風量罩自動校準系統設計

姜立斌

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

該項目主要是在風速測量系統的基礎上進行創新，研制能夠實現風量罩自動校準的裝置系統。該系統以風洞和變頻式電機作為風量產生裝置，能夠產生穩定風場，再配以皮托管、數字差壓計、數字溫度傳感器和數字氣壓傳感器，應用計算機自動測量與控制技術，自動采集風洞內的氣流溫度、大氣壓和風洞試驗段的差壓值，實時計算出風洞內的風量值，并能夠控制變頻伺服器從而控制電機轉速，進而控制風洞內的風量值。當風洞內的風量值達到穩定后，該系統能夠通過攝像頭截取被檢風量罩的示值圖像，通過圖像識別技術讀取出示值，通過USB傳輸到計算機中進行計算。完成一個風量點的校準后，選擇下一個風量點進行校準，直到完成所有的風量點校準，最后進行校準結果計算處理，擬合標準風量和被檢風量罩的示值曲線圖，并輸出校準報告。主要的研究內容如下：

（1）通過計算機采集數字差壓計、數字溫度傳感器和數字氣壓傳感器的數據，得到風洞內氣流的溫度、大氣壓和皮托管壓差值，實時計算標準風量值。

（2）通過網絡口與變頻伺服電機通信，實現控制電機轉速，進而控制風洞內的風量值。

（3）對于被檢風量罩，通過攝像頭截取圖像，再通過圖像識別獲得被檢風量罩的示值。

（4）對最后的校準結果進行計算并擬合風量輸出曲線，最后生成校準記錄。

1 硬件組成與工作原理

該系統的硬件主要由三大部分組成，如圖1所示，一部分為溫度、差壓采集模塊；一部分為風機控制部分［1］；還有一部分為圖像傳輸部分。

溫度、差壓采集模塊的傳感器為鉑電阻、皮托管和數字壓力計，傳感器都放置固定在風洞內。該模塊可以接收計算機的控制指令，主要負責采集鉑電阻的電信號和皮托管的差壓，并將數據通過RS232串口發送給計算機，計算機再根據數據計算出風洞內的風量值。

電機控制部分主要由一個變頻伺服器和一個可以改變轉速的風機組成。變頻伺服器能夠通過網口和計算機進行通訊，接收計算機的指令來改變風機的轉速，從而獲得校準過程中所需要的風量。

圖像傳輸部分主要為網絡攝像頭，用于拍攝被檢風量罩的示值，并通過USB通訊將圖片傳送給計算機，以便計算機進行圖像處理，讀取出被檢風量罩的示值。電橋測量法，精度受引出導線的電阻影響。四線制采用恒流源供電，直接測量鉑電阻兩端的電壓信號就可以得到鉑電阻的阻值，不受引出導線的影響，測量精度較高，故該系統采用四線制。

圖1 風量罩自動校準系統

圖2 四線制的鉑電阻接法

系統工作原理：首先，計算機向采集系統發出采集溫度、差壓的指令，采集系統收到指令開始采集溫度、差壓信號，并將數據傳送給計算機。同時計算機向變頻伺服器發出啟動指令，讓風機開始運轉。計算機根據采集系統提供的實時溫度、差壓計算風洞內風量值的變化，根據風量值的變化，不斷地通過變頻伺服器調節風機的轉速，直到風洞內的風量值達到所期望的值。當風量值趨于穩定后，計算機再通過攝像頭拍下被檢風量罩的LCD顯示屏幕的圖像，并對圖像進行處理，得到被檢風量罩的顯示值，并記錄下來。當一個風量點校準完成后，計算機再控制變頻伺服器改變風機轉速，進入下一個風量點的校準。當所有校準風量點都完成后，計算機將所記錄的標準風量值和被檢風量罩示值進行處理，并生成符合要求的原始校準記錄［2］。

1.1 組成單元功能

1.1.1 溫度、壓力采集系統

溫度傳感器采用鉑電阻傳感器。鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的，它的準確度和線性度優于其它溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻。由于鉑的特性穩定，不會因高低溫而引起物理或化學變化，因而它具有良好的長期穩定性。鉑電阻的接法有二線制、三線制、四線制。二線制和三線制都是

圖3 溫度、壓力采集系統

差壓測量直接關系到風量值的測量準確度，故而采用日本恒河儀表的數字壓力計。該款數字壓力計能夠提供精確穩定的壓力讀數，壓力量程最大可達1000Pa，測量精度可達0.1%FS，計量性能能夠滿足本系統的要求［3］。

當風量罩自動校準系統采集到大氣壓、風洞氣流的溫度后，就可以根據以下公式計算出空氣密度：

式中：

再根據采集到的差壓值，就可以按下式計算風量值［4］：

式中：

1.1.2 風機控制部分

對于該系統來說，在整個校準過程中，風量值的穩定性是至關重要的。風量的穩定性取決于變頻器對風機控制的響應和穩定性。該系統風機的變頻器采用Frenic的5000P11，它采用動態轉矩適量控制，能在各種運行條件下實現對電動機的最佳控制。動態轉矩矢量控制是一種先進的驅動控制技術?？刂葡到y高速計算電機負載所需功率，最佳控制電壓和電流矢量，最大限度發揮電機輸出轉矩。按照動態轉矩矢量控制方式，能配合負載實現在最短時間內平穩地加減速。5000P11帶有PG反饋卡，能構成帶PG反饋的矢量控制系統，實現更高性能、更高精度的運行。5000P11速度控制范圍1：1200，速度控制精度±0.02% ，速度響應40Hz，具有網口可實現與計算機通信。計算機可以根據校準風量點對應的風機頻率，自動改變變頻器的輸出，從而無需對變頻器進行人工操作。

1.1.3 圖像采集部分

該系統對被檢風量罩示值的讀數采用遠程攝像頭拍攝，再經USB傳輸到計算機，由計算機進行圖像處理，得到被檢風量罩的示值。

2 軟件系統

該系統軟件設計主要為視頻模塊、儀器接口管理模塊、檢定模塊、打印模塊、儀器控制模塊、圖像處理模塊以及數據庫模塊等組成。系統軟件功能模塊組成結構如下圖所示。

圖4 系統軟件功能模塊組成結構

2.1 檢定模塊

按照檢定規程的要求，以一定的順序調度儀器控制模塊、圖像處理及識別模塊、數據庫模塊，相互配合共同完成檢定工作。儀器控制模塊包括：（1）對標準器和被檢測的風量罩進行基本信息設置；（2）控制高精度的變頻器對風機進行控制，輸出穩定標準的風速；（3）設置被檢測儀器量程，讀取被檢測儀器的示值等。

2.2 數據庫模塊

系統采用Microsoft Office Access數據庫，MS Access以一定格式將數據存儲在基于Access Jet的數據庫引擎里，可以直接導入或者鏈接數據(這些數據存儲在其他應用程序和數據庫)。ACCESS支持Visual Basic宏語言,它是一個面向對象的編程語言,可以引用各種對象，包括DAO(數據訪問對象),ActiveX數據對象,以及許多其他的ActiveX組件。該軟件應用程序是基于VB.NET語言編寫，通過創建DAO數據訪問對象，實現對ACCESS的鏈接和訪問，在數據庫存放主要信息有：被檢測單位信息，被檢測儀器信息，被檢測儀器的示數值等。

2.3 視頻模塊

采用FC-ID系列工業攝像頭，具有百萬像數級高分辨率，通過USB接口與PC鏈接。USB線傳輸3m內不用增益，如需更長的傳輸距離，可使用增益延長線，最長可延長至20m。通過軟件可以完成對亮度增益、藍色增益、圖像格式、采集分辨率、曝光時間、亮度等調節。在調試階段，軟件實時顯示視頻圖像及其識別結果，圖像和識別結果多次吻合，則調試成功，進入檢定項目。在檢定時，通過視頻模塊實時采集圖像存儲至數據庫，圖像處理及識別模塊調用該圖像進行識別，輸出結果。

2.4 圖像識別

圖5 識別系統的詳細設計圖

2.5 人機交互界面設計

界面是軟件與用戶交互的最直接的層，良好的界面設計能夠引導用戶自己完成相應的操作，起到向導的作用，同時也能起到吸引用戶的目的。合理的界面設計能給用戶帶來輕松愉悅的感受和成功的感覺，相反由于界面設計的失敗，會讓用戶有挫敗感，再實用強大的功能都可能在用戶的畏懼與放棄中付諸東流。

軟件主要界面如圖3所示，主要包括：被檢測儀器基本信息記錄界面、檢定設置及檢定結果輸出界面、攝像頭采集界面三個部分。其中被檢儀器基本信息記錄與標準器信息界面，如圖4，用于用戶輸入儀器信息和檢定的條件和環境信息，軟件將其保留和輸出。串口參數設置，如圖5，用于用戶選擇和設置串口參數。攝像頭采集界面可輸入曝光時間，調節圖像亮度。點擊“測試”按鈕，可查看當前圖像的識別結果，確定當前識別準確后，可進行攝像頭檢定操作，如圖6。

點擊“開始按鈕”，程序自動進行風場穩定性判斷，等待風場穩定后顯示標準實時風量與被檢風量罩的實時示值，自動計算其平均值，用戶可自由選擇采樣時間和采樣點數，將平均值記錄到原始校準記錄中，并輸出結果和擬合風量曲線。

圖6 軟件主要界面

圖7 參數設置

圖8 串口信息設置界面

圖9 攝像頭顯示設置

3 項目創新點

（1）由于風速檢測儀與計算機是通過串口進行實時通訊的，要同時實現控制風速和讀取風速值兩個功能，需要對風速檢測儀的串口數據進行監聽，而不能對原有的控制信號產生干擾，讀取出其對應的顯示值和風洞狀態(是否達到穩定)，風洞試驗段內風速穩定后方可進行示值校準，該項目對其數據進行長時間的監測，找出其規律，實現了該功能。

（2）由于風場的波動性，人工讀數不可避免的會存在讀取標準值和被檢器時間不同步的問題，人為誤差較大。采用計算機同步讀取風量罩的讀數和標準風量值的方式，可最大限度地減小由風洞波動引入的示值誤差。

（3）為了實現更廣泛的適用性，在獲取風量罩顯示值讀數中，該項目采用攝像頭拍攝風量罩顯示屏，通過圖像識別技術獲取數據。

（4）該項目編寫了風量罩自動校準軟件，減小了人為讀數誤差，提供自動生成校準記錄功能，也提高了檢測效率，并擬合風量曲線，方便客戶依據實際數據使用該風量罩。

[1]方武.風管流量測量實驗的設計[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版).2008 (06).

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[3]吳虎彪,鄒志軍,黃晨,王非,李浩,王重超.畢托管測定管道中風速的阻塞修正研究[A].上海市制冷學會2009年學術年會論文集[C].2009.

[4]朱正憲.通風機流量測量不確定度評定[J].礦業安全與環保.2001(06).