CN115540978A - 一种基于数字图像的水表检定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像的水表检定系统，包括：水表检定安装台模块、恒定水流供应模块、数字图像识别模块和计算机数据采集处理模块。水表检定安装台模块负责对各种口径和规格的水表进行串联安装。恒定水流供应模块是整体系统的供水来源，通过机械结构与水表检定安装台固定连接。数字图像识别模块通过摄像头放置于在水表检定安装台上端采集数字图像，并获取水表的实时识读数据。计算机数据采集处理模块通过数字图像识别模块的接口获取输出数据，并获得水表检定的误差和重复性结果，生成电子化的检定原始记录。本发明实现水表检定的智能化，并且检定的试验数据根据精准可靠，具有较强的数据集成和处理功能。

Description

一种基于数字图像的水表检定系统

技术领域

本发明涉及水表智能化检测领域，具体为一种基于数字图像的水表检定系统。

背景技术

根据JJG 162-2019《饮用冷水水表》的要求，对于机械水表，应进行示值误差试验，其试验程序是：将水表单个或成批安装在水表检定装置上，先通水排除表内和实验装置管道内的空气，然后在水表静止状态下缓慢升高水压，保持压力下观察1min，无泄漏或者损坏之下再将水流流量调节至常用流量、分界流量和最小流量，通过启停法完成全部流量点的检定。

目前水表作为民用三表之一，在社会面使用量十分巨大，更新迭代十分迅速。水表的计量单位统一，数据的准确可靠对于国计民生起着十分重要的作用。传统的检定方式，产生了巨大的工作量，对于检定人员除了专业方面的要求外，在体能和精神上也是一种消耗。因此设计了一种具备自动检定的机械水表表盘示数识读系统，可以有效的提高检测效率和准确度，减少了对于专业性检测人员的依赖。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于数字图像的水表检定系统，能够自动获取水表表盘示数的自动化水表检测装置，实现自动化试验与智能化数据处理。可以结合水表信息(生产厂家、型号规格、出厂编号、试验参数)，出具水表检定原始记录。

为了实现上述功能，采用了如下的技术方案和安装实体：

一种基于数字图像的水表检定系统，包括：水表检定安装台模块、恒定水流供应模块、数字图像识别模块和计算机数据采集处理模块。

所述水表检定安装台模块负责对三台各种口径和规格的水表进行串联安装。所述恒定水流供应模块是整体系统的供水来源，并通过机械结构与水表检定安装台固定连接。所述数字图像识别模块通过摄像头放置于在水表检定安装台上端采集数字图像，并调用数字图像处理算法对采集的数字图像进行处理，获取水表的实时识读数据。所述计算机数据采集处理模块通过数字图像识别模块的算法接口获取输出数据并将相应数据进行公式计算，获得水表检定的误差和重复性结果，生成电子化的检定原始记录。

所述水表检定安装台模块，通过一台机械伸缩传动夹表结构，控制各水表之间的安装距离，保证对进行测试的水表无缝衔接，完成对三台不同规格和口径的水表通过不同口径水管实现串联。

所述的恒定水流供应模块包括水泵、稳压罐、流量开关阀、流量调节阀和指示流量计。水泵将循环水从地下水池中抽取至稳压罐中，进行稳压调节。然后打开流量开关阀，将稳压的循环水输入水表检定安装台模块，通过密封连接的机械水表，流入流量调节阀进行循环水的流速调节。循环水流速通过指示流量计来获取。稳定压力和固定流速的循环水通过机械连接管道进入标准器，完成恒定水流的一次循环。

所述的数字图像识别模块包括摄像头，数据传输链路和数字图像封装器，用于系统对机械水表实时的累积数据进行智能识读。数字图像识别模块通过摄像头对机械水表的表盘进行数字图像捕获，数字图像通过数据传输链路传输至工控机内，再通过内嵌于工控机中的数字图像封装器对水表表盘特征进行提取，获取实时的水表累积数据。

所述的计算机数据采集处理模块包括安装在标准器中的压力传感器、安装在指示流量器上的温度传感器、数据库、实验数据处理器和报表模板，温度传感器和压力传感器与实验数据处理器通过通讯线路连接，可以对各种试验过程中的压力和介质温度进行收集、整理以及运算。首先计算机数据采集处理模块通过对标准器的温度以及压力传感器数据进行转化，获取试验过程中收集的循环水质量数据。再获取数字图像识别模块通过算法接口输出的机械水表累积值数据。将二者输入实验数据处理器中，生成Word版本的水表检定原始记录。

进一步的，所述的计算机数据采集处理模块，通过获得试验过程中前后两次的水表表盘实时机械读数，代入容积算法公式进行计算获取试验时间内的水表实际流量累积量，再通过标准器在相同试验时间内的容积累积量即标准值进行比较，代入误差公式计算此次试验的水表示值误差。通过在不同检测流量点下的多次重复试验，获得水表检定完整的实验数据，形成水表检定原始记录，完成水表检定，打印水表检定原始记录。

本发明的有效益果是：

1、可以实现水表检定的智能化。机械水表完成安装之后，根据水表的基本信息在水表检定系统中设置相应参数即可完成相应的检定试验。装置会根据调节的检测流量点自动获取检定所需的试验数据，减少了对于专业检定人员的依赖，在提高检定效率的同时，减轻了实验人员的工作压力。

2、检定的试验数据根据精准可靠。在启停法的基础上，通过数字图像识读代替人工读数能够有效的减少人工读数引入的误差和不确定度。相关操作完全符合国家计量检定规程JJG 162-2019中的相关要求。

3、具有较强的数据集成和处理功能。以往的水表检定试验需要通过人工读数并且在手写原始记录上完成实验结果的数据处理。智能化的机械水表表盘示数识读系统可以实现检定数据的记录、查询、统计和打印，完全省去了人工重复劳动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为水表面板。

图中：1、实验数据处理器，2、工控机，3、水表，4、流量调节阀，5、摄像头，6、标准器，7、指示流量计，8、水泵，9、稳压罐，10、流量开关阀、11机械伸缩传动夹表结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为本发明的结构示意图，其中包括实验数据处理器1、工控机2、水表3、流量调节阀4、摄像头5、标准器6、指示流量计7、水泵8、稳压罐9、流量开关阀10和机械伸缩传动夹表结构11。由工控机2根据水表3的实际型号规格设定具体的检测流程和实验要求，包括：检定流量点、精度控制、检定时间等。工控机2通过数据传输线路发送控制指令，依次调节流经各水表的检测介质。

一种基于数字图像的水表检定系统，包括：水表检定安装台模块、恒定水流供应模块、数字图像识别模块和计算机数据采集处理模块。

所述水表检定安装台模块负责对各种口径和规格的水表进行三台串联安装，达到整体密封和内部顺畅排水的功能。所述恒定水流供应模块是整体系统的供水来源，起到调节水流压力，流速的功能，并通过机械结构与水表检定安装台固定连接。所述数字图像识别模块通过摄像头放置于在水表检定安装台上端采集数字图像，并调用数字图像处理算法对采集的数字图像进行处理，获取水表的实时识读数据。所述计算机数据采集处理模块通过数字图像识别模块的算法接口获取输出数据并将相应数据进行复杂的公式计算，获得水表检定的误差和重复性结果，生成电子化的检定原始记录。系统内各模块之间有机结合，分工合作，协同完成机械水表的示值误差试验。

所述的机械水表表盘示数识读系统通过水表检定安装台模块对不同规格和口径的机械水表3实现三台串联连接，水表间通过不同口径的五组水表短接管段连接。通过一台机械伸缩传动夹表结构11，控制各水表之间的安装距离，继而保证对进行测试的机械水表无缝衔接，做到整体密封，内部顺畅通水。

所述的恒定水流供应模块包括水泵8、稳压罐9、流量开关阀10、流量调节阀4和指示流量计7，用于系统进行水流的循环使用。首先通过水泵8将循环水从地下水池中抽取至稳压罐9中，通过稳压罐9对输入的循环水水压进行调节。随后手动打开流量开关阀10，通过流量开关阀，将稳压的循环水输入水表检定安装台模块3，通过密封连接的机械水表，其次通过流量调节阀4进行循环水的流速调节。循环水流速通过指示流量计7来获取，指示流量计7包括了三台不同口径和流量范围的电磁流量计，可以根据需要检测的流量点进行智能选取，及时指示实时通过机械水表的水流流速。最后稳定压力和固定流速的循环水通过机械连接管道进入标准器6，完成恒定水流的一次循环。此处标准器6是一个水流的收集装置，可以获取累积工作时间内的水流质量累积量。

所述的数字图像识别模块包括摄像头、数据传输链路和数字图像封装器，用于系统对机械水表实时的累积数据进行智能识读。数字图像识别模块通过摄像头5对机械水表的表盘进行数字图像捕获，数字图像通过数据传输链路传输至工控机内，再通过内嵌于工控机2中的数字图像封装器对反馈的机械水表表盘特征进行提取，最终获取实时的水表累积数据。

所述数字图像封装模块包含了独立编写的数字图像算法。具体实现原理为：通过对水表表盘指针字轮组合式的计数机构进行智能识读。水表表盘结构如图2所示，其结构一般由一位星型指针a1，四位红色指针a2与一个五位字轮a3组成。星型指针a1用来指示始动流量，4位红色指针a2按照由左向右的顺序排列，指示相应单位分格的累积量，5位字轮直接显示累积量，单位为：立方米。数字图像算法主要通过识别四位红色指针指向的读数与五位字轮显示的读数，对二者进行累加，完成水表读数的智能识别。对四位红色指针的识别：首先建立归一化的数字图像算子，然后通过数字图像算子之间的线性关系判断红色指针所在的颜色区域，最后通过RGB颜色空间直接抓取红色指针所在的像素点坐标并进行人工赋值，完成四位指针与水表表盘的图像分割。其次进行灰度转换，自适应二值化等图像预处理，对经过预处理的图像进行横向和纵向扫描，一旦识别到与背景数值异常的像素点即标记其二维坐标，然后停止，在下一列或下一行中继续寻找。将标记的坐标相素点在另一幅图像中进行复现。经此处理之后，可将二值图像的边界及坐标数据进行获取。对获取的边界坐标进行连通域分析，将互相粘连构成闭环区间的坐标进行归类，四个指针共计归为四类。对单独一类的指针坐标获取最小的x轴坐标点x1，获取最小的y轴坐标点y1，获取最大的x轴坐标点x2，标获取最大的y轴坐标点y2，则指针中心点坐标即为：

然后计算指针各边缘点与中心点的距离，取极大值，获得边缘点坐标：F_edge(x,y)，连接中心点与边缘点即为指针指向。通过指针指向与垂直方向的夹角确定指针指向的数字区域，然后建立角度与数字的真值表进行匹配。再根据指针所在的流量单位进行乘积运算获得指针累积值A。对五位字轮的识别：通过霍夫变换识别表盘中的矩形框，然后获取矩形框的坐标完成字轮所在图像区域的定位。由于字轮示数由0-9的一串数字构成，识别字轮的读数首先将五位字轮所在图像区域进行灰度处理，自适应二值化处理等图像预处理。然后对像素点进行连通域检测，将互相独立的数字区域进行挨个裁剪获取单独的五个数字，再将数字按照坐标的左右排序，挨个与事先准备好的通用的数字模板进行匹配，完成识读。获取5位字轮直接显示累积量B。水表实际显示累积量为A与B的累加值。

所述的计算机数据采集处理模块包括安装在标准器中的压力传感器、安装在指示流量器上的温度传感器、数据库、实验数据处理器1和报表模板，传感器与实验数据处理器通过通讯线路连接，可以对各种试验数据进行收集、整理以及运算。首先计算机数据采集处理模块通过对温度以及压力传感器数据进行转化，获取试验过程中收集的循环水质量数据。其次获取数字图像识别模块通过算法接口输出的机械水表累积值数据。将二者输入实验数据处理器1中，综合试验过程的水温、密度、压力等环境参数，最终处理输出水表检定的示值误差和重复性，生成水表检定原始记录。

所述的水表检定系统通过数据传输线路实现各子模块相连，实现对：稳压罐9、流量调节阀4、标准器6和指示流量计7之间的指令发送与数据采集。水表3、恒定水流供应模块、流量调节阀4、指示流量计7以及标准器达到工作状态之后通过工控机下达检定指令，将介质流量调整至要求的流量点下。标准器通过其中的压力传感器获得实时的标准质量。

进一步的，所述的数字图像识别模块通过采集水表表盘的数字图像，输入数字图像封装器，经过计算之后获得水表表盘的实时读数。此过程通过独立研发的数字图像算法得以实现。具体通过C++与OPENCV相结合，对获取的数字图像先后进行红色指针提取、灰度处理、二值化处理、边缘轮廓提取与模板识别匹配，获取水表表盘的实时机械累积读数。

进一步的，摄像头5与工控机2相连，负责在检定试验开始前和检定试验结束后对水表3的机械表盘进行数字图像捕获，采集到的图像通过数字图像识别模块转换为数据信息，并且通过算法接口发送给计算机数据采集处理模块，所述的计算机数据采集处理模块，通过获得试验过程中前后两次的水表表盘实时机械读数，代入容积算法公式进行计算获取试验时间内的水表实际流量累积量，再通过标准器在相同试验时间内的容积累积量即标准值进行比较，代入误差公式计算此次试验的水表示值误差。通过在不同检测流量点下的多次重复试验，获得水表检定完整的实验数据，形成水表检定原始记录，完成水表检定，打印水表检定原始记录。

Claims (8)

1.一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于包括：水表检定安装台模块、恒定水流供应模块、数字图像识别模块和计算机数据采集处理模块；

所述水表检定安装台模块负责对三台各种口径和规格的水表进行串联安装；所述恒定水流供应模块是整体系统的供水来源，并通过机械结构与水表检定安装台固定模块连接；所述数字图像识别模块通过摄像头放置于在水表检定安装台模块上端采集数字图像，并调用数字图像处理算法对采集的数字图像进行处理，获取水表的实时识读数据；所述计算机数据采集处理模块通过数字图像识别模块的算法接口获取输出数据，并将相应数据进行计算，获得水表检定的误差和重复性结果，生成电子化的检定原始记录；

所述水表检定安装台模块，通过一台机械伸缩传动夹表结构，控制各水表之间的安装距离，保证进行测试的水表无缝衔接，完成对三台不同规格和口径的水表通过不同口径水管的串联；

所述的恒定水流供应模块包括水泵、稳压罐、流量开关阀、流量调节阀和指示流量计；水泵将循环水从地下水池中抽取至稳压罐中，进行稳压调节；然后打开流量开关阀，将稳压的循环水输入水表检定安装台模块，通过密封连接的机械水表，流入流量调节阀进行循环水的流速调节；循环水流速通过指示流量计获取；稳定压力和固定流速的循环水通过机械连接管道进入标准器，完成恒定水流的一次循环；

所述数字图像识别模块包括摄像头、数据传输链路和数字图像封装器；数字图像识别模块通过摄像头对机械水表的表盘进行数字图像捕获，数字图像通过数据传输链路传输至工控机内，再通过内嵌于工控机中的数字图像封装器，对机械水表表盘特征进行提取，获取实时的水表累积数据；

所述的计算机数据采集处理模块包括安装在标准器中的压力传感器、安装在指示流量器上的温度传感器、数据库、实验数据处理器和报表模板，温度传感器和压力传感器与实验数据处理器通过通讯线路连接，对各种试验过程中的压力和介质温度进行收集、整理以及运算；首先计算机数据采集处理模块通过对温度以及压力传感器数据进行转化，获取试验过程中收集的循环水质量数据；其次获取数字图像识别模块通过算法接口输出的机械水表累积值数据；最后二者输入实验数据处理器中，生成Word版本的水表检定原始记录；

所述的计算机数据采集处理模块，通过获得试验过程中前后两次的水表表盘实时机械读数，代入容积算法公式进行计算获取试验时间内的水表实际流量累积量，再通过标准器在相同试验时间内的容积累积量即标准值进行比较，代入误差公式计算此次试验的水表示值误差；通过在不同检测流量点下的多次重复试验，获得水表检定完整的实验数据，形成水表检定原始记录，完成水表检定，打印水表检定原始记录。

2.根据权利要求1所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：所述指示流量计包括三台不同口径和流量范围的电磁流量计，及时指示实时通过机械水表的水流流速。

3.根据权利要求1所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：标准器是一个水流的收集装置，获取累积工作时间内的水流质量累积量。

4.根据权利要求1所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：所述的水表检定系统通过数据传输线路实现对：稳压罐、流量调节阀、标准器和指示流量计之间的指令发送与数据采集；

水表、恒定水流供应模块、流量调节阀、指示流量计和标准器达到工作状态之后通过工控机下达检定指令，将介质流量调整至要求的流量点下；标准器通过其中的压力传感器获得实时的标准质量。

5.根据权利要求1所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：实验数据处理器集成了水表检定示值误差的计算方法，存储了EXCEL版本的水表检定原始纪录模板，将实验数据计算之后置入水表检定原始纪录模板之中，再通过综合试验过程的环境参数，最终处理输出水表检定的示值误差和重复性。

6.根据权利要求1所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：所述的数字图像识别模块通过采集水表表盘的数字图像，输入数字图像封装器，经过计算之后获得水表表盘的实时读数；此过程通过数字图像算法得以实现，具体通过C++与OPENCV相结合，对获取的数字图像先后进行红色指针提取、灰度处理、二值化处理、边缘轮廓提取与模板识别匹配，获取水表表盘的实时机械累积读数。

7.根据权利要求1所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：所述的数字图像封装模块包含了独立编写的数字图像算法，通过对水表表盘指针字轮组合式的计数机构进行智能识读。

8.根据权利要求7所述一种基于数字图像的水表检定系统，其特征在于：所述的数字图像算法主要通过识别四位红色指针指向的读数与五位字轮显示的读数，对二者进行累加，完成水表读数的智能识别；

所述识别四位红色指针指向，具体过程为：

首先，建立归一化的数字图像算子，通过数字图像算子之间的线性关系判断红色指针所在的颜色区域，并通过RGB颜色空间直接抓取红色指针所在的像素点坐标并进行人工赋值，完成四位指针与水表表盘的图像分割；

其次，进行灰度转换与自适应二值化图像预处理，对经过预处理的图像进行横向和纵向扫描，识别到与背景数值异常的像素点即标记其二维坐标，然后停止，在下一列或下一行中继续寻找；

将标记的坐标相素点在另一幅图像中进行复现，获取二值图像的边界及坐标数据；对获取的边界坐标进行连通域分析，将互相粘连构成闭环区间的坐标进行归类，四个指针共计归为四类；

对单独一类的指针坐标获取最小的x轴坐标点x1，获取最小的y轴坐标点y1，获取最大的x轴坐标点x2，标获取最大的y轴坐标点y2，则指针中心点坐标即为F_center((x1+x2)/2,(y1+y2)/2)，然后计算指针各边缘点与中心点的距离，取极大值，获得边缘点坐标：F_edge(x,y)，连接中心点与边缘点即为指针指向；

最后，通过指针指向与垂直方向的夹角确定指针指向的数字区域，然后建立角度与数字的真值表进行匹配，并根据指针所在的流量单位进行乘积运算获得指针累积值A；

所述对五位字轮的读数，具体过程为：

通过霍夫变换识别表盘中的矩形框，获取矩形框的坐标完成字轮所在图像区域的定位；

识别字轮的读数首先将五位字轮所在图像区域进行灰度处理与自适应二值化处理，然后对像素点进行连通域检测，将互相独立的数字区域进行挨个裁剪获取单独的五个数字，再将数字按照坐标的左右排序，挨个与事先准备好的通用的数字模板进行匹配，完成识读，获取五位字轮直接显示累积量B。

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