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時間:2019-09-19

0 引言

機車車輛專用壓力表 (以下簡稱“專用壓力表”) 是指以彈簧管為感壓元件, 測量並指示機車車輛製動係統壓力量值的指針式儀表。由於專用壓力表具有結構簡單、使用方便, 以及在使用中不易受電磁等因素幹擾的優點, 被廣泛應用於機車車輛領域。中國鐵路上海局集團有限公司專用壓力表的年檢定量在3萬件以上, 檢定方式采用傳統的手操、眼看、筆記, 工作效率較低, 勞動強度較大。近年來, 在通用壓力表檢定領域, 出現了自動控壓、圖像識別讀數和自動處理數據的壓力表自動檢定裝置 (以下簡稱“自動檢定裝置”) , 提高了壓力表的檢定效率。為了提高專用壓力表的檢定效率和質量, 減輕檢定人員工作強度, 考慮借鑒通用壓力表較為先進的檢定方式, 實現專用壓力表的智能化檢定。

1 通用壓力表及其自動檢定裝置分析

通用壓力表和專用壓力表的工作原理都是通過彈性敏感元件 (彈簧管) , 在壓力作用下產生的彈性形變測量壓力。由於使用中技術指標不同、檢定點選擇不一和專業性特點等原因, 自動檢定裝置不能直接用於專用壓力表的檢定, 需要考慮以下幾點。

1.1 通用壓力表與專用壓力表的差異

1.1.1 技術指標不同

通用壓力表根據準確度等級劃分, 同一塊壓力表各點的允許誤差相同 (除測量範圍的90%以上) ;專用壓力表各點的允許誤差不同, 其中常用區間為±10 kPa, 其他各點為±1.6%FS (除測量範圍的90%以上) 。

1.1.2 檢定點的選擇不同

通用壓力表檢定點按照標有數字的分度線選取;專用壓力表在檢定前應先確認常用區間 (JJG (鐵道) 193—2007《機車車輛專用壓力表》表述為“常用點”) , 檢定點應選擇常用區間上下限、常用點和其他標有數字的分度線。

1.2 通用壓力表自動檢定裝置的不足

通用壓力表自動檢定裝置有2種:第1種是自動控壓、自動數據處理, 但仍然需要人眼讀數、人工輕敲和人工記錄, 實現檢定的半自動;第2種是在前一種的基礎上采用圖像識別技術讀數, 自動化程度更高一些, 但仍然沒有解決以下問題。

(1) 自動輕敲的同步性。檢定時, 需要分別讀取輕敲壓力表表殼前後的示值, 自動檢定裝置尚未實現圖像識別與自動輕敲的協同檢定。

(2) 指針偏轉平穩性。指針偏轉平穩性主要檢查壓力表在測量範圍內指針偏轉是否平穩、有無卡滯現象。目前, 自動檢定裝置沒有指針偏轉平穩性這項檢定項目。

(3) 雙針雙管壓力表的檢定。自動檢定裝置尚未覆蓋雙針壓力表的檢定, 而專用壓力表中有大量的雙針壓力表。

(4) 檢定點的選擇。通用壓力表的檢定點是固定的, 專用壓力表由於其專業性特征, 用於不同型號的機車車輛時, 檢定點不一樣。

2 係統設計

基於上述情況, 需要研究適用於專用壓力表的智能檢定係統。該係統能夠實現專用壓力表檢定點的自動選擇, 包括雙針壓力表讀數在內的圖像識別, 與圖像識別技術協同檢定的自動輕敲, 以及原始數據的自動采集、記錄, 測量數據自動處理, 檢定結論自動判定和原始記錄及證書的電子化。通過對自動檢定裝置發展現狀的分析, 結合專用壓力表檢定的專業性需求, 從硬件和軟件2個方麵思考專用壓力表智能檢定係統的設計方案。

2.1 硬件設計

在硬件設計上, 主要研究具有圖像識別功能的檢定裝置 (以下簡稱“檢定裝置”) 。檢定裝置由2部分組成, 一是能夠提供自動控製和輸出標準壓力的設備, 該設備在精確、穩定控製壓力值的基礎上, 還具有數據輸出接口, 能夠通過某種通信協議實現數據的傳輸和交互;二是帶有輕敲機構的圖像識別裝置, 該圖像識別裝置能夠對壓力表實現準確讀數, 並且將數據傳輸至係統客戶端。上述圖像識別功能的實現, 取決於足夠高的分辨率和具有一定采集速度的工業相機, 符合視場要求的鏡頭, 以及均勻、穩定的光源等條件因素。

2.2 軟件設計

軟件設計主要考慮3個方麵:一是依據標準壓力設備接口模塊和圖像識別模塊的通信接口協議, 編寫自動化控製軟件, 實現檢定裝置測量參數設置和測量數據回傳的受控;二是根據檢定規程的要求, 編寫係統客戶端軟件, 實現對檢定流程的控製;三是編寫係統平台數據對接模塊, 實現檢定數據和結論與係統平台的對接。

2.3 總體框架

專用壓力表智能檢定係統的硬件基礎是具有圖像識別功能的壓力表檢定裝置, 包括自動壓力控製和圖像識別2個模塊, 直接對專用壓力表開展檢定操作。自動化控製軟件和係統客戶端軟件是實現智能檢定軟件的核心。其中, 自動化控製軟件實現測量參數設置、測量控製等功能;係統客戶端軟件實現檢定數據采集、處理等功能。係統平台用於計量器具的信息提取、保存和管理, 是智能檢定的基礎。專用壓力表智能檢定係統總體框架如圖1所示。

3 工作原理及係統功能

3.1 工作原理

專用壓力表智能檢定係統的工作原理如下: (1) 檢定裝置根據自動化控製軟件發出的指令執行檢定操作; (2) 壓力控製模塊實現各檢定點的自動升壓、降壓; (3) 圖像識別模塊根據采集的表盤圖像計算並得到檢定值, 隨後將測量結果回送至自動化控製軟件; (4) 自動化控製軟件按照檢定流程和工位順序向係統客戶端軟件發送測量結果; (5) 客戶端軟件在完成所有項目後批量向係統平台發送檢定結果; (6) 係統平台自動保存並生成電子原始記錄和檢定證書 (或檢定結果通知書) , 至此完成一個檢定流程。專用壓力表智能檢定係統工作原理如圖2所示。

3.2 係統功能

專用壓力表智能檢定係統具有以下功能。

(1) 任意選擇檢定點。檢定員在係統客戶端根據提示輸入常用點, 係統客戶端軟件自動計算檢定點, 並通過自動化控製軟件控製檢定裝置, 從而實現各檢定點的檢定。

(2) 指針偏轉平穩性檢定。係統客戶端軟件向自動化控製軟件發出指針偏轉平穩性檢定指令, 檢定裝置執行指令, 在作出判定後, 回傳給係統客戶端軟件。

圖2 專用壓力表智能檢定係統工作原理

圖2 專用壓力表智能檢定係統工作原理   下載原圖

 

圖1 專用壓力表智能檢定係統總體框架     下載原表

圖1 專用壓力表智能檢定係統總體框架

(3) 雙針雙管壓力表檢定。在係統客戶端界麵, 可以選擇“單針壓力表”或“雙針壓力表”。選擇“雙針壓力表”後, 係統客戶端將依照雙針壓力表相應檢定項目開展檢定。

(4) 自動輕敲並及時讀數。在檢定過程中, 當指針穩定後, 圖像識別模塊自動讀取檢定值, 並將其發送至係統客戶端。輕敲裝置中的CPU將隨時檢測是否讀數完畢。若檢測到讀數完畢, CPU將向輕敲小槌發出指令, 輕敲小槌將按照指令完成動作, 此後圖像識別模塊將再次自動讀數, 並將檢定數據發送至係統客戶端。

(5) 同時檢定2塊專用壓力表。在係統客戶端同時選擇2塊專用壓力表, 啟動檢定後, 2塊表將同步檢定, 係統客戶端界麵將顯示2塊表的實時圖像和檢定數據。

4 驗證實驗

為了驗證該智能檢定係統方案的可靠性, 采用測量範圍為0~1 000 kPa的雙針專用壓力表開展2種方式的檢定。

(1) 采用專用壓力表智能檢定係統對該表檢定。在係統客戶端選擇需要檢定的專用壓力表後, 輸入常用點為500 kPa, 係統客戶端界麵自動顯示檢定點為200 k Pa, 400 kPa, 500 kPa, 600 kPa, 800 k Pa, 1 000 kPa。係統客戶端界麵如圖3所示。

圖3 係統客戶端界麵

圖3 係統客戶端界麵   下載原圖

 

(2) 由操作熟練的檢定員對該專用壓力表實施人工檢定。智能檢定結果和人工檢定結果比較見表1。

表1 智能檢定結果和人工檢定結果比較     下載原表

kPa

表1 智能檢定結果和人工檢定結果比較

比較表1中的數據可以看出, 智能檢定和人工檢定結果最大差值為4 kPa。2次測量結果可以視作實驗室不同人員之間的比對, 測量結果之差不超過2.83s (s為檢定結果測量不確定度評定中的測量重複性) 。智能檢定結果符合JJF 1033—2016《計量標準考核規範》的要求。

5 結語

機車車輛專用壓力表智能檢定係統的研究, 改變了專用壓力表人工檢定的傳統方法, 不僅降低了檢定人員的勞動強度, 還提高了勞動效率。同時, 機車車輛專用壓力表智能檢定係統消除了檢定中因人眼的主觀因素帶來的影響, 使檢定數據更為準確、可靠。但是, 光線的敏感性和壓力表表盤的多樣化, 限製了機車車輛專用壓力表智能檢定係統中圖像識別係統的應用覆蓋範圍。為了更加順利、準確地判斷出壓力表的測量範圍及測量讀數, 進而實現不同規格壓力表自動確定檢定點和實施檢定, 考慮在光線環境不佳和多樣化的視場下增加輔助光源, 研究開發智能深度學習技術, 將為進一步優化和改善檢定係統功能奠定基礎。在後續研究中還應考慮實現2塊專用壓力表由同步檢定轉變為各自獨立檢定, 以便使檢定操作更加靈活。


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