基于圖像識別和GPS技術的全自動補償式微壓計的設計

李倩，甘蓉

（1.貴州省計量測試院，貴州 貴陽550003；2.中國測試技術研究院，四川 成都610021）

0 引言

補償式微壓計具有優(yōu)良的計量性能和穩(wěn)定性，在進行微壓計量時通常優(yōu)先選用其作為標準器，我國的-2.5～2.5 kPa壓力計量基準也采用補償式微壓計［1］。但是傳統(tǒng)的補償式微壓計［2］由于其設計上的局限性，在使用中存在人員讀數(shù)影響大、抬升準確度不高、溫度修正計算方式不合理等問題。為解決這些問題，本文研制了一種全自動補償式微壓計，采用高清攝像頭代替人眼讀數(shù)［3］，利用軟件對采集圖片進行邏輯分析［4］，大幅減小了讀數(shù)誤差，并增加了傳統(tǒng)補償式微壓計不具備的實時液相溫度測量功能，通過核心算法修正因溫度影響介質密度變化［5］而對測量結果的影響，增加實地重力加速度測量功能［6］，修正重力加速度對測量結果的影響［7］。本文還利用高準確度滑臺電機定位代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動方式抬升大容器［8］，使位移測量準確度得到進一步提高。

1 傳統(tǒng)補償式微壓計

1.1 傳統(tǒng)補償式微壓計的構造

傳統(tǒng)補償式微壓計主要由大容器、小容器、垂直標尺、讀數(shù)尖頭、平面鏡、調零螺母及外殼部分等構成［9-15］，如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)補償式微壓計的工作原理

圖1 微壓計結構示意圖

補償式微壓計基于連通器原理：在底部互相連通的容器中注入工作介質，在液體不流動時連通器內各容器的液面總是保持在同一水平面上。補償式微壓計在工作時通過提升大容器的位置來補償壓力造成的小容器水平面的下降，使小容器水平面恢復到原來的零位位置，即采用補償原理使大小容器的液位差所產生的壓力與被測壓力相平衡。

1.3 傳統(tǒng)補償式微壓計的使用和計算

1.3.1 讀數(shù)方法

旋轉微壓計頂部轉盤，使大容器上的刻線與垂直標尺上的相應刻度對齊，通過平面鏡觀察讀數(shù)尖頭與小容器中液面的位置，可觀察到尖頭及其倒影，通過微調旋轉標尺，使讀數(shù)尖頭與其倒影相切，如圖2所示，則大小容器的壓強處于平衡狀態(tài)，這時分別讀取垂直刻度和轉盤指示的刻度，獲得最終讀數(shù)。

圖2 水準頭讀數(shù)位置

1.3.2 計算方法

考慮大氣壓力的影響后，補償式微壓計測量值為

式中：pm為微壓計的實際壓力值，Pa；ρw為檢定溫度下的純水密度，kg／m3；g為使用地點重力加速度，m／s2；H為大容器抬升高度，m；p0為檢定時的大氣壓值，Pa。

2 傳統(tǒng)補償式微壓計存在的問題

2.1 讀數(shù)不準

傳統(tǒng)補償式微壓計在讀數(shù)時，用平面鏡觀察讀數(shù)尖頭與其倒影是否相切，以確認大小容器是否達到壓力平衡狀態(tài)。這種讀數(shù)方法存在較強的主觀性，對檢定員的經(jīng)驗有較高要求，不同檢定員的檢定結果存在一定偏差，人員讀數(shù)誤差不可避免。

2.2 參與計算的參數(shù)不準確

從式（1）可知，補償式微壓計給出的壓力值與檢定溫度下的純水密度、使用地點重力加速度和檢定時的大氣壓值密切相關，這些參數(shù)是否準確，與補償式微壓計的準確度密切相關。

2.2.1 純水密度

純水密度值與溫度密切相關，目前獲取純水密度的方法主要有直接測量法和測量純水溫度后查表獲得密度法兩種，但由于補償式微壓計所用的純水是密封在容器內的，不易采用直接測量法實現(xiàn)，只能用環(huán)境溫度代替真實的純水溫度來得到密度值。顯然，密閉于容器內的純水溫度與環(huán)境溫度不完全一致，因此，這里得到的純水密度是不準確的。

2.2.2 使用地點的重力加速度

通常使用查表法獲取當?shù)氐闹亓铀俣戎担亓铀俣鹊膶φ毡碇袃H列出了全國主要城市的重力加速度值，很多地區(qū)的重力加速度值無法查到，只能使用表中所列最近城市的重力加速度值，導致引入計算誤差。

2.2.3 檢定時的大氣壓值

在使用補償式微壓計開展檢測工作時，通常使用空盒氣壓表讀取當時的大氣壓力值，但空盒氣壓表的準確度為±2.5 hPa級別，對于微壓計而言顯然誤差太大。由于一個地區(qū)的大氣壓力值通常都在某一較小范圍內波動，有很多檢定人員也會直接使用經(jīng)驗值進行計算。

2.3 抬升準確度不足

傳統(tǒng)的補償式微壓計的提升裝置采用梯形螺紋咬合，使大容器沿微壓計中央的螺桿上下移動。但梯形螺紋的幾何學特性和機械特性所限，不能實現(xiàn)高準確度的精細調整，最小分辨力只能達到10μm，從而導致抬升的高度不準確，對計算公式中的H造成影響。

3 全自動補償式微壓計設計

針對傳統(tǒng)補償式微壓計存在的問題，本文設計了全自動補償式微壓計，運用圖像識別技術、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS（或北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），成功解決了傳統(tǒng)補償式微壓計存在的問題，有效提高了測量準確度和增強了易用性。

3.1 參數(shù)實時測量的實現(xiàn)

3.1.1 水溫測量

為得到更準確的純水密度值，必須對純水水溫進行精確測量，為此，該微壓計選用了A級Pt100鉑電阻溫度傳感器作為感溫原件，根據(jù)90溫標熱電阻分度表直接得到實時介質溫度，誤差控制在±0.15℃。得到準確的介質溫度后，通過純水密度表得到準確的介質密度。

3.1.2 重力加速度的測量

為得到準確的重力加速度值，必須獲取所在地的準確經(jīng)緯度坐標，因此將GPS模塊固化在微壓計內，對微壓計所處位置坐標進行實時跟蹤，并通過獲取的坐標值得到準確的緯度及海拔，從而得到測量地點準確的重力加速度值。

3.1.3 大氣壓力的測量

全自動補償式微壓計中內置了61302V型大氣壓力傳感器，測量范圍500～1100 hPa.最大允許誤差±0.02 hPa，更新率1.8 Hz，實時捕捉大氣壓力的微小變化。經(jīng)過核心算法計算，修正大氣壓變化對測量結果的影響。

3.2 提高抬升準確度

將傳統(tǒng)微壓計中的梯形螺紋改為無絲杠的高準確度滑臺電機。該電機采用電磁懸浮方式，具有無接觸性誤差、重復性好等特點。利用LM10型光柵尺測量位移，保證抬升誤差小于1μm。

3.3 讀數(shù)方式的改進

采用圖像識別相似率技術，即：每當設備歸零、重新開始檢定前，拍攝一張零點照片做為檢定零點，大容器無論抬升或下降均以該原始圖像做對比，通過核心算法識別當前圖片與原始圖片的相似率，圖像處理基本過程如圖3所示，當相似率達到預設值時，計算機會提示操作人員，檢定結束。相似率預設值可根據(jù)被檢儀表準確度要求在95.00%至99.99%區(qū)間內進行設置，相似率為95.00%時對準誤差為10μm，相似率為99.99%時對準誤差為2μm.

3.4 自動控制的實現(xiàn)

為實現(xiàn)“一鍵式、全自動、高準確度”的微差壓測量，在設計時運用了先進的PLC及計算機編碼技術，對微壓計的提升、讀數(shù)、計算進行全自動處理。

圖3 圖像處理基本過程

PLC是一種具有微處理器功能的用于自動化控制的數(shù)字運算控制器，可以將控制指令隨時載入內存進行儲存與執(zhí)行。PLC由CPU、指令及數(shù)據(jù)內存、輸入／輸出接口、電源、數(shù)字模擬轉換等單元模塊組成，可實現(xiàn)邏輯控制、時序控制、模擬控制、多機通信等各類功能。本研究中使用了日本歐姆龍公司（C20，C40）編程控制器，并使用圖形化編程語言和文本化編程語言相結合的方式實現(xiàn)控制。圖形化編程語言包括梯形圖（LD-Ladder Diagram）、功能塊圖（FBD-Function Block Diagram）和順序功能圖（SFC-Sequential Function Chart）。文本化編程語言包括指令表（IL-Instruction List）和結構化文本（ST-Structured Text）。

4 使用方法介紹

在軟件登錄界面輸入用戶名和密碼，點擊登錄，登錄成功后選擇儀表檢測按鈕。

4.1 計算抬升高度

通過溫度采集、大氣壓力值采集和重力加速度計算（重力加速值可以輸入定值）三個界面獲取相應參數(shù)，軟件根據(jù)內置公式計算出抬升高度值，界面如圖4所示。

4.2 圖像識別對比

首先點擊零點設置（可多采集幾張零點照片，相似率穩(wěn)定變化達最小值時為最佳狀態(tài)），然后點擊自動分析（軟件根據(jù)相似率給出圖像對比值），界面如圖5所示。

4.3 水面波動區(qū)域及日志記錄

水面波動區(qū)域的檢定頁面由5個部分組成：液位監(jiān)控區(qū)、數(shù)據(jù)采集及實時計算區(qū)域、PLC控制區(qū)、日志與水位數(shù)字模擬區(qū)域和檢定數(shù)據(jù)填寫區(qū)域。根據(jù)相似率變化虛擬水面波動，并顯示日志數(shù)據(jù)的反饋（包括PLC、相機、傳感器等）?？刂票O(jiān)視水面任務不僅能實時查看水面的波動變化，還實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的故障診斷、信息采集預報和調度。以PLC和計算機為核心的信息處理機制完成對綜合信息的管理、計算及檢定過程的計劃、調度、監(jiān)視與自動化控制，實現(xiàn)了全集成自動化。水面波動區(qū)域及日志記錄界面如圖6所示。

圖4 裝置各影響量參數(shù)

圖5 圖像采集界面

圖6 水面波動區(qū)域及日志記錄

4.4 PLC控制

PLC控制界面如圖7所示?？芍苯舆x取圖7控制界面右側的三個定值量程（1500，2500，60 Pa），也可以直接輸入總量程壓力值和平均分點數(shù)，點擊應用即可快速確定檢測點；下方功能按鈕分別為開始檢測（選擇好被檢量程后，設置零點照片并自動分析，然后點擊開始檢測即可進行自動檢定）、清零復位（點擊后壓力值清零，主副電機自動復位）、結束當前（可以人工判斷檢定結束）、跳過檢測（可以跳過檢測點）、上升補壓（手動人工補壓按鈕可以更高提供準確度）、下降補壓（人工降壓按鈕）、自定義抬升高度（根據(jù)抬升高度計算區(qū)域給出的抬升高度值，即需要檢定的壓力點值的換算高度，然后點擊上升或下降檢定）。

圖7 控制界面

5 計量性能測試及不確定度分析

5.1 溯源情況

將全自動補償式微壓計送檢到上級計量技術機構，以0.005級標準裝置為標準器對其進行校準，各點校準數(shù)據(jù)見表1。

表1 溯源數(shù)據(jù) Pa

由溯源數(shù)據(jù)可以看出，該設備符合一等補償式微壓計的最大允許誤差要求，可以作為一等補償式微壓計使用。

5.2 測試數(shù)據(jù)及不確定度分析

為驗證該設備的計量性能是否能夠滿足日常校準檢定工作的需要，以該自動補償式微壓計作為標準器，依據(jù)JJG 875-2005《數(shù)字壓力計檢定規(guī)程》對測量范圍為0～2 kPa、準確度等級為0.02級的精密數(shù)字壓力計進行檢定，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗數(shù)據(jù) Pa

由試驗數(shù)據(jù)可知，被測儀表線性趨于理想狀態(tài)，誤差在0.01%以內，兩次重復性誤差較小。試驗結果滿足重復性誤差設計要求。

使用表2數(shù)據(jù)進行不確定度分析，以公式（2）為測量模型，各不確定度分量匯總見表3。

式中：p為壓力值，Pa；ρ為試驗溫度下介質密度，kg／m3；ρ1為工作環(huán)境下空氣密度，kg／m3；h為對應壓力值的介質高度，m。

表3 不確定度分量匯總表

因引入各不確定度分量的因素彼此獨立，所以合成標準不確定度為

取k＝2，則擴展不確定度

根據(jù)不確定度分析得出，全自動補償微壓計在進行數(shù)字壓力計校準時的測量不確定度U為0.070 Pa。因校準測量范圍為0～2 kPa、準確度等級為0.02級的精密數(shù)字壓力計的最大允許誤差δmax＝0.40 Pa，則

由此證明本文研制的全自動補償式微壓計完全滿足壓力類計量器具量值傳遞的要求。

6 結束語

本文研制的全自動補償式微壓計利用高清攝像頭進行圖片獲取，采用智能軟件對所采集的圖片進行分析讀數(shù)，采用滑臺電機控制位移提高測量準確度，同時增加傳統(tǒng)補償式微壓計不具備的實時液相溫度測量、實地重力加速度測量及大氣壓測量功能，有效減小各影響量所引入的誤差。經(jīng)實驗及不確定度評定證明，本文研制的全自動補償式微壓計有效地解決了傳統(tǒng)補償式微壓計在測量過程中存在的人員讀數(shù)影響大、抬升準確度不高、溫度修正計算方式不合理等問題，具有很好的準確性、穩(wěn)定性與可靠性，并且智能化程度高，在減少人工勞動量的同時極大地提高了測量效率，具有重要技術推廣價值。