毛細(xì)管黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

胡國星，張坤，荀其寧，拓銳，徐大剛，張符

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

毛細(xì)管黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

胡國星，張坤，荀其寧，拓銳，徐大剛，張符

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

利用自動控溫系統(tǒng)、測溫電橋、自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制平臺組成一種毛細(xì)管黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動吸液、自動計(jì)時(shí)以及數(shù)據(jù)自動處理功能，可用于標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值和毛細(xì)管黏度計(jì)檢定／校準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值；毛細(xì)管黏度計(jì)檢定／校準(zhǔn)；自動計(jì)時(shí)

Keywodscapillary viscometer calibration; standard viscosity liquid; automatic timing system

黏度是流體材料的一個(gè)重要物理化學(xué)參數(shù)，是流體黏滯性的一種量度，表征流體流動力對其內(nèi)部摩擦的現(xiàn)象［1］。黏度及其測量與人們生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，特別在國防工業(yè)、航空航天、石油化工、輕工建材、煤炭、冶金、交通等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［2］。黏度計(jì)的檢定／校準(zhǔn)對黏度的準(zhǔn)確測量具有重要意義。筆者研制的黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)通過自動控溫系統(tǒng)建立工作恒溫環(huán)境，利用自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢定／校準(zhǔn)過程的自動化，編制專用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)釆集和處理的自動化，使得標(biāo)準(zhǔn)黏度液的定值和工作用毛細(xì)管黏度計(jì)的檢定／校準(zhǔn)工作效率得到很大提高，符合 JJG 154-2012［3］和 JJG 155-1991［4］技術(shù)要求及操作流程。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)由自動控溫系統(tǒng)、測溫電橋、自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制平臺組成。測溫電橋用于監(jiān)控恒溫槽的溫度均勻性和波動性，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)控制平臺，作為自動控溫的數(shù)據(jù)參考；自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)用于監(jiān)控被測液體在毛細(xì)管黏度計(jì)計(jì)時(shí)球流出的時(shí)間，時(shí)間數(shù)據(jù)將被傳輸至計(jì)算機(jī)控制平臺，經(jīng)處理后最終生成原始記錄和報(bào)告。本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.1 自動控溫裝置

圖1 毛細(xì)管黏度計(jì)自動檢定 /校準(zhǔn)系統(tǒng)裝置原理框圖

黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)使用高精度 PID 溫度控制器，該控制器基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊自適應(yīng)PID控制方法，既有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自學(xué)習(xí)能力和大規(guī)模并行處理能力，又具有模糊控制靈活、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，PID控制精度高，PID參數(shù)可在線自調(diào)整；釆用折線近似方法進(jìn)行線性校正，提高了溫度控制的準(zhǔn)確度；具有5位有效數(shù)字顯示，分辨率為0.001℃（鉑電阻量程為0～30.000℃）；釆用PID輸出附加功率前饋控制電路，可有效防止負(fù)載變化時(shí)引起的溫度控制紊亂；具有增強(qiáng)型自動演算和隔離模擬變送輸出功能；具有RS232和RS485通訊接口，方便遠(yuǎn)程控制。

本控溫系統(tǒng)中的恒溫槽體設(shè)計(jì)為矩形，前后部分釆用 10 mm 厚鋼化玻璃，便于檢定／校準(zhǔn)過程的監(jiān)測；兩側(cè)為加熱、制冷和攪拌循環(huán)裝置；中心點(diǎn)放置用作溫度監(jiān)控的鉑電阻溫度計(jì)；釆用加熱、制冷分體設(shè)計(jì)，即將帶有振動的制冷壓縮機(jī)與主體分離，將冷源以泵流的方式進(jìn)入槽體，可減弱外部環(huán)境對毛細(xì)管黏度計(jì)內(nèi)液體的影響，減少振動的發(fā)生，避免過量誤差的引入；底部柵板釆用漸變式循環(huán)流通設(shè)計(jì)，對攪拌器推動的介質(zhì)進(jìn)行均勻有效分流，從而可以有效地保證恒溫槽工作區(qū)域溫度的均勻性［5］。

自動控溫裝置主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 自動控溫裝置技術(shù)指標(biāo)

1.2 自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)

自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：CCD高速工業(yè)相機(jī)、圖像釆集卡和圖像處理系統(tǒng)。圖2是自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)流程框圖。

圖2 自動計(jì)時(shí)系統(tǒng)流程圖

1.2.1 CCD(Charge Coupled Device)攝像機(jī)

CCD 攝像機(jī)是一種能將光信號變?yōu)殡娦盘柕臄z像機(jī)，這種相機(jī)能很好地抗震和抗磁干擾，是一種理想的攝像機(jī)。

1.2.2 圖像采集卡

圖像釆集卡的作用是將CCD 攝像機(jī)釆集到的模擬視頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，再傳輸至計(jì)算機(jī)平臺，以便對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

1.2.3 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)為自動計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)的核心，它主要對傳輸至計(jì)算機(jī)的圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后根據(jù)操作設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動計(jì)時(shí)。圖像處理系統(tǒng)主要包括4個(gè)部分：圖像預(yù)處理、識別區(qū)域定位、突變識別、計(jì)算時(shí)間間隔。

（1）圖像預(yù)處理。在圖像信號的釆集、輸入過程中，由于受到自然環(huán)境的影響，圖像的質(zhì)量會有所下降，這便給后面圖像定位、突變識別工作帶來困難。因此需要對初始圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理，提高圖像質(zhì)量并突出所需要的信息，從而有利于進(jìn)行各種后續(xù)的處理。

圖像預(yù)處理是相對于圖像分析、圖像識別、圖像理解而言的一種對圖像前期的處理，也可以看作是對初始釆集圖像的增強(qiáng)。圖像增強(qiáng)的目的就是釆用一系列技術(shù)，改善圖像的效果或?qū)D像轉(zhuǎn)換成為一種更適合人或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理的形式。主要是指按需要對圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q以突出某些有用的信息，去除或削弱無用的信息。本系統(tǒng)使用的圖像預(yù)處理技術(shù)主要有灰度化、灰度變換增強(qiáng)、噪聲及濾波等。

（2）識別區(qū)域定位。識別區(qū)域定位是計(jì)算機(jī)對毛細(xì)管黏度計(jì)計(jì)時(shí)球上下標(biāo)線進(jìn)行定位，可以根據(jù)像素點(diǎn)與周圍的顯著差異來自動識別，也可以手動設(shè)置。在毛細(xì)管黏度計(jì)計(jì)時(shí)球的上下部分分別有一條標(biāo)線（或刻線）作為液面流經(jīng)時(shí)的起始位置。由于標(biāo)線與其它部分的灰度值不同，經(jīng)圖像處理掃描后可以被確定。

（3）突變識別。當(dāng)毛細(xì)管黏度計(jì)內(nèi)液面由上到下通過設(shè)置的識別區(qū)域時(shí)，會引起該區(qū)域像素點(diǎn)灰度值突變，可以理解為在某一刻識別區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的灰度由 0 → 1，由此判定液面通過毛細(xì)管黏度計(jì)計(jì)時(shí)球上的標(biāo)線。

（4）計(jì)算時(shí)間間隔。當(dāng)液面流經(jīng)毛細(xì)管黏度計(jì)計(jì)時(shí)球上標(biāo)線時(shí)，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件判定后，發(fā)送計(jì)時(shí)開始指令至計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)液面流經(jīng)毛細(xì)管黏度計(jì)計(jì)時(shí)球下標(biāo)線時(shí)，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件判定后，發(fā)送計(jì)時(shí)停止指令至計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)回傳至計(jì)算機(jī)控制平臺，計(jì)時(shí)器歸零。開始計(jì)時(shí)與停止計(jì)時(shí)之間的時(shí)間間隔即為毛細(xì)管黏度計(jì)中的流出時(shí)間。

本系統(tǒng)以毫秒計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，該計(jì)時(shí)器釆用高精度溫度補(bǔ)償石英晶體諧振器作為測量基準(zhǔn)，測量準(zhǔn)確度和測量范圍都高于一般的數(shù)字式電子秒表；釆用 RS232 通訊協(xié)議，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控；具有自動復(fù)位功能，操作方便，讀數(shù)直觀，測量范圍為 0.01 ms～9999.99 s，內(nèi)部晶振準(zhǔn)確度為 5×10-6，最大測量誤差為 ±0.01 ms。該計(jì)時(shí)器穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，測試精度高，滿足計(jì)量檢測和自動化控制的需求。

在整個(gè)計(jì)時(shí)過程中存在判定時(shí)間、指令傳輸時(shí)間、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)延時(shí)等時(shí)間延遲或誤差，但最終結(jié)果為開始時(shí)間點(diǎn)與終止時(shí)間點(diǎn)的差值，所以，在一定程度上可以消除大部分系統(tǒng)延遲和誤差，對計(jì)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響非常小。

1.3 軟件系統(tǒng)

黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要包括溫度遠(yuǎn)程控制、標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值、工作用毛細(xì)管黏度計(jì)檢定／校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)記錄備份4個(gè)部分。

1.3.1 溫度控制

溫度遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對溫度的遠(yuǎn)程控制，即在計(jì)算機(jī)操作平臺上對恒溫槽進(jìn)行溫度設(shè)定。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值

標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值部分可實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值的自動計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)處理，最多可以對6種標(biāo)準(zhǔn)黏度液同時(shí)定值。在操作界面中，左側(cè)圖像為標(biāo)準(zhǔn)黏度液在毛細(xì)管黏度計(jì)中流動的實(shí)時(shí)檢測，中間是恒溫槽內(nèi)溫場的實(shí)時(shí)溫度，右側(cè)是試樣的測試方法和一些相關(guān)的說明。右下角為標(biāo)準(zhǔn)黏度液流出計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。

1.3.3 工作毛細(xì)管黏度計(jì)檢定／校準(zhǔn)

在對工作毛細(xì)管黏度計(jì)進(jìn)行檢定／校準(zhǔn)前，首先要對毛細(xì)管黏度計(jì)的信息進(jìn)行錄入，如送檢單位名稱、地址和毛細(xì)管類型、編號、管徑、制造商等，以確定該被檢毛細(xì)管黏度計(jì)的唯一性。

1.3.4 記錄和證書模板設(shè)置

記錄和證書模板設(shè)置部分可完成對實(shí)驗(yàn)記錄和證書的自動生成。記錄和證書模板設(shè)置界面中，可對記錄和證書模板進(jìn)行編輯，并對其中的一些變量進(jìn)行標(biāo)示，在記錄和證書生成時(shí)對這些變量的內(nèi)容予以更換。

2 系統(tǒng)的性能評價(jià)

依據(jù) JJG 155-1991［4］和相關(guān)規(guī)范，使用本自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了人機(jī)對比驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)用器具：內(nèi)徑為 2.0 mm 的工作毛細(xì)管黏度計(jì)，黏度值為 198.60 mm2／s 的標(biāo)準(zhǔn)黏度液。

對比驗(yàn)證試驗(yàn)分別由自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)和人工對指定毛細(xì)管黏度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，共校準(zhǔn)3次。恒溫槽溫度均設(shè)置為 20.0℃。兩種檢定方式對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果的重復(fù)性優(yōu)于人工操作，從而驗(yàn)證了毛細(xì)管黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)的可行性。

表2 人機(jī)對比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

毛細(xì)管黏度計(jì)自動檢定／校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值和毛細(xì)管黏度計(jì)檢定／校準(zhǔn)的自動化，消除了人為誤差，提高了工作效率。該裝置投入使用后，實(shí)際應(yīng)用效果良好，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

［1］ 川田裕郎 .黏度［M］.陳惠釗，譯 .北京：中國計(jì)量出版社，1987.

［2］ 陳惠釗 .黏度測量［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1994.

［3］ JJG 154-2012 標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管黏度計(jì)檢定規(guī)程［S］.

［4］ JJG 155-1991 工作毛細(xì)管粘度計(jì)檢定規(guī)程［S］.

［5］ JJG 1030-1991 恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范［S］.

Development of Automatic Calibration System for Capillary Viscometer

Hu Guoxing, Zhang Kun, Xun Qining, Tuo Rui, Xu Dagang, Zhang Fu
(CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

An automatic calibration system for capillary viscometer consisted of automatic temperature control system, thermometry bridge, automatic timing system and computer-controlled platform. This system had some functions such as self-priming, self-timing and automatic data processing. It can be used to value the standard viscosity liquid and calibrate capillary viscometers.

O657.91

A

1008-6145(2014)05-0105-03

聯(lián)系人：胡國星；E-mail: sdjnhgx@163.com

2014-05-26

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.034