风量罩自动校准系统设计

姜立斌

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

该项目主要是在风速测量系统的基础上进行创新，研制能够实现风量罩自动校准的装置系统。该系统以风洞和变频式电机作为风量产生装置，能够产生稳定风场，再配以皮托管、数字差压计、数字温度传感器和数字气压传感器，应用计算机自动测量与控制技术，自动采集风洞内的气流温度、大气压和风洞试验段的差压值，实时计算出风洞内的风量值，并能够控制变频伺服器从而控制电机转速，进而控制风洞内的风量值。当风洞内的风量值达到稳定后，该系统能够通过摄像头截取被检风量罩的示值图像，通过图像识别技术读取出示值，通过USB传输到计算机中进行计算。完成一个风量点的校准后，选择下一个风量点进行校准，直到完成所有的风量点校准，最后进行校准结果计算处理，拟合标准风量和被检风量罩的示值曲线图，并输出校准报告。主要的研究内容如下：

（1）通过计算机采集数字差压计、数字温度传感器和数字气压传感器的数据，得到风洞内气流的温度、大气压和皮托管压差值，实时计算标准风量值。

（2）通过网络口与变频伺服电机通信，实现控制电机转速，进而控制风洞内的风量值。

（3）对于被检风量罩，通过摄像头截取图像，再通过图像识别获得被检风量罩的示值。

（4）对最后的校准结果进行计算并拟合风量输出曲线，最后生成校准记录。

1 硬件组成与工作原理

该系统的硬件主要由三大部分組成，如图1所示，一部分为温度、差压采集模块；一部分为风机控制部分［1］；还有一部分为图像传输部分。

温度、差压采集模块的传感器为铂电阻、皮托管和数字压力计，传感器都放置固定在风洞内。该模块可以接收计算机的控制指令，主要负责采集铂电阻的电信号和皮托管的差压，并将数据通过RS232串口发送给计算机，计算机再根据数据计算出风洞内的风量值。

电机控制部分主要由一个变频伺服器和一个可以改变转速的风机组成。变频伺服器能够通过网口和计算机进行通讯，接收计算机的指令来改变风机的转速，从而获得校准过程中所需要的风量。

图像传输部分主要为网络摄像头，用于拍摄被检风量罩的示值，并通过USB通讯将图片传送给计算机，以便计算机进行图像处理，读取出被检风量罩的示值。电桥测量法，精度受引出导线的电阻影响。四线制采用恒流源供电，直接测量铂电阻两端的电压信号就可以得到铂电阻的阻值，不受引出导线的影响，测量精度较高，故该系统采用四线制。

图1 风量罩自动校准系统

图2 四线制的铂电阻接法

系统工作原理：首先，计算机向采集系统发出采集温度、差压的指令，采集系统收到指令开始采集温度、差压信号，并将数据传送给计算机。同时计算机向变频伺服器发出启动指令，让风机开始运转。计算机根据采集系统提供的实时温度、差压计算风洞内风量值的变化，根据风量值的变化，不断地通过变频伺服器调节风机的转速，直到风洞内的风量值达到所期望的值。当风量值趋于稳定后，计算机再通过摄像头拍下被检风量罩的LCD显示屏幕的图像，并对图像进行处理，得到被检风量罩的显示值，并记录下来。当一个风量点校准完成后，计算机再控制变频伺服器改变风机转速，进入下一个风量点的校准。当所有校准风量点都完成后，计算机将所记录的标准风量值和被检风量罩示值进行处理，并生成符合要求的原始校准记录［2］。

1.1 组成单元功能

1.1.1 温度、压力采集系统

温度传感器采用铂电阻传感器。铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，它的准确度和线性度优于其它温度传感器，如热电偶、热敏电阻。由于铂的特性稳定，不会因高低温而引起物理或化学变化，因而它具有良好的长期稳定性。铂电阻的接法有二线制、三线制、四线制。二线制和三线制都是

图3 温度、压力采集系统

差压测量直接关系到风量值的测量准确度，故而采用日本恒河仪表的数字压力计。该款数字压力计能够提供精确稳定的压力读数，压力量程最大可达1000Pa，测量精度可达0.1%FS，计量性能能够满足本系统的要求［3］。

当风量罩自动校准系统采集到大气压、风洞气流的温度后，就可以根据以下公式计算出空气密度：

式中：

再根据采集到的差压值，就可以按下式计算风量值［4］：

式中：

1.1.2 风机控制部分

对于该系统来说，在整个校准过程中，风量值的稳定性是至关重要的。风量的稳定性取决于变频器对风机控制的响应和稳定性。该系统风机的变频器采用Frenic的5000P11，它采用动态转矩适量控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术。控制系统高速计算电机负载所需功率，最佳控制电压和电流矢量，最大限度发挥电机输出转矩。按照动态转矩矢量控制方式，能配合负载实现在最短时间内平稳地加减速。5000P11带有PG反馈卡，能构成带PG反馈的矢量控制系统，实现更高性能、更高精度的运行。5000P11速度控制范围1：1200，速度控制精度±0.02% ，速度响应40Hz，具有网口可实现与计算机通信。计算机可以根据校准风量点对应的风机频率，自动改变变频器的输出，从而无需对变频器进行人工操作。

1.1.3 图像采集部分

该系统对被检风量罩示值的读数采用远程摄像头拍摄，再经USB传输到计算机，由计算机进行图像处理，得到被检风量罩的示值。

2 软件系统

该系统软件设计主要为视频模块、仪器接口管理模块、检定模块、打印模块、仪器控制模块、图像处理模块以及数据库模块等组成。系统软件功能模块组成结构如下图所示。

图4 系统软件功能模块组成结构

2.1 检定模块

按照检定规程的要求，以一定的顺序调度仪器控制模块、图像处理及识别模块、数据库模块，相互配合共同完成检定工作。仪器控制模块包括：（1）对标准器和被检测的风量罩进行基本信息设置；（2）控制高精度的变频器对风机进行控制，输出稳定标准的风速；（3）设置被检测仪器量程，读取被检测仪器的示值等。

2.2 数据库模块

系统采用Microsoft Office Access数据库，MS Access以一定格式将数据存储在基于Access Jet的数据库引擎里，可以直接导入或者链接数据(这些数据存储在其他应用程序和数据库)。ACCESS支持Visual Basic宏语言,它是一个面向对象的编程语言,可以引用各种对象，包括DAO(数据访问对象),ActiveX数据对象,以及许多其他的ActiveX组件。该软件应用程序是基于VB.NET语言编写，通过创建DAO数据访问对象，实现对ACCESS的链接和访问，在数据库存放主要信息有：被检测单位信息，被检测仪器信息，被检测仪器的示数值等。

2.3 视频模块

采用FC-ID系列工业摄像头，具有百万像数级高分辨率，通过USB接口与PC链接。USB线传输3m内不用增益，如需更长的传输距离，可使用增益延长线，最长可延长至20m。通过软件可以完成对亮度增益、蓝色增益、图像格式、采集分辨率、曝光时间、亮度等调节。在调试阶段，软件实时显示视频图像及其识别结果，图像和识别结果多次吻合，则调试成功，进入检定项目。在检定时，通过视频模块实时采集图像存储至数据库，图像处理及识别模块调用该图像进行识别，输出结果。

2.4 图像识别

图5 识别系统的详细设计图

2.5 人机交互界面设计

界面是软件与用户交互的最直接的层，良好的界面设计能够引导用户自己完成相应的操作，起到向导的作用，同时也能起到吸引用户的目的。合理的界面设计能给用户带来轻松愉悦的感受和成功的感觉，相反由于界面设计的失败，会让用户有挫败感，再实用强大的功能都可能在用户的畏惧与放弃中付诸东流。

软件主要界面如图3所示，主要包括：被检测仪器基本信息记录界面、检定设置及检定结果输出界面、摄像头采集界面三个部分。其中被检仪器基本信息记录与标准器信息界面，如图4，用于用户输入仪器信息和检定的条件和环境信息，软件将其保留和输出。串口参数设置，如图5，用于用户选择和设置串口参数。摄像头采集界面可输入曝光时间，调节图像亮度。点击“测试”按钮，可查看当前图像的识别结果，确定当前识别准确后，可进行摄像头检定操作，如图6。

点击“开始按钮”，程序自动进行风场稳定性判断，等待风场稳定后显示标准实时风量与被检风量罩的实时示值，自动计算其平均值，用户可自由选择采样时间和采样点数，将平均值记录到原始校准记录中，并输出结果和拟合风量曲线。

图6 软件主要界面

图7 参数设置

图8 串口信息设置界面

图9 摄像头显示设置

3 项目创新点

（1）由于风速检测仪与计算机是通过串口进行实时通讯的，要同时实现控制风速和读取风速值两个功能，需要对风速检测仪的串口数据进行监听，而不能对原有的控制信号产生干扰，读取出其对应的显示值和风洞状态(是否达到稳定)，风洞试验段内风速稳定后方可进行示值校准，该项目对其数据进行长时间的监测，找出其规律，实现了该功能。

（2）由于风场的波动性，人工读数不可避免的会存在读取标准值和被检器时间不同步的问题，人为误差较大。采用计算机同步读取风量罩的读数和标准风量值的方式，可最大限度地减小由风洞波动引入的示值误差。

（3）为了实现更广泛的适用性，在获取风量罩显示值读数中，该项目采用摄像头拍摄风量罩显示屏，通过图像识别技术获取数据。

（4）该项目编写了风量罩自动校准软件，减小了人为读数误差，提供自动生成校准记录功能，也提高了检测效率，并拟合风量曲线，方便客户依据实际数据使用该风量罩。

[1]方武.风管流量测量实验的设计[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版).2008 (06).

[2]王成凤,王智超.风量罩罩体选择及摆放对测量的影响[J].低温建筑技术.2012 (02).

[3]吴虎彪,邹志军,黄晨,王非,李浩,王重超.毕托管测定管道中风速的阻塞修正研究[A].上海市制冷学会2009年学术年会论文集[C].2009.

[4]朱正宪.通风机流量测量不确定度评定[J].矿业安全与环保.2001(06).