毛细管黏度计自动检定／校准系统的研制

胡国星，张坤，荀其宁，拓锐，徐大刚，张符

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

毛细管黏度计自动检定／校准系统的研制

胡国星，张坤，荀其宁，拓锐，徐大刚，张符

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

利用自动控温系统、测温电桥、自动计时系统和计算机控制平台组成一种毛细管黏度计自动检定／校准系统，该系统具有自动吸液、自动计时以及数据自动处理功能，可用于标准黏度液定值和毛细管黏度计检定／校准。

标准黏度液定值；毛细管黏度计检定／校准；自动计时

Keywodscapillary viscometer calibration; standard viscosity liquid; automatic timing system

黏度是流体材料的一个重要物理化学参数，是流体黏滞性的一种量度，表征流体流动力对其内部摩擦的现象［1］。黏度及其测量与人们生产、生活密切相关，特别在国防工业、航空航天、石油化工、轻工建材、煤炭、冶金、交通等国民经济各领域有广泛应用［2］。黏度计的检定／校准对黏度的准确测量具有重要意义。笔者研制的黏度计自动检定／校准系统通过自动控温系统建立工作恒温环境，利用自动计时系统实现检定／校准过程的自动化，编制专用软件实现数据釆集和处理的自动化，使得标准黏度液的定值和工作用毛细管黏度计的检定／校准工作效率得到很大提高，符合 JJG 154-2012［3］和 JJG 155-1991［4］技术要求及操作流程。

1 系统构成

黏度计自动检定／校准系统由自动控温系统、测温电桥、自动计时系统和计算机控制平台组成。测温电桥用于监控恒温槽的温度均匀性和波动性，并将数据传输至计算机控制平台，作为自动控温的数据参考；自动计时系统用于监控被测液体在毛细管黏度计计时球流出的时间，时间数据将被传输至计算机控制平台，经处理后最终生成原始记录和报告。本系统的原理框图如图1所示。

1.1 自动控温装置

图1 毛细管黏度计自动检定 /校准系统装置原理框图

黏度计自动检定／校准系统使用高精度 PID 温度控制器，该控制器基于神经网络模糊自适应PID控制方法，既有神经网络控制的自学习能力和大规模并行处理能力，又具有模糊控制灵活、适用性强的优点，PID控制精度高，PID参数可在线自调整；釆用折线近似方法进行线性校正，提高了温度控制的准确度；具有5位有效数字显示，分辨率为0.001℃（铂电阻量程为0～30.000℃）；釆用PID输出附加功率前馈控制电路，可有效防止负载变化时引起的温度控制紊乱；具有增强型自动演算和隔离模拟变送输出功能；具有RS232和RS485通讯接口，方便远程控制。

本控温系统中的恒温槽体设计为矩形，前后部分釆用 10 mm 厚钢化玻璃，便于检定／校准过程的监测；两侧为加热、制冷和搅拌循环装置；中心点放置用作温度监控的铂电阻温度计；釆用加热、制冷分体设计，即将带有振动的制冷压缩机与主体分离，将冷源以泵流的方式进入槽体，可减弱外部环境对毛细管黏度计内液体的影响，减少振动的发生，避免过量误差的引入；底部栅板釆用渐变式循环流通设计，对搅拌器推动的介质进行均匀有效分流，从而可以有效地保证恒温槽工作区域温度的均匀性［5］。

自动控温装置主要技术指标见表1。

表1 自动控温装置技术指标

1.2 自动计时系统

自动计时系统主要包括3个部分：CCD高速工业相机、图像釆集卡和图像处理系统。图2是自动计时系统流程框图。

图2 自动计时系统流程图

1.2.1 CCD(Charge Coupled Device)摄像机

CCD 摄像机是一种能将光信号变为电信号的摄像机，这种相机能很好地抗震和抗磁干扰，是一种理想的摄像机。

1.2.2 图像采集卡

图像釆集卡的作用是将CCD 摄像机釆集到的模拟视频信息转换成数字图像数据，再传输至计算机平台，以便对图像数据进行后期处理。

1.2.3 图像处理系统

图像处理系统为自动计时实现的核心，它主要对传输至计算机的图像进行预处理，然后根据操作设置实现自动计时。图像处理系统主要包括4个部分：图像预处理、识别区域定位、突变识别、计算时间间隔。

（1）图像预处理。在图像信号的釆集、输入过程中，由于受到自然环境的影响，图像的质量会有所下降，这便给后面图像定位、突变识别工作带来困难。因此需要对初始图像进行必要的预处理，提高图像质量并突出所需要的信息，从而有利于进行各种后续的处理。

图像预处理是相对于图像分析、图像识别、图像理解而言的一种对图像前期的处理，也可以看作是对初始釆集图像的增强。图像增强的目的就是釆用一系列技术，改善图像的效果或将图像转换成为一种更适合人或者计算机进行分析处理的形式。主要是指按需要对图像进行适当的变换以突出某些有用的信息，去除或削弱无用的信息。本系统使用的图像预处理技术主要有灰度化、灰度变换增强、噪声及滤波等。

（2）识别区域定位。识别区域定位是计算机对毛细管黏度计计时球上下标线进行定位，可以根据像素点与周围的显著差异来自动识别，也可以手动设置。在毛细管黏度计计时球的上下部分分别有一条标线（或刻线）作为液面流经时的起始位置。由于标线与其它部分的灰度值不同，经图像处理扫描后可以被确定。

（3）突变识别。当毛细管黏度计内液面由上到下通过设置的识别区域时，会引起该区域像素点灰度值突变，可以理解为在某一刻识别区域内像素点的灰度由 0 → 1，由此判定液面通过毛细管黏度计计时球上的标线。

（4）计算时间间隔。当液面流经毛细管黏度计计时球上标线时，通过计算机图像处理软件判定后，发送计时开始指令至计时器，计时器开始计时；当液面流经毛细管黏度计计时球下标线时，通过计算机图像处理软件判定后，发送计时停止指令至计时器，计时器停止计时，并将计时数据回传至计算机控制平台，计时器归零。开始计时与停止计时之间的时间间隔即为毛细管黏度计中的流出时间。

本系统以毫秒计时器计时，该计时器釆用高精度温度补偿石英晶体谐振器作为测量基准，测量准确度和测量范围都高于一般的数字式电子秒表；釆用 RS232 通讯协议，方便远程监控；具有自动复位功能，操作方便，读数直观，测量范围为 0.01 ms～9999.99 s，内部晶振准确度为 5×10-6，最大测量误差为 ±0.01 ms。该计时器稳定性好，抗干扰能力强，测试精度高，满足计量检测和自动化控制的需求。

在整个计时过程中存在判定时间、指令传输时间、计算机系统延时等时间延迟或误差，但最终结果为开始时间点与终止时间点的差值，所以，在一定程度上可以消除大部分系统延迟和误差，对计时系统产生的影响非常小。

1.3 软件系统

黏度计自动检定／校准系统的软件系统主要包括温度远程控制、标准黏度液定值、工作用毛细管黏度计检定／校准和数据记录备份4个部分。

1.3.1 温度控制

温度远程控制系统可以实现对温度的远程控制，即在计算机操作平台上对恒温槽进行温度设定。

1.3.2 标准黏度液定值

标准黏度液定值部分可实现对标准黏度液定值的自动计时和数据处理，最多可以对6种标准黏度液同时定值。在操作界面中，左侧图像为标准黏度液在毛细管黏度计中流动的实时检测，中间是恒温槽内温场的实时温度，右侧是试样的测试方法和一些相关的说明。右下角为标准黏度液流出计时数据和处理结果。

1.3.3 工作毛细管黏度计检定／校准

在对工作毛细管黏度计进行检定／校准前，首先要对毛细管黏度计的信息进行录入，如送检单位名称、地址和毛细管类型、编号、管径、制造商等，以确定该被检毛细管黏度计的唯一性。

1.3.4 记录和证书模板设置

记录和证书模板设置部分可完成对实验记录和证书的自动生成。记录和证书模板设置界面中，可对记录和证书模板进行编辑，并对其中的一些变量进行标示，在记录和证书生成时对这些变量的内容予以更换。

2 系统的性能评价

依据 JJG 155-1991［4］和相关规范，使用本自动检定／校准系统进行了人机对比验证试验。

试验用器具：内径为 2.0 mm 的工作毛细管黏度计，黏度值为 198.60 mm2／s 的标准黏度液。

对比验证试验分别由自动检定／校准系统和人工对指定毛细管黏度计进行校准，共校准3次。恒温槽温度均设置为 20.0℃。两种检定方式对比试验数据见表2。

由表2试验数据可知，自动检定／校准系统测量结果的重复性优于人工操作，从而验证了毛细管黏度计自动检定／校准系统的可行性。

表2 人机对比验证试验结果

3 结语

毛细管黏度计自动检定／校准装置实现了标准黏度液定值和毛细管黏度计检定／校准的自动化，消除了人为误差，提高了工作效率。该装置投入使用后，实际应用效果良好，测量结果准确可靠。

［1］ 川田裕郎 .黏度［M］.陈惠钊，译 .北京：中国计量出版社，1987.

［2］ 陈惠钊 .黏度测量［M］.北京：中国计量出版社，1994.

［3］ JJG 154-2012 标准毛细管黏度计检定规程［S］.

［4］ JJG 155-1991 工作毛细管粘度计检定规程［S］.

［5］ JJG 1030-1991 恒温槽技术性能测试规范［S］.

Development of Automatic Calibration System for Capillary Viscometer

Hu Guoxing, Zhang Kun, Xun Qining, Tuo Rui, Xu Dagang, Zhang Fu
(CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

An automatic calibration system for capillary viscometer consisted of automatic temperature control system, thermometry bridge, automatic timing system and computer-controlled platform. This system had some functions such as self-priming, self-timing and automatic data processing. It can be used to value the standard viscosity liquid and calibrate capillary viscometers.

O657.91

A

1008-6145(2014)05-0105-03

联系人：胡国星；E-mail: sdjnhgx@163.com

2014-05-26

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.034