基于MATLAB 的快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀的研究

錢(qián)國(guó)忠，卞清泉，郝俊杰

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210036）

0 引言

快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置對(duì)于化工、輕工紡織、建筑以及醫(yī)藥等眾多行業(yè)有巨大的貢獻(xiàn)，如消毒鍋、蒸氣釜、硫化罐、蒸煮罐等[1]，上述容器處于濕度高、溫差大、壓力低、腐蝕性強(qiáng)的運(yùn)行環(huán)境內(nèi)，任何不當(dāng)操作都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全責(zé)任事故。

中國(guó)對(duì)快開(kāi)門(mén)壓力容器的定期檢驗(yàn)是在設(shè)備停用狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，無(wú)法對(duì)安全聯(lián)鎖裝置進(jìn)行工作狀態(tài)下安全可靠性校驗(yàn)。因此，解決快開(kāi)門(mén)壓力容器定期檢驗(yàn)中對(duì)安全聯(lián)鎖裝置無(wú)有效檢查手段的問(wèn)題，研發(fā)快開(kāi)門(mén)式壓力容器安全聯(lián)鎖功能檢測(cè)設(shè)備并推廣應(yīng)用是改變我國(guó)快開(kāi)門(mén)式壓力容器和安全聯(lián)鎖裝置不夠規(guī)范、事故多發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)，也為落實(shí)檢驗(yàn)責(zé)任、保證快開(kāi)門(mén)設(shè)備安全運(yùn)行提供一項(xiàng)重要保障。

截至目前，對(duì)于開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀的研究，尤其是超聲波獲取并處理容器內(nèi)部圖像方面，主要研究有：陳柄舟[2]等構(gòu)建超聲波傳感器陣列的方式，研究表明：在近距離測(cè)量條件下，基于超聲波傳感器陣列的空間感知方法可獲得更佳的空間感知效果；崔喬[3]通過(guò)Matlab 對(duì)圖像進(jìn)行直方圖分布，發(fā)現(xiàn)可利用峰值尋找圖像閾值的方法和維納濾波法和中值濾波法都適合去除高斯白噪聲的結(jié)論；謝研等[4]依據(jù)超聲波相控陣檢測(cè)在不同的典型缺陷下所呈現(xiàn)出的圖像，提出一種基于灰度共生矩陣（GLCM）的灰色關(guān)聯(lián)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷識(shí)別方法。基于灰度圖像處理方法的研究相對(duì)完整，但未形成由灰度圖像處理轉(zhuǎn)化為壓力監(jiān)測(cè)的方法。由壓力容器和安全連鎖的灰度差值處理，設(shè)計(jì)快開(kāi)式壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀。

1 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀的工作原理

1.1 安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于引言所述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)的快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀和監(jiān)控柜如圖1 所示。圖中1為監(jiān)控柜柜體，2 為SB-168 氣泵，3 為Asmik SUPY810 型智能數(shù)字壓力表，4 為蜂鳴器，5 為顯示面板。主要功能模塊如圖2 所示，包括：數(shù)據(jù)接收模塊、圖像處理模塊、檢校檢測(cè)模塊、元件執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊和日程評(píng)價(jià)模塊，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的整體性信息進(jìn)行自動(dòng)化地采集、處理。

圖1 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀及監(jiān)控柜

圖2 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀功能模塊圖

圖3 為檢驗(yàn)儀面板圖。圖3（a）中所示為數(shù)據(jù)接收模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)采集按鈕接收壓力容器的內(nèi)外檢校狀態(tài)信息和安全聯(lián)鎖裝置的檢校狀態(tài)信息；其中壓力容器的內(nèi)外檢校狀態(tài)信息由振動(dòng)傳感器感應(yīng)的壓力容器外表面的振動(dòng)頻率值、超聲波感應(yīng)頭采集的壓力容器的內(nèi)部圖像信息、磁性發(fā)生頭發(fā)送并由磁性接收頭接收的壓力容器的磁通量值構(gòu)成，而安全聯(lián)鎖裝置的檢校狀態(tài)信息由壓力傳感器感應(yīng)的壓力容器內(nèi)的壓力差值和超聲波感應(yīng)頭采集的安全聯(lián)鎖裝置部件的內(nèi)部圖像信息構(gòu)成。

圖3 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀面板圖

通過(guò)圖3（a）數(shù)據(jù)校驗(yàn)按鈕，將壓力容器外表面的振動(dòng)頻率值、壓力容器的磁通量值和壓力容器內(nèi)的壓力差值發(fā)送給檢校檢測(cè)模塊。

如圖3（b）所示為圖像處理模塊顯示面板，用于實(shí)時(shí)獲取圖3（a）數(shù)據(jù)接收模塊內(nèi)的壓力容器的內(nèi)部圖像信息和安全聯(lián)鎖裝置部件的內(nèi)部圖像信息。然后將其分別轉(zhuǎn)化為壓力容器的圖像灰度數(shù)值和安全聯(lián)鎖裝置部件的圖像灰度數(shù)值，計(jì)算壓力容器的灰度總值和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度總值，進(jìn)而將其與預(yù)設(shè)灰度值進(jìn)行相減，從而分別得到壓力容器的灰度差值Pa= 569 和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度差值Pb= 456，將生成的壓力容器的灰度差值Pa和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度差值Pb發(fā)送到檢校檢測(cè)模塊。

1.2 檢測(cè)原理理論依據(jù)

校檢測(cè)模塊接收到壓力容器外表面的振動(dòng)頻率值、壓力容器的磁通量值、壓力容器內(nèi)的壓力差值、壓力容器的灰度差值Pa和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度差值Pb后，將壓力容器外表面的振動(dòng)頻率值、壓力容器的磁通量值、壓力容器內(nèi)的壓力差值分別標(biāo)定為Q、T和V，然后依據(jù)算式（1）得到容裝衰變檢修因子A。

其中e1、e2、e3、e4和e5為權(quán)重修正系數(shù)，權(quán)重修正系數(shù)使計(jì)算的結(jié)果更加的接近真實(shí)值，e5>e2>e4>e3>e1，e1+e2+e3+e4+e5≈17.36；進(jìn)而將生成的容裝衰變檢修因子A與預(yù)設(shè)閾值a進(jìn)行比較，閾值a設(shè)置為0.95，當(dāng)A≥a時(shí)，則產(chǎn)生衰變檢修信號(hào)，反之，則不產(chǎn)生衰變檢修信號(hào)，如圖3（b）所示。

如圖3（b）所示，元件執(zhí)行模塊，接收到衰變檢修信號(hào)立即編輯檢修修正文本，并將其發(fā)送到觸控顯示屏顯示。其中檢修修正文本為“壓力容器安全聯(lián)鎖裝置的部件使用達(dá)到極限，請(qǐng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢修和維護(hù)”。

2 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀如圖4 所示，包括環(huán)形支撐架和控制面板，控制面板安裝在環(huán)形支撐架的外端，而控制面板上安裝有啟動(dòng)按鈕、增壓按鈕、減壓按鈕和觸控顯示屏，增壓按鈕和減壓按鈕分設(shè)于啟動(dòng)按鈕的兩側(cè)，啟動(dòng)按鈕的正上方為觸控顯示屏，環(huán)形支撐架開(kāi)設(shè)有側(cè)開(kāi)口，環(huán)形支撐架內(nèi)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)自走檢效組件，兩個(gè)自走檢效組件之間為隙配合，自走檢效組件傳動(dòng)連接有檢測(cè)鎖定組件，檢測(cè)鎖定組件與環(huán)形支撐架的內(nèi)壁滑動(dòng)連接，檢測(cè)鎖定組件抵接有拖起旋定組件，且拖起旋定組件安裝于環(huán)形支撐架內(nèi)，側(cè)開(kāi)門(mén)設(shè)有拖起旋定組件的下方，側(cè)開(kāi)門(mén)的外側(cè)活動(dòng)抵接有剛性門(mén)桿，剛性門(mén)桿的一端與環(huán)形支撐架鉸接，剛性門(mén)桿的另一端與環(huán)形支撐架通過(guò)螺栓固定。

圖4 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀主視圖

2.1 自走檢效組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自走檢效組件包括弧形套殼、主動(dòng)輪組、隨動(dòng)輪組、超聲波感應(yīng)頭、磁性發(fā)生頭、磁性接收頭和表面清感組件，主動(dòng)輪組、隨動(dòng)輪組、超聲波感應(yīng)頭、磁性發(fā)生頭、磁性接收頭和表面清感組件均安裝于弧形套殼內(nèi)側(cè)，隨動(dòng)輪組對(duì)稱(chēng)設(shè)于主動(dòng)輪組的兩側(cè)，磁性發(fā)生頭和磁性接收頭對(duì)稱(chēng)設(shè)置，同時(shí)，磁性發(fā)生頭和磁性接收頭分別安裝于兩個(gè)弧形套殼上，而主動(dòng)輪組、隨動(dòng)輪組、超聲波感應(yīng)頭、磁性發(fā)生頭和磁性接收頭設(shè)于同一水平面上，表面清感組件設(shè)于主動(dòng)輪組的正下方，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 圖1 的A-A 處的剖面圖

2.2 表面清感組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表面清感組件包括感應(yīng)缸套、振動(dòng)傳感器、感應(yīng)彈性塊、感應(yīng)滑桿、感應(yīng)滑塊、支撐彈簧、弧形殼桿和清潔弧套，感應(yīng)缸套對(duì)稱(chēng)設(shè)置，感應(yīng)缸套的一端固定設(shè)于弧形套殼內(nèi)，所述振動(dòng)傳感器、感應(yīng)彈性塊和感應(yīng)滑塊依次設(shè)置并抵接于感應(yīng)缸套內(nèi)，感應(yīng)滑塊的外端與感應(yīng)缸套的內(nèi)壁滑動(dòng)連接，感應(yīng)滑塊遠(yuǎn)離感應(yīng)彈性塊的一端與感應(yīng)滑桿固定連接，感應(yīng)滑桿遠(yuǎn)離感應(yīng)滑塊的一端滑動(dòng)貫穿感應(yīng)缸套的內(nèi)壁延伸到其外部并與弧形殼桿固定連接，支撐彈簧套接于感應(yīng)滑桿的外端，支撐彈簧套的兩端分別抵接于弧形殼桿的外端和感應(yīng)缸套的端面。

3 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀Matlab建模及預(yù)設(shè)灰度值獲取

3.1 圖像處理模塊Matlab 建模

目前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，超聲波相控陣技術(shù)作為一種較為新型的定量檢測(cè)技術(shù)，其主要檢測(cè)焊接構(gòu)件的缺陷檢測(cè)。然而在提取和評(píng)價(jià)其他缺陷類(lèi)型的紋理特征方面仍存在難點(diǎn)。此外，對(duì)于超聲波相控陣技術(shù)掃描圖像而言，首先需從圖像紋理特征中提取所需的關(guān)鍵信息，然后識(shí)別其類(lèi)型。由于然而壓力容器及其安全聯(lián)鎖裝置的內(nèi)部被識(shí)別的圖像特征屬于關(guān)系不明顯的信息系統(tǒng)，故其圖像紋理特征的定性分析判斷相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較困難的。不過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法為本文的定量分析提供了一種新方案，該方案是：以參考缺陷和未知缺陷的差異程度作為基準(zhǔn)，即本文第一章所述的壓力容器的灰度總值和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度總值與對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)灰度值的差值，故本文將灰度值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)引入到壓力容器安全聯(lián)鎖裝置檢測(cè)的校驗(yàn)中。

3.2 超聲回波信號(hào)建模

在寬帶窄脈沖信號(hào)超聲檢測(cè)中，根據(jù)超聲回波的物理特性，超聲換能器的脈沖響應(yīng)可以模擬成高斯信號(hào)：

其中θ= [α，τ，fc，φ，β]，α為帶寬；τ為到達(dá)時(shí)間，fc為中心頻率；φ為相位；β為幅度系數(shù)。

單回波模型做加性白噪聲（WCG）得：

其中v（t）：加性白噪聲。圖6（a）為仿真超聲回波信號(hào)，此處以以下數(shù)據(jù)示意：β= 0.8，α= 25MHz，fc=5 MHz，τ= 3.5 μs，φ= 1.8 rad。如圖6（b）所示為Matlab 中所運(yùn)行的代碼，可使用Matlab/Simulink 中的M 函數(shù)功能Matlab Fiction 調(diào)用。

圖6 仿真超聲回波信號(hào)及代碼

3.3 超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)處理

由上節(jié)所得超聲信號(hào)經(jīng)正交解調(diào)（Demodulation）處理流程最終得到I/Q 信號(hào)，I/Q 信號(hào)是本文需要用來(lái)計(jì)算位移估算組織位移進(jìn)而估算相對(duì)楊氏模量的信號(hào)。其基本處理流程如下，經(jīng)正弦和余弦處理將原始頻率分解，其目的是：將每一線的數(shù)據(jù)在其頻域中找到中心頻率，然后將中心頻率移到零頻附近，對(duì)移頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，可以得到濾波之后的數(shù)據(jù)。移頻的過(guò)程是：在時(shí)域中，將信號(hào)的實(shí)部乘以，虛部乘以，其中，n是頻域中中心頻率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)數(shù)，N是一線數(shù)據(jù)一共的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。所以，頻域內(nèi)的操作，可以直接在時(shí)域中通過(guò)對(duì)實(shí)部和虛部直接進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)。需要計(jì)算的是從數(shù)據(jù)的頻域中找到N，方法：由于數(shù)據(jù)在頻域中心對(duì)稱(chēng)，所以只需要找到頻域數(shù)據(jù)從[1，n/2]個(gè)數(shù)據(jù)中最大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)數(shù)，即是N。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻移之后，則有價(jià)值的數(shù)據(jù)被移至低頻段，本文在關(guān)于壓力容器和安全聯(lián)鎖裝置內(nèi)部圖像，整體灰度變化較為均勻，可進(jìn)行低通濾波處理。可通過(guò)如下兩個(gè)函數(shù)：fir = fir1（n，ωn），其中n為濾波器的階數(shù)，ωn為截止頻率。

存在壓力容器及其安全聯(lián)鎖裝置的超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)問(wèn)題是：經(jīng)正交解調(diào)和低通濾波處理之后，其數(shù)據(jù)量仍然非常大，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取采樣且保證數(shù)據(jù)采樣頻率大于頻域中中心頻率的兩倍，以避免數(shù)據(jù)頻譜上文間隔距離過(guò)大而導(dǎo)致的混疊。因此，選取采樣因子中需注意的是：在采樣數(shù)據(jù)濾波進(jìn)程中，采樣頻率與采樣因子的比值應(yīng)遠(yuǎn)大于濾波器設(shè)計(jì)的截止頻率ωn。

3.4 超聲回波圖像的灰度處理及預(yù)設(shè)灰度值的獲取

在對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理之前，首先應(yīng)確定預(yù)設(shè)灰度值，由于壓力容器和安全聯(lián)鎖裝置內(nèi)部圖像與背景面積相差較大，預(yù)設(shè)灰度值應(yīng)選用灰度值的中間值。如圖7（a）所示為壓力容器內(nèi)部的灰度圖像直方圖，圖7（b）是由圖5（a）經(jīng)直方圖均衡化函數(shù)adapthisteq處理后得到的圖，目的將誘導(dǎo)邊界消除，因此可以得到其預(yù)設(shè)灰度值為881。

圖7 灰度圖像直方圖

通過(guò)imadjust 函數(shù)調(diào)整灰度范圍，其中，可通過(guò)參數(shù)gamma 調(diào)整圖像亮度，若gamma<1，加強(qiáng)亮色值輸出；gamma>1，加強(qiáng)暗色值輸出。

根據(jù)超聲回波得到的壓力容器的灰度總值和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度總值，與上文所述的預(yù)設(shè)灰度值進(jìn)行相減，可以得到得到壓力容器的灰度差值Pa和安全聯(lián)鎖裝置部件的灰度差值Pb，進(jìn)而可以判斷壓力容器和安全聯(lián)鎖裝置是否需要檢修。

4 快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試

安全聯(lián)鎖裝置影響快開(kāi)門(mén)蓋開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)（放開(kāi)）的壓力為常壓。但壓力容器內(nèi)降壓到常壓是一個(gè)無(wú)限趨近的過(guò)程，安全聯(lián)鎖裝置的回復(fù)壓力應(yīng)該非常接近常壓，但不可能為常壓，這就是所謂的聯(lián)鎮(zhèn)裝置精度，因此，試驗(yàn)設(shè)備必須用微壓測(cè)試的方法，模擬壓力容器準(zhǔn)備升壓或內(nèi)部壓力完全釋放的狀態(tài)，這樣才能夠在冷態(tài)條件下檢測(cè)快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置工作狀態(tài)下（熱態(tài)）的聯(lián)鎖動(dòng)作的準(zhǔn)確性和安全可靠性。

通過(guò)如下兩種方法進(jìn)行測(cè)試：

（1）利用手動(dòng)氣囊或微型氣泵向校驗(yàn)儀供氣，觀察高精度微壓表，當(dāng)壓力升至5 kPa 以上時(shí)，檢查安全聯(lián)鎖裝置的電控柜是否“釜內(nèi)無(wú)壓”指示燈滅，“釜內(nèi)有壓”指示燈亮。

（2）操作“開(kāi)門(mén)操作”按鈕，檢查開(kāi)門(mén)控制線路是否斷電自鎖；利用排氣閥緩慢排氣，當(dāng)校驗(yàn)儀內(nèi)壓力降至3 kPa 以下時(shí)，觀察安全聯(lián)鎖裝置的電控柜是否“釜內(nèi)有壓”指示燈滅，“釜內(nèi)無(wú)壓”指示燈亮。操作“開(kāi)門(mén)操作”按鈕，檢查開(kāi)門(mén)控制線路是否通電解鎖。

首先打開(kāi)聯(lián)機(jī)開(kāi)關(guān)，利用微型氣泵向校驗(yàn)儀供氣，觀察高精度微壓表，如圖8 所示，當(dāng)壓力升至5 kPa 以上時(shí)，檢查安全聯(lián)鎖裝置的電控柜是否“釜內(nèi)無(wú)壓”指示燈滅，“釜內(nèi)有壓”指示燈亮。操作“開(kāi)門(mén)操作”按鈕，檢查開(kāi)門(mén)控制線路是否斷電自鎖，此時(shí)容器監(jiān)控柜面板顯示為5.1 kPa，顯示有壓，禁止開(kāi)門(mén)。

圖8 充壓自鎖測(cè)試

如圖9 所示，緩慢調(diào)節(jié)泄壓閥，將壓力降到表壓力顯示2.964 kPa 時(shí)，電控柜面板顯示為2.9 kPa，等待數(shù)秒后，面板顯示無(wú)壓，允許開(kāi)門(mén)。再次調(diào)節(jié)壓力到5 kPa 以上時(shí)控制柜面板顯示有壓。檢測(cè)結(jié)果顯示，安全聯(lián)鎖裝置有效。故并未發(fā)送檢修文本。

圖9 泄壓開(kāi)門(mén)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)表明本裝置實(shí)現(xiàn)了快開(kāi)門(mén)式壓力容器安全聯(lián)鎖裝置在微壓下產(chǎn)生鎖緊或放開(kāi)動(dòng)作時(shí)的壓力值測(cè)量，從根本上改變了當(dāng)前快開(kāi)門(mén)式壓力容器聯(lián)鎖裝置沒(méi)有準(zhǔn)確、便捷的測(cè)試工具的局面，進(jìn)一步提高了快開(kāi)門(mén)式壓力容器安全使用的可靠度。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀所存在的問(wèn)題，對(duì)安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了其工作原理與以及理論支撐。使用Labview 軟件對(duì)前面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)Labview 調(diào)用matlab script 進(jìn)行圖像灰度值處理，且本文將檢修因子A 以及灰度值等概念，引入了壓力容器和安全聯(lián)鎖裝置的定量分析，給出一種對(duì)快開(kāi)門(mén)壓力容器安全聯(lián)鎖裝置仿真的方法，對(duì)以后的安全聯(lián)鎖裝置校驗(yàn)儀有一定的借鑒作用，且通過(guò)測(cè)試分析確定本文所述檢測(cè)儀的可靠度。