門平,畢俊杰,古兆兵,田桂東,衛(wèi)恒,吳玲媛

(1.中國人民解放軍92601部隊(duì),廣東 湛江524009;2.中國人民解放軍91515部隊(duì),海南 三亞572016;3.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院,北京100039;4.河南科技學(xué)院,河南 新鄉(xiāng)453003;5.中國人民解放軍32021部隊(duì),北京100094)

0 引言

指針式壓力表作為壓力測量裝置,因結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、不受電磁干擾、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、特種設(shè)備、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域的輸送管道和壓力容器中[1-2]。為確保科研和生產(chǎn)體系的壓力計(jì)量單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠,依據(jù)國家強(qiáng)制檢定目錄,需周期檢定的壓力表包括貿(mào)易結(jié)算、安全防護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測四個(gè)方面4種11類,檢定依據(jù)為壓力表計(jì)量檢定規(guī)程[3]。

納入強(qiáng)制檢定的指針式壓力表數(shù)量龐大,種類繁多,目前主要通過手動(dòng)加壓裝置進(jìn)行造壓,再由人眼讀取壓力表示值,檢定一塊壓力表平均用時(shí)約為10 min,長時(shí)間高強(qiáng)度的人工檢定容易造成視覺疲勞,人工估讀數(shù)據(jù)出錯(cuò)的幾率增大,且人工成本巨大;再者,估讀數(shù)據(jù)時(shí),受到人眼分辨力、觀測距離、觀測角度以及檢定人員心理狀態(tài)等因素的影響,造成測量結(jié)果的分散性[3-5]。

隨著機(jī)器視覺(Machine Vision,MV)[6]和人工智能技術(shù)(Artificial Intelligence,AI)[7]的發(fā)展,基于計(jì)量檢定工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面因素考慮,將機(jī)器視覺技術(shù)和人工智能技術(shù)引入壓力表計(jì)量領(lǐng)域,同時(shí)兼顧節(jié)約成本、提高效率以及保證數(shù)值估讀的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)壓力計(jì)量以實(shí)現(xiàn)單一壓力量值的壓力表為測量對(duì)象,聚焦國際制單位復(fù)現(xiàn)、量值傳遞和量值溯源的技術(shù)研究[8];而指針式壓力表智能檢定從實(shí)現(xiàn)單一參量計(jì)量檢定轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Ρ碜詣?dòng)精確控壓、壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀、存儲(chǔ)、自動(dòng)生成檢定文件、完成在線網(wǎng)上會(huì)簽等全流程的量值傳遞和量值溯源技術(shù)研究,最大限度降低人為因素的影響,減小測量不確定度。因此最大限度實(shí)現(xiàn)指針式壓力表智能檢定是解決壓力表日益增長的計(jì)量需求的關(guān)鍵,其目標(biāo)是滿足智能化、高效化、低成本壓力計(jì)量檢定需求。

1 智能檢定系統(tǒng)構(gòu)成

指針式壓力表智能計(jì)量檢定系統(tǒng)主要包括指針式壓力表檢定平臺(tái)、自動(dòng)壓力產(chǎn)生及控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺圖像識(shí)別系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng),指針式壓力表智能計(jì)量檢定系統(tǒng)框圖如圖1所示[2,9-10]。

圖1 指針式壓力表智能檢定系統(tǒng)Fig.1 Intelligent verification system of pointer pressure gauge

壓力表檢定平臺(tái)由計(jì)算機(jī)操控系統(tǒng)和實(shí)施計(jì)量檢定工裝平臺(tái)組成,其中檢定工裝平臺(tái)包括檢測支架、數(shù)字壓力傳感器、壓力控制截止閥、電磁敲擊機(jī)構(gòu)和攝像頭移動(dòng)導(dǎo)軌等。自動(dòng)壓力產(chǎn)生及控制系統(tǒng)包括預(yù)施壓裝置、升降壓裝置、過欠壓保護(hù)裝置、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、輸入輸出模塊、電源模塊、步進(jìn)電機(jī)或電磁閥機(jī)構(gòu)等部分,控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成,硬件系統(tǒng)包括鏡頭、光源和工業(yè)攝像(接收系統(tǒng)),軟件系統(tǒng)包括圖像識(shí)別系統(tǒng)和核心計(jì)算法,即壓力表指針自動(dòng)判讀系統(tǒng),其中光源采用圓頂式光源(DOME光源)[11],此光源適用于玻璃面反射光較強(qiáng)的指針式壓力表,攝像頭采集到的圖像清晰且沒有陰影。機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)以工業(yè)相機(jī)為測量傳感器,經(jīng)過圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)計(jì)算等步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力表指針位置的幾何測量。數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)包括壓力表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、檢定文件生成系統(tǒng)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)等。

圖2 壓力控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Schematic diagram of pressure control system

機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)的特點(diǎn):采用非接觸式測量方式,提高了響應(yīng)速度,適合在線檢測;具有長時(shí)間穩(wěn)定、可靠地重復(fù)工作的性能,適用于流水線作業(yè);適合在安全風(fēng)險(xiǎn)高、人機(jī)工程惡劣和環(huán)境差的區(qū)域工作。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)常用于內(nèi)孔徑、端面尺寸、寬度、直徑、長度等物理量精確的測量,并與生產(chǎn)線上PLC控制系統(tǒng)聯(lián)接,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測、測量、識(shí)別和定位功能。以上諸多優(yōu)點(diǎn)使機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)適用于指針式壓力表智能檢定系統(tǒng)。

2 壓力表智能檢定國外現(xiàn)狀

從全世界范圍來講,開展計(jì)量服務(wù)最早、最發(fā)達(dá)的計(jì)量研究機(jī)構(gòu)分別來自德國、美國和英國,其開展的計(jì)量理論和技術(shù)研究、應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)以及計(jì)量思想在全球范圍內(nèi)具有引領(lǐng)和驅(qū)動(dòng)作用[8]。

發(fā)達(dá)國家計(jì)量理念深入人心,無論是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域還是工程應(yīng)用領(lǐng)域都深刻理解計(jì)量的重要作用,科技企業(yè)會(huì)主動(dòng)聯(lián)系國家計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)尋求合作,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制和更新?lián)Q代[8]。早在1847年,英國Sydney Smith利用一端加載的閥門實(shí)現(xiàn)壓力表的標(biāo)定,直到上世紀(jì)七十年代前壓力儀表檢定一直處于手動(dòng)操作階段[12]。隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)器視覺等技術(shù)的發(fā)展,壓力表檢定進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代,其發(fā)展主要表現(xiàn)在:一是適合現(xiàn)場檢定的便攜式壓力檢定儀;二是在實(shí)驗(yàn)室開展的帶有計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的智能壓力檢定裝置。英國Transmation于1994年成功研制1292型自動(dòng)壓力檢定儀,這是第一臺(tái)自動(dòng)控壓、并對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的便攜式壓力檢定裝置,實(shí)現(xiàn)了從標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生到檢定結(jié)果自動(dòng)記錄的全自動(dòng)檢定,造壓誤差為0.05%,存在的不足是壓力上限僅為700 kPa,檢定壓力范圍小[1];德國Mahr公司采用CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集,利用數(shù)字圖像處理獲取指針位置等參數(shù),實(shí)現(xiàn)指針儀表的自動(dòng)檢定,不足是該儀器價(jià)格昂貴,維修不便,用戶普及率低[4,13];美國GE公司開發(fā)的Druck PACE7000壓力源及全數(shù)字模塊化壓力控制器,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化壓力校準(zhǔn)裝置,如圖3所示,壓力上限高達(dá)21 MPa,壓力控制誤差為0.005%,可以進(jìn)行負(fù)壓校準(zhǔn),并能進(jìn)行觸屏網(wǎng)絡(luò)控制[2]。英國劍橋大學(xué)Baker等人對(duì)流量計(jì)自動(dòng)化檢定裝置進(jìn)行了深入的研究,并給出了詳盡的設(shè)計(jì)案例,同步實(shí)現(xiàn)水壓、氣壓和流體溫度的多參量精確計(jì)量[14]。

圖3 全自動(dòng)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.3 Automatic pressure calibration system

從儀器開發(fā)角度闡述了國外壓力表智能檢定的發(fā)展現(xiàn)狀,可以看出,壓力表檢定逐漸由自動(dòng)化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向擴(kuò)展,由單一參數(shù)計(jì)量向多參數(shù)計(jì)量方向發(fā)展,這符合美國等發(fā)達(dá)國家的計(jì)量發(fā)展理念,即為商業(yè)和政府提供世界領(lǐng)導(dǎo)地位的關(guān)鍵測量解決方案,聚焦于研發(fā)和創(chuàng)新,與工業(yè)界和科學(xué)界同仁一起激發(fā)創(chuàng)新,確保和提升測量科學(xué)的準(zhǔn)確可靠,提高生活質(zhì)量和促進(jìn)貿(mào)易。

3 壓力表智能檢定國內(nèi)現(xiàn)狀

從時(shí)間角度來講,國內(nèi)關(guān)于指針式壓力表自動(dòng)檢定系統(tǒng)的研究與國外處于同一時(shí)期[15-16],哈爾濱工業(yè)大學(xué)李鐵橋教授在上世紀(jì)九十年代就研究了基于圖像處理技術(shù)的指針式壓力表自動(dòng)判讀系統(tǒng),并研制出相應(yīng)的全自動(dòng)檢定系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了測量范圍為0~16 MPa、0.4級(jí)以下指針式壓力表的自動(dòng)檢定,改善了國內(nèi)壓力表檢定的落后狀況;華北電力大學(xué)岳國義等人研究了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)及程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的智能指針式儀表識(shí)別系統(tǒng),并提出新的距離判別方法,實(shí)驗(yàn)表明新的識(shí)別方法更具合理性,識(shí)別精度優(yōu)于人工識(shí)別[17];中國石油大學(xué)張偉、劉復(fù)玉針對(duì)海量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,設(shè)計(jì)出快速高效的Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和Web網(wǎng)頁數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng),并將其應(yīng)用于油田壓力表批量智能檢定中,實(shí)現(xiàn)了批量壓力表檢定海量數(shù)據(jù)快速查詢、管理和展示,主要功能需求框圖如圖4所示[9];沈陽工業(yè)大學(xué)連兆杰研制出基于機(jī)器視覺技術(shù)的指針式壓力表檢定系統(tǒng),通過邊緣提取技術(shù)將表盤從壓力表圖像中提取出來。根據(jù)表盤尺寸和圖像采集距離選擇定焦鏡頭,確保最大直徑壓力表被檢視場范圍完整清晰。通過Microsoft Visual Studio 2010調(diào)用Microsoft Word 2007數(shù)據(jù)庫,將word檢定文檔按國家標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)寫入檢定記錄中,提高了工作效率,各模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。根據(jù)上述工作,實(shí)現(xiàn)了精度為0.4級(jí)準(zhǔn)確壓力表的檢定,可以實(shí)現(xiàn)不同直徑指針式壓力表快速準(zhǔn)確檢定,且適用多變復(fù)雜工作環(huán)境[4];北京康斯特儀表科技股份有限公司先后推出了ConST811現(xiàn)場全自動(dòng)壓力校驗(yàn)儀、ConST811A智能全自動(dòng)壓力校驗(yàn)儀、ConST810手持全自動(dòng)壓力校驗(yàn)儀,實(shí)現(xiàn)了真空至7 MPa范圍自動(dòng)控壓壓力計(jì)量檢定,準(zhǔn)確度等級(jí)最高可達(dá)0.01級(jí),并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢定,不足之處是需要人工讀取被檢表數(shù)值;在智能壓力控制器方面,先 后 推 出ConST820,ConST821,ConST822,ConST836智能壓力控制器,控壓范圍為-0.09~60 MPa,準(zhǔn)確度等級(jí)最高可達(dá)0.01級(jí)[18]。上述產(chǎn)品極大提升了我國壓力計(jì)量自動(dòng)化、智能化水平,實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)自主可控。

圖4 壓力表檢定數(shù)據(jù)功能需求框圖Fig.4 Functional requirements block diagram of pressure gauge verification data

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Software design flow chart

綜上所述,可以看出國內(nèi)在指針式壓力表智能檢定諸多方面取得了長足的進(jìn)步,但是研究工作還主要集中在以基礎(chǔ)研究為主體的高校內(nèi),且研究成果沒有進(jìn)行大規(guī)模普及或者只停留在某個(gè)行業(yè)。與國外相比,國內(nèi)研究的檢定系統(tǒng)僅僅針對(duì)壓力一個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)量,而國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了包括壓力在內(nèi)的多參數(shù)同步計(jì)量,且國內(nèi)研究對(duì)象僅限于某一準(zhǔn)確度等級(jí)范圍以內(nèi)的壓力表,沒有實(shí)現(xiàn)壓力表現(xiàn)有等級(jí)的全覆蓋。因此為了更好地促進(jìn)指針式壓力表智能檢定技術(shù)的研究、發(fā)展和推廣應(yīng)用,高校應(yīng)該主動(dòng)與科技企業(yè)聯(lián)系,發(fā)揮高校科研方面和企業(yè)生產(chǎn)工藝的長處,大力推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用融合,實(shí)現(xiàn)智能壓力計(jì)量對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐和保障作用;同時(shí)隨著柔性壓力傳感器的持續(xù)深入研究[19],壓力智能在線、在役監(jiān)測成為可能,與溫度及其他傳感器組成智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在役裝備壓力、溫度等多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、計(jì)量與評(píng)估。

4 壓力表智能計(jì)量系統(tǒng)基本架構(gòu)

壓力表智能計(jì)量檢定或校準(zhǔn)是壓力參數(shù)計(jì)量的發(fā)展趨勢之一,圖6為壓力表智能計(jì)量系統(tǒng)基本架構(gòu),它建立在自動(dòng)控制、機(jī)器視覺檢測、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)之上,并隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步和完善?？梢钥闯?壓力表智能計(jì)量系統(tǒng)基本架構(gòu)可分為3個(gè)基本層級(jí),從第2層級(jí)開始,每個(gè)層級(jí)一般包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。以數(shù)據(jù)管理調(diào)用系統(tǒng)為例,硬件系統(tǒng)包括工控機(jī)和數(shù)字終端,軟件系統(tǒng)包括壓力表檢定系統(tǒng)、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和用戶查詢及反饋系統(tǒng)。壓力表檢定系統(tǒng)涵蓋壓力表檢定人機(jī)交互界面、被檢表信息錄入以及測量標(biāo)準(zhǔn)信息更新等功能。網(wǎng)頁數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)海量檢定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、原始記錄及證書的生成、網(wǎng)絡(luò)會(huì)簽、技術(shù)文件打印等功能。用戶查詢及反饋系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)查詢被檢表所處的計(jì)量狀態(tài)、電子證書下載、技術(shù)問題反饋以及到期溯源提醒等功能。隨著壓力智能計(jì)量系統(tǒng)的研究和推廣應(yīng)用,相應(yīng)的檢定規(guī)程也需要適時(shí)修訂和更新。

圖6 壓力表智能計(jì)量系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Framework of pressure gauge intelligent metrology system

5 壓力表智能檢定發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

隨著自動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展,指針式壓力表智能檢定技術(shù)會(huì)日趨完善,將廣泛應(yīng)用于壓力表計(jì)量領(lǐng)域,能夠極大減輕計(jì)量檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,還能從技術(shù)層面減小人為讀數(shù)引入的不確定度分量。本文給出了指針式壓力表智能檢定系統(tǒng)的構(gòu)成,綜述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上,給出了壓力表智能計(jì)量系統(tǒng)的基本架構(gòu)。但是,隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和對(duì)壓力計(jì)量的現(xiàn)實(shí)需求,壓力表智能計(jì)量檢定技術(shù)由技術(shù)研究到工程應(yīng)用仍面臨諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1)從量值傳遞角度,我國已建立以國家計(jì)量院為核心的法定計(jì)量體系,具備科學(xué)計(jì)量、法制計(jì)量和工程計(jì)量能力。根據(jù)檢定規(guī)程,指針式精密壓力表讀數(shù)按最小刻度的十分之一來估讀,這已經(jīng)是人眼讀數(shù)的極限,如果采用基于機(jī)器視覺精密檢測技術(shù)的壓力表智能檢定系統(tǒng),可以進(jìn)一步提高讀數(shù)的準(zhǔn)確度,使壓力量值傳遞真實(shí)、可靠,這符合技術(shù)計(jì)量完整精度的發(fā)展趨勢。

2)隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)充分利用我國在人工智能數(shù)據(jù)積累、項(xiàng)目應(yīng)用以及功能集成三方面的優(yōu)勢,通過大量測量數(shù)據(jù)的積累,挖掘影響測量的各種誤差來源,并實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋,找出影響規(guī)律與消減方法,構(gòu)建數(shù)學(xué)預(yù)測模型,形成軟件,不斷評(píng)估對(duì)測量的改善效果。將這些技術(shù)引入壓力表智能計(jì)量,會(huì)極大提高工作效率,通過對(duì)海量計(jì)量數(shù)據(jù)的挖掘與分析,連續(xù)跟蹤批量指針式壓力表的使用壽命,并通過人工智能算法對(duì)其壽命進(jìn)行預(yù)測,合理給出指針式壓力表的檢定周期,為后續(xù)測量標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3)隨著深海、深空探測、遠(yuǎn)洋航行技術(shù)的不斷拓展,如何保證設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行,這些離不開精確測量,同時(shí)為指針式壓力表智能計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用提供更加廣闊的應(yīng)用范圍。由于被檢表所處的特殊環(huán)境,應(yīng)在本文提出的壓力表智能計(jì)量系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展非侵入式壓力計(jì)量技術(shù)和虛擬計(jì)量技術(shù),解決壓力表在線、在役計(jì)量或校準(zhǔn)難題。

4)2018年世界計(jì)量大會(huì)決定國際單位制7個(gè)基本單位采用物理常數(shù)重新定義,理論上,只要滿足定義條件,基本量值就可以隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn)出來,省去了標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞的中間環(huán)節(jié)使量值傳遞體系扁平化。為了實(shí)現(xiàn)最值傳遞的扁平化,需要精密或超精密測量設(shè)備,這就為壓力智能計(jì)量提供了用武之地,推進(jìn)包括壓力在內(nèi)的計(jì)量參數(shù)數(shù)字化、智能化計(jì)量進(jìn)程,是智能制造“完整精度”實(shí)現(xiàn)的重要支撐,這將有力推動(dòng)高效的國家計(jì)量體系和國家工業(yè)測量體系的建立。