CN109451283A - 一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于蒸汽发生器传热管及类似换热设备的无损检测与维修技术领域，具体涉及一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统。该系统能够在传热管检查时采集蒸汽发生器内部图像，使得检修装置在运动时避免对蒸汽发生器产生碰撞，还能够通过视频图像进行精度控制，使检查装置运动精度更为准确。其特征在于：它包括环境摄像头，定位摄像头，交换机和工业计算机组成，摄像机通过网络交换机把视频信号传输给上位机，从而实现蒸汽发生器水室内部图像采集和视频图像精度控制两个功能。
Description
技术领域
本发明属于蒸汽发生器传热管及类似换热设备的无损检测与维修技术领域，具体涉及一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统。
背景技术
为了保证核电站关键设备蒸汽发生器安全可靠运行，必须定期对其传热管进行检修。通用的做法是运用氦质谱检漏、涡流检查等手段，通过检查装置定期开展传热管在役检查，对存在超标缺陷的传热管及时采取堵管等技术手段使其退役，从而能确保核电站安全运行。核电站有高温气冷堆等核电堆型和压水堆等堆型，结构形式存在较大差异，运行环境也迥然不同，而且蒸汽发生器水室内光线少，因此定位机器人在其中作业受到的限制比较多，如高温气冷堆蒸汽发生器水室空间尺寸远远小于压水堆核电站的水室，对设备的尺寸限制大；水室内还有节流组件会对检修设备有较多限制；而且压水堆的水室是半球形结构，在管板和球面边缘的夹角空间也会对检查装置的运动会有较大影响，也产生边缘不可达现象。
发明内容
为了给蒸汽发生器传热管进行自动化检查，目前的办法是通过检查装置运载检修工具至传热管处实施作业。由于蒸汽发生器的特有结构限制、检查装置设备传动机构的精度以及检查装置装配使用过程中产生的误差无法完全消除，这就导致在实施传热管检查作业时会存在一定的定位精度问题。因此发明一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统，该系统能够在传热管检查时采集蒸汽发生器内部图像，使得检修装置在运动时避免对蒸汽发生器产生碰撞，还能够通过视频图像进行精度控制，使检查装置运动精度更为准确。
本发明是这样实现的：
一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统，包括环境摄像头，定位摄像头，交换机和工业计算机组成，摄像机通过网络交换机把视频信号传输给上位机，从而实现蒸汽发生器水室内部图像采集和视频图像精度控制两个功能。
水室内部图像采集通过环境摄像头采集水室内环境图像以及检修设备的整体状态，避免检查装置与蒸汽发生器内部结构如水室内壁，传热管或者节流组件等发生碰撞；视频图像精度控制则是通过定位摄像头采集图像，利用机器视觉技术计算出理论位置和实际位置的偏差，再进行软件计算补偿差值，再通过电机等运动执行机构调整，从而达到减小系统误差的目的。
如上所述的环境摄像头和定位摄像头结构包括视窗、环形光源、焦距镜头、镜头转换接头、摄像头本体；摄像头本体采用高清摄像机，灯光光源系统采用均匀分布的环形光源，光源散射在管板正下方；环境摄像头和定位摄像头具有数字变倍和光学变倍两种功能；其中，数字变倍使用图像信号采集电路，对所采集到的整幅图像中的某一个区域单独进行放大，由于这种放大的过程中使用了插值算法，会导致图像的清晰度不如未放大状态；另一个是光学变倍，即通过调整焦距镜头实现，进行光学变焦会引起摄像机视角大小和放大倍数的变化；摄像头为预留环形光源的安装空间，用镜头转换接头进行连接，环形光源和视窗通过导热硅胶与镜头转换接头上端连接。
如上所述的环境摄像头可安装在检查装置上，也可加装云台和吸盘使其吸附在蒸汽发生器水室内壁上。
如上所述的核岛外的工业计算机上的主控软件能控制环境摄像头图像视野及检查装置的运动；图像数据信号经岛内机箱集成，通过网络光纤传输至岛外控制系统并显示，岛外控制系统能控制摄像头焦距镜头实现图像的缩放，满足蒸汽发生器水室全范围视频监测。
如上所述的检查装置通过定位摄像头实现运动精度的控制，检查装置开始正式检测之前，应首先对检查装置进行原点坐标的标定，以保证检查装置后续检测工作的精确度，原点坐标的标定可通过环境摄像头确认。
根据既定的坐标位置参数运动到待检测孔，定位摄像头捕捉目标孔区域图像，对采集到的图像进行预处理，定位摄像头拍摄得到的原始图像，由于摄像机的安装位置和蒸汽发生器水室是相对固定的，那么摄像机采集到的图像中需要进行图像识别的区域相对于整张图像的区域也是固定的，在采集到的图片中截取需要进行图像识别的区域；对截取的区域进行灰度化、二值化、滤波等预处理操作，去除图像上的多余信息，得到机器视觉算法所需要的二值图像；首先需要去掉图片中的色彩，只保留灰度信息，以便进行灰度处理和分析，采用加权平均法获得灰度图；通过设定一个阈值，对图像中的所有像素点进行遍历，凡是灰度值高于阈值的点，全部将其灰度值重置为最大；凡是灰度值低于阈值的点，全部将其灰度值重置为最小；整幅图像中的像素点只有最大和最小两种灰度值，使得图像呈现黑白的极度对比效果，从而完成所需区域的图像分割；再使用找圆特征识别算法识别出二值图像中符合要求的类圆多边形区域，根据管板孔自身的圆度、面积等几何特征从二值图像中提取出符合要求的管板孔区域；再通过拟合算法，对识别得到的多边形类圆区域进行圆拟合，拟合得到管板孔区域的圆心坐标及半径，最后与图像中心进行比较得到管板孔圆心与图像中心的差值，即检查装置的中心定位偏差；如果偏差小于精度控制设定值，则检查装置成功到达预定坐标，否则将检测到的相对位置坐标转化为电机的运动参数，反馈给上位机进行补偿。
如上所述的环境摄像头与定位摄像头均为高清网络数字摄像机，通过网络交换机与上位机、NVR之间建立局域网，并进行数据传输与存储；上位机软件通过以太网接收网络摄像机设备传输的数字视频码流，实现实时码流预览、抓图、录像文件回放和下载、参数配置等。
本发明的有益效果是：
1.蒸汽发生器水室环境图像采集系统主要包含环境摄像头1，定位摄像头2，交换机和工业计算机组成，摄像机通过网络交换机把视频信号传输给上位机，从而实现蒸汽发生器水室内部图像采集和视频图像精度控制两个功能。
2.环境摄像头1和定位摄像头2结构主要包括视窗7、环形光源8、焦距镜头9、镜头转换接头10、摄像头本体11。采用均匀分布的环形光源8，光源散射在管板正下方。环境摄像头和定位摄像头具有数字变倍和光学变倍两种功能。摄像头安装有环形光源，为水室内提供稳定光源。
3.环境摄像头可安装在检查装置3上，也可加装云台和吸盘使其吸附在蒸汽发生器水室内壁4上。环境摄像头可实时观测水室内情况和检查装置的运动状态，避免检查装置与内壁或者节流组件等结构碰撞
4.由于定位精度的判定需要定位摄像头2和检查装置3的相对位置，所以定位摄像头2安装检查装置3上，摄像头的图像数据信号经岛内机箱集成，通过网络光纤传输至岛外控制系统并显示；在核岛外的工业计算机上的主控软件能控制环境摄像头图像视野和检查装置3的运动；
5.检查装置3通过定位摄像头2实现运动精度的控制，检查装置3开始正式检测之前，应首先对检查装置3进行原点坐标的标定，以保证检查装置后续检测工作的精确度，原点坐标的标定可通过环境摄像头1确认。如果存在偏差，即可并结合定位摄像头进行微调。
6.由于摄像机的安装位置和蒸汽发生器水室是相对固定的，那么摄像机采集到的图像中需要进行图像识别的区域相对于整张图像的区域也是固定的，在采集到的图片中截取需要进行图像识别的区域；对截取的区域进行灰度化、二值化、滤波等预处理操作；再使用找圆特征识别算法识别出二值图像中符合要求的类圆多边形区域，再通过拟合算法，对识别得到的多边形类圆区域进行圆拟合，拟合得到管板孔区域的圆心坐标及半径，最后与图像中心进行比较得到管板孔圆心与图像中心的差值，即检查装置的中心定位偏差。如果偏差小于精度控制设定值，则检查装置3成功到达预定坐标，否则将检测到的相对位置坐标转化为电机的运动参数，反馈给上位机进行补偿。
附图说明
图1是本发明的水室环境图像采集系统图；
图2是本发明的环境和定位摄像头结构图
图3是本发明的视频图像精度控制流程图；
图4是本发明的高温气冷堆水室环境图像采集系统摄像头图
图5是本发明的高温气冷堆水室定位摄像头精度控制图
其中：1.环境摄像头，2.定位摄像头，3.检查装置，4.水室内壁，5.传热管，6.节流组件，7.视窗，8.环形光源，9.焦距镜头，10.镜头转换接头，11.摄像头本体，12.吸枪装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
如图1至图5所示，一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统，包括环境摄像头1，定位摄像头2，交换机和工业计算机组成，摄像机通过网络交换机把视频信号传输给上位机，从而实现蒸汽发生器水室内部图像采集和视频图像精度控制两个功能。水室内部图像采集主要通过环境摄像头采集水室内环境图像以及检修设备的整体状态，避免检查装置3与蒸汽发生器内部结构如水室内壁4，传热管5或者节流组件6等发生碰撞；视频图像精度控制则是通过定位摄像头2采集图像，利用机器视觉技术计算出理论位置和实际位置的偏差，再进行软件计算补偿差值，再通过电机等运动执行机构调整，从而达到减小系统误差的目的。
所述的环境摄像头1和定位摄像头2结构主要包括视窗7、环形光源8、焦距镜头9、镜头转换接头10、摄像头本体11。摄像头本体11采用高清摄像机，良好的光照条件是得到清晰的图像的必要条件，蒸汽发生器传热管检查期间，为克服水室内光线不足的问题，图像采集系统设备提供足够的照明，灯光光源系统采用均匀分布的环形光源8，光源散射在管板正下方。环境摄像头和定位摄像头具有数字变倍和光学变倍两种功能。其中，数字变倍使用图像信号采集电路，对所采集到的整幅图像中的某一个区域单独进行放大，由于这种放大的过程中使用了插值算法，会导致图像的清晰度不如未放大状态；另一个是光学变倍，即通过调整焦距镜头9实现，进行光学变焦会引起摄像机视角大小和放大倍数的变化。在使用过程中一般先在视角较大的模式下观察水室内整体情况，当检查装置在工作时观察到异常情况发生时，可放大异常区域进一步观察。摄像头为预留环形光源8的安装空间，用镜头转换接头10进行连接，环形光源8和视窗7通过导热硅胶与镜头转换接头10上端连接。环境摄像头1可安装在检查装置3上，也可加装云台和吸盘使其吸附在蒸汽发生器水室内壁4上。核岛外的工业计算机上的主控软件能控制环境摄像头图像视野及检查装置3的运动；图像数据信号经岛内机箱集成，通过网络光纤传输至岛外控制系统并显示，岛外控制系统能控制摄像头焦距镜头9实现图像的缩放，满足蒸汽发生器水室全范围视频监测。
所述的检查装置3通过定位摄像头2实现运动精度的控制，检查装置3开始正式检测之前，应首先对检查装置3进行原点坐标的标定，以保证检查装置后续检测工作的精确度，原点坐标的标定可通过环境摄像头1确认。如果存在偏差，即可并结合定位摄像头进行微调。
根据既定的坐标位置参数运动到待检测孔，定位摄像头2捕捉目标孔区域图像，对采集到的图像进行预处理，定位摄像头2拍摄得到的原始图像，由于摄像机的安装位置和蒸汽发生器水室是相对固定的，那么摄像机采集到的图像中需要进行图像识别的区域相对于整张图像的区域也是固定的，在采集到的图片中截取需要进行图像识别的区域；对截取的区域进行灰度化、二值化、滤波等预处理操作，去除图像上的多余信息，得到机器视觉算法所需要的二值图像。首先需要去掉图片中的色彩，只保留灰度信息，以便进行灰度处理和分析，采用加权平均法获得灰度图。通过设定一个阈值，对图像中的所有像素点进行遍历，凡是灰度值高于阈值的点，全部将其灰度值重置为最大；凡是灰度值低于阈值的点，全部将其灰度值重置为最小。这样，整幅图像中的像素点只有最大和最小两种灰度值，使得图像呈现黑白的极度对比效果，从而完成所需区域的图像分割。再使用找圆特征识别算法识别出二值图像中符合要求的类圆多边形区域，根据管板孔自身的圆度、面积等几何特征从二值图像中提取出符合要求的管板孔区域；再通过拟合算法，对识别得到的多边形类圆区域进行圆拟合，拟合得到管板孔区域的圆心坐标及半径，最后与图像中心进行比较得到管板孔圆心与图像中心的差值，即检查装置的中心定位偏差。如果偏差小于精度控制设定值，则检查装置3成功到达预定坐标，否则将检测到的相对位置坐标转化为电机的运动参数，反馈给上位机进行补偿。
所述的环境摄像头1与定位摄像头2均为高清网络数字摄像机，通过网络交换机与上位机、NVR之间建立局域网，并进行数据传输与存储。上位机软件通过以太网接收网络摄像机设备传输的数字视频码流，实现实时码流预览、抓图、录像文件回放和下载、参数配置等。
本发明的工作原理如下：
水室环境图像采集系统工作时仅控制和显示计算机放置在岛外，其余设备均在岛内，两部分采用网络光纤进行数据传输。视频信号经过同轴电缆输入到岛内视频光端机；视频光端机负责将采集到信号进行集成，将集成信号转换成光信号，并通过光纤传输至岛外，同时，岛内的视频光端机还可接收岛外光端机传输过来的云台和变焦等的控制信号，并将信号传输给对应的摄像机。
以高温气冷堆蒸汽发生器传热管氦质谱检漏为例，如图4所示，检查装置安装在蒸汽发生器水室法兰盘上，首先用环境摄像头观察水室内有无异常情况，设备运动是否有碰撞水室内结构件的风险。根据摄像机固定位置和蒸发器水室结构尺寸，当需要对特定区域观察时，在锁定了该区域的位置之后先使用光学变倍，将拍摄区域放大至最大状态，此时拍摄到的幅面尺寸减小。再使用数字放大功能继续对图像进行放大，特定区域的图像上的像素点数量增加，屏幕上的图像就会非常清晰。准备工作做好后，开始进行原定坐标标定，理论上检查装置的坐标原点与蒸汽发生器水室的几何中心应完全重合。实际上由于蒸汽发生器水室的结构误差以及检查装置本身的运动偏差，并不是完全重合。为提高检查装置的定位精度，检查装置开始正式检测之前，应首先对检查装置进行原点坐标的标定，以保证检查装置后续检测工作的精确度，原点坐标的标定可通过环境摄像头实现对中。
为提高检漏效率，检查装置采用双吸枪结构设计，一次性对两个管板孔进行泄露检查，则图像采集系统需同时计算吸枪组件的中心定位偏差以及吸枪组件自身的角度偏差。
定位摄像头捕捉到目标孔区域图像后，对采集到的初始图片进行截取，提取出待识别区域，对待识别区域进行机器视觉处理，计算得到#1孔和#2孔的坐标位置(如图5所示)，其中#1孔坐标位置与图像中心进行比较得到吸枪组件定位中心偏差，#1孔与#2孔圆心连线与图像水平方向进行比较，得到吸枪组件定位角度偏差，若吸枪组件的中心偏差和角度偏差小于设定值，则检查装置成功到达预定坐标，否则将检测到的相对位置坐标转化为电机的运动参数，反馈给主控软件进行中心点偏差和角度偏差补偿。
上面结合实施例对发明的实施方法作了详细说明，但是发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (8)
1.一种蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：它包括环境摄像头(1)，定位摄像头(2)，交换机和工业计算机组成，摄像机通过网络交换机把视频信号传输给上位机，从而实现蒸汽发生器水室内部图像采集和视频图像精度控制两个功能。
2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：水室内部图像采集通过环境摄像头采集水室内环境图像以及检修设备的整体状态，避免检查装置(3)与蒸汽发生器内部结构如水室内壁(4)，传热管(5)或者节流组件(6)等发生碰撞；视频图像精度控制则是通过定位摄像头(2)采集图像，利用机器视觉技术计算出理论位置和实际位置的偏差，再进行软件计算补偿差值，再通过电机等运动执行机构调整，从而达到减小系统误差的目的。
3.根据权利要求1所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：所述的环境摄像头(1)和定位摄像头(2)结构包括视窗(7)、环形光源(8)、焦距镜头(9)、镜头转换接头(10)、摄像头本体(11)；摄像头本体(11)采用高清摄像机，灯光光源系统采用均匀分布的环形光源(8)，光源散射在管板正下方；环境摄像头和定位摄像头具有数字变倍和光学变倍两种功能；其中，数字变倍使用图像信号采集电路，对所采集到的整幅图像中的某一个区域单独进行放大，由于这种放大的过程中使用了插值算法，会导致图像的清晰度不如未放大状态；另一个是光学变倍，即通过调整焦距镜头(9)实现，进行光学变焦会引起摄像机视角大小和放大倍数的变化；摄像头为预留环形光源(8)的安装空间，用镜头转换接头(10)进行连接，环形光源(8)和视窗(7)通过导热硅胶与镜头转换接头(10)上端连接。
4.根据权利要求3所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：所述的环境摄像头(1)可安装在检查装置(3)上，也可加装云台和吸盘使其吸附在蒸汽发生器水室内壁(4)上。
5.根据权利要求3所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：所述的核岛外的工业计算机上的主控软件能控制环境摄像头图像视野及检查装置(3)的运动；图像数据信号经岛内机箱集成，通过网络光纤传输至岛外控制系统并显示，岛外控制系统能控制摄像头焦距镜头(9)实现图像的缩放，满足蒸汽发生器水室全范围视频监测。
6.根据权利要求5所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：所述的检查装置(3)通过定位摄像头(2)实现运动精度的控制，检查装置(3)开始正式检测之前，应首先对检查装置(3)进行原点坐标的标定，以保证检查装置后续检测工作的精确度，原点坐标的标定可通过环境摄像头(1)确认。
7.根据权利要求6所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：根据既定的坐标位置参数运动到待检测孔，定位摄像头(2)捕捉目标孔区域图像，对采集到的图像进行预处理，定位摄像头(2)拍摄得到的原始图像，由于摄像机的安装位置和蒸汽发生器水室是相对固定的，那么摄像机采集到的图像中需要进行图像识别的区域相对于整张图像的区域也是固定的，在采集到的图片中截取需要进行图像识别的区域；对截取的区域进行灰度化、二值化、滤波等预处理操作，去除图像上的多余信息，得到机器视觉算法所需要的二值图像；首先需要去掉图片中的色彩，只保留灰度信息，以便进行灰度处理和分析，采用加权平均法获得灰度图；通过设定一个阈值，对图像中的所有像素点进行遍历，凡是灰度值高于阈值的点，全部将其灰度值重置为最大；凡是灰度值低于阈值的点，全部将其灰度值重置为最小；整幅图像中的像素点只有最大和最小两种灰度值，使得图像呈现黑白的极度对比效果，从而完成所需区域的图像分割；再使用找圆特征识别算法识别出二值图像中符合要求的类圆多边形区域，根据管板孔自身的圆度、面积等几何特征从二值图像中提取出符合要求的管板孔区域；再通过拟合算法，对识别得到的多边形类圆区域进行圆拟合，拟合得到管板孔区域的圆心坐标及半径，最后与图像中心进行比较得到管板孔圆心与图像中心的差值，即检查装置的中心定位偏差；如果偏差小于精度控制设定值，则检查装置(3)成功到达预定坐标，否则将检测到的相对位置坐标转化为电机的运动参数，反馈给上位机进行补偿。
8.根据权利要求1所述的蒸汽发生器水室环境图像采集系统，其特征在于：所述的环境摄像头(1)与定位摄像头(2)均为高清网络数字摄像机，通过网络交换机与上位机、NVR之间建立局域网，并进行数据传输与存储；上位机软件通过以太网接收网络摄像机设备传输的数字视频码流，实现实时码流预览、抓图、录像文件回放和下载、参数配置等。
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