陳鑫 謝軍燕 王婧穎 杜天鋆 王煒 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

壓力表在易燃、易爆、有毒物質(zhì)的生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)任ｋU場所的安全防護和醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域，起到保護人民健康和生命財產(chǎn)安全的作用?，F(xiàn)有壓力表檢定裝置自動化程度低，效率低下，已經(jīng)無法滿足法制檢定任務(wù)與業(yè)務(wù)量進一步增長的需求。依據(jù)JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》檢定規(guī)程，項目組開發(fā)研制新的壓力表檢定裝置，從本質(zhì)上提高壓力表計量的效率和質(zhì)量，降低檢定人員的勞動強度。

1 國內(nèi)外技術(shù)水平現(xiàn)狀及研發(fā)難點

1）國內(nèi)外計量機構(gòu)對壓力表的計量大多處于人工操作計量階段。

2）國內(nèi)外現(xiàn)無用于多規(guī)格指針式壓力表批量檢定的設(shè)備或者技術(shù)。

3）國內(nèi)大多數(shù)壓力表計量設(shè)備生產(chǎn)商現(xiàn)有技術(shù)只針對單一規(guī)格壓力表，可實現(xiàn)兩個左右的半自動檢測，且對被檢表無法實現(xiàn)獨立控制。當出現(xiàn)不同規(guī)格被檢表時，實現(xiàn)批量檢測需提供不同壓力源，在被檢表規(guī)格較多的情況下，因成本過高變得不可實現(xiàn)。

4）現(xiàn)有的半自動檢測系統(tǒng)無法推廣應(yīng)用的主要原因是它并沒有提升實際效率，加上一些異常情況處理，甚至比人工操作更慢。真正意義上的自動化批量檢定系統(tǒng)難以實現(xiàn)有以下原因：

（1）現(xiàn)有的指針式壓力表批量自動檢定系統(tǒng)都是基于由主控機直接處理光電采集后的媒體流，位圖處理軟件都是用同步處理的方式來工作，當被檢表數(shù)量增大時，主機要排隊處理每個采集器傳回來的位圖文件，這個處理時間會隨數(shù)據(jù)量增多而大大增加，導致處理時間冗長。例如：實現(xiàn)20個被檢表的自動化處理，每個表10個檢定點，就是200個圖像要同時處理，加上系統(tǒng)泄露與被檢表規(guī)格型號的確定，一共會有240張位圖文件要同時處理，按1張/秒的無異常情況處理計算，也會超過4 min，如果再加上異常情況處理，時間會更長，不可能實現(xiàn)效率提升。

（2）對系統(tǒng)泄露處理的技術(shù)不成熟，必須手工干預，這也是自動化批量檢定系統(tǒng)難以解決的問題。

（3）不同規(guī)格型號的壓力表，量程、分度值、被檢點、允差以及準確度等級都是不一樣的。由于批量處理算法不成熟，如果按現(xiàn)有的處理辦法，必須同一規(guī)格型號分別處理，不僅降低了效率還增加了硬件成本。

（4）現(xiàn)有的圖像識別處理技術(shù)，識別率不高，特別是對有“縮格”零位的壓力表。因為有“縮格”零位的壓力表在整個量程范圍內(nèi)角度與示值對應(yīng)關(guān)系并不是均勻分布的，這樣就導致按角度估算示值會帶來誤差，當“縮格”區(qū)別越大，誤差就越大。

2 總體設(shè)計

總體方案分批量自動化測試裝置與處理系統(tǒng)兩部分，批量自動化測試裝置主要包括系統(tǒng)硬件部分，批量自動化測試處理系統(tǒng)主要包括整個系統(tǒng)的運行流程以及相關(guān)軟件處理流程。

2.1 批量自動化壓力測試裝置

如圖1所示，裝置的構(gòu)成包括壓力源、壓力控制器、總管道線路、主機（中央控制系統(tǒng)）、電磁閥開關(guān)，光電采集器以及相關(guān)的輔助配件。

圖1 批量自動化壓力測試系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成

壓力源為干凈的壓縮空氣，并在管路上有過濾器，避免因被檢表對標準器帶來的污染。光電采集器配置一個振動裝置，以完成每個檢定點的輕敲位移測試。壓力控制器能同時輸出多路壓力信號到主機（中央控制系統(tǒng)），如果擴展到多臺壓力表計算，那么控制器應(yīng)滿足多個檢定點的輸出，才能保證整個管路上被檢表的每個被檢定點都被檢測到。由主機對總管道上所有的電磁閥和光電采集數(shù)據(jù)進行處理并控制，并按時間軸對光電采集回的數(shù)據(jù)和壓力控制器輸出的標準值進行對比，獲得每個被檢表的示值誤差。

2.2 批量自動化壓力測試處理系統(tǒng)

整個系統(tǒng)的控制在主機（中央控制系統(tǒng)）中實現(xiàn)。

1）先是基本信息的錄入。包括環(huán)境條件（溫度、濕度、測試地點、標準器信息等）、每個被檢表的原始信息錄入（量程、準確度等級、編號、廠家、委托單位等）、控制器檢定點的設(shè)置與輸出時間控制、被檢表采集系統(tǒng)的時間設(shè)定（這里主要是與控制的時間同步）。

2）檢定程序執(zhí)行。程序執(zhí)行流程為：檢定開始指令（上行程）發(fā)送給自動壓力源與壓力控制器，控制器按設(shè)定的檢定點與間隔時間輸出壓力值到總管路，同一時間，采集器開始采集數(shù)據(jù)，并將實時數(shù)據(jù)發(fā)回主機進行處理。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)是否有泄漏或者示值超差等情況，并發(fā)出每個被檢表的電磁閥是否閉合的指令，完成一個上行程與下行程的檢定工作。

3）證書處理。由檢定程序獲得的每個被檢表的示值誤差數(shù)據(jù)，以及環(huán)境條件，生成一份符合規(guī)程要求的數(shù)據(jù)原始記錄，并將數(shù)據(jù)原始記錄發(fā)送到計量機構(gòu)ERP或者LIMS系統(tǒng)，生成證書并打印，完成證書處理工作。

3 采取的技術(shù)路線及技術(shù)關(guān)鍵

針對指針式壓力表批量自動檢定系統(tǒng)面臨的幾個難題，采用的技術(shù)路線主要包括獨創(chuàng)的三點法圖像處理算法、基于單片機技術(shù)終端控制采集技術(shù)、系統(tǒng)泄漏處理機制、后序遍歷法標準壓力控制、采用可擴展式系統(tǒng)架構(gòu)五個部分。

3.1 三點法圖像處理算法

對現(xiàn)有的指針式儀表光電采集算法進行了大量的研究，利用C++軟件，結(jié)合壓力表自身的特點，獨創(chuàng)了三點圖像處理算法，采取全量程第二點、上限點和中心軸點為三點位置，計算出示值與角度對應(yīng)的系數(shù)，這個系數(shù)對于每個壓力表都是固定的，通過獲得固定的系數(shù)，得到θ式（1）

式中：p——壓力示值；

k——壓力示值與角度對應(yīng)的系數(shù)；

θ——角度值

根據(jù)式（1）測試出角度值最終獲得示值的讀數(shù)。在此基礎(chǔ)上，寫入壓力表不同規(guī)格型號的讀數(shù)規(guī)則，使最終讀數(shù)符合壓力表檢定規(guī)程的要求。三點法圖像處理算法還解決了因為壓力零位區(qū)間“縮格”帶來的整個量程范圍內(nèi)角度分布不均勻問題，對壓力表進行光電采集（如圖2所示），采用三點法圖像處理算法后，讀數(shù)的準確度大大提升。

圖2 三點法圖像處理效果

3.2 基于單片機技術(shù)終端控制采集技術(shù)

現(xiàn)有的批量壓力圖像處理技術(shù)，都是由主機對回傳的圖像進行處理。當要處理的圖像數(shù)量多時，主機處理時間就會變長，如果有異常情況要處理時，主機的負擔就進一步加重。項目組針對這一問題，采用了基于單片機技術(shù)終端采集技術(shù)。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，將三點法圖像處理算法與電磁閥以及輕敲位移的模擬器的控制算法，集中在每一臺終端的單片機里（見圖3），單片機采用通訊接口RJ11，直接連交換機，交換機再直接與主機相連，由單片機在終端處理完圖像后直接將數(shù)值發(fā)送到主機，并處理由主機發(fā)出的控制指令。使用單片機技術(shù)可以大大提升整個系統(tǒng)對批量處理的運行速度，也可以減輕異常情況處理對主機的負擔。

圖3 采集終端

3.3 系統(tǒng)泄漏處理機制

壓力表批量處理的一個難點就是系統(tǒng)泄漏。當系統(tǒng)（如圖4）某一處產(chǎn)生泄漏時，如果不能快速處理，在第一時間查找到泄漏點并關(guān)閉泄漏點，那整個系統(tǒng)將無法正常工作。傳統(tǒng)的判斷與處理泄漏的方法是眼看耳聽，或用氣體標識，或用肥皂水等，這些方法都需要人工參與，都不適用于本項目。針對這種情況，項目采用的方法是：每個被檢表的接頭下都安裝一個壓力電磁閥開關(guān)，開關(guān)的控制集成在終端的單片機里，由主機發(fā)出控制指令；電磁閥與被檢表之間預留出一個空間足夠的腔體，運行開始時，先進行泄漏測試。

圖4 系統(tǒng)管路

泄漏測試過程：確定系統(tǒng)最小量程的上限壓力值輸出一個壓力→保壓3 min→主機發(fā)出關(guān)閉所有電磁閥開關(guān)的指令，關(guān)閉管路所有被檢表的電磁閥→主機發(fā)出采集被檢表示值指令，采集數(shù)據(jù)→將采集的示值與第一步輸出的系統(tǒng)最小量程的上限壓力值進行比較→示值為零或者大于最大允許誤差絕對值時，判定為泄漏點，泄漏點電磁閥鎖死并在主機上報警。

3.4 后序遍歷法標準壓力控制

批量處理系統(tǒng)要處理不同規(guī)格型號的壓力表，它們由不同的單位送檢，排序是雜亂無章的。每個壓力表被檢點是不一樣的，對標準壓力值輸出要求也是不一樣的。采用了后序遍歷法標準壓力控制的方法，利用對壓力控制器的改造，輸出系統(tǒng)設(shè)定的壓力值，完成測試。后序遍歷法的原理是首先遍歷左子樹，然后遍歷右子樹，最后訪問根結(jié)點。

具體方法如圖5所示：確定被檢表的規(guī)格型號→根據(jù)規(guī)格型號依據(jù)檢定規(guī)程列入所有的被檢點→去重（將所有檢定點中重復的去掉，如圖5中測試點3）→分左、右樹，從左到右為量程從低到高排列→按后序遍歷法標準壓力進行輸出，每個點間隔時間與持續(xù)時間調(diào)節(jié)至最佳，在保證效率的同時，保證壓力源持續(xù)穩(wěn)定的輸出→每個壓力表采集到的值與標準值進行比較，最終得到示值誤差。

圖5 后序遍歷法標準壓力控制

3.5 采用可擴展式系統(tǒng)架構(gòu)

整個技術(shù)路線可參考可擴展式系統(tǒng)架構(gòu)圖（見圖6），系統(tǒng)在設(shè)計上會預留可擴展的油壓與真空壓力源及相互獨立的管路。本文主要針對0～6 MPa的壓力表，這類壓力表占被檢表的95%以上，是本方案解決的重點。對于其他真空表以及6 MPa以上的壓力表，系統(tǒng)會預留擴展部件，后期工作就是完成擴容，包括壓力源與壓力模塊以及互相獨立的管路，使整個系統(tǒng)滿足氣、水、油介質(zhì)的-0.1 ～ 250 MPa壓力表的檢定。

4 結(jié)語

圖6 可擴展式系統(tǒng)架構(gòu)

隨著壓力表檢定量的增大，利用科學合理的方法，研制出高效的壓力表檢定裝置，帶來很高的社會效益。本文對壓力表全自動批量檢定裝置研制進行深入分析，針對現(xiàn)有裝置技術(shù)沒有解決的問題提供了較科學合理的方法，通過三點法圖像處理算法、基于單片機技術(shù)終端控制采集技術(shù)、系統(tǒng)泄漏處理機制、后序遍歷法標準壓力控制、可擴展式系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)路線，完成自動化壓力表批量檢定裝置設(shè)計。