摘要：為了使毛細(xì)管粘度計(jì)的日常檢定工作更加準(zhǔn)確、科學(xué)、高效，文中研制了一種基于機(jī)器視覺(jué)的毛細(xì)管粘度計(jì)檢定裝置，實(shí)現(xiàn)了液面自動(dòng)檢測(cè)，提高了檢測(cè)精度和效率。依據(jù)日常檢定工作的數(shù)據(jù)處理規(guī)則和JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，同時(shí)對(duì)該檢定裝置的毛細(xì)管粘度計(jì)的常數(shù)測(cè)量的不確定度分析研究，進(jìn)行了詳細(xì)的分析和評(píng)定。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；毛細(xì)管粘度計(jì)；檢定裝置；不確定度評(píng)定

Development of a Capillary Viscometer Calibration Device and Evaluation of Uncertainty in Constant Measurement

BAI Yujie， LIU Dongmei， SUN Yinhe， CHANG Zidong

（Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing， Tianjin 300190， China）

Abstract： In order to make the daily calibration of capillary viscometers more accurate， scientific， and efficient， this paper develops a capillary viscometer calibration device based on machine vision， which realizes automatic liquid level detection and improves detection accuracy and efficiency. According to the data processing rules for daily verification work and JJF 1059.1-2012 \"Evaluation and Expression of Measurement Uncertainty\"， a detailed analysis and evaluation of the uncertainty in the constant measurement of the capillary viscometer for this verification device are conducted.

Key Words： Machine vision; Capillary viscometer; Verification device; Uncertainty assessment

0" 引言

目前，粘度及其測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的石油、化工、醫(yī)藥和科學(xué)研究等許多領(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用。測(cè)量粘度的方法中毛細(xì)管法因?yàn)槭褂梅奖?、測(cè)量精度高等特點(diǎn)成為最常用的粘度測(cè)量方法。但是，目前檢定毛細(xì)管粘度計(jì)主要依靠人工操作，對(duì)人員要求較高，操作起來(lái)較為復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果受人為因素的影響較大。

在檢定過(guò)程中，檢定人員首先需要借助觀察線墜沿兩個(gè)互成直角的方向調(diào)節(jié)夾具，使毛細(xì)管粘度計(jì)垂直，該過(guò)程調(diào)節(jié)難度較高，時(shí)間較長(zhǎng)，還容易產(chǎn)生較大角度誤差。接下來(lái)，測(cè)量過(guò)程中使用秒表作為計(jì)時(shí)裝置，通過(guò)人眼觀察被測(cè)液體的凹形液面流經(jīng)粘度管的上下兩條計(jì)時(shí)標(biāo)線，手動(dòng)撳動(dòng)秒表記錄兩條標(biāo)線中間的時(shí)間差。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)檢定人員的注意力和反應(yīng)速度要求高，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性較差，不同人員檢定復(fù)現(xiàn)性低，影響粘度的測(cè)量精度?；谏鲜鰡?wèn)題，筆者研發(fā)一套以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為核心，配合垂直度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管粘度計(jì)的自動(dòng)檢定裝置，從而不僅提高了測(cè)量準(zhǔn)確度、重復(fù)性和測(cè)量效率，同時(shí)降低檢定人員的工作強(qiáng)度。

1 檢定裝置的原理及組成

本檢定裝置使用高速工業(yè)攝像機(jī)代替人眼觀測(cè)，上位機(jī)內(nèi)部晶振代替秒表計(jì)時(shí)，通過(guò)圖像采集和液面追蹤技術(shù)在凹形液面流經(jīng)上、下標(biāo)線時(shí)啟動(dòng)和停止計(jì)時(shí)。裝置中圖像采集系統(tǒng)包括高速工業(yè)攝像機(jī)、攝像機(jī)位置調(diào)節(jié)支架、光源及光源控制器、工業(yè)觸控一體機(jī)等。高速工業(yè)攝像機(jī)架設(shè)在恒溫水域缸外，通過(guò)攝像機(jī)支架對(duì)攝像機(jī)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。攝像機(jī)對(duì)毛細(xì)管粘度計(jì)液面運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行視頻拍攝，視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た厣衔粰C(jī)，再經(jīng)過(guò)圖像處理技術(shù)識(shí)別出標(biāo)線，并追蹤液面下降過(guò)程與標(biāo)線的位置關(guān)系，計(jì)算得到下降時(shí)間，從而自動(dòng)計(jì)算得到粘度計(jì)常數(shù)值。

垂直度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊為機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，包括彈性?shī)A具、傾角傳感器、水平調(diào)節(jié)臺(tái)組成，用于調(diào)節(jié)毛細(xì)管粘度計(jì)的位姿，使毛細(xì)管保持垂直狀態(tài)。彈性?shī)A具用于將毛細(xì)管粘度計(jì)固定，彈性?shī)A具與傾角傳感器一同固定在水平調(diào)節(jié)臺(tái)上。水平調(diào)節(jié)臺(tái)由兩個(gè)角位移臺(tái)組成，角位移臺(tái)配備步進(jìn)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器，采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)任意正向和反向旋轉(zhuǎn)。角位移臺(tái)頂端安裝有傾角傳感器，根據(jù)傾角傳感器的反饋，角位移臺(tái)帶動(dòng)夾具進(jìn)行兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)平補(bǔ)償。

2" 檢定裝置的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

文中采取對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將攝像機(jī)采集到的多幀圖像傳輸至上位機(jī)中進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，與3名實(shí)驗(yàn)員分別進(jìn)行人工實(shí)驗(yàn)操作所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析。

實(shí)驗(yàn)使用的是檢定合格的平氏毛細(xì)管粘度計(jì)一根，其內(nèi)徑尺寸為0.8mm，粘度計(jì)常數(shù)為0.03092 mm2/s2。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件為環(huán)境溫度為21.5℃，環(huán)境濕度47% RH。有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)粘度液GBW13603，標(biāo)準(zhǔn)粘度值為9.9462 mm2/s（簡(jiǎn)稱(chēng)一號(hào)油），及標(biāo)準(zhǔn)粘度液GBW13604，標(biāo)準(zhǔn)粘度值為20.621 mm2/s（簡(jiǎn)稱(chēng)二號(hào)油）。

時(shí)間重復(fù)性是重復(fù)測(cè)4次在某一溫度下采用常數(shù)已知的粘度計(jì)測(cè)量一定體積液體流經(jīng)毛細(xì)管所用的時(shí)間。

除了時(shí)間重復(fù)性，常數(shù)復(fù)現(xiàn)性也是毛細(xì)管粘度計(jì)一個(gè)比較重要的技術(shù)指標(biāo)。表3中常數(shù)復(fù)現(xiàn)性的計(jì)算公式為：

——第一次裝樣（一號(hào)油）測(cè)量所得粘度計(jì)常數(shù)，mm2/s2；

——第二次裝樣（二號(hào)油）測(cè)量所得粘度計(jì)常數(shù)，mm2/s2；

——兩次測(cè)量所得粘度計(jì)常數(shù)平均值，mm2/s2。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得（見(jiàn)表1和表2），圖像自動(dòng)采集的時(shí)間示值偏差最大值為0.01s，重復(fù)性偏差值最大為0.003%。而實(shí)驗(yàn)員人工采集的時(shí)間示值偏差最大值為0.3s，同一個(gè)人的重復(fù)性偏差值最大為0.09%，不同人之間的重復(fù)性偏差值最大為0.05%。經(jīng)過(guò)測(cè)量一、二號(hào)油的結(jié)果可得，圖像自動(dòng)采集的常數(shù)復(fù)現(xiàn)性達(dá)到了0.06%，而實(shí)驗(yàn)員常數(shù)復(fù)現(xiàn)性最大值為0.29%。可見(jiàn)，通過(guò)圖像自動(dòng)采集得到的時(shí)間結(jié)果在示值誤差和重復(fù)性等方面都得到了不同程度的提高，該方法不僅提高了工作效率，而且測(cè)量結(jié)果——粘度計(jì)常數(shù)的準(zhǔn)確性也得到了很大程度的提升。

3" 裝置粘度計(jì)常數(shù)測(cè)量的不確定度分析

筆者針對(duì)該毛細(xì)管粘度計(jì)檢定裝置，采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法測(cè)量基于重力原理的毛細(xì)管粘度計(jì)的粘度常數(shù)，并對(duì)比原始人工測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)估。

3.1 測(cè)量模型

3.2 毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)測(cè)量結(jié)果不確定度

來(lái)源分析

毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)測(cè)量結(jié)果的不確定度來(lái)源主要有以下幾個(gè)：

1）常數(shù)測(cè)量值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，即檢定裝置重復(fù)測(cè)量引入的不確定度；

2）標(biāo)準(zhǔn)粘度液粘度值引入的相對(duì)不確定度；

3）標(biāo)準(zhǔn)液粘溫變化率引入的相對(duì)不確定度；

4）計(jì)時(shí)器引入的相對(duì)不確定度；

5）粘度計(jì)垂直度引入的相對(duì)不確定度；

6）溫度計(jì)校準(zhǔn)誤差引入的不確定度分量。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

3.3.1 常數(shù)測(cè)量值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

在20℃時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)號(hào)為GBW13603、GBW13604，標(biāo)稱(chēng)值分別為9.9462mm2/s和20.621mm2/s的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)粘度液對(duì)內(nèi)徑0.8mm、編號(hào)為575的工作毛細(xì)管進(jìn)行測(cè)量。采用粘度計(jì)檢定裝置和原始人工測(cè)量的對(duì)比測(cè)量結(jié)果如表4所示。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)粘度液粘度值引入的相對(duì)不確定度

由證書(shū)查的兩種標(biāo)準(zhǔn)粘度油的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.16%、0.21%，則其引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)液粘溫變化率引入的相對(duì)不確定度

標(biāo)準(zhǔn)粘度液粘溫變化率在（20±0.01）℃時(shí)不大于±0.1%，按照均勻分布計(jì)算，相對(duì)不確定度分量為：

3.3.4 計(jì)時(shí)器引入的相對(duì)不確定度

由粘度計(jì)檢定裝置實(shí)驗(yàn)得出，圖像自動(dòng)采集的時(shí)間示值偏差最大值為0.01s，則時(shí)間偏差的不確定度為0.01s/2=0.005s，兩種粘度油的測(cè)量時(shí)間平均值分別為321.23s和665.68s，則：

原始人工測(cè)量中，由規(guī)程可知計(jì)時(shí)器分度值不大于0.1s，相對(duì)最大誤差為0.2%，按均勻分布計(jì)算，因此引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.3.5 粘度計(jì)垂直度引入的相對(duì)不確定度

原始人工測(cè)量中，使用鉛墜兩個(gè)互成直角的方向調(diào)整粘度計(jì)使其垂直，但因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)人眼的分辨力有限，且人的視覺(jué)也有差別，故存在一定的垂直偏差。粘度計(jì)安裝的垂直與否，將引起有效液柱高度改變。因此，粘度公式應(yīng)修正為：

式中，為粘度計(jì)的傾斜誤差。，為傾斜角度，當(dāng)傾斜角度為1°時(shí)，查有關(guān)資料對(duì)平氏粘度計(jì)而言，傾斜誤差，按照投影分布，時(shí)，，則，估計(jì)可靠性90%，則自由度。

由粘度計(jì)檢定裝置實(shí)驗(yàn)得出，垂直度調(diào)節(jié)裝置中傾角傳感器的精度為±0.1°，經(jīng)計(jì)算，垂直度引入的相對(duì)不確定度可以忽略不計(jì)。

3.3.6 溫度計(jì)校準(zhǔn)誤差引入的不確定度分量

由證書(shū)得出溫度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果不確定度為：

=0.04℃，=2，因此其引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

3.5 不確定度的合成

粘度測(cè)量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.6 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取=2

原始人工測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為：

而檢定裝置測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為：

4" 結(jié)語(yǔ)

文中研制了一種毛細(xì)管粘度計(jì)檢定裝置，通過(guò)將檢定裝置與多名實(shí)驗(yàn)人員人工檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中的檢定裝置及算法具有良好的檢定效果，避免了人為檢定誤差，提高了自動(dòng)化水平和檢定效率。通過(guò)對(duì)常數(shù)不確定度的分析得出，檢定裝置測(cè)量得到的常數(shù)不確定度是人工測(cè)量的常數(shù)不確定度的一半，不確定度水平有很大程度的提升。該裝置和算法在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2023-09-16

作者簡(jiǎn)介：白玉潔，女，天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，碩士

劉冬梅，女，天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院

孫銀合，女，天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院

常子棟，男，天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院