指針式壓力表全自動(dòng)檢定系統(tǒng)的研制
本文介紹了一種指針式壓力表全自動(dòng)檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)及儀表示值自動(dòng)判讀系統(tǒng)兩部分。 該系統(tǒng)檢定速度快、檢定效率高?可用以檢定o?16MPa、0.4級(jí)以下的壓力表。本系統(tǒng)的研制對(duì)于改善目前國(guó)內(nèi)壓力表檢定 工作的落后狀況，實(shí)現(xiàn)壓力表檢定的自動(dòng)化具有重要意義。
1.引言
指針式壓力表是目前生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最普遍的壓力測(cè)量?jī)x表之一，不僅品種多，而且數(shù)量大。而指針式壓力表檢定周期很短，一般為半年至一年，因而檢定工作量很大。目前,這類儀表的檢定工作主要靠手工操作，不僅檢定效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且精度受人為因素影響大。因此，實(shí)現(xiàn)壓力表的自動(dòng)檢定具有重要意 義。
2.自動(dòng)檢定系統(tǒng)工作原理
自動(dòng)檢定系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)及自動(dòng)判 讀系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。被檢壓力表通過(guò)特殊 接頭固定在檢驗(yàn)臺(tái)上（最多可達(dá)六塊）。由標(biāo)準(zhǔn)壓力自 動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生指定檢定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力，其壓力控制指令由主機(jī)根據(jù)鍵盤輸入?yún)?shù)傳遞。當(dāng)系統(tǒng)中壓力穩(wěn) 定后，通知攝像裝置依次攝取檢驗(yàn)臺(tái)上的表盤圖像，并 傳送給主機(jī)。主機(jī)中配有VIGP 2M圖像處理卡及圖像處理軟件，可實(shí)時(shí)處理表盤圖像，并依次計(jì)算各儀表指針示值及其在該檢定點(diǎn)的誤差。依次進(jìn)行正反行程的檢定，最后打印檢定結(jié)果。
3.標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)
標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)為閉環(huán)油壓系統(tǒng)，系統(tǒng)配 置如圖2所示。采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)活塞壓力泵作為執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，利用0.05級(jí)精密數(shù)字壓力表作為標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量 系統(tǒng)壓力，并利用單片機(jī)壓力控制儀對(duì)造壓過(guò)程進(jìn)行 閉環(huán)負(fù)反饋控制。
系統(tǒng)采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩臺(tái)活塞壓力泵造 壓，目的是提高造壓速度，以適應(yīng)多臺(tái)表同時(shí)檢定或某 些要求用油量較大的場(chǎng)合。其中一臺(tái)活塞壓力栗處于 造壓階段時(shí)（即向油路注油）.另一臺(tái)處于造壓準(zhǔn)備階 段(即從油杯中吸油）。處于造壓階段的步進(jìn)電機(jī)由單 片機(jī)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器及V/F轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制，處于 造壓準(zhǔn)備階段的步進(jìn)電機(jī)則由邏輯電路（阻容充/放電 電路與V/F轉(zhuǎn)換電路)控制。油路的切換采用電磁閥 控制，其優(yōu)點(diǎn)是密閉性好，從而保證系統(tǒng)有較高的造壓 速度和靜態(tài)壓力穩(wěn)定性。系統(tǒng)在被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表油路 間加裝電磁閥，目的是在造壓換栗前切斷被檢表油路 與造壓油路間的聯(lián)系。待換泵完成，且造壓油路重新恢 復(fù)換泵前壓力時(shí)，再將電磁閥打開，這樣可消除換栗過(guò) 程中可能產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力波動(dòng)。
由于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)法具有造壓速度與超調(diào)之 間的矛盾，為保證壓力產(chǎn)生的快速性.又避免明顯的過(guò) 沖，系統(tǒng)采用智能控制算法。在造壓過(guò)程的前段，控制 步進(jìn)電機(jī)以較高速度運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)，步進(jìn) 電機(jī)速度減慢。而當(dāng)壓力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的某一鄰域時(shí).步 進(jìn)電機(jī)改用步進(jìn)(轉(zhuǎn)角）控制。這樣可保證系統(tǒng)靜態(tài)壓 力精度及壓力產(chǎn)生的快速性，又不會(huì)引起過(guò)沖。
步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在高頻下隨著驅(qū)動(dòng)脈沖頻率 的上升而下降，因而使步進(jìn)電機(jī)不失步的最佳升速頻 率為：
f(t) = f0+ACl-e-B') (1)
式中，八=^一￡。，{?、{。分別為步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)頻 率及突跳頻率，B為待定常數(shù)?？梢娎硐腧?qū)動(dòng)頻率應(yīng)按 指數(shù)規(guī)律變化。
4.自動(dòng)判讀系統(tǒng)
指針式壓力表自動(dòng)判讀系統(tǒng)如圖3所示。CCD攝 像機(jī)由自動(dòng)掃描裝置控制經(jīng)云臺(tái)帶動(dòng)，完成對(duì)被檢表 的瞄準(zhǔn)及攝像。監(jiān)視器用以實(shí)時(shí)顯示被檢表及圖像處 理過(guò)程.而表盤圖像的數(shù)據(jù)處理由主機(jī)完成。
表盤圖像處理主要包括圖像預(yù)處理、表盤圓心的 確定、刻線及指針的判讀。預(yù)處理包括圖像灰度分割、 圖像腐蝕與膨脹，以獲得黑白分明的二值圖像并去除 噪聲。為提高搜尋速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，表盤圓心只在一 定范圍內(nèi)尋找。以確定圓心橫坐標(biāo)為例，分別從左及從 右讀取某一行像素點(diǎn)的灰度值，兩次掃描所遇第一個(gè) 灰度小于域值的像素點(diǎn)（即黑點(diǎn)）列數(shù)的均值，即為該 行上圓心橫坐標(biāo)。依次掃描圖像中部100行，取100個(gè) 平均值中概率最大的值作為圓心橫坐標(biāo)?？v坐標(biāo)的求 取原理相同。
粗刻線的判讀采用霍夫變換法?；舴蜃儞Q法是利 用圖像處理識(shí)別直線段的有效方法之一。它將圖像空 間中的一點(diǎn)變換為參數(shù)空間中的一條直線。圖像空間 中同一直線上的點(diǎn)，經(jīng)霍夫變換所形成的直線相交于 參數(shù)空間中的一點(diǎn)，該點(diǎn)坐標(biāo)代表圖像空間中直線的 斜率及截距。利用累加數(shù)組累計(jì)參數(shù)空間中通過(guò)該點(diǎn) 的直線條數(shù)，即代表圖像空間中直線上的點(diǎn)數(shù)。采用這 種方法計(jì)算表盤圖像中某一線段上灰度小于域值的像 素點(diǎn)個(gè)數(shù)，即可判斷該線段是否處于粗刻線上。為提高 判讀效率，只在表盤圖像的一定范圍內(nèi)搜尋粗刻線。指 針的判讀方法原理相同，只是搜尋的范圍略有不同。
示值計(jì)算方法如圖4所示。以刻度盤圓心(指針轉(zhuǎn) 鈾）為極點(diǎn)，儀表下限刻度OB為極軸，按順時(shí)針方向 建立極坐標(biāo)系。利用表盤粗刻線及指針對(duì)應(yīng)極角的大 小，確定指針?biāo)甘镜膲毫χ?。假定指定檢定點(diǎn)及相鄰的前后檢定點(diǎn)分別為A、C、D，指針中心線矢徑為OP， 它們的極角為a、0、S、(3，對(duì)應(yīng)壓力值分別為a、c、d、p，則 儀表指針的示值由下式計(jì)算。
5.誤差分析及結(jié)論
標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)的誤差主要由被檢表與標(biāo) 準(zhǔn)表的量程上限誤差引起。為降低成本，選取量程上限 分別為0. 16,0. 6,2. 5,10及25MPa的五種標(biāo)準(zhǔn)表，檢 定量程上限從0. 06MPa至16MPa的十三種不同量程 的壓力表。標(biāo)準(zhǔn)表的精度為±0.05%，則由童程上限誤 差引起的最大誤差為土0.13% (計(jì)算從略）。在造壓過(guò) 程中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，帶動(dòng)絲杠移動(dòng)一段距離，對(duì) 應(yīng)活塞一定的推油體積,從而產(chǎn)生相應(yīng)的壓力變化，這 是造壓系統(tǒng)所能控制產(chǎn)生的最小壓力變化。根據(jù)理論 計(jì)算，其最大誤差為±0. 02% (推導(dǎo)從略），可視為微小 誤差。根據(jù)((JJG49—87彈簧管式精密壓力表及真空表 檢定規(guī)程》的規(guī)定，檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器的綜合誤差應(yīng)不大于 被檢表基本誤差絕對(duì)值的三分之一?？梢姡@套自動(dòng)造 壓系統(tǒng)可用于檢定0. 4級(jí)以下的壓力表。
自動(dòng)判讀系統(tǒng)的誤差主要來(lái)源于表盤刻線與指針 的判讀誤差。對(duì)于分辨率為512X512的圖像處理系 統(tǒng)，最大判讀誤差為±1個(gè)像素。計(jì)算所得的最小表盤 半徑為250(像素個(gè)數(shù)），表盤刻線與指針的掃描半徑 分別為210及190,則最大示值判讀誤差為±0.3% (推導(dǎo)從略）。可見，自動(dòng)判讀系統(tǒng)的判讀精度優(yōu)于人眼 判讀精度。
經(jīng)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這套系統(tǒng)的綜合誤差小 于±0. 13% ,可用以檢定0. 4級(jí)精密壓力表以及1級(jí) 以下工業(yè)用壓力表。這套檢定系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高,主 要體現(xiàn)在自動(dòng)造壓及自動(dòng)判讀兩方面。操作人員只需 輸入量程、精度等必要參數(shù)，整個(gè)檢定工作即可自動(dòng)進(jìn) 行。大大提高了檢定效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很高 的推廣應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，自動(dòng)判讀方法對(duì)所有指針式儀 表的示值自動(dòng)判讀都具有一定的參考價(jià)值。標(biāo)準(zhǔn)壓力 自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)也適用于其他需要產(chǎn)生高精度標(biāo)準(zhǔn)壓力 的場(chǎng)合。
