指針式電測儀表自動化檢定系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

邸變連，趙園，程昱舒

（山西省電力公司計(jì)量中心，山西太原030001）

指針式電測儀表自動化檢定系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

邸變連，趙園，程昱舒

（山西省電力公司計(jì)量中心，山西太原030001）

針對指針式電測儀表檢定效率低、系統(tǒng)工作方式落后等問題，以機(jī)器視覺技術(shù)和Labview作為開發(fā)工具，開發(fā)指針式電測儀表自動化檢定系統(tǒng)。系統(tǒng)分為多功能標(biāo)準(zhǔn)源、機(jī)器視覺系統(tǒng)、軟件設(shè)計(jì)三部分，實(shí)現(xiàn)了指針式電測儀表的全自動校驗(yàn)，并增加了不確定度自動評定功能，具有測試速度快，操作簡單、量值傳遞更加準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

電測儀表；機(jī)器視覺；檢定系統(tǒng)；CL302

0 引言

指針式電測儀表的檢定/校準(zhǔn)是計(jì)量測試領(lǐng)域的重要工作。當(dāng)前指針式電測儀表依賴手動操作、人工讀數(shù)校準(zhǔn)、人工出具校準(zhǔn)結(jié)果，重復(fù)勞動工作量大,操作員熟練程度對檢定結(jié)果影響明顯,系統(tǒng)工作方式落后。目前多功能標(biāo)準(zhǔn)源基本都帶有數(shù)字化程控接口（GPIB或RS232接口），可以通過編程方式控制標(biāo)準(zhǔn)源在設(shè)定范圍內(nèi)按照制定步長輸出檢定信號。伴隨著計(jì)算機(jī)和自動化檢測技術(shù)的發(fā)展，從歐美等技術(shù)先進(jìn)國家或地區(qū)開始興起“測試自動化”的概念，采用計(jì)算機(jī)編程控制測試的過程，采用智能數(shù)字視頻識別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的獲取，并由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)記錄、處理等重復(fù)性工作，從而大大提高檢測系統(tǒng)的工作效率，消除操作人員的主觀影響，獲得更高精度的測試結(jié)果。

1 檢定系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

指針式電測儀表自動化檢定系統(tǒng)主要是由多功能標(biāo)準(zhǔn)源、機(jī)器視覺系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)以及相關(guān)軟件組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示，該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行指針式電測儀表的自動測試及數(shù)據(jù)處理工作。

圖1 指針式電測儀表自動化檢定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)編程控制多功能電測儀表校驗(yàn)裝置，針對電測指針儀表的具體型號按規(guī)范化測試流程輸出檢定信號，并經(jīng)由高性能智能工業(yè)相機(jī)獲取相應(yīng)指針表讀數(shù)圖像，在程序中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，獲得指針讀數(shù)并完成記錄、打印等功能。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)器

指針式電測儀表在工業(yè)現(xiàn)場、裝備系統(tǒng)中使用非常普遍。由于一般的數(shù)字表都包含經(jīng)常使用的五個功能：直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、直流電阻，要完成對指針表的校準(zhǔn)，如果使用單功能的校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)會非常復(fù)雜，所以國內(nèi)外一般都使用多功能校準(zhǔn)器法進(jìn)行校準(zhǔn)。目前主流新型標(biāo)準(zhǔn)器大多具備GPIB、RS-232等數(shù)字化通訊接口，可以由上位計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動化檢定信號輸出。本方案采用CL302多功能標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)自動化檢定。

1.2 機(jī)器視覺技術(shù)

伴隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用工業(yè)智能相機(jī)配合相應(yīng)數(shù)字視頻處理軟件構(gòu)成的機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展到成熟實(shí)用的水平，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳感器和測量工具、甚至代替人的目視識別工作。高速處理器保證數(shù)字視頻的實(shí)時(shí)處理與識別，并可以記錄相關(guān)數(shù)據(jù)用于自動化測試系統(tǒng)的下一道工序。經(jīng)過良好設(shè)計(jì)和校正的機(jī)器視覺技術(shù)完全可以代替經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師完成測試參數(shù)獲取的工作，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠長時(shí)間保持恒定精度連續(xù)運(yùn)行，是人眼識別難以企及的優(yōu)勢[1]。

美國國家儀器公司NI公司的機(jī)器視覺系統(tǒng)是相關(guān)領(lǐng)域的代表產(chǎn)品，該系統(tǒng)將高性能Power PC處理器、高質(zhì)量電荷耦合CCD（Charge-coupled Device）圖像傳感器以及NI機(jī)器視覺軟件工具結(jié)合在一起，使用戶能夠方便地創(chuàng)建分布式機(jī)器視覺系統(tǒng)，獲得高效、實(shí)時(shí)、精確的檢測結(jié)果。機(jī)器視覺識別系統(tǒng)圖如圖2所示。系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間技術(shù)演進(jìn)，經(jīng)世界各地用戶使用證明了其性能可靠[2]。

圖2 機(jī)器視覺識別系統(tǒng)臺架示例

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

近年來計(jì)算機(jī)語言有了很大發(fā)展，尤其是有了微軟的WINDOWS視窗操作系統(tǒng)以來，出現(xiàn)了許多可視化的快速應(yīng)用程序開發(fā)工具，如VC、VB、C++Builder和Labview、VEE、TestPoint等，其中Labview、VEE、TestPoint是側(cè)重儀器控制的開發(fā)工具，更適于測試工程師編寫自動測試程序。

目前我國計(jì)量行業(yè)中經(jīng)常使用的自動測試軟件主要有以下幾種：

a）采用通用語言進(jìn)行編寫的程序：VC、VB編制的自動測試程序。

b）儀器設(shè)備廠家銷售的自動測試程序，包括FLUKE的MET/CAL自動計(jì)量校準(zhǔn)和管理軟件、AGILENT隨機(jī)帶的C語言自動測試軟件、DATRON儀器隨機(jī)帶的自動校準(zhǔn)軟件。

c）專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)。美國惠普公司hp vee，用于儀器控制、測量處理和測試報(bào)告的圖形化編程語言；自動尋找與計(jì)算機(jī)相連的儀器，自動管理所有的尋址操作；具有直觀、豐富的顯示界面；不必編寫代碼就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析；具有多種數(shù)學(xué)運(yùn)算和分析功能，從最基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算到數(shù)字信號處理和回歸分析。

d）專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)：美國國家儀器公司Labview。儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程環(huán)境；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格；內(nèi)置的編譯器可加快執(zhí)行速度；內(nèi)置GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數(shù)；內(nèi)容豐富的高級分析庫，可進(jìn)行信號處理、統(tǒng)計(jì)、曲線擬和以及復(fù)雜的分析工作；利用ActiveX、DDE以及TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和進(jìn)程通訊。

目前在儀器控制、測試領(lǐng)域，NI公司的Labview編程軟件開發(fā)平臺使用最廣，世界決大部分儀器廠商都提供Labview驅(qū)動軟件，為使用者提供了非常大的方便。另外，Labview系統(tǒng)能夠良好兼容NI公司機(jī)器視覺系統(tǒng)，為檢測結(jié)果獲取提供更快捷便利的編程環(huán)境，因此本方案選擇使用Labview平臺編制自動校準(zhǔn)軟件。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

在軟件試運(yùn)行期間驗(yàn)證了1臺客戶送檢的直流電壓表：型號為C65，等級為0.5級。用該系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法分別檢定了10次，對兩種方法檢定過程中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

說明指針式儀表自動化檢定系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)。

a）信號源控制功能：在上位機(jī)編程，通過數(shù)字化接口控制標(biāo)準(zhǔn)源，在指定量程范圍內(nèi)按照預(yù)設(shè)步長輸出信號，用于指針式電測儀表自動化檢定。

b）指針式電測儀表讀數(shù)識別功能：采用先進(jìn)的機(jī)器視覺識別技術(shù)，對高性能智能工業(yè)相機(jī)輸入的指針表圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)完成指針儀表讀數(shù)的識別，與操作員人眼識別相比，響應(yīng)速度快，精度高，重復(fù)性好，讀數(shù)結(jié)果不受操作人員經(jīng)驗(yàn)與工作狀態(tài)影響。

c）數(shù)據(jù)記錄功能：自動記錄指針式電測儀表讀數(shù)到上位機(jī)，用于進(jìn)一步的檢定比對工作，比手動記錄數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確迅速。

d）數(shù)據(jù)處理功能：可將測量過程中的數(shù)據(jù)動態(tài)顯示出來，并與標(biāo)準(zhǔn)源信號比對，進(jìn)行測試數(shù)據(jù)差限的計(jì)算，及對數(shù)據(jù)結(jié)果的判斷，最終給出檢定結(jié)果。

e）開發(fā)擴(kuò)展功能：系統(tǒng)提供儀表參數(shù)管理信息化接口，用戶可以方便地增加所要測試的儀器的型號[3]。

3 結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果說明，該系統(tǒng)檢定的精度嚴(yán)格遵守0.5級儀表的要求，修約值準(zhǔn)確無誤，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到良好的效果，通訊響應(yīng)速度快，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各個功能模塊均能較好地實(shí)現(xiàn)。指針式儀表自動化檢定系統(tǒng)比原來手動操作在信息量、采集量、數(shù)據(jù)處理及誤差計(jì)算速度方面將體現(xiàn)絕對的優(yōu)勢，從而節(jié)省了勞動時(shí)間，降低了勞動強(qiáng)度，使工作環(huán)境和條件更加的人性化。

［1］趙書濤，李寶樹，賈秀芳，等.基于計(jì)算機(jī)視覺的電測儀表自動識別方法的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（8）：606-607.

［2］董慶霞.圖像處理技術(shù)在指示表精度檢定中的應(yīng)用［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2001.

［3］中國計(jì)量科學(xué)研究院.JJG315—1983直流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程［S］.北京：中國計(jì)量出版社，1983.

Development and App lication of Pointer-type Electrical M easuring Instrument Automatic Calibration System

DIBian-lian，ZHAO Yuan，CHENG Yu-shu
（State Grid M etering Center of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Since traditional pointer-type electrical measuring instrument is less efficient and underdeveloped，pointer-type electricalautomatic calibration system is developed with the help ofmachine vision technology and Labview.The system consists of three partsasmultifunction standard source，machine vision system and software designing，and it realized full-automatic calibration and added the function of uncertainty evaluation.The new system ismore practical for it is rapid in test speed,simple to operate and accurate in measuring value transfer.

electricalmeasuring instrument；machine vision；calibration system；CL302

TM933

B

1671-0320（2014）04-0031-03

2014-05-07，

2014-06-16

邸變連（1979-），女，山西呂梁人，2010年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，工程師，從事電能計(jì)量工作；

趙園（1965-），男，天津市人，1993年畢業(yè)于華北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事電能計(jì)量工作；

程昱舒（1984-），男，山西運(yùn)城人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，工程師，從事電能計(jì)量工作。