基于數(shù)字圖像識(shí)別和光纖傳感器的直流大電流在線校準(zhǔn)裝置

梅國(guó)健,王家福，李傳生，林飛鵬，董平，邵海明，蔡晉輝

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018; 2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院,浙江 杭州 310018;3.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029; 4. 山西省計(jì)量科學(xué)研究院,山西 太原 030021)

1 引 言

在電解冶金和電化學(xué)工業(yè)，有色金屬及氯堿化工產(chǎn)品都需要通過(guò)電解來(lái)生產(chǎn)[1]。電解電流一般可達(dá)幾十kA到數(shù)百kA，準(zhǔn)確的電流測(cè)量事關(guān)工藝控制、安全生產(chǎn)、成本核算和節(jié)能降耗[2，3]。

目前，工業(yè)超大電解直流電流普遍采用霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量。它將霍爾元件置于聚磁鐵芯的氣隙之中，基于霍爾效應(yīng)檢測(cè)鐵芯中的剩余磁通，并由后端電子線路對(duì)二次電流進(jìn)行反饋控制，直至鐵芯處于零磁通狀態(tài)，一次、二次實(shí)現(xiàn)安匝平衡[4，5]。

根據(jù)工作原理，霍爾元件臨近磁場(chǎng)(如電流回線)的干擾、二次電路的零點(diǎn)漂移都將影響傳感器的測(cè)量精度，在傳感器安裝完成后以及長(zhǎng)期運(yùn)行后都需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)。但是，超大電流霍爾傳感器的體積、重量龐大，安裝、運(yùn)輸不便，企業(yè)生產(chǎn)也不可間斷，因此，無(wú)法送到計(jì)量實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，在線校準(zhǔn)是合理且經(jīng)濟(jì)的計(jì)量手段。

基于Faraday磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器通過(guò)測(cè)量?jī)墒粓A偏振光之間的相位差實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量[6～9]。采用閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，可以保證傳感器在很大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有較高的線性度。光纖敏感環(huán)采用柔性封裝設(shè)計(jì)，無(wú)需斷開(kāi)載流母線直接形成閉合測(cè)量環(huán)路，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，測(cè)量精度對(duì)環(huán)路形狀、母線偏心、雜散磁場(chǎng)干擾的敏感度較低，一般優(yōu)于0.2%，非常適用于超大直流電流的在線校準(zhǔn)。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，霍爾電流傳感器的輸出直接接入二次測(cè)控系統(tǒng)，一般沒(méi)有預(yù)留計(jì)量接口。為解決該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字圖像識(shí)別和光纖傳感器的直流超大電流在線校準(zhǔn)裝置，利用圖像傳感器采集霍爾電流傳感器二次顯示儀表的示數(shù)圖像，通過(guò)上位機(jī)圖像處理算法還原傳感器的測(cè)量值[10，11]，并與光纖電流傳感器的采樣值實(shí)時(shí)比較，實(shí)現(xiàn)了霍爾電流傳感器的在線校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

如圖1所示，本裝置由光纖電流傳感器、圖像傳感器、上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。光纖電流傳感器為現(xiàn)場(chǎng)直流超大電流測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，采用光信號(hào)輸出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)USB接口進(jìn)入上位機(jī)。圖像傳感器主要用于采集霍爾電流傳感器二次顯示儀表的示數(shù)圖像，并將圖像信息通過(guò)以太網(wǎng)傳入上位機(jī)。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集光纖電流傳感器和圖像傳感器的輸出，通過(guò)圖像處理算法獲取霍爾電流傳感器的測(cè)量值，并與圖像獲取開(kāi)始至圖像識(shí)別完成時(shí)間段內(nèi)光纖電流傳感器采樣值的平均值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)計(jì)算霍爾傳感器的測(cè)量誤差。

圖1 直流大電流在線校準(zhǔn)裝置Fig.1 DC high current online calibration device

2.2 標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器

系統(tǒng)采用光纖電流傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)，原理如圖2所示[12]。光源發(fā)出的光經(jīng)環(huán)行器，由起偏器變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)45°光纖熔點(diǎn)被均分到保偏光纖的快、慢軸上。兩束正交的線偏振光沿保偏延遲光纖傳輸，并由1/4波片變?yōu)樽笮?、右旋圓偏振光，在被測(cè)電流的作用下，兩束正交的圓偏振光之間產(chǎn)生相位差，該相位差與被測(cè)電流成正比。經(jīng)傳感光纖末端反射鏡反射后沿原路返回，相位差加倍。兩束正交圓偏振光經(jīng)1/4波片再次變?yōu)榫€偏振光[12～14]，但偏振方向發(fā)生了互換，兩束線偏振光最終經(jīng)偏振器檢偏并發(fā)生干涉。兩束信號(hào)光沿光路傳輸?shù)倪^(guò)程中分別經(jīng)歷了正交的偏振模式，只是先后順序不同，傳感器的光路結(jié)構(gòu)完全互易，它們之間的相位差僅由被測(cè)電流產(chǎn)生的Faraday相移φs產(chǎn)生，可表示為：

圖2 光纖電流互感器原理示意圖Fig.2 Configuration of fiber-optic current sensor

φs=4F=4VNI

(1)

式中：V為傳感光纖的Verdet常數(shù)；N為光纖圈數(shù)；I為被測(cè)電流。

干涉光強(qiáng)由光電探測(cè)器變?yōu)殡娦盘?hào)，閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)相位調(diào)制及數(shù)字鎖相技術(shù)從干涉信號(hào)中解調(diào)出被測(cè)電流，并利用階梯波調(diào)制相位反饋補(bǔ)償被測(cè)電流產(chǎn)生的Faraday相移，將系統(tǒng)鎖定在靈敏度最高的工作點(diǎn)上，提高傳感器的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。

基于光纖電流傳感器的量程自擴(kuò)展特性，利用多圈傳感光纖增大等效測(cè)試電流，并采用等安匝法對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。傳感光纖3圈，等安匝電流150 kA，等效電流達(dá)到450 kA，校準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示，測(cè)量不確定度Urel=0.1%，k=2。

圖3 光纖電流傳感器校準(zhǔn)結(jié)果Fig.3 Calibration results for fiber-optic current sensor

2.3 圖像傳感器

本系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器采集霍爾電流傳感器二次顯示儀表的示數(shù)圖像。傳感器的分辨率為2 448×2 048，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為12 bit，圖像的尺寸、曝光時(shí)間、增益等參數(shù)均可程控。傳感器的幀率為20 fps，故獲取單張圖片的時(shí)間約為50 ms。上位機(jī)數(shù)字圖像識(shí)別算法執(zhí)行時(shí)間約為200 ms，故從圖像獲取開(kāi)始至圖像識(shí)別完成獲取電流測(cè)量值的時(shí)間約為250 ms。

3 數(shù)字圖像處理與識(shí)別

3.1 圖像處理識(shí)別流程

霍爾電流傳感器二次顯示儀表示數(shù)的識(shí)別流程如圖4所示。對(duì)于不同的二次顯示儀表，示數(shù)的大小、形態(tài)、顏色、區(qū)域都會(huì)存在顯著差異，很難找到通用判據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分割，故首先采用手動(dòng)方式獲取示數(shù)有效區(qū)域，然后對(duì)有效區(qū)域進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、濾波、二值化等預(yù)處理，最后對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別。

圖4 數(shù)字圖像的預(yù)處理與識(shí)別過(guò)程Fig.4 Pretreatment and identification process of digital image

3.2 預(yù)處理

3.2.1 灰度轉(zhuǎn)換

由于彩色圖像比較復(fù)雜，包含的信息較多，對(duì)數(shù)字識(shí)別的準(zhǔn)確度造成很大影響，需要對(duì)有效區(qū)域進(jìn)行灰度化處理，圖像灰度化是將彩色圖像中的彩色信息剔除。保留了圖像的亮暗信息，簡(jiǎn)化了處理的過(guò)程又不會(huì)影響識(shí)別的精度。

3.2.2 中值濾波

在采集的圖像中往往會(huì)帶有噪聲，噪聲對(duì)數(shù)字識(shí)別的精度會(huì)造成一定的影響，需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。本文采用中值濾波處理圖像，中值濾波可以過(guò)濾掉圖像中的高頻或者低頻分量，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是既消除了噪聲，又防止圖像邊緣模糊。

3.2.3 二值化

圖像二值化是把灰度圖像轉(zhuǎn)為二值化圖像，便于將儀表示數(shù)從背景中提取出來(lái)?；叶葓D像中點(diǎn)的像素取值范圍為0～255，而在二值化圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)的取值僅為0或者255。處理方法為：

(2)

式中：w(i，j)為二值化后點(diǎn)的像素值；T為閾值。

根據(jù)式(2)：灰度圖中，如果一個(gè)點(diǎn)的像素點(diǎn)的灰度值小于閾值，則這一點(diǎn)的灰度值置為0；若一個(gè)點(diǎn)的像素灰度值大于等于閾值，則這一點(diǎn)的灰度值置為255。這就是灰度圖進(jìn)行二值化的本質(zhì)。圖像經(jīng)過(guò)二值化處理之后，圖像僅有黑、白兩種顏色，這樣可以很容易地將背景與目標(biāo)區(qū)分。

3.2.4 閉運(yùn)算

閉運(yùn)算是首先對(duì)圖像先進(jìn)行膨脹處理，然后進(jìn)行腐蝕處理，該過(guò)程具有連接臨近圖像的作用。本文需要識(shí)別的數(shù)字是數(shù)碼管數(shù)字，而該類數(shù)字的每一段數(shù)碼管是不相連的，需要通過(guò)閉運(yùn)算將數(shù)碼管連接形成一個(gè)整體。

3.2.5 字符分割

字符分割是把整個(gè)圖像的每個(gè)字符分割出來(lái)，使其成為單個(gè)字符。圖像完成二值化和閉運(yùn)算處理后，每個(gè)字符構(gòu)成了若干個(gè)獨(dú)立的連通域。找到每個(gè)連通域行列的起始位置和終止位置，記錄最大最小的橫縱坐標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)矩形區(qū)，最終分割出單個(gè)字符。本系統(tǒng)的圖像識(shí)別方法需針對(duì)示數(shù)的每個(gè)數(shù)字分別識(shí)別，圖像傳感器采集到的圖像由多個(gè)數(shù)字組成，需將這些數(shù)字逐個(gè)分割。

3.3 儀表示數(shù)的識(shí)別

3.3.1 小數(shù)點(diǎn)的識(shí)別

由于小數(shù)點(diǎn)距其兩側(cè)的數(shù)字距離較小，若直接進(jìn)行閉運(yùn)算，容易導(dǎo)致小數(shù)點(diǎn)與數(shù)字串聯(lián)形成一個(gè)整體。因此，在進(jìn)行閉運(yùn)算之前，必須首先找到小數(shù)點(diǎn)的位置，可通過(guò)輪廓的大小進(jìn)行篩選。若寬高比在1到2之間，且縱坐標(biāo)在數(shù)字的下方位置，則說(shuō)明是小數(shù)點(diǎn)，記錄該小數(shù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)，并將小數(shù)點(diǎn)所在的所有區(qū)域的像素設(shè)置為(0，0，0)。當(dāng)數(shù)字識(shí)別完成之后，通過(guò)橫坐標(biāo)的大小，在識(shí)別結(jié)果中加入小數(shù)點(diǎn)。

3.3.2 數(shù)字識(shí)別

數(shù)碼管式顯示儀表的示數(shù)由7段數(shù)碼管組合而成，其中垂直方向有4段，水平方向有3段，且沒(méi)有弧度，故穿線法適用于此類示數(shù)的識(shí)別。穿線法是一種簡(jiǎn)易而快捷的方法，在確定每個(gè)字符所在的位置后，通過(guò)判斷每一段數(shù)碼管的亮暗情況來(lái)識(shí)別相應(yīng)的數(shù)值。對(duì)于數(shù)字圖像，每一段數(shù)碼管的像數(shù)值個(gè)數(shù)可以表示亮暗情況。

如圖5所示，在完成字符分割后，接著分別在平行于字符水平方向的1/3處和2/3處作兩條分割線，穿過(guò)F、G兩段以及D、E兩段；在平行于字符豎直方向1/2處作一條分割線，穿過(guò)A、B、C三段。在數(shù)字識(shí)別過(guò)程中，實(shí)際顯示字符的判斷可以以提取到的這7段的特征值作為依據(jù)。對(duì)兩條水平分割線，在水平線上對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行從左到右掃描，可知D、E、F、G這4個(gè)數(shù)碼管是亮還是暗。同理，對(duì)于豎直分割線，對(duì)像素進(jìn)行從上到下掃描，通過(guò)判斷該豎直線與A、B、C三段是否相交，來(lái)判斷A、B、C這幾根數(shù)碼管的發(fā)亮情況。最后，排列組合以上得到的掃描結(jié)果，即可得出數(shù)字區(qū)域中數(shù)字的識(shí)別結(jié)果。對(duì)應(yīng)的結(jié)果如表1所示。

圖5 穿線法識(shí)別數(shù)字Fig.5 Number identification by threading method

表1 數(shù)字特征表Tab.1 Recognition result table

對(duì)于數(shù)字1，若直接采用穿線法，則與數(shù)字8的特性相同，無(wú)法采用穿線法進(jìn)行識(shí)別。因此采用寬和高之間的比值來(lái)判定，當(dāng)其高和寬之間的比例大于4，則認(rèn)為該數(shù)字為1。

在本系統(tǒng)中，穿線法識(shí)別的正確率直接影響測(cè)量結(jié)果，為了驗(yàn)證該方法的可行性，筆者采用400張不同的數(shù)字圖像進(jìn)行識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穿線法的識(shí)別正確率可達(dá)97%以上。

4 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

利用本文研制的直流超大電流在線校準(zhǔn)裝置對(duì)某電解鋁廠總母線霍爾電流傳感器進(jìn)行了在線校準(zhǔn)。如圖6所示，光纖電流傳感器用于測(cè)量一次總母線電流，為避免現(xiàn)場(chǎng)惡劣電磁環(huán)境的干擾，傳感器的測(cè)量值采用光纖傳輸至中控室上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。上位機(jī)軟件控制圖像傳感器采集中控室內(nèi)霍爾電流傳感器二次儀表的示數(shù)，并對(duì)回傳圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，將識(shí)別結(jié)果與光纖電流傳感器的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。二次顯示儀表示數(shù)刷新時(shí)間為1 s，大于示數(shù)圖像識(shí)別時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)漏讀數(shù)據(jù)的情況。

圖6 總電流霍爾傳感器在線校準(zhǔn)Fig.6 Hallcurrent sensor online calibration

圖7所示為光纖電流傳感器、霍爾電流傳感器測(cè)量結(jié)果及誤差曲線。從測(cè)試結(jié)果可得：總母線電流整體較為穩(wěn)定，400 kA下被?；魻柎箅娏鱾鞲衅鞯臏y(cè)量誤差小于0.35%。

圖7 總母線霍爾電流傳感器校準(zhǔn)結(jié)果Fig.7 Calibration result for Hall current sensor

5 結(jié) 論

針對(duì)金屬電解及氯堿化工領(lǐng)域霍爾超大直流電流傳感器的在線校準(zhǔn)問(wèn)題，基于光纖電流傳感技術(shù)和數(shù)字圖像處理、識(shí)別技術(shù)，研制了一套直流超大電流在線校準(zhǔn)裝置，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1) 系統(tǒng)可正確識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)霍爾電流傳感器二次顯示儀表的示數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)光纖電流傳感器的實(shí)時(shí)比較，證明了校準(zhǔn)方法及裝置的可行性。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該霍爾大電流傳感器在400 kA下測(cè)量誤差小于0.35%。

本裝置僅適用于穩(wěn)態(tài)直流超大電流的校準(zhǔn)，對(duì)于工藝過(guò)程突變引發(fā)的電解電流瞬態(tài)變化，受限于圖像采集及識(shí)別算法的實(shí)時(shí)性，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉。由于運(yùn)行環(huán)境強(qiáng)烈的外磁場(chǎng)干擾以及二次信號(hào)處理電路零點(diǎn)漂移的影響，安裝后校準(zhǔn)及長(zhǎng)期運(yùn)行后周期校準(zhǔn)在所難免；因此，建議傳感器的生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)量接口，以便與標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)同步比較，全面評(píng)估傳感器的運(yùn)行狀態(tài)。