液位计自动检测装置的研制

0 引 言

    液位计是工业过程测量和控制系统中用以指示和控制液位的仪表^[1]， 包括的类型有浮子式 、 浮球式、浮筒式、压力式、电导式和反射式等，广泛应用于石油能源、江河水文观察与监控、医药化工、冶金制造、水气处理与供应等各种行业中。

    目前国内已有利用精密光栅尺和CCD 成像技术检测液位的装置，但仅作为手动控制，不能实现对液位的自动跟踪与测量。本装置在JJG971-2002《液位计检定规程》要求的基础上，应用机器视觉与伺服运动控制相结合的方法^[2]，通过步进电机带动工业CCD 在垂直大理石气浮导轨上运动 ， 采用精密光栅尺读数，并编制出液位的自动检测软件系统 ,真正实现了对液位计的自动控制与测量， 减小了因人为读数带来的误差影响，提高了测量准确度。在0～2 000 mm 的全量程范围内，扩展不确定度优于0.2 mm（k=2）。

1 系统原理及结构

1.1 工作原理及实现方式

    石英玻璃管与放置被测液位计的水槽形成连通器，两者内部的液位高度相同。计算机控制循环水泵和电磁阀，通过进水和排水，实现液面的升降。在石英玻璃管旁安装的高精密竖直大理石气浮导轨上面贴附有光栅尺，运动控制部分用步进电机驱动精密丝杠，带动光栅传感器的读数头和摄像头沿大理石气浮导轨上下移动，用摄像头加视觉软件的方式跟踪石英玻璃管内液面的位置。测量系统应用了模拟刻线与凹液面下缘相切的瞄准方法^[3]，当视频中固定模拟刻线与玻璃管中的液面下缘面相切时，软件采集并记录光栅位移传感器的数据。

1.2 结构与组成

    液位测量系统结构如图1 所示，主要由数据采集、运动控制以及供水等部分组成。液位测量数据采集部分由精密光栅尺、摄像头及计算机组成；运动控制系统主要由大理石气浮导轨、空气压缩机、精密丝杠、步进电机及单片机组成；供水部分由不锈钢循环水泵和不锈钢水箱、电磁阀，单向阀等组成。

2 系统软件的设计

    系统采用自上而下的模块化设计，程序流程框图如图2 所示。 软件设计采用 Visual C++6.0 开发工具，该工具可以快速实现可视化编程^[4]，并且具有较强的底层硬件操作能力。 软件在 Windows XP 环境下运行，实现的功能主要包括液位位置的自动控制、跟踪、测量、数据处理及生成检测结果等^[5]。其中，液位的自动控制与跟踪是本课题的关键。 通过大量的实验研究，结合本项目实际条件，最终利用光线反射的原理，采取变量阈值的方法，解决液位的自动判断与控制方面的难题； 采取模拟刻线的方法以及利用软件对图形的处理技术，解决了液面的精确测量问题。具体为以下2 点：