基于机器视觉的黏度检测技术研究

高旭辉，薛 征，李 域，2，龚敏珍，于得水，2，臧 鹏

(1.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710100；2.国家市场监管重点实验室(计量光学及应用),陕西 西安 710100)

黏度是流体重要的热物性参数之一，黏度的大小直接决定流体的流动性。黏度的准确测定对于预测指导石油产品[1-2]、高分子材料[3]的生产工艺控制和物流输送，确定内燃机[4]、印刷机[5]、液压机械[6]的工作条件，反映人体体液循环的健康状态[7-8]等都有着重要的意义。黏度的测试方法主要有毛细管法、旋转法、振动法、落体法、光学法、超声波法等。其中，毛细管法因其测量准确度高、结构简单等特点，成为液体黏度测量应用最广的方法。

常见的毛细管黏度计有乌氏(乌别洛特，Ubbelohde)、平氏(平开维奇，Pinkievich)、芬氏(芬斯克，Fenske)以及逆流式等，其中平氏黏度计因其结构较为简单、操作相对方便、黏度测量范围宽等优点，常用作工作毛细管黏度计。以平氏黏度计为代表，引入机器视觉技术，对黏度自动检测过程进行了研究。

在恒温条件下，一定量运动黏度已知的标准黏度液受重力作用通过毛细管黏度计的计时标线，测量黏度液通过计时标线的时长，即可计算出其黏度计常数。相应地，用常数已知的黏度计测量未知流体通过计时标线的时长，即可以计算出其运动黏度值。

目前毛细管黏度计的检定和运动黏度的测量以人工测量为主，每次测量时间需持续200～2000 s，操作人员劳动强度大，精神紧张，工作效率难以提高。近年来，国内多家机构开展了毛细管黏度计的自动检定或黏度自动测量工作研究[9]。吴阳平等[10]采用电容式液位传感器对黏度计的计时标线进行识别，抗干扰能力较强；李琴[11]采用自动黏度测试架实现对液位的自动测试；胡国星等[12]采用CCD摄像机对黏度计工作图像进行识别分析，实现了黏度计的自动检定/校准；邢志红等[13]采用CCD图像传感芯片采集黏度计图像，通过单片机对图像进行处理，实现了黏度计检测的自动化。

针对平氏黏度计的检定过程和运动黏度测量过程，对基于机器视觉的黏度自动检测技术进行了研究，利用计算机视觉系统模拟人的视觉进行目标识别、定位和判断，提高了黏度计的检定以及运动黏度测量效率，在计量技术机构进行量值传递和油品检验机构进行黏度测量方面有着较好的应用前景。

1 黏度自动检测方案设计

1.1 黏度测量原理

根据泊肃叶(Poiseuille)定律，一定体积的牛顿流体在一定压力梯度下通过给定的毛细管时，其动力黏度η可通过测量流体流速和流经毛细管产生的压力差Δp进行计算获得，根据被测流体的密度ρ，可以计算获得其运动黏度ν[14]：

(1)

使用玻璃毛细管黏度计进行测定时，Δp可以用液体静压力ρgh表示；式中L、R为毛细管长度和半径；Q为单位时间通过毛细管的体积流量；g为重力加速度；h为被测流体液柱高度；V为流体的体积；τ为流体在毛细管中的流动时间。在毛细管和被测流体都确定的情况下，R，h，V，L均为定值，令

(2)

可得

ν=C·τ

(3)

式(3)即为毛细管黏度计测量流体运动黏度的公式，C称为黏度计常数。按照JJG 155—2016《工作毛细管黏度计》[15]检定规程要求，黏度计常数用标准黏度液国家标准物质对黏度计进行标定得到。

1.2 检测需求分析和系统搭建

按照式(3)，自动检测系统应能够准确测量平氏黏度计计时球(见图1)中流体的流动时间，即流体流过上、下计时标线(见图1)的时刻之差。

图1 平式黏度计结构与实物图

根据测量系统的机器视觉检测需求，确定机器视觉检测系统由摄像机、流体跟踪装置、光源、计时装置和图像处理计算机组成，如图2所示。

图2 机器视觉检测系统结构图

各系统功能和技术指标如下。

① 摄像机。采用高速红外摄像机，画面采集速度120 f/s，满足JJG 155—2016对于时间测量分辨力优于0.1 s的要求，CMOS感光芯片尺寸为5.27 mm×3.93 mm(1/2.7 in)，像素数>1 M，可以生成1024像素×768像素分辨率的灰度图像，采用USB2.0数据接口实现图像数据实时传输，可以准确采集流体运动图像。

② 流体跟踪装置。在测定过程中，步进电机带动摄像机在垂直导轨上移动，其最小移动量为0.1 mm，使摄像机与计时刻线处于同一水平面，并保持静止状态，模拟人眼对计时标线的识别过程，有效避免了摄像机的图像畸变带来的影响。

③ 光源。为实现对有色流体和无色计时标线的识别，增强检测的通用性和一致性，系统采用300 mm×600 mm的白色LED光源作为摄像机的背景光源。

④ 计时装置。时间的准确测量是黏度准确检测的关键因素，本系统采用电秒表计时，其测量范围0.0001～9999.99 s，测量误差小于±(5×10-6τ)。

1.3 黏度检测与图像处理

黏度检测过程如图3所示。在检测前，摄像机P通过步进电机M驱动往复运动一周，利用模板匹配方式识别待测黏度计的上下计时标线，实现对被测流体的跟踪；待测定开始时，摄像机运行至上计时标线水平面，流体受重力影响向下流动，液面下降。在流体自身黏度的影响下，流体在流过刻线时为层流状态，其液面呈弯月面形状。当流体液面曲线与上计时标线相切时，输出触发脉冲起始计时，然后摄像机快速运行至下计时标线水平面，检测到流体液面曲线与下计时标线相切时输出截止脉冲结束计时，以两次脉冲的时间间隔作为流体流动时间。

图3 黏度检测过程示意图

在检测过程中，毛细管黏度计中的流体处于运动状态，检测系统得到的是动态图像。通过高速摄像机将动态图像解析为连续的静态图片，通过高精度定位模板匹配方式识别计时起点和终点[16]。检测软件系统采用C#语言编写，采用AForge库进行视频图像采集输入输出，应用OpenCVSharp库对采集图片进行处理，通过灰度处理、去噪、二值化、形态学开、闭操作及膨胀、腐蚀处理，摄像机与刻度线、液面的水平同样采用OpenCVSharp库对图像中像素进行处理、识别，实现自动测量，结果如图4、图5所示。

图4 计时起始图像及灰度、二值化处理结果示意

图5 计时终止图像及灰度、二值化处理结果示意

2 测量过程与结果

2.1 测量过程

黏度的自动检测过程可以分为毛细管黏度计常数测量和运动黏度测量两部分。

按照国家计量检定规程JJG 155—2016《工作毛细管黏度计》的要求，在(20±0.01)℃的恒温条件下，分别选取两种适合的标准黏度液对平氏黏度计各进行4次流动时间测量，将流动时间平均值与标准黏度液的运动黏度标准值代入式(3)计算黏度计常数，以两种标准黏度液测得的常数平均值作为毛细管黏度计常数测量结果。两种标准黏度液测量结果的时间重复性δt和常数复现性δC分别按式(4)和式(5)计算：

(4)

(5)

按照国家标准GB/T10247—2008《粘度测量方法》[17]的要求，在(20±0.01)℃的恒温条件下，分别选用两种不同内径的平氏黏度计对流体样品各进行两次流动时间测量，将流动时间平均值与毛细管黏度计常数值代入式(3)计算运动黏度值。运动黏度值的重复性δν按式(6)计算：

(6)

2.2 毛细管黏度计常数测量结果

利用搭建好的自动检测系统，按照2.1节中的步骤对毛细管内径为0.6～1.2 mm的4种平氏黏度计进行毛细管常数测量，并与人工测量结果进行对比，结果如表1所示。

表1 毛细管黏度计常数测量结果对比

测量结果表明，自动测量的时间重复性在0.05%～0.11%之间，优于人工测量的0.07%～0.19%；对于两种不同黏度液的常数复现性在0.03%～0.17%之间，优于人工测量的0.11%～0.23%。自动测量与人工测量的毛细管常数平均值之测量偏差在0.03%～0.07%之间，符合检定规程中常数复现性不大于0.3%的要求。

2.3 运动黏度测量结果

利用搭建好的自动检测系统，按照2.1节中的步骤对0号柴油和0W20润滑油等两种样品进行运动黏度测量，并与人工测量结果进行对比，结果如表2所示。

表2 运动黏度测量结果对比

测量结果表明，自动测量的运动黏度重复性在0.12%～0.46%之间，优于人工测量的0.25%～0.56%。自动测量与人工测量的运动黏度平均值之测量偏差在0.02%～0.17%之间，符合国家标准中再现性不大于0.7%的要求。

3 结束语

为适应黏度检测的实际需求，提高毛细管黏度计检定和运动粘度测定的效率，基于机器视觉原理对黏度自动检测技术进行研究，利用高速红外摄像机和流体跟踪装置对人工测量过程进行模拟仿真。对平氏黏度计毛细管黏度计常数和流体样品运动黏度测量结果表明，自动检测系统均明显优于人工测量结果，二者的测量偏差符合相关规程和标准要求。同时应用自动检测技术可以简化计时和计算过程，可以起到提高测量准确度、节省人力的作用。