CN101281111A - 重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法：以光电传感器为液位检测部件，利用间歇采样方法和变采样率技术，采用罗曼诺夫斯基准则和基于最小二乘法曲线拟合方法，分别确定计时起点和计时终点，从而获得被测液体流经重力式毛细管粘度仪计时起点刻度线与计时终点刻度线的时间。该方法包括以下步骤：(1)液位检测电压采集与预处理；(2)非计时刻度线区液位检测电压变化曲线方程的确定；(3)计时刻度线区曲线拟合起点的确定；(4)计时刻度线区液位检测电压变化曲线方程的确定；(5)间歇采样的间歇时间t_G的模糊自适应确定。

Description

重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法

技术领域

重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法，本发明涉及一种自动计时方法，具体地说，涉及一种重力式毛细管粘度测试仪器的高精度自动计时方法，属于光机电检测与信号处理领域，也可用于其它领域的液位检测。

技术背景

重力式毛细管粘度仪因原理简单、测量精度高，广泛应用于化工、纺织、医药、国防等行业，它通过测量牛顿液体流经粘度管的计时起点刻度线与计时终点刻度线之间的时间差，确定牛顿液体的粘度，因此，高精度计时是实现重力式毛细管粘度仪自动粘度测量的关键技术之一。

现有的重力式毛细管粘度仪计时方法有：(1)传统的方法是通过人眼判断被测液体的凹型液面流经粘度管计时刻度线，并配合秒表完成，这种方法工作效率低且测量误差大；(2)以光电开关或光纤传感器为检测部件，根据液位变化时检测部件的输出电压不同，利用比较电路和波形整形电路，完成计时起点刻度线和计时终点刻度线的检测，这种方法可以实现自动计时，但没有考虑因不同被测液体液位改变而造成的检测电压的差异，也没有考虑被测液体下降时产生的凹形液面对检测精度的影响，因此必然会产生较大的检测误差；(3)以光电传感器为检测部件，根据液位变化时，因凹型液面存在而使得检测部件的输出电压会产生一个峰值(最小值)，利用微控制器，采用峰值检测方法，自动完成计时起点刻度线和计时终点刻度线的检测，这种方法考虑了凹型液面对检测精度的影响，但同时却产生一个最大误差为采样间隔时间的计时误差，考虑到硬件的限制而使得液位信息采样率不能太高，因此这种方法也会存在较大的检测误差。

发明内容

为克服已有技术的不足，本发明的目的在于提供一种重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法，该方法能够准确、实时完成重力式毛细管粘度仪自动计时，检测精度高，误差小。

参见附图1，被测液体在粘度管中由于吸附作用和表面张力的作用，其表面呈近似球形凹面，当被测液体的凹型液面没有处在计时刻度线时，即凹型液面处在非计时刻度线区，其检测到的液位电压几乎保持不变；当被测液体的凹型液面下降到计时刻度线时，即凹型液面处在计时刻度线区，光电检测部件红外光发射部分发出的红外光经液面反射、折射，接收部分接收的红外光大大衰减，其产生的液位检测电压随之减小，经信号调理、模数转换得到的电压信号较正常时发生改变。同时，凹型液面完全流过计时刻度线需要一定时间，因此液位检测电压不能突变，而是一个与液体下降速度有关的缓慢变化过程，该变化过程与被测液体的粘度密切相关，该变化过程对重力式毛细管粘度仪的检测精度(即计时精度)产生极大的影响。

基于以上分析，本发明提出的重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法，其特征在于，以光电传感器为液位检测部件，利用间歇采样方法，当凹型液面处于非计时刻度线区时，采用最大的采样间歇时间，得到非计时刻度线区的液位检测电压，求得该计时刻度线区检测电压方程(该区域的液位检测电压几乎不变，电压曲线为一水平直线)，记为l_a；当凹型液面处于计时刻度线区时(即以计时刻度线为中心的某个邻域，液位检测电压开始变化的区域)，利用变采样率技术，调整采样间歇时间，通过检测重力式毛细管粘度仪中被测液体的液位电压变化值，利用罗曼诺夫斯基准则，确定曲线拟合的起点，采用基于最小二乘法曲线拟合方法，求得计时刻度线区检测电压的曲线方程，记为l_f，l_f与l_a的交点即为计时点，通过上述方法找到计时起点并自动开始计时，记为t₀，利用同样的方法，找到计时终点并自动停止计时，记为t₁，两者之差即为被测液体流经重力式毛细管粘度仪计时起点刻度线与计时终点刻度线的时间。它包括以下步骤：

(1)液位检测电压采集与预处理

以光电传感器为液位检测部件，利用模数转换器，完成液位检测电压的采集。由于液位检测电压受噪声和其它外界信号干扰，微控制器或其他嵌入式系统设备利用一种数字滤波方法完成采样信号的预处理，该方法连续采样Q个液位检测电压，并对其按从小到大顺序排列得到x_j，去掉前、后各W个采样值，对其余Q-2W个x_j进行均值滤波，即

$u_i=\frac{1}{Q-2W}\underset{j=W+1}{\overset{Q-W}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j---\left(1\right)$

以u_i为第i时刻的液位采样电压。

(2)非计时刻度线区液位检测电压方程的确定

非计时刻度线区的液位检测电压几乎不变，电压变化曲线为一水平直线，因此其值可为非计时刻度线区的窗口长度为S₂、去极大极小值后的滑窗均值滤波值，即

$l_a=\frac{1}{S_2-2}\{\underset{i=n-m}{\overset{n+m}{\mathrm{\Σ}}}u(n+i)-\underset{0\≤i\≤S_2-1}{\max }\left(u(n+i)\right)-\underset{0\≤i\≤S_2-1}{\min }\left(u(n+i)\right)\},n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·---\left(2\right)$

式中，S₂＝2m+1；

表示取极大值；

表示取极小值。

(3)计时刻度线区曲线拟合起点的确定

非计时刻度线区液位信息平稳，液位检测电压变化量小；而当进入计时刻度线区时，液位检测电压变化量大。以非计时刻度线区液位检测电压一阶差分的标准差σ_r为先验知识，根据粗大误差的剔除方法，可以很方便地判断被测试样的液位是否已经进入计时刻度线区。设u_i为i时刻液位检测电压，u_i-1为i-1时刻液位检测电压，Δu_i为i时刻u_i的一阶差分，即

        Δu_i＝u_i-u_i-1                 (3)

当液位检测数据较少时，采用罗曼诺夫斯基检验准则，即

$|\mathrm{\Δ}{u}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{u}_r}|>K_L{\mathrm{\σ}}_r---\left(4\right)$

可以判别第i点是否可能处于计时刻度线区。式中，K_L为检验系数，可根据检测数据的个数，通过查表得到；

为对非计时刻度线区液位检测电压(不包含第i点检测电压)的一阶差分进行窗口为S₁的滑动窗口均值滤波结果，即

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δu}}_r}=\frac{1}{S_1-1}\underset{r=p-m,r\≠i}{\overset{p+m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δu}}_{i+p},p=\mathrm{1,2,3},...---\left(5\right)$

式中，S₁＝2m+1；σ_r为不含第i点液位检测电压一阶差分的标准差，即

${\mathrm{\σ}}_r=\sqrt{\frac{\underset{q=1,q\≠i}{\overset{S_1}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{u}_q-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δu}}_r})}^2}{S_1-2}}---\left(6\right)$

如果第M点液位检测电压的一阶差分Δu_M满足式(4)，利用变采样率技术，改变间歇采样的间歇时间，如果同时第M点后面连续N点均有Δu_i＜0，系统则判定第M点为计时刻度线区曲线拟合起点，即

当L_M＝1时，系统即判定第M点为计时刻度线区曲线拟合起点。

(4)计时刻度线区液位检测电压方程的确定

采用基于最小二乘法曲线拟合方法，求得计时刻度线区检测电压的曲线方程。经多次实验发现，计时刻度线区液位检测电压方程近似为一条直线l_f，设其方程为

u(t)＝at+b             (8)

式中，a、b为待定参数。

当凹型液面处于计时起点刻度线区时，以M点为起点，连续采样N点液位检测电压，去掉第N点和第M点，对N-2个液位检测电压数据按式(8)进行拟合，有

$\left\{\begin{array}{c}(N-2)a+\left(\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i\right)b=\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i\\ \left(\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i\right)a+\left(\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2\right)b=\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{u}_i\end{array}\right.---\left(9\right)$

令

$\stackrel{\‾}{u}=\frac{1}{N-2}\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i---\left(10\right)$

$\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{N-2}\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i---\left(11\right)$

解方程(9)，并将式(10)、(11)代入方程(9)的解，得

$b=\frac{\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(t_i-\stackrel{\‾}{t})(u_i-\stackrel{\‾}{u})}{\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(t_i-t)}^2}---\left(12\right)$

$a=\stackrel{\‾}{u}-b\stackrel{\‾}{t}---\left(13\right)$

当l_f与l_a相交时，交点为计时起点，即

at+b＝l_a            (14)

$t_{K_1}=\frac{l_a-b}{a}---\left(15\right)$

式中，t_K1即为计时起点值。

同理，可得到计时终点值t_E1，则时间差

$t=t_{E_1}-t_{K_1}---\left(16\right)$

即为被测液体从计时起点刻度线下降到计时终点刻度线所需的时间。

(5)间歇采样的间歇时间t_G的模糊自适应确定

参见附图2，实验发现，非计时刻度线区液位检测信息平稳，电压变化量小，间歇采样的间歇时间t_G可较大，然而在计时刻度线区，过大的t_G会丢失液位信息，影响测量精度；不同被测液体因粘度不同而导致凹型液面完全流过计时刻度线所需时间不同。为满足检测精度的要求，采用一种模糊决策方法，自动调整间歇时间t_G。设被测液体在重力作用下从初始位置l₁(每次操作的初始位置一致)下降到计时起点刻度线l₂的时间为t₁，则

①当在非计时刻度线区时，采用最大的间歇时间t_Gmax，以减少运算量和存储空间，此时

t_G＝t_Gmax          (17)

②当被测液体液位检测电压的一阶差分Δu_i满足式(4)时，系统认为此时被测液体有可能从非计时刻度线区过渡到计时刻度线区，启动间歇时间t_G的自适应判决；如果第i点处于非计时刻度区的l₁-l₂区间，系统自动计算时间t₁。

③当被测液体液位检测电压的一阶差分Δu_i满足式(4)而L_M＝0时，即第i点为干扰，系统判决第i点处于非计时刻度线区，间歇时间t_G恢复为t_Gmax；如果第i点处于非计时刻度区的l₁-l₂区间，系统自动更新时间t₁。

④当被测液体在计时刻度线区时，系统自动选择间歇时间t_Gauto，以满足检测精度，此时

t_G＝t_Gauto             (18)

间歇时间的自适应判决采用模糊判决方法，以时间t₁为输入变量，采用一维模糊结构和七级变量形式。表1为模糊决策规则表，其中{1，2，3，4，5，6，7}分别表示{很小，小，较小，中，较大，大，很大}七级，TF为模糊输入变量，即

TF＝INT(Round((t₁-t_L)*k_e+1))           (19)

式中，INT[Round(·)表示四舍五入并取整，当INT[Round(*)]的值小于1或大于7时，TF分别取1或7，k_e为模糊化因子，设t_L为t₁的下限值，t_U为t₁的上限值，国家标准GB10247-88(粘度测试方法)规定t_L＝200秒，t_U＝1000秒，则

$k_e=\frac{6}{t_U-t_L}---\left(20\right)$

表1中，F₀为模糊输出，有

$t_{\mathrm{Gauto}}=\frac{F_0}{7}*t_{G\max }---\left(21\right)$

表1 间歇时间模糊决策规则表

本发明所述的光电传感器液位检测部件，是以红外发光二极管为发射管，以红外接收二极管为接收管的，它能有效的避免可见光的干扰，其输出电压经后接的调理电路(包括放大、滤波和阻抗匹配等)，为模数转换提供输入信号。

本发明所述的模数转换器，可以是独立的模数转换芯片，或是微控制器和其它嵌入式系统设备内部的模数转换功能模块，但不管采用哪种模数转换器，必须配合信号调理电路。

本发明所述的罗曼诺夫斯基准则，是一种粗大误差数据剔除的方法，在本发明中，由于非计时刻度线区液位信息平稳，液位检测电压变化量小，而当进入计时刻度线区时，液位检测电压变化量大，以这种方法可以很方便地判断被测液体的液位是否已经进入计时刻度线区；检验系数K_L可以根据检测数据的数量，通过查表获得。

本发明所述的计时功能可以通过外接的实时时钟芯片(百分之一秒及以上的精度)，配合微控制器或其它嵌入式系统设备完成，也可直接利用微控制器或其它嵌入式系统设备内部的定时器功能模块完成。

本发明所述的间歇采样，就是每隔一段时间(即间歇时间t_G)，以一定的采样率连续采样多点(比如Q点)，间歇时间与被测液体的粘度有关，其值可由本发明所述的模糊自适应方法确定，其最大值t_Gauto根据模数转换器的转换速率和微控制器或其它嵌入式系统设备的运行速度与存储空间的大小综合确定。

本发明所述的数据预处理中的Q为一次间歇采样连续采样液位检测电压的个数，W为对这个数据进行排序后得到的前后数据的长度，它们的值根据模数转换器的转换速率、间歇采样的采样时间和微控制器或其它嵌入式系统设备的运行速度综合确定。

本发明所述的S₁、S₂分别为滑动窗口滤波的窗口长度，其值可根据检测精度要求和微控制器或其它嵌入式系统设备的运行速度综合确定。

本发明所述的N为计时刻度线区曲线拟合数据的个数，其值可根据测精度要求和微控制器或其它嵌入式系统设备的运行速度综合确定。

根据本发明所述的重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法得到被测液体流经计时起点刻度线和计时终点刻度线的时间后，再乘以该毛细管粘度管的仪器常数，即可得到被测液体的运动粘度。

本发明与已有技术相比有以下优点：1、本发明可以实现重力式毛细管粘度仪高精度自动计时，计时精度高；2、本发明克服了被测液体的凹型液面对计时精度的影响，大大提高了测量结果的准确度；3、本发明克服了不同被测液体因粘度不同而对计时精度的影响。

附图说明

附图1是本发明的光电传感器液位检测原理框图。

附图2是重力式毛细管粘度仪高精度自动计时原理图。

附图3是重力式毛细管粘度仪计时刻度线区液位检测电压及其一阶差分曲线图，其中(a)为液位检测电压变化曲线，(b)为液位检测电压一阶差分曲线。

附图4是本发明的基于曲线拟合和罗曼诺夫斯基检验准则的计时点确定原理图。

附图5是本发明的重力式毛细管粘度仪高精度自动计时流程框图。

其中，1、调理电路，2、模数转换电路，3、微控制器或其它嵌入式系统设备，4、红外发射二极管，5、红外接收二极管，6、重力式毛细管粘度管，7、凹型液面，8、上存储器，9、计时起点光电传感器，10、计时球，11、计时终点光电传感器，12、毛细管。

附图3中的A为计时起点，B为计时终点；附图4中的u_M为曲线拟合起点，k₁为计时点。

具体实施方式

本发明提出了一种基于曲线拟合和罗曼诺夫斯基检验准则的重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法。以下结合附图作详述，但不作为本发明的限定。

设定本实施例中，采用TI公司的高性能单片机MSP430F449作为微控制器1，利用其内部的模数转换功能模块作为模数转换器2完成液位检测电压的模数转换，利用实时时钟芯片DS1390(百分之一秒)配合MSP430F449完成计时功能，取在间歇采样的采样时间内连续采样250个液位检测电压数据(即Q＝250)，并按从大到小的顺序排列，剔除前25个数据和后25个数据(即W＝25)，取滑动均值滤波的窗口长度S₁＝10，S₂＝10，罗曼诺夫斯基检验系数K_L＝2.62(查表获得)，计时刻度线区曲线拟合的液位检测电压数据个数N＝8，采样间歇时间t_G的最大值t_Gmax＝450ms，计时刻度线区的t_Gmax＝90ms，模糊化因子k_e＝0.0075。

利用已检定合格的乌式粘度计(一种重力式毛细管粘度管，毛细管内径为0.9mm，仪器常数为0.04617mm²/s²)，在25℃的条件下，以变压器油为被测液体，首先将变压器油注入粘度管6中，利用吸耳球，将变压器油吸入上存储器8的初始线l₁，变压器油在重力的作用下，经计时球底部10的毛细管l₂流回粘度管6的底部，由于重力和吸附效应的作用，被测液体产生凹型液面7，当凹型液面下降到计时起点刻度线l₂时，计时起点光电传感器9检测到凹型液面，确定计时起点并启动计时；当凹型液面下降到计时终点刻度线l₃时，计时起点光电传感器11检测到凹型液面，确定计时终点并停止计时，微控制器MSP430F449计算出凹型液面从计时起点刻度线l₂下降到计时终点刻度线l₃的时间，输入粘度管6的仪器常数，即可得到变压器油的运动粘度。本实施例还对比了传统的方法，即通过人眼判断被测液体的凹型液面流经粘度计计时起点刻度线和计时终点刻度线，并配合秒表完成计时和粘度测量，称之为手动方式。表2是本实施例得到的测试结果。

从表2可以看出，采用基于最小二乘法曲线拟合和罗曼诺夫斯基准则的高精度自动计时方法获得的运动粘度重复性优于手动计时方式，也远优于≤0.3％的国家标准，运动粘度的分散性优于手动计时方式(即标准差小于手动计时方式，σ_a＜σ_h)。

表2 变压器油不同计时方式的运动粘度数据比较

Claims (7)

1.一种重力式毛细管粘度仪高精度自动计时方法，其特征在是：以光电传感器为液位检测部件，利用间歇采样方法和变采样率技术，采用罗曼诺夫斯基准则和基于最小二乘法曲线拟合方法，分别确定计时起点和计时终点，从而求得被测液体流经重力式毛细管粘度仪计时起点刻度线与计时终点刻度线的时间。

2.根据权利要求1所述的光电传感器可以是近红外发光二极管和近红外接收二极管，也可以是其它光电传感器。

3.根据权利要求1所述的间歇采样，是一种采样方法，它每隔一段时间(即间歇时间)，以一定的采样率连续采样多点，间歇时间与被测液体的粘度有关，根据检测精度、模数转换器的转换速率、微控制器或其它嵌入式系统设备的运行速度与存储空间的大小，利用本发明所述的模糊自适应方法可以确定间歇时间的长短，其值可以消除被测液体因粘度不同而对测量精度产生的影响。

4.根据权利要求1所述的变采样率技术是指在非计时刻度线区，间歇采样的间歇时间取最大值，而在计时刻度线区，间歇时间的大小必须自动调整，其值可以根据本发明所述的模糊自适应方法确定，这种变采样技术可以保证微控制器或其它嵌入式系统设备，对于不同粘度的液体，在不超出计时刻度线区，采样相同点数的液位检测电压，为计时刻度线区的曲线拟合提供可靠的数据，从而提高检测精度。

5.根据权利要求1所述的罗曼诺夫斯基准则，是一种粗大误差数据剔除的方法，根据检测数据的数量，通过查表可以获得罗曼诺夫斯基检验系数，利用该检验准则，可以很方便地判断被测试样的液位是否已经进入计时刻度线区。

6.根据权利要求1所述的最小二乘法曲线拟合方法，是一种获取计时刻度线区检测电压曲线方程的方法，并求出该曲线与非计时刻度线区检测电压曲线的交点，作为计时起点或计时终点，从而完成自动计时，这种方法可以消除采样频率和间歇采样的间歇时间对液位检测和自动计时带来的误差，从而大大提高计时精度。

7.根据权利要求1和权利要求6所述的求取非计时刻度线区检测电压曲线方法，是通过采用去除非计时刻度线区M个极大极小值后滑窗均值滤波值，作为该曲线的值，由于非计时刻度线区的液位检测电压几乎不变，电压曲线为一水平直线，M的值和滑窗均值滤波的窗口大小根据根据检测精度要求、模数转换器的转换速率、微控制器或其它嵌入式系统设备的运行速度与存储空间的大小所决定。

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