。
本实施例：使用本发明公开的动态阈值的方法，其中，动态阈值为动态更新的P5。
如图2所示，若是使用现有算法中恒用不变量P5＝5作为药瓶是否合格的依据，第45和65个氧气浓度为4％的标准玻璃药瓶对应的二次谐波峰值在环境的干扰下升高且大于P5＝5，导致第45和65个药瓶被误判为不合格药品。第20和80个氧气浓度为6％的标准玻璃药瓶对应的二次谐波峰值在环境的干扰下下降且小于P5＝5，导致第20和80个药瓶被误判为不合格药品。使用实施例方法后，动态阈值会随着环境的改变而改变，第45和65个氧气浓度为4％的标准玻璃药瓶对应的二次谐波峰值在环境的干扰下升高但依然小于P5＝5，进而第45和65个药瓶不会被误判为不合格药品。第20和80个氧气浓度为6％的标准玻璃药瓶对应的二次谐波峰值在环境的干扰下下降但依然大于P5＝5，进而第20和80个药瓶不会被误判为合格药品。
实施例2：
本实施例中，确定合格药瓶的氧气浓度阀值a％＝5％，同时设置一个阈值X％＝1％，以当前环境为背景，采集激光照射下5％、1％和0％的标准样瓶的二次谐波峰值，得到对应的二次谐波峰值P5＝0.99433、P1＝0.99146和P0＝0.99050。然后，计算P0与Pa，P0和PX这两组二次谐波峰值的差值的绝对值得到Da＝0.00383和DX＝0.00096，选择队列L的长度M＝15。再按照上述步骤S31-步骤S33检测玻璃药瓶，在实际生产线上连续测量999个密封的玻璃药瓶，999个玻璃药品中含4个氧气浓度为4％的标准玻璃药瓶和3个氧气浓度为6％的标准玻璃药瓶，对测量所得数据分别使用现有算法以及本实施例的方法得到图3以及图4所示的数据。
现有算法一：不考虑环境对生产线药瓶二次谐波峰值的影响，即取a＝5时，用不变量P5＝0.99433作为药瓶是否合格的依据。
本实施例：使用本发明公开的动态阈值的方法，其中，动态阈值为动态更新的P5。
如图3所示为使用现有算法一得到的数据，测得当前环境下氧气浓度为5％的标准药瓶的二次谐波峰值P5＝0.99433，氧气浓度为4％和6％的标准玻璃药瓶①④⑥⑦和②③⑤在算法一处理后，氧气浓度为4％的标准玻璃药瓶①④⑦对应的二次谐波峰值P①＝0.99443、P④＝0.99441和P⑦＝0.99442在环境的干扰下升高且P①、P④和P⑦大于P5＝0.99433，导致药瓶①④⑦被误判为不合格药瓶，氧气浓度为6％的标准玻璃药瓶③对应的二次谐波峰值P③＝0.99430在环境的干扰下降低且P③＝0.99430＜P5＝0.99433。从上述结果看，现有算法一会导致系统出现误判，合格的药瓶会在环境的干扰下被系统误判为不合格药瓶且不合格的药瓶也会被误判为合格的药瓶。如图4所示，测得当前环境下氧气浓度为5％、1％和0％标准药瓶的二次谐波峰值分别为P5＝0.99433、P1＝0.99146和P0＝0.99050。氧气浓度为4％和6％的标准玻璃药瓶①④⑥⑦和②③⑤经过本实施例所述检测方法处理后，氧气浓度为4％的标准玻璃药瓶①④⑦对应的二次谐波峰值P①＝0.99443、P④＝0.99441和P⑦＝0.99442在环境的干扰下升高但P①、P④和P⑦依然小于P5，从而药瓶①④⑦不会被误判为不合格药瓶，氧气浓度为6％的标准玻璃药瓶③对应的二次谐波峰值P③＝0.99430在环境的干扰下降低但P③＝0.99430＞P5，从而药瓶③不会被误判为合格药瓶。
从上述实施例1以及实施例2的对比上述结果可知，本发明所述方法动态阈值P5因为随环境的改变而改变，进而利用其作为判断标准时，反而可以极大降低或剔除环境因素的干扰，提升玻璃药瓶内残氧量的检测下限。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种阈值动态调节的玻璃瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取玻璃瓶内目标气体的合格浓度阈值a％以及基准浓度辅助阈值X％，并在当前环境下利用波长调制光谱检测方法分别获取0％、a％、X％浓度下的玻璃瓶的二次谐波峰值P0、Pa、PX，其中，0％＜X％＜a％；
S2：计算二次谐波峰值P0、Pa之间差值的绝对值得到Da以及二次谐波峰值P0、PX之间差值的绝对值得到Dx；
S3：基于步骤S2中差值Da以及Dx对待检测玻璃瓶进行质量检测，过程如下：
S31：采集待检测玻璃瓶的二次谐波峰值，并判断是否小于或等于合格浓度阈值a％下的二次谐波峰值Pa，若是，所述待检测玻璃瓶为合格药瓶并执行步骤S32，否则，为不合格玻璃瓶，再检测下一待检测玻璃瓶；
S32：判断所述待检测玻璃瓶的二次谐波峰值是否小于或等于基准浓度辅助阈值X％下的二次谐波峰值PX，若是，将所述待检测玻璃瓶的二次谐波峰值按序加入队列L中；
所述队列L的长度为M，初始队列L中第一个元素等于二次谐波峰值P0且其他元素为空值，添加新元素时按序丢弃旧元素，其中，最先入队的元素排在队首，后入队的元素依次向后排列，按照先进先出的规则，当队列排满后，如果还有元素需要入队，则队首元素自动溢出；
S33：计算当前队列L内元素的均值PL，并用均值PL与差值Da的和更新合格浓度阈值a％下的二次谐波峰值Pa，用均值PL与差值Dx的和更新基准浓度辅助阈值X％下的二次谐波峰值PX，其中，利用更新后的数据按照步骤S31-步骤S33检测下一待检测玻璃瓶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述合格浓度阈值a％为5％，基准浓度辅助阈值X％为1％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：队列L的长度M是根据生产线上待测玻璃瓶的移动速度来确定，速度越快，长度M越大。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：移动速度为200-600瓶/分钟时，长度M的取值范围为[15,35]。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：更新队列L中的元素时，依据先进先出的规则丢弃旧元素。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：目标气体为氧气，玻璃瓶为玻璃药瓶。
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