露點儀自動檢定系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

(廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣州 510030)

0 引言

露點儀作為濕度標準器，使用越來越廣泛，對露點儀的計量檢定越來越高。當前對露點儀的檢定還沒有實現(xiàn)自動化，采取的方法是手動調(diào)整露點發(fā)生裝置的露點溫度固定點，進行人工讀數(shù)，工作量大，花費時間長，檢定效率低。針對目前這種現(xiàn)狀，有必要開發(fā)出一套新型的露點儀自動檢定系統(tǒng)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)露點發(fā)生裝置，自動采集標準露點儀和被檢露點儀的讀數(shù)，經(jīng)過上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以直接出證書，提高露點儀檢定的準確性和工作效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于機器視覺與模糊PID控制的露點儀自動檢定系統(tǒng)由露點發(fā)生器、一級精密露點儀、露點儀、模糊PID控制器、高清攝像頭，PCI數(shù)據(jù)采集卡和上位機構(gòu)成。其系統(tǒng)方案圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案圖

露點發(fā)生器采用英國Michell公司的DG-1以提供一定露點溫度的氣流標準源； 以一級精密露點儀作為標準器；選用高清攝像頭和高性能數(shù)據(jù)采集卡，針對數(shù)顯露點儀和指針式露點儀，分別設(shè)計兩種不同的機器視覺采集與處理算法，采集實時的露點溫度值，再傳給上位 PC 機終端；設(shè)計模糊PID調(diào)節(jié)器，自動調(diào)節(jié)露點發(fā)生器干濕蝶閥的PID參數(shù)，對采集的不同系統(tǒng)的露點值進行實時分析并對偏差進行處理，發(fā)送指令控制蝶閥的繼電器和報警器等執(zhí)行機構(gòu)，使露點發(fā)生器保持在檢定露點儀時規(guī)程所需設(shè)定的露點溫度值；利用C#程序設(shè)計語言，開發(fā)出自動檢定模塊與上位機軟件系統(tǒng)，將機器視覺采集與處理模塊所采集到的標準露點儀與被檢露點儀的值按照規(guī)程要求進行比對，得出結(jié)論，打印出檢定證書或者不合格通知書，完成自動檢定過程。

2 模塊設(shè)計

2.1 機器視覺數(shù)據(jù)采集模塊

本模塊由高清攝像頭、數(shù)據(jù)圖像采集卡、圖像處理單元和計算機等幾個部分組成。圖像采集與識別過程如圖2所示。高清攝像頭采集圖像包括模擬的圖像和數(shù)字的圖像，通過數(shù)據(jù)圖像采集卡把信息傳輸?shù)缴衔粰C，上位機上的圖像識別和圖像處理軟件處理后直接顯示當前采集的數(shù)據(jù)信息。被檢露點儀有數(shù)字顯示儀表和指針式模擬儀表兩種，圖像采集與識別過程在圖像處理和圖像特征提取不同。

圖2 圖像采集與識別過程圖

2.1.1 數(shù)字顯示儀表的數(shù)據(jù)采集處理

設(shè)計時候選取的高清攝像頭位置可以相對固定，以便簡化圖像定位的過程。數(shù)字顯示儀表型的露點儀屏幕一般為LED或者LCD，由于環(huán)境光照度的影響，需要對圖像進行預(yù)處理，圖像灰度變換，圖像平滑，傾斜度校準，圖像二值化等，來克服出現(xiàn)亮度不均勻，邊緣模糊，數(shù)字區(qū)域與背景重疊難以區(qū)分等現(xiàn)象。

圖像灰度變換采用目前常用的標準的平均值法，把攝像頭采集到的彩色的RGB格式變換成需要的灰度圖像；圖像平滑過程采用八領(lǐng)域平均法對圖像進行去噪處理；傾斜度校正過程采用Hough變換法檢測出傾斜角后進行校準。

圖像二值化值域的選擇是二值化的關(guān)鍵，這里采用局部值域法。其是把原始的圖像分成若干小的幾個子圖像，再對每個子圖像分別求出最優(yōu)值域，可克服光照度不均勻引起灰度直方圖雙峰谷底不明顯，單峰值，多峰值等復(fù)雜情況。

圖像字符分割的任務(wù)是把圖像中的多行或者多個字符從整幅圖像中分割出來，成為單個的字符體，以便于識別。這里選取投影直方圖法，通過對字符區(qū)域進行垂直投影來獲取數(shù)字或符號的前沿和后沿，然后確定相應(yīng)的位置，再把每一組前沿和每一組后沿作為一個數(shù)字或者符號來統(tǒng)計字符的總數(shù)，達到字符分割的效果。

圖像字符識別是圖像數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，是數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)人機接口的途徑。目前常用的字符識別方法比較多，這里選取模板識別法，預(yù)先建立二值化的數(shù)字模板作為標準模板庫，將分割后得到的圖像區(qū)域進行歸一化處理，并且從圖像區(qū)域中提取若干特征量與模板逐個進行相應(yīng)的比較，得出二者之間的匹配度，進行歸類，完成識別的功能。

2.1.2 指針式儀表的數(shù)據(jù)采集處理

指針式儀表的數(shù)據(jù)采集的預(yù)處理與數(shù)字顯示儀表的類似，但其中灰度圖像需做要求更高的細化處理來提高識別精度和速度。需要把一個像素寬度的線條圖像即骨架取代該圖形，但是原圖像中圖形的連通性和拓撲結(jié)構(gòu)不要改變。這里選取基于Hilditch的改進細化算法，達到優(yōu)質(zhì)的細化效果。

指針刻度的提取也采用Hough變換法，指針刻度讀數(shù)的識別是關(guān)鍵。這里采用最小二乘法擬合法，根據(jù)指針與刻度線的距離來識別儀表的讀數(shù)，以刻度線示值作為基準，當指針與刻度線重合的時候，用刻度線的示值作為儀表的讀數(shù)值；當指針位于兩刻度線之間的時候，則用刻度線示值和距離法相結(jié)合進行讀數(shù)識別。假設(shè)指針左側(cè)的第一條刻度線示值為A，指針右側(cè)的第一條刻度線示值為B，指針左側(cè)的第一條刻度線到指針的距離取指針左側(cè)的第一條刻度線上的所有點到指針的平均距離為C；同理指針右側(cè)的第一條刻度線到指針的距離取指針右側(cè)的第一條刻度線上的所有點到指針的平均距離為D；則指針表的示值S就為:

S=A+(B-A)C/D

2.2 模糊PID調(diào)節(jié)器模塊

自動檢定的時候需要露點發(fā)生器穩(wěn)定在某一個固定的露點值。調(diào)節(jié)器模塊主要實現(xiàn)露點儀發(fā)生器固定點的調(diào)節(jié)。一般情況下，露點發(fā)生器用的是手動調(diào)節(jié)干氣和濕氣的五路針閥，這里設(shè)計時需要把針閥用蝶閥來代替，調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)蝶閥的開度大小來實現(xiàn)進氣的大小從而實現(xiàn)露點發(fā)生器固定點的值。

蝶閥的開度大小的控制通過設(shè)計具有參數(shù)自整定功能的模糊PID算法來實現(xiàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的PID算法，該調(diào)節(jié)器可以根據(jù)預(yù)定露點值與當前露點值之間的偏差絕對值e和偏差變化率絕對值ec的改變，在線自動調(diào)節(jié)PID參數(shù)，驅(qū)動蝶閥在線進行其開度大小的調(diào)節(jié)，從而有效的對固定露點值進行實時控制。

模糊PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計以預(yù)定露點值與當前露點值之間的偏差絕對值e和預(yù)定露點值與當前露點值之間的偏差絕對值變化ec作為輸入,可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊推理算子實現(xiàn)對PID參數(shù)進行在線修改,構(gòu)成了模糊PID調(diào)節(jié)器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 模糊PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系,在運行中通過不斷檢測e和ec,根據(jù)模糊推理算子對kp，Ti，Td這三個參數(shù)進行在線修改,以滿足不同e和ec是對控制參數(shù)的不同要求,獲得穩(wěn)定的固定露點值，本模塊所使用的PID調(diào)節(jié)器的算法為:

對于連續(xù)情況：

e(t)=Yin(t)-Yout(t)

(1)

其中:Yin(t)為當前露點值，Yout(t)預(yù)定露點值:

(2)

其中:kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù)。

對于離散情況：

(3)

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-

2e(k-1)+e(k-2))

(4)

其中:ki=kp/Ti，kd=kp/Td，k為采樣序號，T為采樣周期。

模糊推理算子的設(shè)計與露點發(fā)生器的氣路閥相關(guān)。露點發(fā)生器氣路系統(tǒng)通常由干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥，濕氣粗調(diào)閥，濕氣細調(diào)閥和混合閥組成。對于露點溫度為(-80～+20)℃的露點發(fā)生裝置，相對全干狀態(tài)下，干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥均為全開狀態(tài)，而濕氣粗調(diào)閥，濕氣細調(diào)閥均為關(guān)閉狀態(tài)，此時露點值為-80 ℃，如若有偏離，相應(yīng)的調(diào)節(jié)細調(diào)蝶閥；對于飽和濕度狀態(tài)，濕氣粗調(diào)閥，濕氣細調(diào)閥均為全開狀態(tài)，而干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥則為全關(guān)狀態(tài)；露點值為10 ℃時，濕氣粗調(diào)閥半開狀態(tài)，濕氣細調(diào)閥全開，干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥，均為半開狀態(tài)；露點值為0 ℃時，濕氣粗調(diào)閥，濕氣細調(diào)閥，干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥，均為半開狀態(tài)；露點值為-20 ℃時，濕氣粗調(diào)閥開度為1/4，濕氣細調(diào)閥全開，干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥，均為開狀態(tài)；露點值為-40 ℃時，濕氣粗調(diào)閥開度為全關(guān)，濕氣細調(diào)閥1/2，干氣粗調(diào)閥，干氣細調(diào)閥，均為開狀態(tài)；以上各個區(qū)間的期望值如若有偏離，根據(jù)kp，Ti，Td這三個參數(shù)的功能特點，通過設(shè)計模糊規(guī)則和語言，輸出相應(yīng)的模糊指令，以調(diào)節(jié)相對應(yīng)的細調(diào)蝶閥，達到期望的露點值。

2.3 自動檢定模塊與上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

在被檢露點儀、標準露點儀、機器視覺系統(tǒng)安裝連接好，露點發(fā)生器達到規(guī)程所要求的設(shè)定點之后，送入檢定信息和通過檢查后，開始按照相關(guān)規(guī)程進行檢定。自動檢定的過程框圖如圖3所示。首先標準露點儀判斷露點值是否穩(wěn)定在所需要的設(shè)定點，是否滿足檢定條件，如果滿足，開始測量；當一個露點值檢定點結(jié)束后，判斷是否完成，如果完成，保存結(jié)束 ，如果還有下一個露點值需要檢定，設(shè)定參數(shù)驅(qū)動調(diào)節(jié)器使露點發(fā)生器達到下一個露點值，然后開始下一個露點值的檢定，其中出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集偶爾出錯，繼續(xù)進行下一輪采集，如果是標準器出錯，立即檢定中斷，發(fā)出警報。

圖4 露點儀自動檢定過程圖

檢定過程中要求工作可靠，具備容錯能力，以保證在檢定過程中數(shù)據(jù)采集偶爾出錯不導致上位機程序跳出或者死機。在自動檢定過程中由于特殊原因需要停止檢定，可立即中斷和退出，同時保存中間檢定數(shù)據(jù)。

檢定結(jié)束，可以立即進行檢定結(jié)果數(shù)據(jù)處理，原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果打印出來；對于檢定的原始數(shù)據(jù)保存在上位機硬盤里，可隨時進行查閱但不允許修改。

上位機軟件系統(tǒng)包括被檢露點儀管理模塊、標準露點儀管理模塊、露點發(fā)生器固定點設(shè)置模塊、檢定過程控制模塊、證書與原始記錄生成模塊。其中，被檢露點儀管理模塊與標準露點儀管理模塊具備露點儀信息的錄入、查詢與修改功能；露點發(fā)生器固定點設(shè)置模塊通過設(shè)定檢定規(guī)程所要求的檢定點完成露點發(fā)生器固定點的設(shè)定功能；檢定過程控制模塊負責向機器視覺數(shù)據(jù)采集與處理模塊、調(diào)節(jié)器模塊等發(fā)送檢定命令、實時顯示圖像信息、回傳檢定結(jié)果命令和顯示檢定結(jié)果等功能；證書與原始記錄生成模塊 對檢定結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理與計算，按照相應(yīng)的檢定規(guī)程的要求動態(tài)生成原始記錄和檢定證書。

3 測試與結(jié)果驗證

在檢定過程中，選取北京興泰公司DP99型號的露點儀作為被檢對象，以Michell公司型號為S8000并經(jīng)國家計量院檢定合格的一級精密露點儀為標準，對露點溫度為-40℃這個點分別采取手動調(diào)節(jié)固定點和新型自動檢定系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)固定點進行10次重復(fù)測量，測試結(jié)果如圖5～8。

圖5 手動調(diào)節(jié)固定點時10次測量結(jié)果曲線圖 圖6 自動調(diào)節(jié)固定點10次測量結(jié)果曲線圖

圖7 手動調(diào)節(jié)固定點10次測量誤差曲線圖 圖8 自動調(diào)節(jié)固定點10次測量誤差曲線圖

根據(jù)曲線圖，采用手動調(diào)節(jié)固定點被檢露點示值在(-38.8， -41.6)℃，標準露點示值在(-39.2，-41.3)℃，誤差在(-0.5，0.4)℃；而采用自動調(diào)節(jié)固定點被檢露點示值在(-39.5， -40.6)℃,標準露點示值在(-39.6，-40.4)℃，誤差在(-0.3，0.1)℃。表明在無論是被檢標準露點儀還是標準露點儀采用新型自動檢定系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)固定點檢定得到的結(jié)果重復(fù)性好過手動調(diào)節(jié)固定點得到的結(jié)果，偏移-40℃設(shè)定點的幅度也小，并且誤差也小于采用手動調(diào)節(jié)固定點得到的結(jié)果。露點儀檢定實驗過程中，在被檢露點儀和標準露點儀都固定的情況下，露點測量誤差的大小不同，主要由于采用露點發(fā)生器手動調(diào)節(jié)固定點和自動調(diào)節(jié)固定點兩種檢定方法的不同引起,從而驗證開發(fā)的新型露點儀自動檢定系統(tǒng)的可靠性和科學性。

4 總結(jié)

基于機器視覺原理和參數(shù)自整定的模糊PID控制理論，開發(fā)與設(shè)計了一種新型的自動調(diào)節(jié)露點溫度固定點的露點儀自動檢定系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了露點儀檢定的自動化。通過與手動調(diào)節(jié)固定點法對比實驗，驗證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少了人為因素引起的誤差，降低了計量成本，提高了檢定效率，以滿足日益發(fā)展的露點儀的自動化計量，為類似計量器具的自動化量提供有效的參考。

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