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时间:2019-09-19

0 引言

机车车辆专用压力表 (以下简称“专用压力表”) 是指以弹簧管为感压元件, 测量并指示机车车辆制动系统压力量值的指针式仪表。由于专用压力表具有结构简单、使用方便, 以及在使用中不易受电磁等因素干扰的优点, 被广泛应用于机车车辆领域。中国铁路局集团有限公司专用压力表的年检定量在3万件以上, 检定方式采用传统的手操、眼看、笔记, 工作效率较低, 劳动强度较大。近年来, 在通用压力表检定领域, 出现了自动控压、图像识别读数和自动处理数据的压力表自动检定装置 (以下简称“自动检定装置”) , 提高了压力表的检定效率。为了提高专用压力表的检定效率和质量, 减轻检定人员工作强度, 考虑借鉴通用压力表较为先进的检定方式, 实现专用压力表的智能化检定。

1 通用压力表及其自动检定装置分析

通用压力表和专用压力表的工作原理都是通过弹性敏感元件 (弹簧管) , 在压力作用下产生的弹性形变测量压力。由于使用中技术指标不同、检定点选择不一和专业性特点等原因, 自动检定装置不能直接用于专用压力表的检定, 需要考虑以下几点。

1.1 通用压力表与专用压力表的差异

1.1.1 技术指标不同

通用压力表根据准确度等级划分, 同一块压力表各点的允许误差相同 (除测量范围的90%以上) ;专用压力表各点的允许误差不同, 其中常用区间为±10 kPa, 其他各点为±1.6%FS (除测量范围的90%以上) 。

1.1.2 检定点的选择不同

通用压力表检定点按照标有数字的分度线选取;专用压力表在检定前应先确认常用区间 (JJG (铁道) 193—2007《机车车辆专用压力表》表述为“常用点”) , 检定点应选择常用区间上下限、常用点和其他标有数字的分度线。

1.2 通用压力表自动检定装置的不足

通用压力表自动检定装置有2种:第1种是自动控压、自动数据处理, 但仍然需要人眼读数、人工轻敲和人工记录, 实现检定的半自动;第2种是在前一种的基础上采用图像识别技术读数, 自动化程度更高一些, 但仍然没有解决以下问题。

(1) 自动轻敲的同步性。检定时, 需要分别读取轻敲压力表表壳前后的示值, 自动检定装置尚未实现图像识别与自动轻敲的协同检定。

(2) 指针偏转平稳性。指针偏转平稳性主要检查压力表在测量范围内指针偏转是否平稳、有无卡滞现象。目前, 自动检定装置没有指针偏转平稳性这项检定项目。

(3) 双针双管压力表的检定。自动检定装置尚未覆盖双针压力表的检定, 而专用压力表中有大量的双针压力表。

(4) 检定点的选择。通用压力表的检定点是固定的, 专用压力表由于其专业性特征, 用于不同型号的机车车辆时, 检定点不一样。

2 系统设计

基于上述情况, 需要研究适用于专用压力表的智能检定系统。该系统能够实现专用压力表检定点的自动选择, 包括双针压力表读数在内的图像识别, 与图像识别技术协同检定的自动轻敲, 以及原始数据的自动采集、记录, 测量数据自动处理, 检定结论自动判定和原始记录及证书的电子化。通过对自动检定装置发展现状的分析, 结合专用压力表检定的专业性需求, 从硬件和软件2个方面思考专用压力表智能检定系统的设计方案。

2.1 硬件设计

在硬件设计上, 主要研究具有图像识别功能的检定装置 (以下简称“检定装置”) 。检定装置由2部分组成, 一是能够提供自动控制和输出标准压力的设备, 该设备在精确、稳定控制压力值的基础上, 还具有数据输出接口, 能够通过某种通信协议实现数据的传输和交互;二是带有轻敲机构的图像识别装置, 该图像识别装置能够对压力表实现准确读数, 并且将数据传输至系统客户端。上述图像识别功能的实现, 取决于足够高的分辨率和具有一定采集速度的工业相机, 符合视场要求的镜头, 以及均匀、稳定的光源等条件因素。

2.2 软件设计

软件设计主要考虑3个方面:一是依据标准压力设备接口模块和图像识别模块的通信接口协议, 编写自动化控制软件, 实现检定装置测量参数设置和测量数据回传的受控;二是根据检定规程的要求, 编写系统客户端软件, 实现对检定流程的控制;三是编写系统平台数据对接模块, 实现检定数据和结论与系统平台的对接。

2.3 总体框架

专用压力表智能检定系统的硬件基础是具有图像识别功能的压力表检定装置, 包括自动压力控制和图像识别2个模块, 直接对专用压力表开展检定操作。自动化控制软件和系统客户端软件是实现智能检定软件的核心。其中, 自动化控制软件实现测量参数设置、测量控制等功能;系统客户端软件实现检定数据采集、处理等功能。系统平台用于计量器具的信息提取、保存和管理, 是智能检定的基础。专用压力表智能检定系统总体框架如图1所示。

3 工作原理及系统功能

3.1 工作原理

专用压力表智能检定系统的工作原理如下: (1) 检定装置根据自动化控制软件发出的指令执行检定操作; (2) 压力控制模块实现各检定点的自动升压、降压; (3) 图像识别模块根据采集的表盘图像计算并得到检定值, 随后将测量结果回送至自动化控制软件; (4) 自动化控制软件按照检定流程和工位顺序向系统客户端软件发送测量结果; (5) 客户端软件在完成所有项目后批量向系统平台发送检定结果; (6) 系统平台自动保存并生成电子原始记录和检定证书 (或检定结果通知书) , 至此完成一个检定流程。专用压力表智能检定系统工作原理如图2所示。

3.2 系统功能

专用压力表智能检定系统具有以下功能。

(1) 任意选择检定点。检定员在系统客户端根据提示输入常用点, 系统客户端软件自动计算检定点, 并通过自动化控制软件控制检定装置, 从而实现各检定点的检定。

(2) 指针偏转平稳性检定。系统客户端软件向自动化控制软件发出指针偏转平稳性检定指令, 检定装置执行指令, 在作出判定后, 回传给系统客户端软件。

图2 专用压力表智能检定系统工作原理

图2 专用压力表智能检定系统工作原理   下载原图

 

图1 专用压力表智能检定系统总体框架     下载原表

图1 专用压力表智能检定系统总体框架

(3) 双针双管压力表检定。在系统客户端界面, 可以选择“单针压力表”或“双针压力表”。选择“双针压力表”后, 系统客户端将依照双针压力表相应检定项目开展检定。

(4) 自动轻敲并及时读数。在检定过程中, 当指针稳定后, 图像识别模块自动读取检定值, 并将其发送至系统客户端。轻敲装置中的CPU将随时检测是否读数完毕。若检测到读数完毕, CPU将向轻敲小槌发出指令, 轻敲小槌将按照指令完成动作, 此后图像识别模块将再次自动读数, 并将检定数据发送至系统客户端。

(5) 同时检定2块专用压力表。在系统客户端同时选择2块专用压力表, 启动检定后, 2块表将同步检定, 系统客户端界面将显示2块表的实时图像和检定数据。

4 验证实验

为了验证该智能检定系统方案的可靠性, 采用测量范围为0~1 000 kPa的双针专用压力表开展2种方式的检定。

(1) 采用专用压力表智能检定系统对该表检定。在系统客户端选择需要检定的专用压力表后, 输入常用点为500 kPa, 系统客户端界面自动显示检定点为200 k Pa, 400 kPa, 500 kPa, 600 kPa, 800 k Pa, 1 000 kPa。系统客户端界面如图3所示。

图3 系统客户端界面

图3 系统客户端界面   下载原图

 

(2) 由操作熟练的检定员对该专用压力表实施人工检定。智能检定结果和人工检定结果比较见表1。

表1 智能检定结果和人工检定结果比较     下载原表

kPa

表1 智能检定结果和人工检定结果比较

比较表1中的数据可以看出, 智能检定和人工检定结果最大差值为4 kPa。2次测量结果可以视作实验室不同人员之间的比对, 测量结果之差不超过2.83s (s为检定结果测量不确定度评定中的测量重复性) 。智能检定结果符合JJF 1033—2016《计量标准考核规范》的要求。

5 结语

机车车辆专用压力表智能检定系统的研究, 改变了专用压力表人工检定的传统方法, 不仅降低了检定人员的劳动强度, 还提高了劳动效率。同时, 机车车辆专用压力表智能检定系统消除了检定中因人眼的主观因素带来的影响, 使检定数据更为准确、可靠。但是, 光线的敏感性和压力表表盘的多样化, 限制了机车车辆专用压力表智能检定系统中图像识别系统的应用覆盖范围。为了更加顺利、准确地判断出压力表的测量范围及测量读数, 进而实现不同规格压力表自动确定检定点和实施检定, 考虑在光线环境不佳和多样化的视场下增加辅助光源, 研究开发智能深度学习技术, 将为进一步优化和改善检定系统功能奠定基础。在后续研究中还应考虑实现2块专用压力表由同步检定转变为各自独立检定, 以便使检定操作更加灵活。


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