指針式壓力表全自動(dòng)檢定系統的研制

1　引言

　　指針式壓力表是目前生產(chǎn)過(guò)程中應用最普遍的壓力測量?jì)x表之一，不僅品種多，而且數量大。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(lèi)儀表的檢定工作主要靠手工操作，不僅檢定效率低、勞動(dòng)強度大，而且精度受人為因素影響大。因此，實(shí)現壓力表的自動(dòng)檢定具有重要意義。

2　自動(dòng)檢定系統工作原理

　　自動(dòng)檢定系統由標準壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統及自動(dòng)判讀系統兩部分組成，如圖1所示。被檢壓力表通過(guò)特殊接頭固定在檢驗臺上(最多可達六塊)。由標準壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統產(chǎn)生指定檢定點(diǎn)的標準壓力，其壓力控制指令由主機根據鍵盤(pán)輸入參數傳遞。當系統中壓力穩定后，通知攝像裝置依次攝取檢驗臺上的表盤(pán)圖像，并傳送給主機。主機中配有VIGP 2M圖像處理卡及圖像處理軟件，可實(shí)時(shí)處理表盤(pán)圖像，并依次計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，最后打印檢定結果。

3　標準壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統

　　標準壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統為閉環(huán)油壓系統，系統配置如圖2所示。采用步進(jìn)電機帶動(dòng)活塞壓力泵作為執行機構，利用0.05級精密數字壓力表作為標準表測量系統壓力，并利用單片機壓力控制儀對造壓過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)負反饋控制。

　　系統采用兩臺步進(jìn)電機帶動(dòng)兩臺活塞壓力泵造壓，目的是提高造壓速度，以適應多臺表同時(shí)檢定或某些要求用油量較大的場(chǎng)合。其中一臺活塞壓力泵處于造壓階段時(shí)(即向油路注油)，另一臺處于造壓準備階段(即從油杯中吸油)。處于造壓階段的步進(jìn)電機由單片機經(jīng)D/A轉換器及V/F轉換電路進(jìn)行控制，處于造壓準備階段的步進(jìn)電機則由邏輯電路(阻容充/放電電路與V/F轉換電路)控制。油路的切換采用電磁閥控制，其優(yōu)點(diǎn)是密閉性好，從而保證系統有較高的造壓速度和靜態(tài)壓力穩定性。系統在被檢表與標準表油路間加裝電磁閥，目的是在造壓換泵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換泵前壓力時(shí)，再將電磁閥打開(kāi)，這樣可消除換泵過(guò)程中可能產(chǎn)生的系統壓力波動(dòng)。
　　由于傳統的PID調節法具有造壓速度與超調之間的矛盾，為保證壓力產(chǎn)生的快速性，又避免明顯的過(guò)沖，系統采用智能控制算法。在造壓過(guò)程的前段，控制步進(jìn)電機以較高速度運轉。當壓力接近穩態(tài)值時(shí)，步進(jìn)電機速度減慢。而當壓力進(jìn)入穩態(tài)值的某一鄰域時(shí)，步進(jìn)電機改用步進(jìn)(轉角)控制。這樣可保證系統靜態(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)電機的輸出轉矩在高頻下隨著(zhù)驅動(dòng)脈沖頻率的上升而下降，因而使步進(jìn)電機不失步的最佳升速頻率為：

　　f(t)=f0+A(1-e－Bt) (1)

式中，A＝f∞-f0，f∞、f0分別為步進(jìn)電機的最高連續頻率及突跳頻率，B為待定常數�？梢�(jiàn)理想驅動(dòng)頻率應按指數規律變化。

4　自動(dòng)判讀系統

　　指針式壓力表自動(dòng)判讀系統如圖3所示。CCD攝像機由自動(dòng)掃描裝置控制經(jīng)云臺帶動(dòng)，完成對被檢表的瞄準及攝像。監視器用以實(shí)時(shí)顯示被檢表及圖像處理過(guò)程，而表盤(pán)圖像的數據處理由主機完成。

　　表盤(pán)圖像處理主要包括圖像預處理、表盤(pán)圓心的確定、刻線(xiàn)及指針的判讀。預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)現實(shí)時(shí)處理，表盤(pán)圓心只在一定范圍內尋找。以確定圓心橫坐標為例，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))列數的均值，即為該行上圓心橫坐標。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�？v坐標的求取原理相同。
　　粗刻線(xiàn)的判讀采用霍夫變換法�；舴蜃儞Q法是利用圖像處理識別直線(xiàn)段的有效方法之一。它將圖像空間中的一點(diǎn)變換為參數空間中的一條直線(xiàn)。圖像空間中同一直線(xiàn)上的點(diǎn)，經(jīng)霍夫變換所形成的直線(xiàn)相交于參數空間中的一點(diǎn)，該點(diǎn)坐標代表圖像空間中直線(xiàn)的斜率及截距。利用累加數組累計參數空間中通過(guò)該點(diǎn)的直線(xiàn)條數，即代表圖像空間中直線(xiàn)上的點(diǎn)數。采用這種方法計算表盤(pán)圖像中某一線(xiàn)段上灰度小于域值的像素點(diǎn)個(gè)數，即可判斷該線(xiàn)段是否處于粗刻線(xiàn)上。為提高判讀效率，只在表盤(pán)圖像的一定范圍內搜尋粗刻線(xiàn)。指針的判讀方法原理相同，只是搜尋的范圍略有不同。
　　示值計算方法如圖4所示。以刻度盤(pán)圓心(指針轉軸)為極點(diǎn)，儀表下限刻度OB為極軸，按順時(shí)針?lè )较蚪�立極坐標系。利用表盤(pán)粗刻線(xiàn)及指針對應極角的大小，確定指針所指示的壓力值。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(xiàn)矢徑為OP，它們的極角為α、θ、δ、β，對應壓力值分別為a、c、d、p，則儀表指針的示值由下式計算。

　　p=a+(β-α)*(d-a)/(δ-α)　(αβ) (2)

　　p=a-(α-β)*(a-c)/(α-θ)　(α＞β) (3)

　　當檢定點(diǎn)為零點(diǎn)及上限時(shí)，不管α及β值大小，p值分別按式(2)及(3)計算。檢定點(diǎn)示值偏差(Δp)為：Δp＝p-a。

5　誤差分析及結論

　　標準壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統的誤差主要由被檢表與標準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的五種標準表，檢定量程上限從0.06MPa至16MPa的十三種不同量程的壓力表。標準表的精度為±0.05%，則由量程上限誤差引起的最大誤差為±0.13%(計算從略)。在造壓過(guò)程中，步進(jìn)電機轉動(dòng)一步，帶動(dòng)絲杠移動(dòng)一段距離，對應活塞一定的推油體積，從而產(chǎn)生相應的壓力變化，這是造壓系統所能控制產(chǎn)生的最小壓力變化。根據理論計算，其最大誤差為±0.02%(推導從略)，可視為微小誤差。根據《JJG49—87彈簧管式精密壓力表及真空表檢定規程》的規定，檢定時(shí)標準器的綜合誤差應不大于被檢表基本誤差絕對值的三分之一�？梢�(jiàn)，這套自動(dòng)造壓系統可用于檢定0.4級以下的壓力表。
　　自動(dòng)判讀系統的誤差主要來(lái)源于表盤(pán)刻線(xiàn)與指針的判讀誤差。對于分辨率為512×512的圖像處理系統，最大判讀誤差為±1個(gè)像素。計算所得的最小表盤(pán)半徑為250(像素個(gè)數)，表盤(pán)刻線(xiàn)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%(推導從略)�？梢�(jiàn)，自動(dòng)判讀系統的判讀精度優(yōu)于人眼判讀精度。
　　經(jīng)理論計算及實(shí)驗測試，這套系統的綜合誤差小于±0.13%，可用以檢定0.4級精密壓力表以及1級以下工業(yè)用壓力表。這套檢定系統的自動(dòng)化程度高，主要體現在自動(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，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)強度，具有很高的推廣應用價(jià)值。同時(shí)，自動(dòng)判讀方法對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。標準壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統也適用于其他需要產(chǎn)生高精度標準壓力的場(chǎng)合。