自動傾點測定器的研究

(中科院研究生院軟件學院1，北京 100190；上海理工大學機械工程學院2，上海 200093；上海工業大學機械系3，上海 200001)

0 引言

油品在規定條件下冷卻時能夠流動的最低溫度稱為傾點[1]，傾點偏高，油品的低溫流動性就差。人們可以根據油品傾點的高低，考慮在低溫條件下運輸、儲存和收發時應該采取的措施，也可以用來評估某些油品的低溫使用性能[2]。傾點的測定原理：試樣經預處理后，在規定速度下冷卻，每間隔1 ℃或3 ℃檢查一次試樣的流動性，記錄觀察到試樣能流動的最低溫度作為傾點[3-4]。

用手動儀器測定傾點時，需要不斷將試樣從低溫浴中拿出傾斜，并用肉眼觀測油品的流動情況，判斷是否達到傾點[5-6]。若遇到傾點值較低的油樣，試驗時間很長，且試樣管表面迅速結霜還會影響操作員觀察。試驗結果受主觀因素影響較大，所以研究自動傾點測定儀器很有必要。

1 儀器設計方案

1.1 機械部分

儀器為落地式，分成上下兩個模塊，重疊在一起。下面放置兩臺壓縮機、冷凝器、中冷模塊、各類電源、控制板卡、主機和電機驅動器等；上面放置米思米導軌、旋轉機構、工業相機、Pt100傳感器和金屬浴等。底座帶四個滾輪和鎖緊裝置，滾輪用于移動整個儀器，鎖緊裝置可以減小儀器的抖動(壓縮機產生的振動所致)。

1.2 電氣部分

電氣部分如圖1所示。因為存在壓縮機等感性負載，對儀器的抗擾度有所要求，設計電路時需要考慮。

圖1 電氣控制圖

各個部分功能簡要說明如下。

① 工業相機：帶鏡頭和光源，能夠拍攝出清晰的圖片。

② 平板電腦：觸摸屏；主機體積小，便于裝配和固定；配置上能快速處理圖像。

③ 兩路Pt100：一路檢測金屬浴的溫度，一路檢測試樣的溫度，當試樣的溫度到達標準規定的溫度點時，金屬浴自動進入下一個要控制的溫度點。

④ 加熱管：用于給金屬浴加熱，由于壓縮機是不進行控制的，上電一直啟動給金屬浴制冷，所以通過控制加熱來達到標準規定的15.0 ℃、+0.0 ℃、-18 ℃、-33.0 ℃、-51.0 ℃、-69.0 ℃幾個控溫點。

⑤ 旋轉和升降步進電機：升降電機用于將試樣管從金屬浴取出和放入，旋轉電機則帶動試樣管旋轉一定的角度，便于圖像識別油樣是否流動。

⑥ 限位開關：用于在系統上電啟動時，保證旋轉機構能夠回到垂直位置，使儀器每次都能將試樣管準確地放回到浴中。

2 金屬浴的設計

傳統的傾點測試采用的是酒精浴[7]，酒精浴內放置金屬套筒，金屬套筒和測試玻璃管之間采用空氣隔離方式，所以油品的降溫速度非常慢。一個低于-51 ℃的傾點的試樣試驗時間需3 h以上，效率較低。為了快速將浴冷卻到所需要的溫度，本儀器采用直冷技術，重新設計了如圖2所示的金屬浴。圓柱形螺旋狀冷凝管與金屬浴圓柱面直接接觸并形成配合。浴加工成圓弧狀，以保證熱傳導效率良好。浴周圍均勻放置六根加熱棒，總功率400 W，可以控制其輸出功率的大小，來滿足標準規定的油溫呈梯度下降。

圖2 金屬浴

試驗表明，該冷浴的效果相當不錯，降溫速度快，可以在2 min內降溫20 ℃，制冷深度低，在本地冬天環境溫度下可達到-87 ℃；也可以在10 min之內，使浴溫升高到60 ℃。

3 圖像識別分析

按照ASTM D6892標準，使用一臺安裝在測試裝置頂部的照相系統來檢測試樣的表面是否流動并且記錄試樣的溫度[8]。實現步驟如下。

① 將試管升起，在垂直位置拍攝一張照片作為基準。

② 傾斜一個角度，拍攝第二張照片作為比較，假設第二張照片上液面發生了移動現象，那么判定傾點沒有達到，試管重新放入浴中繼續試驗。

③ 繼續傾斜，并連續拍照以檢驗液面是否有移動現象。如果液面移動，繼續試驗。

④ 一直轉動到試管處于水平位置，停留5 s，假設沒有發生移動現象，那么認為非流動點已到，同時也得到了傾點。

整個圖像處理采用直方圖比較[9-10]的方法，具體的實現過程主要包括以下5個步驟。

① 視頻預覽：調用相機供應商所提供函數庫進行開發。首先設置顯示參數和窗口：調用 MV_SetDisplayWindow設置主窗體為顯示視頻的窗口，調用 MV_SetDisplayPos設置視頻在窗口中顯示的位置，調用 MV_SetDisplaySize 設置視頻在窗口中顯示的大小，并傳入視頻縮放參數。然后啟動預覽：調用 MV_StartPreview啟動預覽，停止則用 MV_StopPreview。最后響應WM_PAINT 函數，在窗口重繪函數中調用 MV_Repaint進行畫面更新。

② 采集圖像：調用MV_SnapImageData進行圖像采集，并將其存入緩沖區。

③ 去除無關圖像：主要用到兩個PictureBox和3個Slider控件，一個PictureBox的大小為320×240(視頻顯示的窗口大小)，背景色設置為黑色；另一個PictureBox則調用其Circle函數畫圓(直徑參考做試驗用的試管內徑)，背景色設置為白色。3個Slider控件分別用于調整白色圓的水平距離、垂直距離和半徑大小。所有參數都設置好以后，將其保存成圖片的格式以備后用。黑白參照圖如圖3所示。白色圓內即為油樣區域，黑色長方形以內圓以外的區域則為干擾區域，應去除。

圖3 黑白參照圖

④ 設定閾值：當試驗進行到一定條件時，取連續的兩幅圖片進行直方圖計算后，得到相應的差值，即閾值。軟件設定閾值的范圍為20～800。將多次試驗值與標樣的傾點值進行比較，確定閾值的大小為600。每臺儀器相機本身的誤差和裝配過程中的一些不確定因素可能會導致閾值的范圍和最終確定的閾值不一樣，可通過多次調試來解決。

⑤ 分析比較圖像：在主窗體中放入4個PictureBox，其名稱分別為picMaskVideo、picCopyVideo、picBaseVideo和picCompareVideo，四者的大小都一樣，Visible屬性都設為False。picMaskVideo用于加載第三步保存的圖片，并建立緩沖數組分別計算其RGB像素值，取值為白色所對應的數組用于分析油的流動性，黑色的則不進行比較。picCopyVideo在定時器的作用下不停地將視頻采集的圖像數據進行復制；當油樣的溫度達到一定的值，試管升起并旋轉時，picBaseVideo和picCompareVideo分別取picCopyVideo中的連續兩幅圖進行值的比較，取二者差值。當差值小于閾值時，試管回到浴中，等待進行第二次比較；當差值大于閾值，則試樣的傾點值到達，試驗停止。

4 軟件設計

上位機軟件，采用VB語言，標準的Windows操作界面負責界面顯示、圖像識別、數據記錄和打印等模塊。上位機軟件整體構架如圖4所示。

圖4 軟件整體構架圖

各個窗體和模塊的簡要說明如下。

窗體方面：frmMethod用于設定溫度間隔、冷浴溫度和預傾點等內容；frmInfoInput用于做試驗前需輸入的一些基本信息，如試驗員名稱、油樣名稱和公司信息等；frmRecord用于查看每次試驗的結果，結果都以xml的格式保存；frmSet用于選擇輸入法所在文件位置，調整圖像的水平中心、垂直中心、半徑和圖像之間的差異值；frmRobotInfo用于顯示米思米升降機構的電壓，電流、溫度和行程等狀態；frmDiagnosis用于查看機箱溫度、試樣溫度、冷浴溫度和工業相機轉動的角度，以及調整旋轉電機到各個位置。

模塊方面：basMVCAM為圖像處理要調用的一些函數；basModbus用于上位機與下位機通信時采用的Modbus協議的處理；basRobotCtrl用于控制米思米升降機構運動的實現；basSerial為兩個串口配置的實現，一個與米思米通信，另一個與單片機控制板通信；basPrintDoc用于打印試驗結果；basIniFile為ini配置文件的實現。

5 結束語

自動傾點測定器是集圖像處理、自動控制、傳感器測控和通信系統等多項技術領域的綜合系統。儀器具備全自動試驗判斷、實時視頻顯示、試驗結果查詢/打印和溫度校正等功能，為操作人員提供了一個精確、便捷的試驗平臺。經過多次測試不同油樣表明，儀器的重復性和再現性均符合標準，能很好地替代手動傾點儀器。

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