自动倾点测定器的研究

2014-04-03

自动化仪表 2014年7期

(中科院研究生院软件学院1，北京 100190；上海理工大学机械工程学院2，上海 200093；上海工业大学机械系3，上海 200001)

0 引言

油品在规定条件下冷却时能够流动的最低温度称为倾点[1]，倾点偏高，油品的低温流动性就差。人们可以根据油品倾点的高低，考虑在低温条件下运输、储存和收发时应该采取的措施，也可以用来评估某些油品的低温使用性能[2]。倾点的测定原理：试样经预处理后，在规定速度下冷却，每间隔1 ℃或3 ℃检查一次试样的流动性，记录观察到试样能流动的最低温度作为倾点[3-4]。

用手动仪器测定倾点时，需要不断将试样从低温浴中拿出倾斜，并用肉眼观测油品的流动情况，判断是否达到倾点[5-6]。若遇到倾点值较低的油样，试验时间很长，且试样管表面迅速结霜还会影响操作员观察。试验结果受主观因素影响较大，所以研究自动倾点测定仪器很有必要。

1 仪器设计方案

1.1 机械部分

仪器为落地式，分成上下两个模块，重叠在一起。下面放置两台压缩机、冷凝器、中冷模块、各类电源、控制板卡、主机和电机驱动器等；上面放置米思米导轨、旋转机构、工业相机、Pt100传感器和金属浴等。底座带四个滚轮和锁紧装置，滚轮用于移动整个仪器，锁紧装置可以减小仪器的抖动(压缩机产生的振动所致)。

1.2 电气部分

电气部分如图1所示。因为存在压缩机等感性负载，对仪器的抗扰度有所要求，设计电路时需要考虑。

图1 电气控制图

各个部分功能简要说明如下。

① 工业相机：带镜头和光源，能够拍摄出清晰的图片。

② 平板电脑：触摸屏；主机体积小，便于装配和固定；配置上能快速处理图像。

③ 两路Pt100：一路检测金属浴的温度，一路检测试样的温度，当试样的温度到达标准规定的温度点时，金属浴自动进入下一个要控制的温度点。

④ 加热管：用于给金属浴加热，由于压缩机是不进行控制的，上电一直启动给金属浴制冷，所以通过控制加热来达到标准规定的15.0 ℃、+0.0 ℃、-18 ℃、-33.0 ℃、-51.0 ℃、-69.0 ℃几个控温点。

⑤ 旋转和升降步进电机：升降电机用于将试样管从金属浴取出和放入，旋转电机则带动试样管旋转一定的角度，便于图像识别油样是否流动。

⑥ 限位开关：用于在系统上电启动时，保证旋转机构能够回到垂直位置，使仪器每次都能将试样管准确地放回到浴中。

2 金属浴的设计

传统的倾点测试采用的是酒精浴[7]，酒精浴内放置金属套筒，金属套筒和测试玻璃管之间采用空气隔离方式，所以油品的降温速度非常慢。一个低于-51 ℃的倾点的试样试验时间需3 h以上，效率较低。为了快速将浴冷却到所需要的温度，本仪器采用直冷技术，重新设计了如图2所示的金属浴。圆柱形螺旋状冷凝管与金属浴圆柱面直接接触并形成配合。浴加工成圆弧状，以保证热传导效率良好。浴周围均匀放置六根加热棒，总功率400 W，可以控制其输出功率的大小，来满足标准规定的油温呈梯度下降。

图2 金属浴

试验表明，该冷浴的效果相当不错，降温速度快，可以在2 min内降温20 ℃，制冷深度低，在本地冬天环境温度下可达到-87 ℃；也可以在10 min之内，使浴温升高到60 ℃。

3 图像识别分析

按照ASTM D6892标准，使用一台安装在测试装置顶部的照相系统来检测试样的表面是否流动并且记录试样的温度[8]。实现步骤如下。

① 将试管升起，在垂直位置拍摄一张照片作为基准。

② 倾斜一个角度，拍摄第二张照片作为比较，假设第二张照片上液面发生了移动现象，那么判定倾点没有达到，试管重新放入浴中继续试验。

③ 继续倾斜，并连续拍照以检验液面是否有移动现象。如果液面移动，继续试验。

④ 一直转动到试管处于水平位置，停留5 s，假设没有发生移动现象，那么认为非流动点已到，同时也得到了倾点。

整个图像处理采用直方图比较[9-10]的方法，具体的实现过程主要包括以下5个步骤。

① 视频预览：调用相机供应商所提供函数库进行开发。首先设置显示参数和窗口：调用 MV_SetDisplayWindow设置主窗体为显示视频的窗口，调用 MV_SetDisplayPos设置视频在窗口中显示的位置，调用 MV_SetDisplaySize 设置视频在窗口中显示的大小，并传入视频缩放参数。然后启动预览：调用 MV_StartPreview启动预览，停止则用 MV_StopPreview。最后响应WM_PAINT 函数，在窗口重绘函数中调用 MV_Repaint进行画面更新。

② 采集图像：调用MV_SnapImageData进行图像采集，并将其存入缓冲区。

③ 去除无关图像：主要用到两个PictureBox和3个Slider控件，一个PictureBox的大小为320×240(视频显示的窗口大小)，背景色设置为黑色；另一个PictureBox则调用其Circle函数画圆(直径参考做试验用的试管内径)，背景色设置为白色。3个Slider控件分别用于调整白色圆的水平距离、垂直距离和半径大小。所有参数都设置好以后，将其保存成图片的格式以备后用。黑白参照图如图3所示。白色圆内即为油样区域，黑色长方形以内圆以外的区域则为干扰区域，应去除。

图3 黑白参照图

④ 设定阈值：当试验进行到一定条件时，取连续的两幅图片进行直方图计算后，得到相应的差值，即阈值。软件设定阈值的范围为20～800。将多次试验值与标样的倾点值进行比较，确定阈值的大小为600。每台仪器相机本身的误差和装配过程中的一些不确定因素可能会导致阈值的范围和最终确定的阈值不一样，可通过多次调试来解决。

⑤ 分析比较图像：在主窗体中放入4个PictureBox，其名称分别为picMaskVideo、picCopyVideo、picBaseVideo和picCompareVideo，四者的大小都一样，Visible属性都设为False。picMaskVideo用于加载第三步保存的图片，并建立缓冲数组分别计算其RGB像素值，取值为白色所对应的数组用于分析油的流动性，黑色的则不进行比较。picCopyVideo在定时器的作用下不停地将视频采集的图像数据进行复制；当油样的温度达到一定的值，试管升起并旋转时，picBaseVideo和picCompareVideo分别取picCopyVideo中的连续两幅图进行值的比较，取二者差值。当差值小于阈值时，试管回到浴中，等待进行第二次比较；当差值大于阈值，则试样的倾点值到达，试验停止。

4 软件设计

上位机软件，采用VB语言，标准的Windows操作界面负责界面显示、图像识别、数据记录和打印等模块。上位机软件整体构架如图4所示。

图4 软件整体构架图

各个窗体和模块的简要说明如下。

窗体方面：frmMethod用于设定温度间隔、冷浴温度和预倾点等内容；frmInfoInput用于做试验前需输入的一些基本信息，如试验员名称、油样名称和公司信息等；frmRecord用于查看每次试验的结果，结果都以xml的格式保存；frmSet用于选择输入法所在文件位置，调整图像的水平中心、垂直中心、半径和图像之间的差异值；frmRobotInfo用于显示米思米升降机构的电压，电流、温度和行程等状态；frmDiagnosis用于查看机箱温度、试样温度、冷浴温度和工业相机转动的角度，以及调整旋转电机到各个位置。

模块方面：basMVCAM为图像处理要调用的一些函数；basModbus用于上位机与下位机通信时采用的Modbus协议的处理；basRobotCtrl用于控制米思米升降机构运动的实现；basSerial为两个串口配置的实现，一个与米思米通信，另一个与单片机控制板通信；basPrintDoc用于打印试验结果；basIniFile为ini配置文件的实现。