國內外指針式壓力表智能計量檢定技術

門平,畢俊杰,古兆兵,田桂東,衛恒,吳玲媛

(1.中國人民解放軍92601部隊,廣東 湛江524009;2.中國人民解放軍91515部隊,海南 三亞572016;3.軍事科學院系統工程研究院,北京100039;4.河南科技學院,河南 新鄉453003;5.中國人民解放軍32021部隊,北京100094)

0 引言

指針式壓力表作為壓力測量裝置,因結構簡單、可靠性高、不受電磁干擾、價格低廉等優點,廣泛應用于航空、航天、能源、特種設備、交通運輸等工業領域的輸送管道和壓力容器中[1-2]。為確保科研和生產體系的壓力計量單位統一和量值準確可靠,依據國家強制檢定目錄,需周期檢定的壓力表包括貿易結算、安全防護、醫療衛生、環境監測四個方面4種11類,檢定依據為壓力表計量檢定規程[3]。

納入強制檢定的指針式壓力表數量龐大,種類繁多,目前主要通過手動加壓裝置進行造壓,再由人眼讀取壓力表示值,檢定一塊壓力表平均用時約為10 min,長時間高強度的人工檢定容易造成視覺疲勞,人工估讀數據出錯的幾率增大,且人工成本巨大;再者,估讀數據時,受到人眼分辨力、觀測距離、觀測角度以及檢定人員心理狀態等因素的影響,造成測量結果的分散性[3-5]。

隨著機器視覺(Machine Vision,MV)[6]和人工智能技術(Artificial Intelligence,AI)[7]的發展,基于計量檢定工作的可靠性和經濟性兩方面因素考慮,將機器視覺技術和人工智能技術引入壓力表計量領域,同時兼顧節約成本、提高效率以及保證數值估讀的準確性。傳統壓力計量以實現單一壓力量值的壓力表為測量對象,聚焦國際制單位復現、量值傳遞和量值溯源的技術研究[8];而指針式壓力表智能檢定從實現單一參量計量檢定轉變為壓力表自動精確控壓、壓力數據自動判讀、存儲、自動生成檢定文件、完成在線網上會簽等全流程的量值傳遞和量值溯源技術研究,最大限度降低人為因素的影響,減小測量不確定度。因此最大限度實現指針式壓力表智能檢定是解決壓力表日益增長的計量需求的關鍵,其目標是滿足智能化、高效化、低成本壓力計量檢定需求。

1 智能檢定系統構成

指針式壓力表智能計量檢定系統主要包括指針式壓力表檢定平臺、自動壓力產生及控制系統、機器視覺圖像識別系統以及數據管理軟件系統,指針式壓力表智能計量檢定系統框圖如圖1所示[2,9-10]。

圖1 指針式壓力表智能檢定系統Fig.1 Intelligent verification system of pointer pressure gauge

壓力表檢定平臺由計算機操控系統和實施計量檢定工裝平臺組成,其中檢定工裝平臺包括檢測支架、數字壓力傳感器、壓力控制截止閥、電磁敲擊機構和攝像頭移動導軌等。自動壓力產生及控制系統包括預施壓裝置、升降壓裝置、過欠壓保護裝置、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、輸入輸出模塊、電源模塊、步進電機或電磁閥機構等部分,控制系統框圖如圖2所示。機器視覺識別系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成,硬件系統包括鏡頭、光源和工業攝像(接收系統),軟件系統包括圖像識別系統和核心計算法,即壓力表指針自動判讀系統,其中光源采用圓頂式光源(DOME光源)[11],此光源適用于玻璃面反射光較強的指針式壓力表,攝像頭采集到的圖像清晰且沒有陰影。機器視覺識別系統以工業相機為測量傳感器,經過圖像采集、圖像處理、數據生成、數據計算等步驟實現對壓力表指針位置的幾何測量。數據管理軟件系統包括壓力表數據采集系統、數據處理系統、檢定文件生成系統和存儲數據查詢系統等。

圖2 壓力控制系統框圖Fig.2 Schematic diagram of pressure control system

機器視覺識別系統的特點:采用非接觸式測量方式,提高了響應速度,適合在線檢測;具有長時間穩定、可靠地重復工作的性能,適用于流水線作業;適合在安全風險高、人機工程惡劣和環境差的區域工作。機器視覺檢測系統常用于內孔徑、端面尺寸、寬度、直徑、長度等物理量精確的測量,并與生產線上PLC控制系統聯接,以實現自動檢測、測量、識別和定位功能。以上諸多優點使機器視覺識別技術適用于指針式壓力表智能檢定系統。

2 壓力表智能檢定國外現狀

從全世界范圍來講,開展計量服務最早、最發達的計量研究機構分別來自德國、美國和英國,其開展的計量理論和技術研究、應用實踐活動以及計量思想在全球范圍內具有引領和驅動作用[8]。

發達國家計量理念深入人心,無論是基礎研究領域還是工程應用領域都深刻理解計量的重要作用,科技企業會主動聯系國家計量技術機構尋求合作,以實現產品的質量控制和更新換代[8]。早在1847年,英國Sydney Smith利用一端加載的閥門實現壓力表的標定,直到上世紀七十年代前壓力儀表檢定一直處于手動操作階段[12]。隨著計算機、機器視覺等技術的發展,壓力表檢定進入自動化時代,其發展主要表現在:一是適合現場檢定的便攜式壓力檢定儀;二是在實驗室開展的帶有計算機輔助系統的智能壓力檢定裝置。英國Transmation于1994年成功研制1292型自動壓力檢定儀,這是第一臺自動控壓、并對檢定數據進行記錄的便攜式壓力檢定裝置,實現了從標準壓力自動產生到檢定結果自動記錄的全自動檢定,造壓誤差為0.05%,存在的不足是壓力上限僅為700 kPa,檢定壓力范圍小[1];德國Mahr公司采用CCD相機進行圖像采集,利用數字圖像處理獲取指針位置等參數,實現指針儀表的自動檢定,不足是該儀器價格昂貴,維修不便,用戶普及率低[4,13];美國GE公司開發的Druck PACE7000壓力源及全數字模塊化壓力控制器,廣泛應用于自動化壓力校準裝置,如圖3所示,壓力上限高達21 MPa,壓力控制誤差為0.005%,可以進行負壓校準,并能進行觸屏網絡控制[2]。英國劍橋大學Baker等人對流量計自動化檢定裝置進行了深入的研究,并給出了詳盡的設計案例,同步實現水壓、氣壓和流體溫度的多參量精確計量[14]。

圖3 全自動壓力校準系統Fig.3 Automatic pressure calibration system

從儀器開發角度闡述了國外壓力表智能檢定的發展現狀,可以看出,壓力表檢定逐漸由自動化向智能化、網絡化方向擴展,由單一參數計量向多參數計量方向發展,這符合美國等發達國家的計量發展理念,即為商業和政府提供世界領導地位的關鍵測量解決方案,聚焦于研發和創新,與工業界和科學界同仁一起激發創新,確保和提升測量科學的準確可靠,提高生活質量和促進貿易。

3 壓力表智能檢定國內現狀

從時間角度來講,國內關于指針式壓力表自動檢定系統的研究與國外處于同一時期[15-16],哈爾濱工業大學李鐵橋教授在上世紀九十年代就研究了基于圖像處理技術的指針式壓力表自動判讀系統,并研制出相應的全自動檢定系統,實現了測量范圍為0~16 MPa、0.4級以下指針式壓力表的自動檢定,改善了國內壓力表檢定的落后狀況;華北電力大學岳國義等人研究了基于計算機視覺技術及程控標準信號源的智能指針式儀表識別系統,并提出新的距離判別方法,實驗表明新的識別方法更具合理性,識別精度優于人工識別[17];中國石油大學張偉、劉復玉針對海量數據庫系統設計問題,設計出快速高效的Oracle數據庫管理系統和Web網頁數據查詢系統,并將其應用于油田壓力表批量智能檢定中,實現了批量壓力表檢定海量數據快速查詢、管理和展示,主要功能需求框圖如圖4所示[9];沈陽工業大學連兆杰研制出基于機器視覺技術的指針式壓力表檢定系統,通過邊緣提取技術將表盤從壓力表圖像中提取出來。根據表盤尺寸和圖像采集距離選擇定焦鏡頭,確保最大直徑壓力表被檢視場范圍完整清晰。通過Microsoft Visual Studio 2010調用Microsoft Word 2007數據庫,將word檢定文檔按國家標準自動寫入檢定記錄中,提高了工作效率,各模塊軟件設計流程圖如圖5所示。根據上述工作,實現了精度為0.4級準確壓力表的檢定,可以實現不同直徑指針式壓力表快速準確檢定,且適用多變復雜工作環境[4];北京康斯特儀表科技股份有限公司先后推出了ConST811現場全自動壓力校驗儀、ConST811A智能全自動壓力校驗儀、ConST810手持全自動壓力校驗儀,實現了真空至7 MPa范圍自動控壓壓力計量檢定,準確度等級最高可達0.01級,并可實現現場檢定,不足之處是需要人工讀取被檢表數值;在智能壓力控制器方面,先 后 推 出ConST820,ConST821,ConST822,ConST836智能壓力控制器,控壓范圍為-0.09~60 MPa,準確度等級最高可達0.01級[18]。上述產品極大提升了我國壓力計量自動化、智能化水平,實現了關鍵技術自主可控。

圖4 壓力表檢定數據功能需求框圖Fig.4 Functional requirements block diagram of pressure gauge verification data

圖5 軟件設計流程圖Fig.5 Software design flow chart

綜上所述,可以看出國內在指針式壓力表智能檢定諸多方面取得了長足的進步,但是研究工作還主要集中在以基礎研究為主體的高校內,且研究成果沒有進行大規模普及或者只停留在某個行業。與國外相比,國內研究的檢定系統僅僅針對壓力一個參數進行計量,而國外已經實現了包括壓力在內的多參數同步計量,且國內研究對象僅限于某一準確度等級范圍以內的壓力表,沒有實現壓力表現有等級的全覆蓋。因此為了更好地促進指針式壓力表智能檢定技術的研究、發展和推廣應用,高校應該主動與科技企業聯系,發揮高校科研方面和企業生產工藝的長處,大力推動產學研用融合,實現智能壓力計量對國家經濟發展的支撐和保障作用;同時隨著柔性壓力傳感器的持續深入研究[19],壓力智能在線、在役監測成為可能,與溫度及其他傳感器組成智能監測網絡系統,實現在役裝備壓力、溫度等多參數實時監測、計量與評估。

4 壓力表智能計量系統基本架構

壓力表智能計量檢定或校準是壓力參數計量的發展趨勢之一,圖6為壓力表智能計量系統基本架構,它建立在自動控制、機器視覺檢測、物聯網等技術發展基礎之上,并隨著現代測量技術的發展而不斷進步和完善。可以看出,壓力表智能計量系統基本架構可分為3個基本層級,從第2層級開始,每個層級一般包含硬件系統和軟件系統。以數據管理調用系統為例,硬件系統包括工控機和數字終端,軟件系統包括壓力表檢定系統、網頁數據管理系統和用戶查詢及反饋系統。壓力表檢定系統涵蓋壓力表檢定人機交互界面、被檢表信息錄入以及測量標準信息更新等功能。網頁數據管理系統可以實現海量檢定數據的存儲、原始記錄及證書的生成、網絡會簽、技術文件打印等功能。用戶查詢及反饋系統可以實現用戶實時查詢被檢表所處的計量狀態、電子證書下載、技術問題反饋以及到期溯源提醒等功能。隨著壓力智能計量系統的研究和推廣應用,相應的檢定規程也需要適時修訂和更新。

圖6 壓力表智能計量系統架構Fig.6 Framework of pressure gauge intelligent metrology system

5 壓力表智能檢定發展趨勢和挑戰

隨著自動測量技術的發展,指針式壓力表智能檢定技術會日趨完善,將廣泛應用于壓力表計量領域,能夠極大減輕計量檢定人員的勞動強度,還能從技術層面減小人為讀數引入的不確定度分量。本文給出了指針式壓力表智能檢定系統的構成,綜述了國內外研究現狀,在此基礎上,給出了壓力表智能計量系統的基本架構。但是,隨著工業的不斷發展和對壓力計量的現實需求,壓力表智能計量檢定技術由技術研究到工程應用仍面臨諸多機遇和挑戰。

1)從量值傳遞角度,我國已建立以國家計量院為核心的法定計量體系,具備科學計量、法制計量和工程計量能力。根據檢定規程,指針式精密壓力表讀數按最小刻度的十分之一來估讀,這已經是人眼讀數的極限,如果采用基于機器視覺精密檢測技術的壓力表智能檢定系統,可以進一步提高讀數的準確度,使壓力量值傳遞真實、可靠,這符合技術計量完整精度的發展趨勢。

2)隨著工業物聯網、人工智能和云計算技術的發展,應充分利用我國在人工智能數據積累、項目應用以及功能集成三方面的優勢,通過大量測量數據的積累,挖掘影響測量的各種誤差來源,并實時進行反饋,找出影響規律與消減方法,構建數學預測模型,形成軟件,不斷評估對測量的改善效果。將這些技術引入壓力表智能計量,會極大提高工作效率,通過對海量計量數據的挖掘與分析,連續跟蹤批量指針式壓力表的使用壽命,并通過人工智能算法對其壽命進行預測,合理給出指針式壓力表的檢定周期,為后續測量標準的修訂提供堅實的實驗基礎。

3)隨著深海、深空探測、遠洋航行技術的不斷拓展,如何保證設備的安全、可靠運行,這些離不開精確測量,同時為指針式壓力表智能計量技術的應用提供更加廣闊的應用范圍。由于被檢表所處的特殊環境,應在本文提出的壓力表智能計量系統架構基礎上,進一步發展非侵入式壓力計量技術和虛擬計量技術,解決壓力表在線、在役計量或校準難題。

4)2018年世界計量大會決定國際單位制7個基本單位采用物理常數重新定義,理論上,只要滿足定義條件,基本量值就可以隨時隨地復現出來,省去了標準量值傳遞的中間環節使量值傳遞體系扁平化。為了實現最值傳遞的扁平化,需要精密或超精密測量設備,這就為壓力智能計量提供了用武之地,推進包括壓力在內的計量參數數字化、智能化計量進程,是智能制造“完整精度”實現的重要支撐,這將有力推動高效的國家計量體系和國家工業測量體系的建立。