液位計自動檢測裝置的研制

何亞洲，張 強(qiáng)，趙 峰，衡順發(fā)

（江蘇省計量科學(xué)研究院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

液位計是工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)中用以指示和控制液位的儀表[1]，包括的類型有浮子式、浮球式、浮筒式、壓力式、電導(dǎo)式和反射式等，廣泛應(yīng)用于石油能源、江河水文觀察與監(jiān)控、醫(yī)藥化工、冶金制造、水氣處理與供應(yīng)等各種行業(yè)中。

目前國內(nèi)已有利用精密光柵尺和CCD成像技術(shù)檢測液位的裝置，但僅作為手動控制，不能實現(xiàn)對液位的自動跟蹤與測量。本裝置在JJG971-2002《液位計檢定規(guī)程》要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)器視覺與伺服運(yùn)動控制相結(jié)合的方法[2]，通過步進(jìn)電機(jī)帶動工業(yè)CCD在垂直大理石氣浮導(dǎo)軌上運(yùn)動，采用精密光柵尺讀數(shù)，并編制出液位的自動檢測軟件系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了對液位計的自動控制與測量，減小了因人為讀數(shù)帶來的誤差影響，提高了測量準(zhǔn)確度。在0～2 000mm的全量程范圍內(nèi)，擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.2mm（k=2）。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理及實現(xiàn)方式

石英玻璃管與放置被測液位計的水槽形成連通器，兩者內(nèi)部的液位高度相同。計算機(jī)控制循環(huán)水泵和電磁閥，通過進(jìn)水和排水，實現(xiàn)液面的升降。在石英玻璃管旁安裝的高精密豎直大理石氣浮導(dǎo)軌上面貼附有光柵尺，運(yùn)動控制部分用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動精密絲杠，帶動光柵傳感器的讀數(shù)頭和攝像頭沿大理石氣浮導(dǎo)軌上下移動，用攝像頭加視覺軟件的方式跟蹤石英玻璃管內(nèi)液面的位置。測量系統(tǒng)應(yīng)用了模擬刻線與凹液面下緣相切的瞄準(zhǔn)方法[3]，當(dāng)視頻中固定模擬刻線與玻璃管中的液面下緣面相切時，軟件采集并記錄光柵位移傳感器的數(shù)據(jù)。

1.2 結(jié)構(gòu)與組成

液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動控制以及供水等部分組成。液位測量數(shù)據(jù)采集部分由精密光柵尺、攝像頭及計算機(jī)組成；運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由大理石氣浮導(dǎo)軌、空氣壓縮機(jī)、精密絲杠、步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)組成；供水部分由不銹鋼循環(huán)水泵和不銹鋼水箱、電磁閥，單向閥等組成。

圖1 液位裝置的結(jié)構(gòu)簡圖

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)采用自上而下的模塊化設(shè)計，程序流程框圖如圖2所示。軟件設(shè)計采用Visual C++6.0開發(fā)工具，該工具可以快速實現(xiàn)可視化編程[4]，并且具有較強(qiáng)的底層硬件操作能力。軟件在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行，實現(xiàn)的功能主要包括液位位置的自動控制、跟蹤、測量、數(shù)據(jù)處理及生成檢測結(jié)果等[5]。其中，液位的自動控制與跟蹤是本課題的關(guān)鍵。通過大量的實驗研究，結(jié)合本項目實際條件，最終利用光線反射的原理，采取變量閾值的方法，解決液位的自動判斷與控制方面的難題；采取模擬刻線的方法以及利用軟件對圖形的處理技術(shù)，解決了液面的精確測量問題。具體為以下2點：

（1）利用光線反射的原理，采取變量閾值的設(shè)定，在石英玻璃管中的液位通過攝像頭的成像，尋求出一個最佳的陰影分布圖。在這個分布圖中，由于光線強(qiáng)弱不同而產(chǎn)生的投影也有明暗之分，通過明暗陰影的帶寬不同，可以判斷出此時液面的位置，從而再通過軟件控制循環(huán)水泵和電磁閥的開關(guān)，實現(xiàn)液位的上升和下降。

圖2 程序流程框圖

（2）由于液面的凹面處并不是一條明顯的分界線，而是一個有一定帶寬的分界面，這樣就不能保證每次的測量都在分界面的同一個點處，因測量點位置不同就會對液位的精密測量產(chǎn)生不確定的影響。通過軟件對圖形處理，在圖形中找出一相對固定點，將這一點作為每次測量時的液面基準(zhǔn)點，同時應(yīng)用了模擬刻線的方法，利用模擬刻線與這一點相切，認(rèn)為是與凹液面下緣相切，即當(dāng)視頻中固定模擬刻線與玻璃管中的液面下緣面相切時，軟件采集并記錄光柵位移傳感器的數(shù)據(jù)。這種采用了相對測量的方法，保證了每次測量的一致性，減小了因分界面不明顯而造成的不確定影響，大大提高測量的準(zhǔn)確度[6]。系統(tǒng)主界面如圖3所示。

以上2個問題是本項目在自動控制和精確測量2個方面的關(guān)鍵問題，這2個問題的解決，使得本裝置完全實現(xiàn)了真正意義上的自動控制和精確測量，目前在國內(nèi)未見有相同的解決方案。

3 計量性能測試

項目中所有數(shù)據(jù)最終是通過貼附于大理石導(dǎo)軌表面的精密光柵尺測量的。光柵尺經(jīng)過激光干涉儀校準(zhǔn)之后，在2 000 mm的全量程范圍內(nèi)，誤差小于20μm，保證了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了驗證整個系統(tǒng)的性能，選取在任一液位處的多次測量（如表1）和在不同液位處的重復(fù)測量（如表2）的方式，最終的測試結(jié)果都表明系統(tǒng)具有良好的計量性能。

圖3 系統(tǒng)主界面

4 系統(tǒng)不確定度評定

數(shù)學(xué)模型[7]為

式中：L——實際液位值，mm；

La——光柵尺讀數(shù)值，mm；

Lb——自動采集液面帶來的誤差影響，mm；

Lc——溫度變化帶來的示值影響，mm；

Ld——光柵尺安裝不垂直造成的測量誤差，mm；

Le——測量重復(fù)性引入的影響，mm。

系統(tǒng)測量的不確定度[8]主要取決于光柵及移動機(jī)構(gòu)引入的誤差、自動采集液面帶來的影響、溫度變化帶來的示值影響、光柵尺安裝不垂直以及測量重復(fù)性等因素。相對于同類裝置，本系統(tǒng)采用精制大理石氣浮導(dǎo)軌為固定導(dǎo)軌，光柵尺貼附于光滑導(dǎo)軌之上，并不隨外殼的伸縮而移動，大理石導(dǎo)軌的堅實性為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定性和高重復(fù)性，其高平面度及直線度也減小了對光柵尺的誤差影響；攝像頭檢測液位的方法相對于以往的經(jīng)驗也做了改進(jìn)，采用模擬刻線與液面下緣定閾值點相切的測量方式，更準(zhǔn)確尋找切點位置，減小了模擬刻線切液面下緣帶來的誤差影響；系統(tǒng)采取溫度補(bǔ)償，減小溫度對示值的影響；大理石導(dǎo)軌以及光柵尺在安裝時采用懸垂線校正，保證安裝的垂直度。

表1 某個液位高度處重復(fù)測量數(shù)據(jù)（單位：mm）

表2 多個液位高度處重復(fù)測量數(shù)據(jù)（單位：mm）

表3 液位計測量的不確定度分量匯總表

通過分析計算，液位計測量的不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

表3中各個分量獨立不相關(guān)，系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

5 結(jié)束語

本項目的主要技術(shù)特點和創(chuàng)新性概括如下：

（1）利用步進(jìn)電機(jī)帶動攝像頭跟蹤液面，應(yīng)用光柵尺讀數(shù)和模擬刻線方法，在CCD成像技術(shù)基礎(chǔ)上采用視覺軟件自動檢測液位，實現(xiàn)了對液位的自動控制與測量。

（2）裝置創(chuàng)新性地應(yīng)用了視覺軟件，可根據(jù)浮動閾值自動判斷液面位置，并首次應(yīng)用了精密大理石氣浮導(dǎo)軌，其平面度與直線度均優(yōu)于5 μm，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，減小系統(tǒng)重復(fù)性，提高測量精度。

（3）自主開發(fā)的自動檢測軟件，界面友好，功能完整，操作簡單直觀，提高了檢測效率。

（4）裝置的測量范圍為0～2000mm，全量程擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.20mm（k=2）。

本項目可以對液位計實現(xiàn)自動控制與精確測量，具有很好的實用價值和創(chuàng)先特點，但由于受到JJG 971-2002《液位計檢定規(guī)程》的局限，只建立了量程為2000mm的裝置，對量程大于2000mm的液位計無法實現(xiàn)測量，今后在量程擴(kuò)展方面還有改進(jìn)的空間。

[1]JJG 971—2002液位計[S]．北京：中國計量出版社，2002.

[2]楊獻(xiàn)勇.熱工過程自動控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：95-150.

[3]郭立功.液位計自動檢測系統(tǒng)的研制[J].計量學(xué)報，2007，28（3A）：1-2.

[4]陳檢春.Visual C++高級編程技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1999：2-25.

[5]張勇，王時禮.運(yùn)用串口數(shù)據(jù)通信與Excel表格技術(shù)提高長度計量效率[J].機(jī)電技術(shù)，2010（1）：12-13.

[6]薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Sinulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：192-249.

[7]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計量司.測量不確定度評定與表示指南[M].北京：中國計量出版社，2000：10-20.

[8]中國計量測試學(xué)壓力專業(yè)委員會.壓力測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2006：160-165.