CN114062198A - 乌氏黏度计自动检定系统及检定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种乌氏黏度计自动检定系统及检定方法，设计自动化系统，通过程序控制电磁阀和计时器等元器件，实现检定工作的完全自动化操作，包括上位机软件、硬件控制、视频采集处理及控制方法。上位机软件模块为运用力控组态软件设计的上位机操作软件，针对乌氏黏度计的检定流程设计自动化程序；建立检定过程的相应数据库，导入所需信息；用户只需通过点击按钮、输入文字等方式，进行检定流程与检测器件的控制；设计控制电路，采用PLC进行对步进电机、电磁阀的控制；设计三通与电磁阀的气流通路，完成对乌氏黏度检定时所需的吸液、连通大气、吹气等动作。本发明实现了对乌氏黏度计的自动检定工作，并且达到国家计量检定规程中的指标要求。
Description
技术领域
本发明属于检测计量技术下乌氏黏度计检定技术领域，尤其涉及一种基于计算机视觉识别技术的乌氏黏度计检定系统及检定方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
黏度是流体的一种固有属性，用来表示液体流动的难易程度，高聚物的分子量分布情况可以表示为黏度参数。黏度参数的测定在诸多行业有着重要的意义，对于工艺生产中的工艺控制、产品评定等方面起着重要的作用。
用于测量液体黏度的黏度计样式多种多样，检定方法各有差别，乌氏黏度计是基于重力式毛细管法测量黏度的黏度计，具有测量原理简单、精度高等优点，在黏度测量中得到广泛的应用。乌氏黏度计采用悬挂液柱型重力式玻璃毛细管黏度计进行黏度测量，将黏度标准液吸至乌氏黏度计计时球上方5毫米处，让标准液在自身重力的作用下自然下降，标准液运动黏度与其在毛细管内的运动时间成正比。
为评定乌氏黏度计的计量性能、确定其是否合格，要对乌氏黏度计进行计量检定，它是保证量值准确一致的重要措施。检定过程为：在恒定温度下测量一定量黏度标准液在重力作用下通过黏度计上下计时刻线的时间间隔，用黏度标准液黏度值除以该时间得到黏度计常数。
发明人在研究中发现，黏度计每隔一段时间就需要对它进行检定。传统的人工检定方法，无法克服肉眼对液位判断的主观误差以及效率低下、人工成本高、操作繁琐等缺点，并且无法满足计量部门对大量黏度计进行检定的需求，经济效益低下。
发明内容
为了克服上述现有技术缺陷，本公开提供了合适的基于计算机视觉识别技术的乌氏黏度计检定仪，设计自动化系统，通过程序控制电磁阀等元器件开关动作，实现对乌氏黏度计检定工作的完全自动化操作，减轻检定人员的工作负担，提高检定精度与检定效率，同时增加经济效益，具有很高的创新性和实际意义。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种乌氏黏度计自动检定系统，基于计算机视觉识别技术，采用PC-PLC的主从式架构，包括：作为上位机的PC机和作为下位机的PLC控制装置，PC机通过千兆网线与CCD摄像机连接，CCD摄像机固定安装在摄像机云台上，摄像机云台的高度通过步进电机调整；乌氏黏度计的N管接口连接三通管的支管，三通管的主管两端分别安装第一电磁阀和第二电磁阀，其中第一电磁阀连接吸气泵、第二电磁阀连通大气，第一电磁阀和第二电磁阀协调动作完成黏度计内吸液、放液，乌氏黏度计的M管接口连接第三电磁阀，第三电磁阀的进气端连接吹气泵；PC机通过PC/PPI线缆与下位机PLC控制装置连接，设计电路接线将电磁阀、步进电机与PLC控制装置连接，PC机完成上位机软件操作以及图像信息的采集、提取和分析，由于各乌氏黏度计型号大小不一，为了进行有效检定，PC机和PLC控制装置控制步进电机调整云台的高度，使CCD摄像机的镜头对准乌氏黏度计的计时球进行有效的信息采集，PC机和PLC控制装置控制各电磁阀的开启与关闭，通过设计三通管与电磁阀的气流通路，完成对乌氏黏度计检定时所需的吸液、连通大气、吹气等动作；PC机连接外接电子计时器和精密电子温度计，PC机控制电子计时器的启动与停止，PC机读取电子温度计的温度信息。
进一步的技术方案，该乌氏黏度计自动检定系统主要通过PC机控制完成自动检定工作，PC机设置有：上位机软件模块、硬件控制模块和视频采集处理模块。
进一步的技术方案，所述的上位机软件模块为运用力控组态软件设计的上位机操作软件；上位机软件模块针对乌氏黏度计的检定流程设计相应的自动化程序，绘制所需各界面，通过建立鼠标点击动作相应程序完成软件的操作逻辑。所述的上位机软件模块分为：被检黏度计管理模块，黏度标准液管理模块，检测过程控制模块和证书与原始记录生成模块。
进一步的技术方案，通过MySQL建立检定过程的相应数据库，使乌氏黏度计的检定数据与力控组态软件相关联，在数据库中建立信息表格，可导入乌氏黏度计信息、黏度标准液信息等，也可记录检定过程、环境温湿度等信息；用户只需通过在软件中点击按钮、输入文字等方式，即可进行控制检定工作流程与各元器件的控制。
进一步的技术方案，所述硬件控制模块包括：逻辑控制单元和电气控制单元；进一步的技术方案，所述逻辑控制单元与PLC控制装置实现数据交互，PLC控制装置采用台达PLC控制器对步进电机和电磁阀进行控制，PLC主要完成逻辑控制；进一步的技术方案，所述电气控制单元为选用稳压电源为各器件供电，选用参数性能高、通用性强的驱动器对步进电机进行驱动。
进一步的技术方案，CCD摄像机采用海康千兆网口工业面阵相机，所述视频采集处理模块控制海康千兆网口工业面阵相机采集视频图像信息，将光信号转变为电信号，传输给上位机并实时处理，处理结果及图像在上位机上显示，以对检定过程进行实时监控。
一种乌氏黏度计自动检定方法，应用前述的一种乌氏黏度计自动检定系统，包括以下步骤：
采集乌氏黏度计检定过程的视频数据；
采集到的视频图像通过开源计算机视觉库OpenCV进行预处理，包括灰度化处理、去除噪声、形态学处理等，以除去干扰信息，方便识别检测；
读取预处理后的视频帧图像中值滤波，进一步对黏度计刻度线进行划定；
对预处理后的视频帧图像进行运动液面的检测跟踪。
进一步的技术方案，检定工作开始前，通过上位机软件模块，设置乌氏黏度计检定时的支管吹气时间、温度参数与摄像机参数、新建黏度液信息和黏度计信息，并且导入到工作组中，以此完成元器件控制顺序和气路流通状态的气阀动作的控制设计。点击开始工作，PLC控制装置接收信号控制第一电磁阀(吸气)打开。此时，标准液进入乌氏黏度计的N管中的计时球，当标准液到达计时球上标线以上约5毫米处，PC机发出信号，PLC控制装置控制关闭第一电磁阀、打开连通大气的第二电磁阀。标准液在重力作用下，缓慢下落。当液面经过上标线时，PC机发出信号，计时器开始计时；在经过下标线时，计时停止，计算时间间隔并在软件界面中显示。此时，需要判断M支管中是否有残留标准液，如有则打开第三电磁阀(吹气)将残留标准液吹出。
进一步的技术方案，将视频转化为帧图像，然后将彩色图像转换为灰度图，再对图像进行平滑去噪处理去除干扰信息，通过腐蚀、膨胀等算法对图像进行形态学处理。因为在检定过程中通过摄像机所得到的视频中含有很多的干扰信息，要将这些信息做有效的排除，得到感兴趣的黏度计检定的区域信息，再交给后续的程序进行处理以提高正确率和运行速度。
进一步的技术方案，检测计时球刻度线时采用LSD直线检测方法，跟踪监测运动液面时采用VIBE的检测方法。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案可以通过计算机以及相应硬件设备自动完成对乌氏黏度计的自动检定工作，并且能够达到国家计量检定规程中的指标要求。在此系统和方法中引入的计算机视觉方案，能够准确的识别乌氏黏度计的计时球上下计时刻度线，并用红色细线标注，为检定过程提供有价值的参考，对计时球内运动液面进行有效的检测跟踪，并用绿色细线标注。
本公开技术方案中软件部分是基于力控组态软件设计的，能够结合工业控制计算机和网络的可靠性，实现监控的目标，也可以提供软件和硬件的所有接口用于控制层和管理层，实现和“第三方”硬件和软件系统集成。利用其界面性能良好直观、可视化程度优良的特点，并有较为成熟的图形处理功能以及各种类型的自带工具，在简化了开发过程的同时，提高了开发效率。
本公开技术方案中控制器选用台达可编程逻辑控制器，是专为工业控制领域而研发的一种进行数字运算处理的电子设备系统，是带有数据存储器、能够自主进行程序编写的逻辑控制器，该控制器可靠性高，抗干扰能力强。
本公开技术方案图像处理部分，采用开放源代码计算机视觉类库OpenCV作为本设计的核心部分，该库的所有代码都经过优化，计算效率很高，运行效率更快。该图像处理技术满足了本设计的要求，实现了图像处理和计算机视觉的功能。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开技术方案所检定乌氏黏度计的示意图；
图2为本公开技术方案乌氏黏度计自动检定系统总体结构图；
图3为本公开技术方硬件系统结构框图；
图4为本公开技术方案可编程逻辑控制器电气接线图；
图5为本公开技术方案视频信息采集处理流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
乌氏黏度计如图1所示，采用悬挂液柱型重力式玻璃毛细管黏度计进行黏度测量，将黏度标准液吸至黏度管计时球上刻度线一定高度后让液体在自身重力作用下自然下降，液体运动黏度与其在毛细管内的运动时间成正比，因此，液体流经毛细管黏度计的计时起始刻线与终点刻度线液位检测的时间判定是关键因素。早期的乌氏黏度计吸液操作是采用注射器或者洗耳球由操作人员手动完成，受人为因素影响大；液位检测流经计时刻度线的时间点是通过人眼观察、判断液面，人为决定计时起点与计时终点时刻，这种工作方式无法判断凹形液面的存在和检测过程中噪声的影响，测量误差较大。针对当前乌氏黏度计检定工作采用人工观测和人工计时方式效率较低、存在较大误差的问题，设计了基于机器视觉识别的乌氏黏度计自动检定系统和方法，通过自动化设备，减轻检定人员工作负担，提高检定精度与检定效率。通过设计三通管与各电磁阀的气流通路，PC机和PLC控制装置自动控制电磁阀的开启与关闭，完成对乌氏黏度计检定时所需的吸液、连通大气、吹气等动作；利用摄像机自动采集液体运动，并且利用视觉识别软件自动识别与计算。
实施例一
本发明的系统总体结构如图2所示，分为硬件与软件两个部分，其中硬件部分是由PC机、PLC可编程逻辑控制器、摄像机、驱动器、电磁阀、步进电机、稳压电源、精密电子温度计、外接电子计时器构成，可实现温度的监测、摄像机的调整、电磁阀的控制以及实时计时等功能。如图3所示，软件控制模块分为：上位机软件模块、硬件控制模块和视频采集处理模块，其中上位机软件模块为由力控组态软件编译完成，其具有延续性和可扩充性、封装性的优点。摄像机采集到的图像数据，通过千兆网线传输到上位机，利用在Windows下基于开源发行的跨平台计算机视觉库OpenCV图像处理和计算机视觉识别技术，对视频图像进行处理，实现对乌氏黏度计的上下刻度线的自动检测和移动液面自动跟踪，处理结果在上位机上展示，可完成完整的检定工作。
本发明的上位机软件，主要运用力控组态软件设计的上位机操作软件；针对乌氏黏度计的检定流程设计相应自动化程序，绘制所需各界面，通过建立鼠标点击动作相应程序完成软件的操作逻辑；分为被检黏度计管理模块，可导入、查询、修改乌氏黏度计基本信息；黏度标准液管理模块，可导入、查询、修改黏度标准液的基本信息；检测过程控制模块，可控制检定过程的启停、工业相机信号导入、控制云台、实时监控显示、报警等；证书与原始记录生成模块，可记录检定过程视频信息、检定过程数据存储、原始记录生成与存储、检定证书的生成与存储；其中，数据库部分通过MySQL建立检定过程的相应数据库，使其与力控组态软件相关联，在数据库中建立信息表格，可导入乌氏黏度计信息、黏度标准液信息等，也可记录检定过程、环境温湿度等信息；用户只需通过在软件中点击按钮、输入文字等方式进行控制检定流程与各检测器件的控制。
实时例二
本发明的逻辑控制单元为采用台达DVP-PLC(型号为台达DVP_PLC ES2)进行对各步进电机、电磁阀的控制，通过RS232协议与上位机通讯。
由于各乌氏黏度计型号大小不一，为了进行有效检定，设计摄像机云台的机械装置，包括步进电机控制云台高度，在检定之前需要通过云台来调节工业相机高度，使工业相机镜头对准乌氏黏度计计时球进行有效的信息采集。
电气部分选用24伏稳压电源为各器件供电，选用参数性能高、通用性强的驱动器对步进电机进行驱动；设计控制电路，如图4所示，完成PLC对各元器件的控制。
实施例三
本实施例的目的是提供基于计算机视觉识别技术的乌氏黏度计检定方法，其中，主要是完成黏度计检定过程中刻度线的识别定位以及黏度标准液液面检测识别和跟踪功能。视频信息处理流程如图5所示，在检定过程中通过摄像机所得到的视频中含有很多的信息，除了液体和刻度线的信息以外还会有水浴液体、室内背景、窗外光斑等。这些都是干扰的背景信息，要将这些信息做有效的排除，得到感兴趣的黏度计检定的区域再交给后续的程序进行处理以提高正确率和运行速度。将视频转化为帧图像，然后将彩色图像转换为灰度图，再对图像进行平滑去噪处理，通过腐蚀、膨胀等算法对图像进行形态学处理，经过预处理后，对乌氏黏度计上下刻度线进行识别和运动液面的检测跟踪。
进入检测液面之后，先检测液面是否流过上刻度线，若没有流过继续对上刻度线液面检测；当液面流经乌氏黏度计上刻度线时，通过计算机图像处理软件判定后，发送计时开始指令至计时器，计时器开始计时；当液面流经乌氏黏度计下刻度线时，通过计算机图像处理软件判定后，发送计时停止指令至计时器，计时器停止计时，并将计时数据回传至计算机控制平台，计时器归零。开始计时与停止计时之间的时间间隔即为乌氏黏度计中的流出时间。
由于玻璃管空气、被测液体的折射率不同和黏性液体挂壁严重，导致上刻度线的形状为一根类似椭圆形的横线，因此使用LSD(Line Segment Detector)直线检测方法来检测刻度线的位置。LSD是OpenCV中集成的一个直线检测算法，该算法的直线检测效果优于Hough算法，而且具有较好的检测速度。
运动液面的检测，运用空间复杂度低、检测速度快的VIBE算法。VIBE算法是利用邻域像素在空间分布具有一致性来完成背景模型的初始化，通过将当前图像中的每个像素和其背景模型样本进行匹配，来随机的更新背景模型。
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.乌氏黏度计自动检定系统，基于计算机视觉识别技术，其特征在于，采用PC-PLC的主从式架构，包括：作为上位机的PC机和作为下位机的PLC控制装置，PC机通过千兆网线与CCD摄像机连接，CCD摄像机固定安装在摄像机云台上，摄像机云台的高度通过步进电机调整；乌氏黏度计的N管接口连接三通管的支管，三通管的主管两端分别安装第一电磁阀和第二电磁阀，其中第一电磁阀连接吸气泵、第二电磁阀连通大气，第一电磁阀和第二电磁阀协调动作完成黏度计内吸液、放液，乌氏黏度计的M管接口连接第三电磁阀，第三电磁阀的进气端连接吹气泵；PC机通过PC/PPI线缆与下位机PLC控制装置连接，设计电路接线将电磁阀、步进电机与PLC控制装置连接，PC机完成上位机软件操作以及图像信息的采集、提取和分析，PC机和PLC控制装置控制步进电机调整云台高度，使CCD摄像机的镜头对准乌氏黏度计的计时球进行有效的信息采集，PC机和PLC控制装置控制各电磁阀的开启与关闭；PC机连接外接电子计时器和电子温度计，PC机控制电子计时器的启动与停止，PC机读取电子温度计的温度信息。
2.根据权利要求1所述的乌氏黏度计自动检定系统，其特征在于，PC机设置有：上位机软件模块、硬件控制模块和视频采集处理模块。
3.根据权利要求2所述的乌氏黏度计自动检定系统，其特征在于，所述的上位机软件模块为运用力控组态软件设计的上位机操作软件；上位机软件模块针对乌氏黏度计的检定流程设计相应的自动化程序，绘制所需各界面，通过建立鼠标点击动作相应程序完成软件的操作逻辑；所述的上位机软件模块分为：被检黏度计管理模块，黏度标准液管理模块，检测过程控制模块和证书与原始记录生成模块。
4.根据权利要求3所述的乌氏黏度计自动检定系统，其特征在于，通过MySQL建立检定过程的相应数据库，使乌氏黏度计的检定数据与力控组态软件相关联。
5.根据权利要求2所述的乌氏黏度计自动检定系统，其特征在于，所述硬件控制模块包括：逻辑控制单元和电气控制单元；所述逻辑控制单元与PLC控制装置实现数据交互，PLC控制装置采用台达PLC控制器对步进电机和电磁阀进行控制；所述电气控制单元为选用稳压电源为各器件供电，选用驱动器对步进电机进行驱动。
6.根据权利要求2所述的乌氏黏度计自动检定系统，其特征在于，CCD摄像机采用海康千兆网口工业面阵相机，所述视频采集处理模块控制海康千兆网口工业面阵相机采集视频图像信息，将光信号转变为电信号，传输给上位机并实时处理，处理结果及图像在上位机上显示。
7.乌氏黏度计自动检定方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的乌氏黏度计自动检定系统，包括以下步骤：
采集乌氏黏度计检定过程的视频数据；
采集到的视频图像通过开源计算机视觉库OpenCV进行预处理，包括灰度化处理、去除噪声、形态学处理；
读取预处理后的视频帧图像中值滤波，进一步对黏度计刻度线进行划定；
对预处理后的视频帧图像进行运动液面的检测跟踪。
8.根据权利要求7所述的乌氏黏度计自动检定方法，其特征在于，检定工作开始前，通过上位机软件模块，设置乌氏黏度计检定时的支管吹气时间、温度参数与摄像机参数、新建黏度液信息和黏度计信息，并且导入到工作组中。
9.根据权利要求7所述的乌氏黏度计自动检定方法，其特征在于，将视频转化为帧图像，然后将彩色图像转换为灰度图，再对图像进行平滑去噪处理去除干扰信息，通过腐蚀、膨胀算法对图像进行形态学处理。
10.根据权利要求7所述的乌氏黏度计自动检定方法，其特征在于，检测计时球刻度线时采用LSD直线检测方法，跟踪监测运动液面时采用VIBE的检测方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN115235948A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-10-25 | 山东非金属材料研究所 | 基于计算机视觉识别的液体粘度测量系统 |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN106896037A (zh) * | 2015-12-19 | 2017-06-27 | 西安瑞联新材料股份有限公司 | 一种系统的毛细管粘度计自动测定装置 |
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| CN213544314U (zh) * | 2020-11-06 | 2021-06-25 | 河北工业大学 | 一种智能读数乌氏粘度计 |
-
2021
- 2021-11-10 CN CN202111329686.5A patent/CN114062198B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| CN106896037A (zh) * | 2015-12-19 | 2017-06-27 | 西安瑞联新材料股份有限公司 | 一种系统的毛细管粘度计自动测定装置 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐海英: "基于视觉的粘度计智能检定仪的设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, 15 July 2014 (2014-07-15), pages 030 - 88 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115235948A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-10-25 | 山东非金属材料研究所 | 基于计算机视觉识别的液体粘度测量系统 |
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