高旭輝，薛 征，李 域，2，龔敏珍，于得水，2，臧 鵬

(1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(計(jì)量光學(xué)及應(yīng)用),陜西 西安 710100)

黏度是流體重要的熱物性參數(shù)之一，黏度的大小直接決定流體的流動(dòng)性。黏度的準(zhǔn)確測定對(duì)于預(yù)測指導(dǎo)石油產(chǎn)品[1-2]、高分子材料[3]的生產(chǎn)工藝控制和物流輸送，確定內(nèi)燃機(jī)[4]、印刷機(jī)[5]、液壓機(jī)械[6]的工作條件，反映人體體液循環(huán)的健康狀態(tài)[7-8]等都有著重要的意義。黏度的測試方法主要有毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法、落體法、光學(xué)法、超聲波法等。其中，毛細(xì)管法因其測量準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，成為液體黏度測量應(yīng)用最廣的方法。

常見的毛細(xì)管黏度計(jì)有烏氏(烏別洛特，Ubbelohde)、平氏(平開維奇，Pinkievich)、芬氏(芬斯克，F(xiàn)enske)以及逆流式等，其中平氏黏度計(jì)因其結(jié)構(gòu)較為簡單、操作相對(duì)方便、黏度測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，常用作工作毛細(xì)管黏度計(jì)。以平氏黏度計(jì)為代表，引入機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)黏度自動(dòng)檢測過程進(jìn)行了研究。

在恒溫條件下，一定量運(yùn)動(dòng)黏度已知的標(biāo)準(zhǔn)黏度液受重力作用通過毛細(xì)管黏度計(jì)的計(jì)時(shí)標(biāo)線，測量黏度液通過計(jì)時(shí)標(biāo)線的時(shí)長，即可計(jì)算出其黏度計(jì)常數(shù)。相應(yīng)地，用常數(shù)已知的黏度計(jì)測量未知流體通過計(jì)時(shí)標(biāo)線的時(shí)長，即可以計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)黏度值。

目前毛細(xì)管黏度計(jì)的檢定和運(yùn)動(dòng)黏度的測量以人工測量為主，每次測量時(shí)間需持續(xù)200～2000 s，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，精神緊張，工作效率難以提高。近年來，國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)開展了毛細(xì)管黏度計(jì)的自動(dòng)檢定或黏度自動(dòng)測量工作研究[9]。吳陽平等[10]采用電容式液位傳感器對(duì)黏度計(jì)的計(jì)時(shí)標(biāo)線進(jìn)行識(shí)別，抗干擾能力較強(qiáng)；李琴[11]采用自動(dòng)黏度測試架實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的自動(dòng)測試；胡國星等[12]采用CCD攝像機(jī)對(duì)黏度計(jì)工作圖像進(jìn)行識(shí)別分析，實(shí)現(xiàn)了黏度計(jì)的自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)；邢志紅等[13]采用CCD圖像傳感芯片采集黏度計(jì)圖像，通過單片機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了黏度計(jì)檢測的自動(dòng)化。

針對(duì)平氏黏度計(jì)的檢定過程和運(yùn)動(dòng)黏度測量過程，對(duì)基于機(jī)器視覺的黏度自動(dòng)檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)模擬人的視覺進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、定位和判斷，提高了黏度計(jì)的檢定以及運(yùn)動(dòng)黏度測量效率，在計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值傳遞和油品檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行黏度測量方面有著較好的應(yīng)用前景。

1 黏度自動(dòng)檢測方案設(shè)計(jì)

1.1 黏度測量原理

根據(jù)泊肅葉(Poiseuille)定律，一定體積的牛頓流體在一定壓力梯度下通過給定的毛細(xì)管時(shí)，其動(dòng)力黏度η可通過測量流體流速和流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力差Δp進(jìn)行計(jì)算獲得，根據(jù)被測流體的密度ρ，可以計(jì)算獲得其運(yùn)動(dòng)黏度ν[14]：

(1)

使用玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)進(jìn)行測定時(shí)，Δp可以用液體靜壓力ρgh表示；式中L、R為毛細(xì)管長度和半徑；Q為單位時(shí)間通過毛細(xì)管的體積流量；g為重力加速度；h為被測流體液柱高度；V為流體的體積；τ為流體在毛細(xì)管中的流動(dòng)時(shí)間。在毛細(xì)管和被測流體都確定的情況下，R，h，V，L均為定值，令

(2)

可得

ν=C·τ

(3)

式(3)即為毛細(xì)管黏度計(jì)測量流體運(yùn)動(dòng)黏度的公式，C稱為黏度計(jì)常數(shù)。按照J(rèn)JG 155—2016《工作毛細(xì)管黏度計(jì)》[15]檢定規(guī)程要求，黏度計(jì)常數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)黏度液國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)黏度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定得到。

1.2 檢測需求分析和系統(tǒng)搭建

按照式(3)，自動(dòng)檢測系統(tǒng)應(yīng)能夠準(zhǔn)確測量平氏黏度計(jì)計(jì)時(shí)球(見圖1)中流體的流動(dòng)時(shí)間，即流體流過上、下計(jì)時(shí)標(biāo)線(見圖1)的時(shí)刻之差。

圖1 平式黏度計(jì)結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

根據(jù)測量系統(tǒng)的機(jī)器視覺檢測需求，確定機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)由攝像機(jī)、流體跟蹤裝置、光源、計(jì)時(shí)裝置和圖像處理計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)如下。

① 攝像機(jī)。采用高速紅外攝像機(jī)，畫面采集速度120 f/s，滿足JJG 155—2016對(duì)于時(shí)間測量分辨力優(yōu)于0.1 s的要求，CMOS感光芯片尺寸為5.27 mm×3.93 mm(1/2.7 in)，像素?cái)?shù)>1 M，可以生成1024像素×768像素分辨率的灰度圖像，采用USB2.0數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，可以準(zhǔn)確采集流體運(yùn)動(dòng)圖像。

② 流體跟蹤裝置。在測定過程中，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)攝像機(jī)在垂直導(dǎo)軌上移動(dòng)，其最小移動(dòng)量為0.1 mm，使攝像機(jī)與計(jì)時(shí)刻線處于同一水平面，并保持靜止?fàn)顟B(tài)，模擬人眼對(duì)計(jì)時(shí)標(biāo)線的識(shí)別過程，有效避免了攝像機(jī)的圖像畸變帶來的影響。

③ 光源。為實(shí)現(xiàn)對(duì)有色流體和無色計(jì)時(shí)標(biāo)線的識(shí)別，增強(qiáng)檢測的通用性和一致性，系統(tǒng)采用300 mm×600 mm的白色LED光源作為攝像機(jī)的背景光源。

④ 計(jì)時(shí)裝置。時(shí)間的準(zhǔn)確測量是黏度準(zhǔn)確檢測的關(guān)鍵因素，本系統(tǒng)采用電秒表計(jì)時(shí)，其測量范圍0.0001～9999.99 s，測量誤差小于±(5×10-6τ)。

1.3 黏度檢測與圖像處理

黏度檢測過程如圖3所示。在檢測前，攝像機(jī)P通過步進(jìn)電機(jī)M驅(qū)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一周，利用模板匹配方式識(shí)別待測黏度計(jì)的上下計(jì)時(shí)標(biāo)線，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測流體的跟蹤；待測定開始時(shí)，攝像機(jī)運(yùn)行至上計(jì)時(shí)標(biāo)線水平面，流體受重力影響向下流動(dòng)，液面下降。在流體自身黏度的影響下，流體在流過刻線時(shí)為層流狀態(tài)，其液面呈彎月面形狀。當(dāng)流體液面曲線與上計(jì)時(shí)標(biāo)線相切時(shí)，輸出觸發(fā)脈沖起始計(jì)時(shí)，然后攝像機(jī)快速運(yùn)行至下計(jì)時(shí)標(biāo)線水平面，檢測到流體液面曲線與下計(jì)時(shí)標(biāo)線相切時(shí)輸出截止脈沖結(jié)束計(jì)時(shí)，以兩次脈沖的時(shí)間間隔作為流體流動(dòng)時(shí)間。

圖3 黏度檢測過程示意圖

在檢測過程中，毛細(xì)管黏度計(jì)中的流體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢測系統(tǒng)得到的是動(dòng)態(tài)圖像。通過高速攝像機(jī)將動(dòng)態(tài)圖像解析為連續(xù)的靜態(tài)圖片，通過高精度定位模板匹配方式識(shí)別計(jì)時(shí)起點(diǎn)和終點(diǎn)[16]。檢測軟件系統(tǒng)采用C#語言編寫，采用AForge庫進(jìn)行視頻圖像采集輸入輸出，應(yīng)用OpenCVSharp庫對(duì)采集圖片進(jìn)行處理，通過灰度處理、去噪、二值化、形態(tài)學(xué)開、閉操作及膨脹、腐蝕處理，攝像機(jī)與刻度線、液面的水平同樣采用OpenCVSharp庫對(duì)圖像中像素進(jìn)行處理、識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 計(jì)時(shí)起始圖像及灰度、二值化處理結(jié)果示意

圖5 計(jì)時(shí)終止圖像及灰度、二值化處理結(jié)果示意

2 測量過程與結(jié)果

2.1 測量過程

黏度的自動(dòng)檢測過程可以分為毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)測量和運(yùn)動(dòng)黏度測量兩部分。

按照國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 155—2016《工作毛細(xì)管黏度計(jì)》的要求，在(20±0.01)℃的恒溫條件下，分別選取兩種適合的標(biāo)準(zhǔn)黏度液對(duì)平氏黏度計(jì)各進(jìn)行4次流動(dòng)時(shí)間測量，將流動(dòng)時(shí)間平均值與標(biāo)準(zhǔn)黏度液的運(yùn)動(dòng)黏度標(biāo)準(zhǔn)值代入式(3)計(jì)算黏度計(jì)常數(shù)，以兩種標(biāo)準(zhǔn)黏度液測得的常數(shù)平均值作為毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)測量結(jié)果。兩種標(biāo)準(zhǔn)黏度液測量結(jié)果的時(shí)間重復(fù)性δt和常數(shù)復(fù)現(xiàn)性δC分別按式(4)和式(5)計(jì)算：

(4)

(5)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10247—2008《粘度測量方法》[17]的要求，在(20±0.01)℃的恒溫條件下，分別選用兩種不同內(nèi)徑的平氏黏度計(jì)對(duì)流體樣品各進(jìn)行兩次流動(dòng)時(shí)間測量，將流動(dòng)時(shí)間平均值與毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)值代入式(3)計(jì)算運(yùn)動(dòng)黏度值。運(yùn)動(dòng)黏度值的重復(fù)性δν按式(6)計(jì)算：

(6)

2.2 毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)測量結(jié)果

利用搭建好的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，按照2.1節(jié)中的步驟對(duì)毛細(xì)管內(nèi)徑為0.6～1.2 mm的4種平氏黏度計(jì)進(jìn)行毛細(xì)管常數(shù)測量，并與人工測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)測量結(jié)果對(duì)比

測量結(jié)果表明，自動(dòng)測量的時(shí)間重復(fù)性在0.05%～0.11%之間，優(yōu)于人工測量的0.07%～0.19%；對(duì)于兩種不同黏度液的常數(shù)復(fù)現(xiàn)性在0.03%～0.17%之間，優(yōu)于人工測量的0.11%～0.23%。自動(dòng)測量與人工測量的毛細(xì)管常數(shù)平均值之測量偏差在0.03%～0.07%之間，符合檢定規(guī)程中常數(shù)復(fù)現(xiàn)性不大于0.3%的要求。

2.3 運(yùn)動(dòng)黏度測量結(jié)果

利用搭建好的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，按照2.1節(jié)中的步驟對(duì)0號(hào)柴油和0W20潤滑油等兩種樣品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)黏度測量，并與人工測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 運(yùn)動(dòng)黏度測量結(jié)果對(duì)比

測量結(jié)果表明，自動(dòng)測量的運(yùn)動(dòng)黏度重復(fù)性在0.12%～0.46%之間，優(yōu)于人工測量的0.25%～0.56%。自動(dòng)測量與人工測量的運(yùn)動(dòng)黏度平均值之測量偏差在0.02%～0.17%之間，符合國家標(biāo)準(zhǔn)中再現(xiàn)性不大于0.7%的要求。

3 結(jié)束語

為適應(yīng)黏度檢測的實(shí)際需求，提高毛細(xì)管黏度計(jì)檢定和運(yùn)動(dòng)粘度測定的效率，基于機(jī)器視覺原理對(duì)黏度自動(dòng)檢測技術(shù)進(jìn)行研究，利用高速紅外攝像機(jī)和流體跟蹤裝置對(duì)人工測量過程進(jìn)行模擬仿真。對(duì)平氏黏度計(jì)毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)和流體樣品運(yùn)動(dòng)黏度測量結(jié)果表明，自動(dòng)檢測系統(tǒng)均明顯優(yōu)于人工測量結(jié)果，二者的測量偏差符合相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)應(yīng)用自動(dòng)檢測技術(shù)可以簡化計(jì)時(shí)和計(jì)算過程，可以起到提高測量準(zhǔn)確度、節(jié)省人力的作用。