數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究*

余時帆 崔 超 熊玉亭 成英淑

（浙江省計量科學(xué)研究院，杭州310013）

數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究*

余時帆 崔 超 熊玉亭 成英淑

（浙江省計量科學(xué)研究院，杭州310013）

以Fluke 525A多功能校準(zhǔn)器作為校準(zhǔn)數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀的計量標(biāo)準(zhǔn)器，開發(fā)建立了Fluke 525A與工控機之間基于RS232通訊協(xié)議的串口通訊；采用CCD圖像傳感器等相關(guān)技術(shù)對數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀顯示值進行圖像采集，對圖像進行識別和處理后，通過halcon圖像處理庫函數(shù)將CCD圖像模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；通過工控機中校準(zhǔn)軟件的編寫，實現(xiàn)了校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動控制、數(shù)據(jù)的自動處理和原始記錄的自動生成等功能。

Fluke 525A；串口通訊；CCD技術(shù)；圖像處理

0 引言

本文依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 617—1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀》與JJG 74—2005《工業(yè)過程測量記錄儀》，基于Fluke 525A多功能校準(zhǔn)器，采用CCD等相關(guān)技術(shù)，通過工控機（IPC）實現(xiàn)了Fluke 525A與IPC以及CCD與IPC之間的通訊，完成了數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀的自動校準(zhǔn)。開發(fā)框架圖如圖1所示。

圖1 自動校準(zhǔn)系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：工控機（IPC）控制Fluke 525A不同信號的輸出；CCD攝像頭對被校儀表圖像進行采集，并且通過圖像采集卡傳送到IPC；在IPC中對圖像進行處理［1］，將圖像信號轉(zhuǎn)換成可識別［2］的數(shù)字信號，生成符合計量檢定規(guī)程要求的校準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)，并且進行打印。

1 Fluke 525A與工控機（IPC）

1.1 Fluke525A多功能校準(zhǔn)器

Fluke 525A多功能校準(zhǔn)器是美國FLUKE公司生產(chǎn)的用于溫度二次儀表校準(zhǔn)的精密實驗室儀器。在溫度輸出方面，F(xiàn)luke 525A可以模擬不同類型的熱電偶信號（B、C、K、E、J、S、T等）輸出，也可以模擬不同類型的熱電阻信號（Pt100、Cu50等）輸出，還可以輸出標(biāo)準(zhǔn)信號如直流電壓值、電流值、電阻值等。Fluke 525A提供的輸出類型，足以滿足校準(zhǔn)的需求。因此，本文選擇其作為數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀校準(zhǔn)的計量標(biāo)準(zhǔn)器，如圖2所示。

圖2 Fluke 525A前后面板示意圖

1.2 工控機（IPC）

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，采用研華PCI－1610A型工控機（IPC）。RS232引腳定義圖如圖3所示。

1.3 Fluke525A通訊協(xié)議簡介

本文列出Fluke 525A通訊協(xié)議一些基本命令以及程序語句，如表1所示。

表1 Fluke 525A基本命令以及程序語句舉例

圖3 RS 232引腳定義圖

2 CCD等圖像采集系統(tǒng)與IPC通訊的實現(xiàn)

2.1 CCD圖像傳感器［3］

CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制和圖像品質(zhì)等方面具有較大的優(yōu)勢，本文選用CCD作為圖像傳感器。

2.2 DMK23G274工業(yè)相機

本文采用IMAGINGSOURCE公司生產(chǎn)的DMK23G274工業(yè)相機，該相機集成了CCD圖像傳感器與圖像采集卡，配置GIGE接口［4］，通信距離可達100 m。GIGE接口對IP地址、控制協(xié)議、流協(xié)議和bootstrap寄存器進行了定義，方便可靠地實現(xiàn)工業(yè)相機與IPC之間的通訊。

3 程序運行與實驗結(jié)果

3.1 自動校準(zhǔn)實驗結(jié)果

在工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的數(shù)字溫度儀表采用LED顯示方式，較少采用LCD光顯示，因此本文選取3只較為典型的LED顯示的數(shù)字溫度儀表（7段5數(shù)字和4數(shù)字LED顯示），如圖4所示。在完成IPC與Fluke 525A以及IPC與工業(yè)相機的通訊連接后依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 617—1996，采用輸入基準(zhǔn)法［5－6］進行實驗。具體實驗過程如下：

圖4 選取的LED顯示儀表

圖5 DMK23G274系列工業(yè)相機調(diào)試圖

1）實驗前，相機的調(diào)試

首先調(diào)整儀表的位置、高度、距離等，使得相機可以完整地采集到儀表的顯示值；然后通過調(diào)節(jié)相機增益、曝光兩個參量，使得圖像采集［7］清晰、明亮；最后在自動校準(zhǔn)程序軟件中選取識別區(qū)域，就可以完成顯示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集。調(diào)試過程如圖5所示。

2）自動校準(zhǔn)進程

相機調(diào)試完成之后，在軟件中選擇相應(yīng)的功能并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，點擊“開始校準(zhǔn)”進入自動校準(zhǔn)程序。

3.2 實驗驗證

按照J(rèn)JG 617—1996，采用人工校準(zhǔn)方法，對3只數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀按照相同的校準(zhǔn)方法進行了再次校準(zhǔn)實驗。該校準(zhǔn)結(jié)果與自動校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)果的驗證結(jié)果如表2所示。

表2 驗證結(jié)果℃

由表2可見，當(dāng)輸入類型為鉑電阻時，兩者結(jié)果無差異；當(dāng)輸入類型為熱電偶時，兩者差值為0.1℃，該差值遠小于校準(zhǔn)結(jié)果的擴展不確定度，表明該自動校準(zhǔn)系統(tǒng)是準(zhǔn)確、可靠的。

另外，在自動校準(zhǔn)時，為使儀表顯示值充分穩(wěn)定，消除因短時波動帶來的1個字的偏差，因此在軟件中增加了“切換延時設(shè)置”功能，延時時間可以在0～9999s之間設(shè)定。通過大量的實驗證明：只要延時時間≥30s，自動校準(zhǔn)結(jié)果與手動校準(zhǔn)結(jié)果完全一致無誤差。

4 結(jié)束語

數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的運行實踐證明了該系統(tǒng)提高了校準(zhǔn)的可靠性和工作效率，本校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作效率比人工校準(zhǔn)提高了3倍以上，展示了自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)越性。該系統(tǒng)還需要在以下幾個方面開展研究：

1）該系統(tǒng)解決了數(shù)字顯示溫度儀表的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，下一步研究重點是模擬指針式溫度儀表的自動校準(zhǔn)。

2）由于工業(yè)相機的限制，系統(tǒng)只能滿足實驗室內(nèi)單次單臺儀表的自動校準(zhǔn)工作。因此，如果要實現(xiàn)多臺數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀的“流水線式”自動校準(zhǔn)，還需要在自動導(dǎo)軌、步進電機等技術(shù)方面做進一步的研究。

3）工業(yè)現(xiàn)場使用的數(shù)字溫度儀表容易受到各種因素的影響，存在較大的不確定性，因此，課題的另一個研究方向是惡劣環(huán)境條件的現(xiàn)場自動校準(zhǔn)。

［1］王學(xué)影，張洪濤.基于圖像處理的CCD攝像機自動調(diào)焦方法研究［J］.計量技術(shù)，2005（8）：16－18

［2］于正林，姜濤，曹國華.圖像識別在指示表檢定中的應(yīng)用［J］.計量學(xué)報，2006，27（3）：232－235

［3］牛曉聰，桑順，喻成俠.CMOS與CCD傳感器深度解析［S］.商情，2011（24）

［4］花再軍，黃鳳辰，陳釗.GIGE Vision接口攝像機及其應(yīng)用［S］.微型機與應(yīng)用，2011（21）

［5］JJG 617—1996數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程［S］.北京：中國計量出版社，1997

［6］JJG 74—2005工業(yè)過程測量記錄儀檢定規(guī)程［S］.北京：中國計量出版社，2005

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.20

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計劃項目（0110205）