CN115096905A - 一种均压电极结垢程度原位光学检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均压电极结垢程度原位光学检测装置及方法，包括光学检测模块、图像计算模块和人机界面，所述光学检测模块和图像计算模块均与人机界面通过信号线连接；所述光学检测模块用于获取均压电极结垢的待测图像；所述图像计算模块包括图像识别模块和图像分析模块，所述图像识别模块用于对待测图像依次进行预处理和定位分割，得到电极端特征图像，所述图像分析模块用于对电极端特征图像进行像元尺寸的标定和图像几何计算，得到均压电极结垢数据；所述人机界面用于提供数据输入与读取功能，以及对光学检测模块和图像计算模块进行调节和控制。本发明不需要拆除均压电极，无排水、压力试验等，操作简单、测量准确、自动化程度高。

Description

一种均压电极结垢程度原位光学检测装置及方法
技术领域
本发明涉及换流阀均压电极结垢程度检测领域，具体涉及一种均压电极结垢程度原位光学检测装置及方法。
背景技术
高压直流输电技术是现今世界上最先进最节能的输变电技术之一，也是目前重点发展的技术装备领域。其中，换流阀是直流输电系统中最核心的设备之一。换流站阀塔均压电极结垢严重时可能导致内冷水系统放电漏水等问题发生，严重影响直流工程的安全运行。调研类似换流站，该问题比较普遍，每年需要定期抽检均压电极结垢现状，评估电极失效程度，必要时安排电极结垢清理工作。
随着高压直流输电工程的大规模建设运行，每个换流站的检修工期越来越短，相关检修工作争分夺秒，提高各项检修工作效率非常紧迫，电极结垢程度检测问题目前国内外相关单位都没有较好的解决措施，仍然需要人工抽检和清理。传统的电极结垢抽检工作，需要至少5～7人和7个关键步骤：1)确定抽检位置；2)放水；3)拆卸电极；4)电极检测；5)电极清理；6)电极复位安装；7)注水、排气、压力试验。这些关键步骤基本都是高空作业，不仅工作量大，且费时费力，还容易损伤阀组件。
发明内容
针对换流站阀冷系统中均压电极结垢程度抽检测量作业工序繁琐、工期长、风险大的问题，本发明提供了一种均压电极结垢程度原位光学检测装置及方法，本发明通过无损的图像识别、处理、几何计算，获取均压电极结垢程度相关参数，不需要拆除均压电极，无排水、压力试验等后续作业，具有操作简单、测量准确、自动化程度高等优点。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，包括光学检测模块、图像计算模块和人机界面，所述光学检测模块和图像计算模块均与人机界面通过信号线连接；
所述光学检测模块用于获取均压电极结垢的待测图像；
所述图像计算模块包括图像识别模块和图像分析模块，所述图像识别模块用于对待测图像依次进行预处理和定位分割，得到电极端特征图像，所述图像分析模块用于对电极端特征图像进行像元尺寸的标定和图像几何计算，得到均压电极结垢数据；
所述人机界面用于提供数据输入与读取功能，以及对光学检测模块和图像计算模块进行调节和控制。
进一步地，所述光学检测模块包括光源控制器、光源探头和成像装置，所述光源控制器用于驱动激光器光源，并控制激光器光源的亮度及照明状态，所述光源探头用于利用激光器光源发出的高斯光束照明冷却水主管道中的均压电极，所述成像装置用于接收透过冷却水主管道的光信号，形成均压电极结垢的待测图像。
进一步地，所述光源探头包括光纤导管以及与光纤导管连接的匀化器。
进一步地，所述成像装置包括依次设置的红外增强透镜、窄带滤波器和相机。
进一步地，所述对待测图像进行预处理具体为：对待测图像进行图像去噪和图像增强。
一种均压电极结垢程度原位光学检测方法，包括以下步骤：
步骤一：利用光学检测模块获取无结垢状态的均压电极的取样图像，将取样图像经图像识别模块依次进行预处理和定位分割后，得到电极端取样图像，利用图像分析模块得到电极端取样图像的径向像元数，并结合均压电极无结垢状态的原始直径，为电极端取样图像的径向像元赋值，即赋予单一像元一个确定单一像元尺寸；
步骤二：对于换流阀使用中的均压电极，利用光学检测模块拍摄获取均压电极的待测图像，将待测图像经图像识别模块依次进行预处理和定位分割后，得到电极端特征图像，利用图像分析模块得到电极端特征图像的轴向不同点位的径向像元数量和垢样所占整个轴向的像元数量，结合所赋值的单一像元尺寸，进行均压电极的几何尺寸计算，得出均压电极结垢后的直径和结垢长度。
进一步地，还包括步骤三：利用均压电极无结垢状态的原始直径与均压电极结垢后的直径，计算均压电极的结垢厚度。
进一步地，所述均压电极的结垢厚度的计算公式为：
h＝(L1-L0)/2
其中，h为结垢厚度，L0为均压电极无结垢状态的原始直径，L1为均压电极结垢后的直径。
进一步地，所述均压电极结垢后的直径和结垢长度计算公式如下：
L1＝a×n1
其中，L1为均压电极结垢后的直径，a为像元边长，所述像元为正方形，n1为电极端特征图像的轴向不同点位的径向像元数量；
L2＝a×n2
其中，L2为均压电极结垢后的结垢长度，n2为垢样所占整个轴向的像元数量。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明通过无损的图像识别、处理、几何计算，获取均压电极结垢程度相关参数，不需要拆除均压电极，无排水、压力试验等后续作业，具有操作简单、测量准确、自动化程度高等优点。通过本发明的均压电极原位检测技术的应用，在保证检修质量的同时，减少了高空作业人员，降低了升降机载荷要求，大大缩短了检修时间，为提高换流站直流能量可用率指标和保证大电网安全提供了技术保障，具备可复制、可推广性，提高工作效率，规范作业流程，使检修作业及技术监督工作标准化、数字化。
进一步地，光源探头为光纤导管并配置匀化器，便于在狭小空间条件下实施光学检测，匀化器可将激光器发出的高斯光束调制成匀化光束，均匀的照明待测目标(即均压电极)。
进一步地，成像装置为包括红外增强透镜、窄带滤波器、相机的集成装置，红外增强透镜与相机之间增加的窄带滤波器，可去除管壁散射光对成像对比度的影响，并负责提取单一波长光源，减小镜头色散产生的畸变。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中，1、光学检测模块；1-1、光源控制器；1-2、光源探头；1-3、成像装置；2、图像计算模块；2-1、图像识别模块；2-2、图像分析模块；3、人机界面。
图2是本发明的光学检测模块结构示意图。
图3是本发明实施例2的850nm的激光光源所拍摄图像(管内无水)。
图4是本发明实施例2的850nm的激光光源所拍摄图像(管内有水)。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式及附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅为本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
由图1所示，一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，包括光学检测模块1、图像计算模块2和人机界面3，所述光学检测模块1和图像计算模块2均与人机界面3通过信号线进行交联互通，所述光学检测模块1包含光源控制器1-1、光源探头1-2、成像装置1-3。其中，光源控制器1-1负责驱动激光器光源，控制激光器光源的亮度及照明状态，为检测装置提供合理的光照强度和特定波长；光源探头1-2为光纤导管并配置匀化器，便于在狭小空间条件下实施光学检测，匀化器可将激光器发出的高斯光束调制成匀化光束，均匀的照明待测目标(即均压电极)；成像装置1-3为包括红外增强透镜、窄带滤波器、相机的集成装置，设置于光源的对立面，负责接收光源透过冷却水主管道的光信号，红外增强透镜与相机之间增加的窄带滤波器，可去除管壁散射光对成像对比度的影响，并负责提取单一波长光源，减小镜头色散产生的畸变，相机负责探测并记录冷却水主管道内均压电极的形貌，得到均压电极结垢的待测图像，所述图像计算模块2包括图像识别模块2-1和图像分析模块2-2，图像识别模块2-1负责将所接收到的均压电极结垢的待测图像进行图像预处理(图像去噪和图像增强)和图像定位分割，得到电极端特征图像；图像分析模块2-2负责将电极端特征图像进行像元尺寸的标定和图像几何计算，得出均压电极结垢长度、厚度等反映结垢程度的参数，所述人机界面3用于提供数据输入与读取功能，以及光学检测模块1和图像计算模块2进行调节和控制。
上述结构的设计原理为：光学检测模块1中的光源控制器1-1、光源探头1-2负责为均压电极待检样品提供适宜的光照波长、强度、角度等光学条件；成像装置1-3负责接收光源透过插设有均压电极冷却水主管道的光信号，探测并记录水管内均压电极的形貌。图像计算模块2中的图像识别模块2-1负责将采集的图像进行预处理和定位分割；图像分析模块2-2负责图像像元赋值步骤和均压电极结垢程度计算。
实施例2
光学检测模块结构示意图见图2；所拍摄图像见图3和图4。具体实施方法和参数如下：
(1)在光源控制器选用波长为850nm的连续红外线光源，线宽15nm，平均功率100mW；
(2)波长为850nm的连续红外线光源经光源探头输出，经过匀化器后将激光器发出的高斯光束调制成匀化光束，均匀的照明待测目标。
(3)选择散射方式成像，在激光光束垂直的方向选用30mm的红外增强镜头成像。
(4)镜头与相机之间增加850nm带宽10nm的窄带滤波，一方面去除管壁散射光对成像对比度的影响，另一方面提取单一波长光源，减小镜头色散产生的畸变。
(5)后端相机选用850nm量子效率为20％的相机，像元为9μm。通过调节镜头光圈(即光通量)，可以分别探测记录水管内均压电极与电极座连接处的直径和均压电极放电端的电极形貌和直径。
在实施例2中，当由于安装空间受限，可以采用折射原理，将透过冷却水主管道的光信号经过折射后成像，以达到节约空间的目的。
实施例3
基于均压电极结垢程度原位光学检测方法，包括以下步骤：
一、图像像元赋值步骤：
利用光学检测模块1获取无结垢状态的均压电极的取样图像，将取样图像经图像识别模块2-1依次进行预处理和定位分割后，得到电极端取样图像，利用图像分析模块2-2得到电极端取样图像的径向像元数，此处认为电极与电极座连接处轴向方向上任意点的径向方向像元大小一致，并结合该处实际测量尺寸，为所采集的电极端特征图像径向像元赋值，即赋予单一像元一个确定单一像元尺寸，将其作为测量基准。
二、均压电极结垢程度计算
对于换流阀使用中的均压电极，利用光学检测模块1拍摄获取均压电极的待测图像，将待测图像经图像识别模块2-1依次进行预处理和定位分割后，得到电极端特征图像，利用图像分析模块2-2得到电极端特征图像的轴向不同点位的径向像元数量和垢样所占整个轴向的像元数量，结合所赋值的单一像元尺寸，进行均压电极的几何尺寸计算，得出均压电极结垢后的直径和结垢长度。
均压电极结垢后的直径和结垢长度计算公式如下：
L1＝a×n1
其中，L1为均压电极结垢后的直径，a为像元边长，所述像元为正方形，n1为电极端特征图像的轴向不同点位的径向像元数量；
L2＝a×n2
其中，L2为均压电极结垢后的结垢长度，n2为垢样所占整个轴向的像元数量。
将均压电极原始直径(即无结垢状态)数据输入计算程序，即可根据公式计算得出均压电极的结垢厚度。
h＝(L1-L0)/2
其中，h为结垢厚度，L0为均压电极无结垢状态的原始直径，L1为均压电极结垢后的直径。
均压电极原始直径测试步骤：采用高精度长度计量仪器(游标卡尺等)测量无垢状态下均压电极放电端直径和长度，输入人机界面计算程序，分别作为所采集均压电极影像像元尺寸赋值计算参数和结垢厚度计算参数。
上述步骤几何尺寸计算的原理为：为已知的、尺寸固定不变的均压电极与电极座连接处图像像元赋值，得到单一像元对应的物面尺寸。因均压电极放电端和电极与电极座连接处为同一物面采集的图像，可根据放电端不同位置和方向上的像元数计算得出其对应的实际尺寸。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，其特征在于，包括光学检测模块(1)、图像计算模块(2)和人机界面(3)，所述光学检测模块(1)和图像计算模块(2)均与人机界面(3)通过信号线连接；
所述光学检测模块(1)用于获取均压电极结垢的待测图像；
所述图像计算模块(2)包括图像识别模块(2-1)和图像分析模块(2-2)，所述图像识别模块(2-1)用于对待测图像依次进行预处理和定位分割，得到电极端特征图像，所述图像分析模块(2-2)用于对电极端特征图像进行像元尺寸的标定和图像几何计算，得到均压电极结垢数据；
所述人机界面(3)用于提供数据输入与读取功能，以及对光学检测模块(1)和图像计算模块(2)进行调节和控制。
2.根据权利要求1所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，其特征在于，所述光学检测模块(1)包括光源控制器(1-1)、光源探头(1-2)和成像装置(1-3)，所述光源控制器(1-1)用于驱动激光器光源，并控制激光器光源的亮度及照明状态，所述光源探头(1-2)用于利用激光器光源发出的高斯光束照明冷却水主管道中的均压电极，所述成像装置(1-3)用于接收透过冷却水主管道的光信号，形成均压电极结垢的待测图像。
3.根据权利要求2所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，其特征在于，所述光源探头(1-2)包括光纤导管以及与光纤导管连接的匀化器。
4.根据权利要求2所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，其特征在于，所述成像装置(1-3)包括依次设置的红外增强透镜、窄带滤波器和相机。
5.根据权利要求1所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，其特征在于，所述对待测图像进行预处理具体为：对待测图像进行图像去噪和图像增强。
6.一种均压电极结垢程度原位光学检测方法，采用权利要求1-5任一项所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用光学检测模块(1)获取无结垢状态的均压电极的取样图像，将取样图像经图像识别模块(2-1)依次进行预处理和定位分割后，得到电极端取样图像，利用图像分析模块(2-2)得到电极端取样图像的径向像元数，并结合均压电极无结垢状态的原始直径，为电极端取样图像的径向像元赋值，即赋予单一像元一个确定单一像元尺寸；
步骤二：对于换流阀使用中的均压电极，利用光学检测模块(1)拍摄获取均压电极的待测图像，将待测图像经图像识别模块(2-1)依次进行预处理和定位分割后，得到电极端特征图像，利用图像分析模块(2-2)得到电极端特征图像的轴向不同点位的径向像元数量和垢样所占整个轴向的像元数量，结合所赋值的单一像元尺寸，进行均压电极的几何尺寸计算，得出均压电极结垢后的直径和结垢长度。
7.根据权利要求6所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测方法，其特征在于，还包括步骤三：利用均压电极无结垢状态的原始直径与均压电极结垢后的直径，计算均压电极的结垢厚度。
8.根据权利要求7所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测方法，其特征在于，所述均压电极的结垢厚度的计算公式为：
h＝(L1-L0)/2
其中，h为结垢厚度，L0为均压电极无结垢状态的原始直径，L1为均压电极结垢后的直径。
9.根据权利要求6所述的一种均压电极结垢程度原位光学检测方法，其特征在于，所述均压电极结垢后的直径和结垢长度计算公式如下：
L1＝a×n1
其中，L1为均压电极结垢后的直径，a为像元边长，所述像元为正方形，n1为电极端特征图像的轴向不同点位的径向像元数量；
L2＝a×n2
其中，L2为均压电极结垢后的结垢长度，n2为垢样所占整个轴向的像元数量。
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