自動(dòng)傾點(diǎn)測(cè)定器的研究

(中科院研究生院軟件學(xué)院1，北京 100190；上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2，上海 200093；上海工業(yè)大學(xué)機(jī)械系3，上海 200001)

0 引言

油品在規(guī)定條件下冷卻時(shí)能夠流動(dòng)的最低溫度稱為傾點(diǎn)[1]，傾點(diǎn)偏高，油品的低溫流動(dòng)性就差。人們可以根據(jù)油品傾點(diǎn)的高低，考慮在低溫條件下運(yùn)輸、儲(chǔ)存和收發(fā)時(shí)應(yīng)該采取的措施，也可以用來(lái)評(píng)估某些油品的低溫使用性能[2]。傾點(diǎn)的測(cè)定原理：試樣經(jīng)預(yù)處理后，在規(guī)定速度下冷卻，每間隔1 ℃或3 ℃檢查一次試樣的流動(dòng)性，記錄觀察到試樣能流動(dòng)的最低溫度作為傾點(diǎn)[3-4]。

用手動(dòng)儀器測(cè)定傾點(diǎn)時(shí)，需要不斷將試樣從低溫浴中拿出傾斜，并用肉眼觀測(cè)油品的流動(dòng)情況，判斷是否達(dá)到傾點(diǎn)[5-6]。若遇到傾點(diǎn)值較低的油樣，試驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)，且試樣管表面迅速結(jié)霜還會(huì)影響操作員觀察。試驗(yàn)結(jié)果受主觀因素影響較大，所以研究自動(dòng)傾點(diǎn)測(cè)定儀器很有必要。

1 儀器設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械部分

儀器為落地式，分成上下兩個(gè)模塊，重疊在一起。下面放置兩臺(tái)壓縮機(jī)、冷凝器、中冷模塊、各類電源、控制板卡、主機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等；上面放置米思米導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、工業(yè)相機(jī)、Pt100傳感器和金屬浴等。底座帶四個(gè)滾輪和鎖緊裝置，滾輪用于移動(dòng)整個(gè)儀器，鎖緊裝置可以減小儀器的抖動(dòng)(壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)所致)。

1.2 電氣部分

電氣部分如圖1所示。因?yàn)榇嬖趬嚎s機(jī)等感性負(fù)載，對(duì)儀器的抗擾度有所要求，設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮。

圖1 電氣控制圖

各個(gè)部分功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

① 工業(yè)相機(jī)：帶鏡頭和光源，能夠拍攝出清晰的圖片。

② 平板電腦：觸摸屏；主機(jī)體積小，便于裝配和固定；配置上能快速處理圖像。

③ 兩路Pt100：一路檢測(cè)金屬浴的溫度，一路檢測(cè)試樣的溫度，當(dāng)試樣的溫度到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度點(diǎn)時(shí)，金屬浴自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)要控制的溫度點(diǎn)。

④ 加熱管：用于給金屬浴加熱，由于壓縮機(jī)是不進(jìn)行控制的，上電一直啟動(dòng)給金屬浴制冷，所以通過(guò)控制加熱來(lái)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15.0 ℃、+0.0 ℃、-18 ℃、-33.0 ℃、-51.0 ℃、-69.0 ℃幾個(gè)控溫點(diǎn)。

⑤ 旋轉(zhuǎn)和升降步進(jìn)電機(jī)：升降電機(jī)用于將試樣管從金屬浴取出和放入，旋轉(zhuǎn)電機(jī)則帶動(dòng)試樣管旋轉(zhuǎn)一定的角度，便于圖像識(shí)別油樣是否流動(dòng)。

⑥ 限位開(kāi)關(guān)：用于在系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)，保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠回到垂直位置，使儀器每次都能將試樣管準(zhǔn)確地放回到浴中。

2 金屬浴的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的傾點(diǎn)測(cè)試采用的是酒精浴[7]，酒精浴內(nèi)放置金屬套筒，金屬套筒和測(cè)試玻璃管之間采用空氣隔離方式，所以油品的降溫速度非常慢。一個(gè)低于-51 ℃的傾點(diǎn)的試樣試驗(yàn)時(shí)間需3 h以上，效率較低。為了快速將浴冷卻到所需要的溫度，本儀器采用直冷技術(shù)，重新設(shè)計(jì)了如圖2所示的金屬浴。圓柱形螺旋狀冷凝管與金屬浴圓柱面直接接觸并形成配合。浴加工成圓弧狀，以保證熱傳導(dǎo)效率良好。浴周?chē)鶆蚍胖昧訜岚?，總功?00 W，可以控制其輸出功率的大小，來(lái)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的油溫呈梯度下降。

圖2 金屬浴

試驗(yàn)表明，該冷浴的效果相當(dāng)不錯(cuò)，降溫速度快，可以在2 min內(nèi)降溫20 ℃，制冷深度低，在本地冬天環(huán)境溫度下可達(dá)到-87 ℃；也可以在10 min之內(nèi)，使浴溫升高到60 ℃。

3 圖像識(shí)別分析

按照ASTM D6892標(biāo)準(zhǔn)，使用一臺(tái)安裝在測(cè)試裝置頂部的照相系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)試樣的表面是否流動(dòng)并且記錄試樣的溫度[8]。實(shí)現(xiàn)步驟如下。

① 將試管升起，在垂直位置拍攝一張照片作為基準(zhǔn)。

② 傾斜一個(gè)角度，拍攝第二張照片作為比較，假設(shè)第二張照片上液面發(fā)生了移動(dòng)現(xiàn)象，那么判定傾點(diǎn)沒(méi)有達(dá)到，試管重新放入浴中繼續(xù)試驗(yàn)。

③ 繼續(xù)傾斜，并連續(xù)拍照以檢驗(yàn)液面是否有移動(dòng)現(xiàn)象。如果液面移動(dòng)，繼續(xù)試驗(yàn)。

④ 一直轉(zhuǎn)動(dòng)到試管處于水平位置，停留5 s，假設(shè)沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象，那么認(rèn)為非流動(dòng)點(diǎn)已到，同時(shí)也得到了傾點(diǎn)。

整個(gè)圖像處理采用直方圖比較[9-10]的方法，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括以下5個(gè)步驟。

① 視頻預(yù)覽：調(diào)用相機(jī)供應(yīng)商所提供函數(shù)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。首先設(shè)置顯示參數(shù)和窗口：調(diào)用 MV_SetDisplayWindow設(shè)置主窗體為顯示視頻的窗口，調(diào)用 MV_SetDisplayPos設(shè)置視頻在窗口中顯示的位置，調(diào)用 MV_SetDisplaySize 設(shè)置視頻在窗口中顯示的大小，并傳入視頻縮放參數(shù)。然后啟動(dòng)預(yù)覽：調(diào)用 MV_StartPreview啟動(dòng)預(yù)覽，停止則用 MV_StopPreview。最后響應(yīng)WM_PAINT 函數(shù)，在窗口重繪函數(shù)中調(diào)用 MV_Repaint進(jìn)行畫(huà)面更新。

② 采集圖像：調(diào)用MV_SnapImageData進(jìn)行圖像采集，并將其存入緩沖區(qū)。

③ 去除無(wú)關(guān)圖像：主要用到兩個(gè)PictureBox和3個(gè)Slider控件，一個(gè)PictureBox的大小為320×240(視頻顯示的窗口大小)，背景色設(shè)置為黑色；另一個(gè)PictureBox則調(diào)用其Circle函數(shù)畫(huà)圓(直徑參考做試驗(yàn)用的試管內(nèi)徑)，背景色設(shè)置為白色。3個(gè)Slider控件分別用于調(diào)整白色圓的水平距離、垂直距離和半徑大小。所有參數(shù)都設(shè)置好以后，將其保存成圖片的格式以備后用。黑白參照?qǐng)D如圖3所示。白色圓內(nèi)即為油樣區(qū)域，黑色長(zhǎng)方形以內(nèi)圓以外的區(qū)域則為干擾區(qū)域，應(yīng)去除。

圖3 黑白參照?qǐng)D

④ 設(shè)定閾值：當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一定條件時(shí)，取連續(xù)的兩幅圖片進(jìn)行直方圖計(jì)算后，得到相應(yīng)的差值，即閾值。軟件設(shè)定閾值的范圍為20～800。將多次試驗(yàn)值與標(biāo)樣的傾點(diǎn)值進(jìn)行比較，確定閾值的大小為600。每臺(tái)儀器相機(jī)本身的誤差和裝配過(guò)程中的一些不確定因素可能會(huì)導(dǎo)致閾值的范圍和最終確定的閾值不一樣，可通過(guò)多次調(diào)試來(lái)解決。

⑤ 分析比較圖像：在主窗體中放入4個(gè)PictureBox，其名稱分別為picMaskVideo、picCopyVideo、picBaseVideo和picCompareVideo，四者的大小都一樣，Visible屬性都設(shè)為False。picMaskVideo用于加載第三步保存的圖片，并建立緩沖數(shù)組分別計(jì)算其RGB像素值，取值為白色所對(duì)應(yīng)的數(shù)組用于分析油的流動(dòng)性，黑色的則不進(jìn)行比較。picCopyVideo在定時(shí)器的作用下不停地將視頻采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制；當(dāng)油樣的溫度達(dá)到一定的值，試管升起并旋轉(zhuǎn)時(shí)，picBaseVideo和picCompareVideo分別取picCopyVideo中的連續(xù)兩幅圖進(jìn)行值的比較，取二者差值。當(dāng)差值小于閾值時(shí)，試管回到浴中，等待進(jìn)行第二次比較；當(dāng)差值大于閾值，則試樣的傾點(diǎn)值到達(dá)，試驗(yàn)停止。

4 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件，采用VB語(yǔ)言，標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作界面負(fù)責(zé)界面顯示、圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)記錄和打印等模塊。上位機(jī)軟件整體構(gòu)架如圖4所示。

圖4 軟件整體構(gòu)架圖

各個(gè)窗體和模塊的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

窗體方面：frmMethod用于設(shè)定溫度間隔、冷浴溫度和預(yù)傾點(diǎn)等內(nèi)容；frmInfoInput用于做試驗(yàn)前需輸入的一些基本信息，如試驗(yàn)員名稱、油樣名稱和公司信息等；frmRecord用于查看每次試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)果都以xml的格式保存；frmSet用于選擇輸入法所在文件位置，調(diào)整圖像的水平中心、垂直中心、半徑和圖像之間的差異值；frmRobotInfo用于顯示米思米升降機(jī)構(gòu)的電壓，電流、溫度和行程等狀態(tài)；frmDiagnosis用于查看機(jī)箱溫度、試樣溫度、冷浴溫度和工業(yè)相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以及調(diào)整旋轉(zhuǎn)電機(jī)到各個(gè)位置。

模塊方面：basMVCAM為圖像處理要調(diào)用的一些函數(shù)；basModbus用于上位機(jī)與下位機(jī)通信時(shí)采用的Modbus協(xié)議的處理；basRobotCtrl用于控制米思米升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)；basSerial為兩個(gè)串口配置的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)與米思米通信，另一個(gè)與單片機(jī)控制板通信；basPrintDoc用于打印試驗(yàn)結(jié)果；basIniFile為ini配置文件的實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)傾點(diǎn)測(cè)定器是集圖像處理、自動(dòng)控制、傳感器測(cè)控和通信系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)。儀器具備全自動(dòng)試驗(yàn)判斷、實(shí)時(shí)視頻顯示、試驗(yàn)結(jié)果查詢/打印和溫度校正等功能，為操作人員提供了一個(gè)精確、便捷的試驗(yàn)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試不同油樣表明，儀器的重復(fù)性和再現(xiàn)性均符合標(biāo)準(zhǔn)，能很好地替代手動(dòng)傾點(diǎn)儀器。

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