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時間:2020-04-02

0 引言

壓力表在易燃、易爆、有毒物質的生產、儲存、運輸等危險場所的安全防護和醫療衛生等眾多領域,起到保護人民健康和生命財產安全的作用。現有壓力表檢定裝置自動化程度低,效率低下,已經無法滿足法製檢定任務與業務量進一步增長的需求。依據JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》檢定規程,項目組開發研製新的壓力表檢定裝置,從本質上提高壓力表計量的效率和質量,降低檢定人員的勞動強度。

1 國內外技術水平現狀及研發難點

1)國內外計量機構對壓力表的計量大多處於人工操作計量階段。

2)國內外現無用於多規格指針式壓力表批量檢定的設備或者技術。

3)國內大多數壓力表計量設備生產商現有技術隻針對單一規格壓力表,可實現兩個左右的半自動檢測,且對被檢表無法實現獨立控製。當出現不同規格被檢表時,實現批量檢測需提供不同壓力源,在被檢表規格較多的情況下,因成本過高變得不可實現。

4)現有的半自動檢測係統無法推廣應用的主要原因是它並沒有提升實際效率,加上一些異常情況處理,甚至比人工操作更慢。真正意義上的自動化批量檢定係統難以實現有以下原因:

(1)現有的指針式壓力表批量自動檢定係統都是基於由主控機直接處理光電采集後的媒體流,位圖處理軟件都是用同步處理的方式來工作,當被檢表數量增大時,主機要排隊處理每個采集器傳回來的位圖文件,這個處理時間會隨數據量增多而大大增加,導致處理時間冗長。例如:實現20個被檢表的自動化處理,每個表10個檢定點,就是200個圖像要同時處理,加上係統泄露與被檢表規格型號的確定,一共會有240張位圖文件要同時處理,按1張/秒的無異常情況處理計算,也會超過4 min,如果再加上異常情況處理,時間會更長,不可能實現效率提升。

(2)對係統泄露處理的技術不成熟,必須手工幹預,這也是自動化批量檢定係統難以解決的問題。

(3)不同規格型號的壓力表,量程、分度值、被檢點、允差以及準確度等級都是不一樣的。由於批量處理算法不成熟,如果按現有的處理辦法,必須同一規格型號分別處理,不僅降低了效率還增加了硬件成本。

(4)現有的圖像識別處理技術,識別率不高,特別是對有“縮格”零位的壓力表。因為有“縮格”零位的壓力表在整個量程範圍內角度與示值對應關係並不是均勻分布的,這樣就導致按角度估算示值會帶來誤差,當“縮格”區別越大,誤差就越大。

2 總體設計

總體方案分批量自動化測試裝置與處理係統兩部分,批量自動化測試裝置主要包括係統硬件部分,批量自動化測試處理係統主要包括整個係統的運行流程以及相關軟件處理流程。

2.1 批量自動化壓力測試裝置

如圖1所示,裝置的構成包括壓力源、壓力控製器、總管道線路、主機(中央控製係統)、電磁閥開關,光電采集器以及相關的輔助配件。

圖1 批量自動化壓力測試係統設計構成

圖1 批量自動化壓力測試係統設計構成   下載原圖

 

壓力源為幹淨的壓縮空氣,並在管路上有過濾器,避免因被檢表對標準器帶來的汙染。光電采集器配置一個振動裝置,以完成每個檢定點的輕敲位移測試。壓力控製器能同時輸出多路壓力信號到主機(中央控製係統),如果擴展到多台壓力表計算,那麽控製器應滿足多個檢定點的輸出,才能保證整個管路上被檢表的每個被檢定點都被檢測到。由主機對總管道上所有的電磁閥和光電采集數據進行處理並控製,並按時間軸對光電采集回的數據和壓力控製器輸出的標準值進行對比,獲得每個被檢表的示值誤差。

2.2 批量自動化壓力測試處理係統

整個係統的控製在主機(中央控製係統)中實現。

1)先是基本信息的錄入。包括環境條件(溫度、濕度、測試地點、標準器信息等)、每個被檢表的原始信息錄入(量程、準確度等級、編號、廠家、委托單位等)、控製器檢定點的設置與輸出時間控製、被檢表采集係統的時間設定(這裏主要是與控製的時間同步)。

2)檢定程序執行。程序執行流程為:檢定開始指令(上行程)發送給自動壓力源與壓力控製器,控製器按設定的檢定點與間隔時間輸出壓力值到總管路,同一時間,采集器開始采集數據,並將實時數據發回主機進行處理。根據數據判斷係統是否有泄漏或者示值超差等情況,並發出每個被檢表的電磁閥是否閉合的指令,完成一個上行程與下行程的檢定工作。

3)證書處理。由檢定程序獲得的每個被檢表的示值誤差數據,以及環境條件,生成一份符合規程要求的數據原始記錄,並將數據原始記錄發送到計量機構ERP或者LIMS係統,生成證書並打印,完成證書處理工作。

3 采取的技術路線及技術關鍵

針對指針式壓力表批量自動檢定係統麵臨的幾個難題,采用的技術路線主要包括獨創的三點法圖像處理算法、基於單片機技術終端控製采集技術、係統泄漏處理機製、後序遍曆法標準壓力控製、采用可擴展式係統架構五個部分。

3.1 三點法圖像處理算法

對現有的指針式儀表光電采集算法進行了大量的研究,利用C++軟件,結合壓力表自身的特點,獨創了三點圖像處理算法,采取全量程第二點、上限點和中心軸點為三點位置,計算出示值與角度對應的係數,這個係數對於每個壓力表都是固定的,通過獲得固定的係數,得到θ式(1)

 

 

式中:p——壓力示值;

k——壓力示值與角度對應的係數;

θ——角度值

根據式(1)測試出角度值最終獲得示值的讀數。在此基礎上,寫入壓力表不同規格型號的讀數規則,使最終讀數符合壓力表檢定規程的要求。三點法圖像處理算法還解決了因為壓力零位區間“縮格”帶來的整個量程範圍內角度分布不均勻問題,對壓力表進行光電采集(如圖2所示),采用三點法圖像處理算法後,讀數的準確度大大提升。

圖2 三點法圖像處理效果

圖2 三點法圖像處理效果   下載原圖

 

3.2 基於單片機技術終端控製采集技術

現有的批量壓力圖像處理技術,都是由主機對回傳的圖像進行處理。當要處理的圖像數量多時,主機處理時間就會變長,如果有異常情況要處理時,主機的負擔就進一步加重。項目組針對這一問題,采用了基於單片機技術終端采集技術。單片機具有體積小、功耗低、控製功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點,將三點法圖像處理算法與電磁閥以及輕敲位移的模擬器的控製算法,集中在每一台終端的單片機裏(見圖3),單片機采用通訊接口RJ11,直接連交換機,交換機再直接與主機相連,由單片機在終端處理完圖像後直接將數值發送到主機,並處理由主機發出的控製指令。使用單片機技術可以大大提升整個係統對批量處理的運行速度,也可以減輕異常情況處理對主機的負擔。

圖3 采集終端

圖3 采集終端   下載原圖

 

3.3 係統泄漏處理機製

壓力表批量處理的一個難點就是係統泄漏。當係統(如圖4)某一處產生泄漏時,如果不能快速處理,在第一時間查找到泄漏點並關閉泄漏點,那整個係統將無法正常工作。傳統的判斷與處理泄漏的方法是眼看耳聽,或用氣體標識,或用肥皂水等,這些方法都需要人工參與,都不適用於本項目。針對這種情況,項目采用的方法是:每個被檢表的接頭下都安裝一個壓力電磁閥開關,開關的控製集成在終端的單片機裏,由主機發出控製指令;電磁閥與被檢表之間預留出一個空間足夠的腔體,運行開始時,先進行泄漏測試。

圖4 係統管路

圖4 係統管路   下載原圖

 

泄漏測試過程:確定係統最小量程的上限壓力值輸出一個壓力→保壓3 min→主機發出關閉所有電磁閥開關的指令,關閉管路所有被檢表的電磁閥→主機發出采集被檢表示值指令,采集數據→將采集的示值與第一步輸出的係統最小量程的上限壓力值進行比較→示值為零或者大於最大允許誤差絕對值時,判定為泄漏點,泄漏點電磁閥鎖死並在主機上報警。

3.4 後序遍曆法標準壓力控製

批量處理係統要處理不同規格型號的壓力表,它們由不同的單位送檢,排序是雜亂無章的。每個壓力表被檢點是不一樣的,對標準壓力值輸出要求也是不一樣的。采用了後序遍曆法標準壓力控製的方法,利用對壓力控製器的改造,輸出係統設定的壓力值,完成測試。後序遍曆法的原理是首先遍曆左子樹,然後遍曆右子樹,最後訪問根結點。

具體方法如圖5所示:確定被檢表的規格型號→根據規格型號依據檢定規程列入所有的被檢點→去重(將所有檢定點中重複的去掉,如圖5中測試點3)→分左、右樹,從左到右為量程從低到高排列→按後序遍曆法標準壓力進行輸出,每個點間隔時間與持續時間調節至最佳,在保證效率的同時,保證壓力源持續穩定的輸出→每個壓力表采集到的值與標準值進行比較,最終得到示值誤差。

圖5 後序遍曆法標準壓力控製

圖5 後序遍曆法標準壓力控製   下載原圖

 

3.5 采用可擴展式係統架構

整個技術路線可參考可擴展式係統架構圖(見圖6),係統在設計上會預留可擴展的油壓與真空壓力源及相互獨立的管路。本文主要針對0~6 MPa的壓力表,這類壓力表占被檢表的95%以上,是本方案解決的重點。對於其他真空表以及6 MPa以上的壓力表,係統會預留擴展部件,後期工作就是完成擴容,包括壓力源與壓力模塊以及互相獨立的管路,使整個係統滿足氣、水、油介質的-0.1~250 MPa壓力表的檢定。

4 結語

隨著壓力表檢定量的增大,利用科學合理的方法,研製出高效的壓力表檢定裝置,帶來很高的社會效益。本文對壓力表全自動批量檢定裝置研製進行深入分析,針對現有裝置技術沒有解決的問題提供了較科學合理的方法,通過三點法圖像處理算法、基於單片機技術終端控製采集技術、係統泄漏處理機製、後序遍曆法標準壓力控製、可擴展式係統架構的技術路線,完成自動化壓力表批量檢定裝置設計。

圖6 可擴展式係統架構

圖6 可擴展式係統架構 


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