基于圖像處理的換熱器換熱銅管尺寸測量研究

余健軍,陸 育

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

換熱器是一種使熱量從熱流體傳遞到冷流體,以滿足規定工藝要求的裝置統稱[1],管翅式換熱器是換熱器的一種類型,由銅質換熱管和親水鋁箔翅片組成[2],因其具有結構緊湊、節能高效等特點,在工業生產中得到了廣泛的應用.銅質換熱管是管翅式換熱器的重要組成部件,其直徑大小會影響換熱器的換熱性能、銅材用量、通用性[3]、傳熱熱阻及換熱量等指標.另外管翅式換熱器在運行過程中,運行環境多變,需承受冷熱沖擊[4],同時鋁箔翅片附近經常發生泄漏[5],這些都會導致換熱銅管發生腐蝕、管壁變薄、直徑變小,進而影響換熱器的運行效率.因此,在設計制造和使用過程中,及時監測換熱銅管的直徑數據顯得尤為重要.

傳統測量方法多為接觸式測量,但接觸式測量效率較低,且在工業制造復雜的環境中,大多材料含有放射性和腐蝕性,接觸式測量易對測量人員和測量儀器造成損傷或損壞[6].非接觸式測量是當下研究的重點方向,其中代表性的測量方法有激光投影法測量[7]、傳感器測量[8]和雙目視覺測量[9]等方法.由于上述非接觸式測量方法受環境因素影響大,且維護成本高,不適宜部分換熱器換熱銅管測量,因此本文提出一種基于圖像處理的直徑測量方法,可以較好地解決換熱器換熱銅管的直徑測量問題.

1 尺寸測量系統概述

本文以管翅式換熱器換熱銅管為研究對象,主要測量換熱銅管的外直徑.管翅式換熱器結構如圖1所示,主要測量流程如圖2所示.

圖1 管翅式換熱器

圖2 測量流程

本文采用實驗室CCD相機獲取圖像.在獲取圖像時,將換熱器放在背景板上,調整相機和光源,使換熱器清晰地成像于視野中央.在進行圖像預處理時,先將獲取的換熱器圖像灰度化,再經過濾波去除灰度圖中的噪聲,然后通過圖像分割將圖像二值化,轉化為黑白圖像,最后進行數學形態學運算處理,消除分割后圖像中的小孔洞,便于下一步提取圖像邊界輪廓.

提取換熱器換熱銅管的邊緣輪廓主要使用邊緣檢測算子算法,算法要盡可能準確地描繪出換熱器換熱銅管輪廓;緊接著進行相機標定,其目的在于利用棋盤格標定靶確定圖像像素尺寸和實際物理尺寸的關系,得到像素尺寸和實際物理尺寸的比例;然后根據相機標定得到的比例關系結合換熱銅管直徑像素尺寸,換算出換熱銅管直徑物理尺寸.

2 測量方法

2.1 圖像預處理

圖像預處理是實現換熱銅管尺寸測量的基礎,預處理的目的是盡可能地去除圖像中與測量無關的信息,如顏色、噪聲等,處理結果的好壞將直接影響最后尺寸測量的準確程度.CCD相機獲取的圖像帶有色彩,灰度化后去掉了圖像的色彩信息,使圖像更加簡潔.本文采用中值濾波算法,可以消除灰度圖像中的“椒鹽”噪聲,減少因噪聲帶來的誤差,中值濾波計算公式為:

(1)

式中,median[]表示取中值運算,f(x,y)代表(x,y)處像素點的灰度值.

運用圖像分割的二值化方法,計算分割閾值(本文使用大津閾值法),將圖像轉化為僅具有黑白兩色的圖像.最后對二值化圖像進行數學形態學處理,通過“膨脹”和“腐蝕”操作進一步減少圖像中與尺寸測量無關的信息.圖像預處理后的結果如圖3所示.

(a)原圖 (b)灰度圖

2.2 邊緣檢測

圖像經過預處理后進行邊緣檢測,本文主要采用Canny邊緣檢測算法提取換熱器銅管邊界輪廓.Canny邊緣檢測算法是一種多步邊緣檢測算法,可以檢測任何圖形的邊緣,因其具有較好的定位邊緣點能力、單一的邊緣響應和低錯誤率等優點被廣泛應用.該檢測算法的主要步驟為:

(1) 利用高斯濾波器對圖像進行濾波處理;

(2) 利用偏導數算法計算圖像灰度垂直方向和水平方向上的偏導數,并求出梯度幅值和角度;

(3) 對梯度幅值進行非極大值抑制;

(4) 雙閾值算法檢測和邊緣連接.

從圖3(d)中截取的一段銅管圖像如圖4所示,用Canny邊緣檢測的結果如圖5所示.

圖4 二值化圖像

圖5 邊緣檢測結果

2.3 相機標定

相機標定的目的是獲取照片圖像像素尺寸與實際物理尺寸的比例關系,方便在換熱器銅管直徑測量時進行尺寸換算.首先,用實驗室CCD相機獲取邊長1厘米棋盤格圖像(棋盤格如圖6所示).在拍攝前,將24 cm×18 cm的大棋盤格剪成24個長6 cm、寬3 cm的小棋盤格;然后在拍攝時,將小棋盤格圖像顯示在相機鏡頭畫面中央,保持鏡頭到每個小棋盤格的距離不變;其次對獲取的小棋盤格圖像做圖像處理,并得到小棋盤格的像素尺寸;最后取24個小棋盤格像素尺寸的均值,將此均值與小棋盤格的實際物理尺寸進行對比,計算圖像像素尺寸與實際物理尺寸的比例關系.小棋盤格像素尺寸如表1所列,計算均值為291.125像素×142.625像素,由此得到4.803像素表示實際物理尺寸1mm.

圖6 邊長1 cm棋盤格

3 測量實驗及結果分析

3.1 測量過程和結果

在進行換熱器銅管測量實驗時,首先將CCD相機放置在換熱器前,相機鏡頭與換熱器銅管距離應和上文相機標定中相機鏡頭與棋盤格距離保持相等,同時使銅管成像畫面位于相機鏡頭中央.然后對獲取的銅管圖像進行灰度化、濾波去噪、二值化和數學形態學處理等預處理操作,其次對二值化圖像用Canny邊緣檢測算子繪制銅管邊緣,邊緣檢測結果如圖5所示.最后分別提取銅管上下邊界的像素坐標(如圖7所示),并將提取的上下邊界像素縱坐標取均值相減,差值即為銅管直徑的像素尺寸.

圖7 測量示意圖

實驗過程中提取并計算了多組邊界坐標,測量結果如表2所列.表中每組上下邊界縱坐標均值通過分別在上下邊界取10個縱坐標計算獲得;換算尺寸是通過銅管像素尺寸與上文中的像素尺寸和實際物理尺寸比例關系換算得到的.

表2 測量結果

3.2 結果分析

為了驗證本文測量方法的準確性,用游標卡尺直接測量換熱器銅管直徑,共測量50次,取均值,最終測量結果為9.760 mm,兩種測量方法結果如表3所列,本文測量結果由表2換算尺寸取均值獲得,通過與游標卡尺測量數據對比,計算誤差為1.6%.

表3 測量結果分析

通過表3數據和實驗過程分析可知,該實驗方案仍有可改進空間,比如本文實驗所用的相機為普通CCD相機,若改為工業CCD相機,則在相機標定時會更加精確,測量誤差將進一步縮小;在用Canny邊緣檢測算子進行邊緣提取時,繪制的邊緣并不光滑,存在“偽邊界現象”,這也對后面計算邊界像素坐標造成了一定的困難,從而影響了換熱銅管直徑的像素尺寸,增大了測量誤差;同時因為游標卡尺測量本身存在一定測量誤差,這也是導致誤差產生的客觀因素.

4 結論

本文針對換熱器換熱銅管直徑測量問題,采用圖像處理的方法,利用CCD相機采集換熱銅管圖像,通過灰度化、濾波去噪、二值化和數學形態學處理等方法進行圖像預處理,應用Canny邊緣檢測算子繪制邊界輪廓等操作,獲得換熱銅管直徑像素尺寸,并結合相機標定法將換熱銅管像素尺寸換算為實際物理尺寸,最后將圖像處理測量結果與游標卡尺測量結果對比,本文方法計算誤差為1.6%.本文提出的基于圖像處理的換熱器換熱銅管尺寸測量方法,可縮短普通人力測量的時間,自動化程度高,為實現機器視覺實時測量換熱器換熱銅管尺寸提供了一定的借鑒.