何亞洲，張 強(qiáng)，趙 峰，衡順發(fā)

（江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

液位計(jì)是工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)中用以指示和控制液位的儀表[1]，包括的類(lèi)型有浮子式、浮球式、浮筒式、壓力式、電導(dǎo)式和反射式等，廣泛應(yīng)用于石油能源、江河水文觀察與監(jiān)控、醫(yī)藥化工、冶金制造、水氣處理與供應(yīng)等各種行業(yè)中。

目前國(guó)內(nèi)已有利用精密光柵尺和CCD成像技術(shù)檢測(cè)液位的裝置，但僅作為手動(dòng)控制，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的自動(dòng)跟蹤與測(cè)量。本裝置在JJG971-2002《液位計(jì)檢定規(guī)程》要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)與伺服運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合的方法[2]，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工業(yè)CCD在垂直大理石氣浮導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，采用精密光柵尺讀數(shù)，并編制出液位的自動(dòng)檢測(cè)軟件系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位計(jì)的自動(dòng)控制與測(cè)量，減小了因人為讀數(shù)帶來(lái)的誤差影響，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。在0～2 000mm的全量程范圍內(nèi)，擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.2mm（k=2）。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理及實(shí)現(xiàn)方式

石英玻璃管與放置被測(cè)液位計(jì)的水槽形成連通器，兩者內(nèi)部的液位高度相同。計(jì)算機(jī)控制循環(huán)水泵和電磁閥，通過(guò)進(jìn)水和排水，實(shí)現(xiàn)液面的升降。在石英玻璃管旁安裝的高精密豎直大理石氣浮導(dǎo)軌上面貼附有光柵尺，運(yùn)動(dòng)控制部分用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲杠，帶動(dòng)光柵傳感器的讀數(shù)頭和攝像頭沿大理石氣浮導(dǎo)軌上下移動(dòng)，用攝像頭加視覺(jué)軟件的方式跟蹤石英玻璃管內(nèi)液面的位置。測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用了模擬刻線與凹液面下緣相切的瞄準(zhǔn)方法[3]，當(dāng)視頻中固定模擬刻線與玻璃管中的液面下緣面相切時(shí)，軟件采集并記錄光柵位移傳感器的數(shù)據(jù)。

1.2 結(jié)構(gòu)與組成

液位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制以及供水等部分組成。液位測(cè)量數(shù)據(jù)采集部分由精密光柵尺、攝像頭及計(jì)算機(jī)組成；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由大理石氣浮導(dǎo)軌、空氣壓縮機(jī)、精密絲杠、步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)組成；供水部分由不銹鋼循環(huán)水泵和不銹鋼水箱、電磁閥，單向閥等組成。

圖1 液位裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)，程序流程框圖如圖2所示。軟件設(shè)計(jì)采用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)工具，該工具可以快速實(shí)現(xiàn)可視化編程[4]，并且具有較強(qiáng)的底層硬件操作能力。軟件在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括液位位置的自動(dòng)控制、跟蹤、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理及生成檢測(cè)結(jié)果等[5]。其中，液位的自動(dòng)控制與跟蹤是本課題的關(guān)鍵。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際條件，最終利用光線反射的原理，采取變量閾值的方法，解決液位的自動(dòng)判斷與控制方面的難題；采取模擬刻線的方法以及利用軟件對(duì)圖形的處理技術(shù)，解決了液面的精確測(cè)量問(wèn)題。具體為以下2點(diǎn)：

（1）利用光線反射的原理，采取變量閾值的設(shè)定，在石英玻璃管中的液位通過(guò)攝像頭的成像，尋求出一個(gè)最佳的陰影分布圖。在這個(gè)分布圖中，由于光線強(qiáng)弱不同而產(chǎn)生的投影也有明暗之分，通過(guò)明暗陰影的帶寬不同，可以判斷出此時(shí)液面的位置，從而再通過(guò)軟件控制循環(huán)水泵和電磁閥的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)液位的上升和下降。

圖2 程序流程框圖

（2）由于液面的凹面處并不是一條明顯的分界線，而是一個(gè)有一定帶寬的分界面，這樣就不能保證每次的測(cè)量都在分界面的同一個(gè)點(diǎn)處，因測(cè)量點(diǎn)位置不同就會(huì)對(duì)液位的精密測(cè)量產(chǎn)生不確定的影響。通過(guò)軟件對(duì)圖形處理，在圖形中找出一相對(duì)固定點(diǎn)，將這一點(diǎn)作為每次測(cè)量時(shí)的液面基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用了模擬刻線的方法，利用模擬刻線與這一點(diǎn)相切，認(rèn)為是與凹液面下緣相切，即當(dāng)視頻中固定模擬刻線與玻璃管中的液面下緣面相切時(shí)，軟件采集并記錄光柵位移傳感器的數(shù)據(jù)。這種采用了相對(duì)測(cè)量的方法，保證了每次測(cè)量的一致性，減小了因分界面不明顯而造成的不確定影響，大大提高測(cè)量的準(zhǔn)確度[6]。系統(tǒng)主界面如圖3所示。

以上2個(gè)問(wèn)題是本項(xiàng)目在自動(dòng)控制和精確測(cè)量2個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題，這2個(gè)問(wèn)題的解決，使得本裝置完全實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)控制和精確測(cè)量，目前在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有相同的解決方案。

3 計(jì)量性能測(cè)試

項(xiàng)目中所有數(shù)據(jù)最終是通過(guò)貼附于大理石導(dǎo)軌表面的精密光柵尺測(cè)量的。光柵尺經(jīng)過(guò)激光干涉儀校準(zhǔn)之后，在2 000 mm的全量程范圍內(nèi)，誤差小于20μm，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的性能，選取在任一液位處的多次測(cè)量（如表1）和在不同液位處的重復(fù)測(cè)量（如表2）的方式，最終的測(cè)試結(jié)果都表明系統(tǒng)具有良好的計(jì)量性能。

圖3 系統(tǒng)主界面

4 系統(tǒng)不確定度評(píng)定

數(shù)學(xué)模型[7]為

式中：L——實(shí)際液位值，mm；

La——光柵尺讀數(shù)值，mm；

Lb——自動(dòng)采集液面帶來(lái)的誤差影響，mm；

Lc——溫度變化帶來(lái)的示值影響，mm；

Ld——光柵尺安裝不垂直造成的測(cè)量誤差，mm；

Le——測(cè)量重復(fù)性引入的影響，mm。

系統(tǒng)測(cè)量的不確定度[8]主要取決于光柵及移動(dòng)機(jī)構(gòu)引入的誤差、自動(dòng)采集液面帶來(lái)的影響、溫度變化帶來(lái)的示值影響、光柵尺安裝不垂直以及測(cè)量重復(fù)性等因素。相對(duì)于同類(lèi)裝置，本系統(tǒng)采用精制大理石氣浮導(dǎo)軌為固定導(dǎo)軌，光柵尺貼附于光滑導(dǎo)軌之上，并不隨外殼的伸縮而移動(dòng)，大理石導(dǎo)軌的堅(jiān)實(shí)性為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定性和高重復(fù)性，其高平面度及直線度也減小了對(duì)光柵尺的誤差影響；攝像頭檢測(cè)液位的方法相對(duì)于以往的經(jīng)驗(yàn)也做了改進(jìn)，采用模擬刻線與液面下緣定閾值點(diǎn)相切的測(cè)量方式，更準(zhǔn)確尋找切點(diǎn)位置，減小了模擬刻線切液面下緣帶來(lái)的誤差影響；系統(tǒng)采取溫度補(bǔ)償，減小溫度對(duì)示值的影響；大理石導(dǎo)軌以及光柵尺在安裝時(shí)采用懸垂線校正，保證安裝的垂直度。

表1 某個(gè)液位高度處重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)（單位：mm）

表2 多個(gè)液位高度處重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)（單位：mm）

表3 液位計(jì)測(cè)量的不確定度分量匯總表

通過(guò)分析計(jì)算，液位計(jì)測(cè)量的不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

表3中各個(gè)分量獨(dú)立不相關(guān)，系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目的主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新性概括如下：

（1）利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)攝像頭跟蹤液面，應(yīng)用光柵尺讀數(shù)和模擬刻線方法，在CCD成像技術(shù)基礎(chǔ)上采用視覺(jué)軟件自動(dòng)檢測(cè)液位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的自動(dòng)控制與測(cè)量。

（2）裝置創(chuàng)新性地應(yīng)用了視覺(jué)軟件，可根據(jù)浮動(dòng)閾值自動(dòng)判斷液面位置，并首次應(yīng)用了精密大理石氣浮導(dǎo)軌，其平面度與直線度均優(yōu)于5 μm，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，減小系統(tǒng)重復(fù)性，提高測(cè)量精度。

（3）自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)檢測(cè)軟件，界面友好，功能完整，操作簡(jiǎn)單直觀，提高了檢測(cè)效率。

（4）裝置的測(cè)量范圍為0～2000mm，全量程擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.20mm（k=2）。

本項(xiàng)目可以對(duì)液位計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與精確測(cè)量，具有很好的實(shí)用價(jià)值和創(chuàng)先特點(diǎn)，但由于受到JJG 971-2002《液位計(jì)檢定規(guī)程》的局限，只建立了量程為2000mm的裝置，對(duì)量程大于2000mm的液位計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量，今后在量程擴(kuò)展方面還有改進(jìn)的空間。

[1]JJG 971—2002液位計(jì)[S]．北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2002.

[2]楊獻(xiàn)勇.熱工過(guò)程自動(dòng)控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：95-150.

[3]郭立功.液位計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2007，28（3A）：1-2.

[4]陳檢春.Visual C++高級(jí)編程技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1999：2-25.

[5]張勇，王時(shí)禮.運(yùn)用串口數(shù)據(jù)通信與Excel表格技術(shù)提高長(zhǎng)度計(jì)量效率[J].機(jī)電技術(shù)，2010（1）：12-13.

[6]薛定宇，陳陽(yáng)泉.基于Matlab/Sinulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：192-249.

[7]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000：10-20.

[8]中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)壓力專(zhuān)業(yè)委員會(huì).壓力測(cè)量不確定度評(píng)定[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006：160-165.