張圓明，盧其倫，吳永忠，張旻煒

（廣州能源檢測研究院，廣州511447）

用于燃氣貿易結算的燃氣表屬于強制檢定計量器具，其量值準確與否直接關系到消費者和燃氣公司雙方的利益。燃氣表檢定是檢查燃氣表計量準確性是否合格的基本手段，包括示值誤差等5 個檢定項目[1]。目前，大部分法定計量檢定機構采用人工操作或者半自動方式檢定燃氣表示值誤差，對被檢表的累積體積進行人工讀數，工作量大、效率低，同時讀數誤差存在人為因素、檢定質量不易控制；而已有的被檢表累積體積自動讀數方式尚不太成熟。

1 現有讀數裝置存在的問題

已有的燃氣表累積體積自動檢測方式分為燃氣表計數器末位字輪光電采樣方式和計數器字輪圖像識別方式。

計數器末位字輪光電采樣方式原理為：一般燃氣表計數器末位字輪貼有一個感光亮片，通過配備一個光電采樣器照射到末位字輪并感應亮片完成累積體積自動采集，即隨著末位字輪轉動，亮片也跟著轉動，字輪轉動一圈光電采樣器感應到一次亮片并輸出一個脈沖，直至完成體積數累計，實現自動檢測[2-3]。該方式缺點是必須等到感光片轉到表盤正面才能照射采樣并開始檢定，當感光片剛從正面轉走時則要花較多的空走時間等待其走回正面位置才能開始檢定，大大降低了檢定效率。

計數器字輪圖像識別自動檢測分兩種方式[4-6]：①在檢定開始時，拍攝計數器末位字輪圖像并建立模板，檢定時高速拍攝末位字輪圖像并與模板對照、匹配，當末位字輪轉動一圈時，自動判定與模板一致，并發(fā)出一個脈沖；末位字輪每轉動一圈發(fā)出一個脈沖，直至字輪完成整數圈的轉動且被檢表通氣量或檢定時間達到預置數為止。因一個脈沖代表末位字輪轉動一圈的體積值，檢定過程中一旦丟失一個脈沖，記錄的累積體積將會與實際值相差較大，直接導致檢定結果出錯，這就對圖像識別的準確性和采樣間隔提出了很高的要求。②在檢定開始時，拍攝計數器字輪圖像并識別轉化為累積體積初始數值，當被檢表通氣量或檢定時間達到預置數時再次拍攝計數器字輪圖像、識別轉化為累積體積終止數值，兩個累積體積數值之差即為被檢表體積示值，實現自動檢定[4]。由于檢定過程中字輪不停轉動，拍攝的字輪數字可能是相鄰2 個半字符而不是一個完整的字符（跳表間隙上下數字不全），給圖像識別帶來較大的難度，降低了識別準確率，另外易受外界干擾，如光線變化會影響圖像識別成功率。

綜上，已有的燃氣表讀數自動檢測技術還存在不足，檢定質量或效率還有待提高，亟需研制一種準確、高效的燃氣表自動讀數裝置。

2 自動讀數裝置的設計

為提高燃氣表的檢定質量和效率，設計了一種基于機器視覺和激光傳感器技術的膜式燃氣表自動讀數裝置，如圖1 和圖2所示。檢定前利用機器視覺算法檢測并完成激光傳感器光束的定位，實現激光光束快速、精準照射到末位字輪右側輪齒；檢定時本裝置采用激光傳感器識別末位字輪右側輪齒、實時發(fā)送脈沖信號、記錄轉過的輪齒個數并計算出燃氣表流量示值。讀數裝置安裝在燃氣表檢定工作臺上，包括前端采集模塊、云臺模塊、電動推桿、懸臂梁和控制盒，被檢表安裝于檢定工作臺表位上（圖1 為4 表位）。

圖1 燃氣表自動讀數裝置安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of automatic reading device of gas meter

圖2 燃氣表自動讀數裝置結構示意圖Fig.2 Structural diagram of automatic reading device of gas meter

懸臂梁的一端連接于檢定工作臺上，另一端通過推桿載板與電動推桿連接，電動推桿底部連接云臺模塊，云臺模塊搭載前端采集模塊（包括激光檢測單元和視覺檢測單元）；電動推桿和云臺模塊分別用于前端采集模塊檢定位置的粗調和微調?？刂坪邪▌恿刂葡浜蜋z定控制箱，其中激光檢測單元和視覺檢測單元分別與檢定控制箱控制信號連接，云臺模塊和電動推桿分別與動力控制箱控制信號連接，控制盒的電氣原理如圖3所示?？刂坪锌刂齐妱油茥U的升降進行讀數裝置的粗定位；當出現偏移時，通過云臺模塊轉動1 號、2 號舵機進行定位微調以實現精確定位。激光檢測單元包括激光傳感器和脈沖計數器，激光傳感器檢測到輪齒經過時發(fā)送一個脈沖給脈沖計數器，脈沖計數器把采集到的數據傳輸到下位機。視覺檢測單元包括攝像頭、圖像處理模塊，實時采集激光傳感器光束和燃氣表末位字輪右側輪齒定位的圖像信息，根據兩者偏差反饋調節(jié)云臺轉動，實現激光光束快速、精準照射到末位字輪右側輪齒；同時，還用于機械計數器字輪的圖像識別，采集檢定開始、結束時的兩張字輪照片，識別、轉化成的起始和終止兩個體積數相減，計算出被檢表累積流量示值。

圖3 燃氣表自動讀數裝置控制原理圖Fig.3 Control schematic diagram of automatic reading device of gas meter

云臺模塊包括1 號舵機和2 號舵機；電動推桿通過推桿接頭連接1 號舵機，1 號舵機用于調整前端采集模塊上下翻轉角度；1 號舵機底部與2 號舵機連接，2 號舵機用于調整前端采集模塊左右翻轉角度。

激光檢測單元包括激光傳感器和脈沖計數器。燃氣表的末位字輪右側沿周向設有若干輪齒，激光傳感器光束對準末位字輪右側輪齒；因燃氣表機械計數器的末位字輪右側輪齒部分被表外殼遮蓋，采取與字輪同一水平方向上傾斜45°的方法放置激光傳感器，對準末位字輪右側輪齒，如圖4所示；檢定過程中當輪齒轉到激光照射固定點時和轉離固定點時，測出的距離不同，根據距離長短交替變化輸出高低電平的脈沖并由脈沖計數器記錄。

圖4 激光光束照射燃氣表末位字輪右側輪齒示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser beam aiming at the right gear tooth of the last word wheel of gas meter

視覺檢測單元包括攝像頭和圖像處理單元，攝像頭用于拍攝燃氣表的字輪圖像，并發(fā)送給圖像處理單元；圖像處理單元用于處理獲取的圖像，并根據圖像處理結果，獲取生成流量示值或發(fā)送翻轉角度指令到云臺模塊以調整前端采集模塊的檢定位姿。

本讀數裝置還可設置通訊模塊，用于將燃氣表累積流量讀數發(fā)送到遠程終端。

3 燃氣表自動讀數方法

本讀數裝置的自動讀數方法如下：

根據膜式燃氣表的表盤位置和預設的檢定模式，生成對應于前端采集模塊的第一控制指令和第二控制指令，其中第一控制指令控制前端采集模塊到達和離開檢定位置，第二控制指令控制前端采集模塊完成檢定操作。

安裝好待檢定的燃氣表后，在上位機啟動檢定程序，向與電動推桿連接的動力控制箱發(fā)送第一控制指令，指示動力控制箱下放電動推桿以使前端采集模塊移動至檢定位置，完成前端采集模塊的粗定位。

前端采集模塊粗定位后，再進行檢定位置微調：激光檢測單元發(fā)射激光光束照向被檢表末位字輪的輪齒；視覺檢測單元拍攝此時燃氣表圖像，根據獲取的圖像確認光束照射點與末位字輪輪齒的關系；若激光光束未對準末位字輪輪齒，根據兩者偏差實時反饋給控制系統、調節(jié)與前端采集模塊連接的云臺模塊的轉動，最終實現光束快速、精準照射到末位字輪右側輪齒；若激光光束已經對準末位字輪輪齒，則開始檢定操作。云臺模塊搭載了前端采集模塊，即攝像頭和激光傳感器，它們的照射面在同一平面上。云臺模塊上的1 號舵機、2號舵機，分別用于前端采集模塊的上下、左右微調，如果激光光束偏離輪齒，則通過控制1 號舵機、2 號舵機的轉動來調整激光傳感器的位姿直至激光光束照射到輪齒上。若出現左右偏移，則控制2 號舵機繞中心軸逆時針或順時針旋轉一定角度，從而控制激光傳感器向左或者向右移動一定距離；若出現上下偏移，則控制1 號舵機向上或者向下翻轉一定角度，從而控制激光傳感器向上或者向下偏移一定距離；兩個舵機可旋轉角度在0°～90°之間。

向與前端采集模塊連接的檢定控制箱發(fā)送第二控制指令，控制前端采集模塊到達檢定位置后完成檢定操作，包括：采用激光傳感器的測距技術，末位字輪右側輪齒轉動時傳感器所測得的距離交替變化，當輪齒、輪齒間隙轉到激光照射點時，測出的距離不同，前者距離短、后者距離長，根據距離區(qū)分是否檢測到輪齒。燃氣表通氣后以一定的速度運轉，達到檢定流量點后開始檢定，控制盒發(fā)送指令給激光傳感器和脈沖計數器，激光傳感器開始識別末位字輪右側輪齒直至檢定結束，當檢測到有一個輪齒經過，置為高電平，通過信號線向脈沖計數器發(fā)送一個計數脈沖；檢測到空隙，置為低電平，不發(fā)送脈沖。根據脈沖數生成第一累積流量示值V1，計算公式為

式中：V1為被檢表第一累積流量示值，單位為升，L；n為脈沖數；N為被檢表末位字輪右側輪齒個數（如30 個），即末位字輪轉動一圈能發(fā)送的脈沖數；V′為末位字輪轉動一圈代表的固定體積（如10 L），單位為升，L。

檢定操作還包括： 本讀數裝置配有攝像頭，除了用于確認激光光束是否對準計數器末位字輪右側的輪齒外，還將檢定前、后所拍攝字輪照片上傳到上位機，進行機械計數器字輪的圖像識別，識別過程包括圖像預處理（包括彩色圖像灰度化、圖像均衡化、中值濾波、二值化）、字輪定位（包括邊緣檢測、粗定位、精確定位）、字符分割、字符匹配和輸出識別結果。根據檢定開始時和檢定結束時的2 張字輪照片，識別、轉化成2 個體積數值并相減，計算出被檢表第二累積流量示值V2。

判斷2 個累積流量示值之差的絕對值是否超過表末位字輪單位數的2 倍，若不超過，則認為被檢表示值采集準確可靠，將2 個累積流量示值的算術平均值作為最終累積流量示值；若超過，則人工讀取視覺檢測單元所采集的檢定起始計數器圖像上的讀數和終止圖像上的讀數，計算兩者之差作為被檢表的累積流量示值。

當被檢表通氣量或檢定時間達到設定數，完成相應流量點的檢定；當完成所有流量點檢定后，檢定結束，控制盒控制電動推桿上升，前端采集模塊收起，拆表作業(yè)。

4 自動讀數裝置的優(yōu)點

本燃氣表自動讀數裝置具有以下優(yōu)點：

采用激光傳感器識別燃氣表計數器末位字輪右側輪齒并發(fā)送脈沖信號的方式，流量達到檢定流量后可隨時開始檢定，不受限于末位字輪某一開始或者某一結束位置，提高了檢定效率。

激光的亮度高、單色性好、光束狹窄、抗環(huán)境光度干擾能力強；采用激光傳感器進行檢測，激光束能夠準確定位到末位字輪右側的小輪齒上，且不受計數器上方的塑料片和其它光源的干擾，提高了測量穩(wěn)定性；利用激光束直徑小的優(yōu)勢，可檢測、識別微小輪齒，提高了測量分辨力。識別末位字輪感光片和圖像識別末位字輪轉動圈數的檢測方式，末位字輪每轉一圈才發(fā)送一個脈沖；而本讀數裝置因末位字輪帶有30 個輪齒，每轉一圈能發(fā)送30 個脈沖，分辨力是以上兩種自動檢測方式的1/30，因而測量誤差大大減小、檢定結果更加準確。

本讀數裝置配有攝像頭，將拍攝照片上傳到上位機，進行機械計數器字輪的圖像識別，識別結果與激光傳感器測算出的累積流量示值比較和交叉驗證，進一步提高了采集數據的準確可靠性。

本讀數裝置具有安裝方便和易操作的特點，只需在工作臺上方進行打孔和螺絲固定即可。還可以在讀數裝置的基礎上加裝通訊模塊，安裝在無遠傳功能燃氣表上，實現遠程抄表。

5 結語

本文針對現有燃氣表檢定裝置累積流量讀數問題，提出了一種基于機器視覺和激光傳感的膜式燃氣表自動讀數裝置。檢定前利用機器視覺算法檢測并完成激光傳感器光束和燃氣表末位字輪右側輪齒的定位，實現激光光束快速、精準照射到末位字輪右側輪齒；當燃氣表通氣運轉時，其機械計數器字輪轉動計數，末位字輪轉一圈對應一個固定的體積，末位字輪右側均勻分布固定數量的輪齒，采用激光傳感器的測距原理在檢定過程中識別輪齒并記錄轉過的輪齒個數，計算出燃氣表流量示值。通氣流量達到檢定點流量后則可以隨時開始檢定，不受限于末位字輪某一開始或者某一結束位置，提高了檢定效率，檢定的準確性也大大提高。同步采用圖像識別方式獲得燃氣表讀數，與激光傳感器測算出的被檢表累積流量示值進行比較和交叉驗證，提高采集數據的可靠性。