重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法

2023-05-13 08:43:01 3

專利名稱：：重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法
技術領域：
：重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法，本發明涉及一種自動計時方法，具體地說，涉及一種重力式毛細管粘度測試儀器的高精度自動計時方法，屬於光機電檢測與信號處理領域，也可用於其它領域的液位檢測。
背景技術：
：重力式毛細管粘度儀因原理簡單、測量精度高，廣泛應用於化工、紡織、醫藥、國防等行業，它通過測量牛頓液體流經粘度管的計時起點刻度線與計時終點刻度線之間的時間差，確定牛頓液體的粘度，因此，高精度計時是實現重力式毛細管粘度儀自動粘度測量的關鍵技術之一。現有的重力式毛細管粘度儀計時方法有(1)傳統的方法是通過人眼判斷被測液體的凹型液面流經粘度管計時刻度線，並配合秒表完成，這種方法工作效率低且測量誤差大；(2)以光電開關或光纖傳感器為檢測部件，根據液位變化時檢測部件的輸出電壓不同，利用比較電路和波形整形電路，完成計時起點刻度線和計時終點刻度線的檢測，這種方法可以實現自動計時，但沒有考慮因不同被測液體液位改變而造成的檢測電壓的差異，也沒有考慮被測液體下降時產生的凹形液面對檢測精度的影響，因此必然會產生較大的檢測誤差；(3)以光電傳感器為檢測部件，根據液位變化時，因凹型液面存在而使得檢測部件的輸出電壓會產生一個峰值(最小值)，利用微控制器，採用峰值檢測方法，自動完成計時起點刻度線和計時終點刻度線的檢測，這種方法考慮了凹型液面對檢測精度的影響，但同時卻產生一個最大誤差為採樣間隔時間的計時誤差，考慮到硬體的限制而使得液位信息採樣率不能太高，因此這種方法也會存在較大的檢測誤差。
發明內容為克服己有技術的不足，本發明的目的在於提供一種重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法，該方法能夠準確、實時完成重力式毛細管粘度儀自動計時，檢測精度高，誤差小。參見附圖1，被測液體在粘度管中由於吸附作用和表面張力的作用，其表面呈近似球形凹面，當被測液體的凹型液面沒有處在計時刻度線時，即凹型液面處在非計時刻度線區，其檢測到的液位電壓幾乎保持不變；當被測液體的凹型液面下降到計時刻度線時，即凹型液面處在計時刻度線區，光電檢測部件紅外光發射部分發出的紅外光經液面反射、折射，接收部分接收的紅外光大大衰減，其產生的液位檢測電壓隨之減小，經信號調理、模數轉換得到的電壓信號較正常時發生改變。同時，凹型液面完全流過計時刻度線需要一定時間，因此液位檢測電壓不能突變，而是一個與液體下降速度有關的緩慢變化過程，該變化過程與被測液體的粘度密切相關，該變化過程對重力式毛細管粘度儀的檢測精度(即計時精度)產生極大的影響。基於以上分析，本發明提出的重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法，其特徵在於，以光電傳感器為液位檢測部件，利用間歇釆樣方法，當凹型液面處於非計時刻度線區時，採用最大的採樣間歇時間，得到非計時刻度線區的液位檢測電壓，求得該計時刻度線區檢測電壓方程(該區域的液位檢測電壓幾乎不變，電壓曲線為一水平直線)，記為/。；當凹型液面處於計時刻度線區時(即以計時刻度線為中心的某個鄰域，液位檢測電壓開始變化的區域)，利用變採樣率技術，調整採樣間歇時間，通過檢測重力式毛細管粘度儀中被測液體的液位電壓變化值，利用羅曼諾夫斯基準則，確定曲線擬合的起點，採用基於最小二乘法曲線擬合方法，求得計時刻度線區檢測電壓的曲線方程，記為//，//與/。的交點即為計時點，通過上述方法找到計時起點並自動開始計時，記為利用同樣的方法，找到計時終點並自動停止計時，記為A，兩者之差即為被測液體流經重力式毛細管粘度儀計時起點刻度線與計時終點刻度線的時間。它包括以下步驟(1)液位檢測電壓採集與預處理以光電傳感器為液位檢測部件，利用模數轉換器，完成液位檢測電壓的採集。由於液位檢測電壓受噪聲和其它外界信號幹擾，微控制器或其他嵌入式系統設備利用一種數字濾波方法完成採樣信號的預處理，該方法連續採樣2個液位檢測電壓，並對其按從小到大順序排列得到;c;，去掉前、後各『個採樣值，對其餘G-2W個》進行均值濾波，即以",為第^時刻的液位採樣電壓。(2)非計時刻度線區液位檢測電壓方程的確定非計時刻度線區的液位檢測電壓幾乎不變，電壓變化曲線為一水平直線，因此其值可為非計時刻度線區的窗口長度為&、去極大極小值後的滑窗均值濾波值，即formulaseeoriginaldocumentpage4式中，W似("("+'))表示取極大值；W/W0("+/))表示取極小值。(3)計時刻度線區曲線擬合起點的確定非計時刻度線區液位信息平穩，液位檢測電壓變化量小；而當進入計時刻度線區時，液位檢測電壓變化量大。以非計時刻度線區液位檢測電壓一階差分的標準差^為先驗知識，根據粗大誤差的剔除方法，可以很方便地判斷被測試樣的液位是否已經進入計時刻度線區。設",為/時刻液位檢測電壓，",-1為/-1時刻液位檢測電壓，A",為,時刻w,的一階差分，即formulaseeoriginaldocumentpage5(3)當液位檢測數據較少時，採用羅曼諾夫斯基檢驗準則，即formulaseeoriginaldocumentpage5(4)可以判別第/'點是否可能處於計時刻度線區。式中，^i為檢驗係數，可根據檢測數據的個數，通過查表得到；^;為對非計時刻度線區液位檢測電壓(不包含第/點檢測電壓)的一階差分進行窗口為&的滑動窗口均值濾波結果，即formulaseeoriginaldocumentpage5(5)式中，^為不含第/點液位檢測電壓一階差分的標準差，即formulaseeoriginaldocumentpage5(6)如果第M點液位檢測電壓的一階差分AMM滿足式(4)，利用變採樣率技術，改變間歇採樣的間歇時間，如果同時第M點後面連續^點均有A",^0，系統則判定第M點為計時刻度線區曲線擬合起點，即formulaseeoriginaldocumentpage5(7)當丄A產1時，系統即判定第M點為計時刻度線區曲線擬合起點。(4)計時刻度線區液位檢測電^方程的確定採用基於最小二乘法曲線擬合方'法，求得計時刻度線區檢測電壓的曲線方程。經多次實驗發現，計時刻度線區液位檢測電壓方程近似為一條直線//，設其方程為formulaseeoriginaldocumentpage5(8)式中，a、6為待定參數。當凹型液面處於計時起點刻度線區時，以M點為起點，連續採樣W點液位檢測電壓，去掉第W點和第M點，對W-2個液位檢測電壓數據按式(8)進行擬合，有formulaseeoriginaldocumentpage6解方程(9)，並將式(10)、(11)代入方程(9)的解，得formulaseeoriginaldocumentpage6當「與/。相交時，交點為計時起點，即formulaseeoriginaldocumentpage6式中，/n即為計時起點值。同理，可得到計時終點值ta，則時間差formulaseeoriginaldocumentpage6即為被測液體從計時起點刻度線下降到計時終點刻度線所需的時間。(5)間歇採樣的間歇時間fc的模糊自適庫確定參見附圖2，實驗發現，非計時刻度線區液位檢測信息平穩，電壓變化量小，間歇採樣的間歇時間fe可較大，然而在計時刻度線區，過大的fe會丟失液位信息，影響測量精度；不同被測液體因粘度不同而導致凹型液面完全流過計時刻度線所需時間不同。為滿足檢測精度的要求，採用一種模糊決策方法，自動調整間歇時間fe。設被測液體在重力作用下從初始位置A(每次操作的初始位置一致)下降到計時起點刻度線/2的時間為A,則①當在非計時刻度線區時，採用最大的間歇時間^^，以減少運算量和存儲空間，此時formulaseeoriginaldocumentpage6(17)②當被測液體液位檢測電壓的一階差分A",滿足式(4)時，系統認為此時被測液體有可能從非計時刻度線區過渡到計時刻度線區，啟動間歇時間fe的自適應判決；如果第/點處於非計時刻度區的/一2區間，系統自動計算時間/,。③當被測液體液位檢測電壓的一階差分A",滿足式(4)而乙A產0時，即第/點為幹擾，系統判決第/點處於非計時刻度線區，間歇時間fe恢復為/(^w如果第/點處於非計時刻度區的厶-/2區間，系統自動更新吋間A。④當被測液體在計時刻度線區時，系統自動選擇間歇時間tew。，以滿足檢測精度，此時formulaseeoriginaldocumentpage7(18)間歇時間的自適應判決採用模糊判決方法，以時間6為輸入變量，採用一維模糊結構和七級變量形式。表l為模糊決策規則表，其中{1,2,3,4,5,6,7)分別表示{很小，小，較小，中，較大，大，很大}七級，7F為模糊輸入變量，即formulaseeoriginaldocumentpage7(19)式中，INT[Round("表示四捨五入並取整，當INT[Round(O]的值小於I或大於7時，7F分別取1或7,fe為模糊化因子，設^為r,的下限值，^;為/,的上限值，國家標準GB10247-88(粘度測試方法)規定t=200秒，^=1000秒，貝'J、表l中，屍o為模糊輸出，有表l間歇時間模糊決策規則表tableseeoriginaldocumentpage7本發明所述的光電傳感器液位檢測部件，是以紅外發光二極體為發射管，以紅外接收二極奮為接收管的，它能有效的避免可見光的千擾，其輸&電壓經後接的調理電路(包括放大、濾波和阻抗匹配等)，為模數轉換提供輸入信號。本發明所述的模數轉換器，可以是獨立的模數轉換晶片，或是微控制器和其它嵌入式系統設備內部的模數轉換功能模塊，但不管採用哪種模數轉換器，必須配合信號調理電路。本發明所述的羅曼諾夫斯基準則，是一種粗大誤差數據剔除的方法，在本發明中，由於非計時刻度線區液位信息平穩，液位檢測電壓變化量小，而當進入計時刻度線區時，液位檢測電壓變化量大，以這種方法可以很方便地判斷被測液體的液位是否己經進入計時刻度線區;檢驗係數《i可以根據檢測數據的數量，通過查表獲得。formulaseeoriginaldocumentpage7(20)本發明所述的計時功能可以通過外接的實時時鐘晶片(百分之一秒及以上的精度)，配合微控制器或其它嵌入式系統設備完成，也可直接利用微控制器或其它嵌入式系統設備內部的定時器功能模塊完成。本發明所述的間歇採樣，就是每隔一段時間(即間歇時間fc),以一定的採樣率連續採樣多點(比如0點)，間歇時間與被測液體的粘度有關，其值可由本發明所述的模糊自適應方法確定，其最大值^,。根據模數轉換器的轉換速率和微控制器或其它嵌入式系統設備的運行速度與存儲空間的大小綜合確定。本發明所述的數據預處理中的2為一次間歇採樣連續採樣液位檢測電壓的個數，『為對這個數據進行排序後得到的前後數據的長度，它們的值根據模數轉換器的轉換速率、間歇採樣的採樣時間和微控制器或其它嵌入式系統設備的運行速度綜合確定。本發明所述的&、&分別為滑動窗口濾波的窗口長度，其值可根據檢測精度要求和微控制器或其它嵌入式系統設備的運行速度綜合確定。本發明所述的W為計時刻度線區曲線擬合數據的個數，其值可根據測精度要求和微控制器或其它嵌入式系統設備的運行速度綜合確定。根據本發明所述的重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法得到被測液體流經計時起點刻度線和計時終點刻度線的時間後，再乘以該毛細管粘度管的儀器常數，即可得到被測液體的運動粘度。本發明與己有技術相比有以下優點1、本發明可以實現重力式毛細管粘度儀高精度自動計時，計時精度高；2、本發明克服了被測液體的凹型液面對計時精度的影響，大大提高了測量結果的準確度；3、本發明克服了不同被測液體因粘度不同而對計時精度的影響。附圖1是本發明的光電傳感器液位檢測原理框圖。附圖2是,重力式毛細管粘度儀高精度自動計時原理圖。附圖3是重力式毛細管粘度儀計時刻度線區液位檢測電壓及其一階差分曲線圖，其中(a)為液位檢測電壓變化曲線，(b)為液位檢測電壓一階差分曲線。附圖4是本發明的基於曲線擬合和羅曼諾夫斯基檢驗準則的計時點確定原理圖。附圖5是本發明的重力式毛細管粘度儀高精度自動計時流程框圖。其中，1、調理電路，2、模數轉換電路，3、微控制器或其它嵌入式系統設備，4、紅外發射二極體，5、紅外接收二極體，6、重力式毛細管粘度管，7、凹型液面，8、上存儲器，9、計時起點光電傳感器，10、計時球，U、計時終點光電傳感器，12、毛細管。附圖3中的A為計時起點，B為計時終點；附圖4中的"A/為曲線擬合起點，h為計時點。具體實施例方式本發明提出了一種基於曲線擬合和羅曼諾夫斯基檢驗準則的重力式毛細管粘度儀髙精度自動計時方法。以下結合附圖作詳述，但不作為本發明的限定。設定本實施例中，採用TI公司的高性能單片機MSP430F449作為微控制器1，利用其內部的模數轉換功能模塊作為模數轉換器2完成液位檢測電壓的模數轉換，利用實時時鐘晶片DS1390(百分之一秒)配合MSP430F449完成計時功能，取在間歇採樣的採樣時間內連續採樣250個液位檢測電壓數據(即^=250)，並按從大到小的順序排列，剔除前25個數據和後25個數據(即『=25)，取滑動均值濾波的窗口長度&=10,&=10，羅曼諾夫斯基檢驗係數^=2.62(查表獲得)，計時刻度線區曲線擬合的液位檢測電壓數據個數iV=8,採樣間歇時間fc的最大值fcmax=450ms,計時刻度線區的,G膽-90ms，模糊化因子^=0.0075。利用已檢定合格的烏式粘度計(一種重力式毛細管粘度管，毛細管內徑為0.9mm，儀器常數為0.04617mm2/s2)，在25'C的條件下，以變壓器油為被測液體，首先將變壓器油注入粘度管6中，利用吸耳球，將變壓器油吸入上存儲器8的初始線/,,變壓器油在重力的作用下，經計時球底部10的毛細管/2流回粘度管6的底部，由於重力和吸附效應的作用，被測液體產生凹型液面7，當凹型液面下降到計時起點刻度線/2時，計時起點光電傳感器9檢測到凹型液面，確定計時起點並啟動計時；當凹型液面下降到計時終點刻度線/3時，計時起點光電傳感器ll檢測到凹型液面，確定計時終點並停止計時，微控制器MSP430F449計算出凹型液面從計時起點刻度線/2下降到計時終點刻度線/3的時間，lf入粘度管6的儀器常數，即可得到變壓器油的運動粘度。本實施例還對比了傳統的方法，即通過人眼判斷被測液體的凹型液面流經粘度計計時起點刻度線和計時終點刻度線，並配合秒表完成計時和粘度測量，稱之為手動方式。表2是本實施例得到的測試結果。從表2可以看出，採用基於最小二乘法曲線擬合和羅曼諾夫斯基準則的高精度自動計時方法獲得的運動粘度重複性優於手動計時方式，也遠優於《0.3%的國家標準，運動粘度的分散性優於手動計時方式(即標準差小於手動計時方式，表2變壓器油不同計時方式的運動粘度數據比較tableseeoriginaldocumentpage10權利要求1.一種重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法，其特徵在是以光電傳感器為液位檢測部件，利用間歇採樣方法和變採樣率技術，採用羅曼諾夫斯基準則和基於最小二乘法曲線擬合方法，分別確定計時起點和計時終點，從而求得被測液體流經重力式毛細管粘度儀計時起點刻度線與計時終點刻度線的時間。2.根據權利要求l所述的光電傳感器可以是近紅外發光二極體和近紅外接收二極體，也可以是其它光電傳感器。3.根據權利要求l所述的間歇採樣，是一種採樣方法，它每隔一段時間(即間歇時間)，以一定的採樣率連續採樣多點，間歇時間與被測液體的粘度有關，根據檢測精度、模數轉換器的轉換速率、微控制器或其它嵌入式系統設備的運行速度與存儲空間的大小，利用本發明所述的模糊自適應方法可以確定間歇時間的長短，其值可以消除被測液體因粘度不同而對測量精度產生的影響。4.根據權利要求l所述的變採樣率技術是指在非計時刻度線區，間歇採樣的間歇時間取最大值，而在計時刻度線區，間歇時間的大小必須自動調整，其值可以根據本發明所述的模糊自適應方法確定，這種變釆樣技術可以保證微控制器或其它嵌入式系統設備，對於不同粘度的液體，在不超出計時刻度線區，採樣相同點數的液位檢測電壓，為計時刻度線區的曲線擬合提供可靠的數據，從而提高檢測精度。5.根據權利要求l所述的羅曼諾夫斯基準則，是一種粗大誤差數據剔除的方法，根據檢測數據的數量，通過查表可以獲得羅曼諾夫斯基檢驗係數，利用該檢驗準則，可以很方便地判斷被測試樣的液位是否已經進入計時刻度線區。6.根據權利要求I所述的最小二乘法曲線擬合方法，是一種獲取計時刻度線區檢測電壓曲線方程的方法，並求出該曲線與非計時刻度線區檢測電壓曲線的交點，作為計時起點或計時終點，從而完成自動計時，這種方法可以消除釆樣頻率和間歇採樣的間歇時間對液位檢測和自幼計時帶來的誤差，從而大大提高計時精度。7.根據權利要求1和權利要求6所述的求取非計時刻度線區檢測電壓曲線方法，是通過採用去除非計時刻度線區M個極大極小值後滑窗均值濾波值，作為該曲線的值，由於非計時刻度線區的液位檢測電壓幾乎不變，電壓曲線為一水平直線，A/的值和滑窗均值濾波的窗口大小根據根據檢測精度要求、模數轉換器的轉換速率、微控制器或其它嵌入式系統設備的運行速度與存儲空間的大小所決定。全文摘要本發明公開了一種重力式毛細管粘度儀高精度自動計時方法以光電傳感器為液位檢測部件，利用間歇採樣方法和變採樣率技術，採用羅曼諾夫斯基準則和基於最小二乘法曲線擬合方法，分別確定計時起點和計時終點，從而獲得被測液體流經重力式毛細管粘度儀計時起點刻度線與計時終點刻度線的時間。該方法包括以下步驟(1)液位檢測電壓採集與預處理；(2)非計時刻度線區液位檢測電壓變化曲線方程的確定；(3)計時刻度線區曲線擬合起點的確定；(4)計時刻度線區液位檢測電壓變化曲線方程的確定；(5)間歇採樣的間歇時間tG的模糊自適應確定。文檔編號G04F13/02GK101281111SQ20081003142公開日2008年10月8日申請日期2008年6月2日優先權日2008年6月2日發明者吳陽平,周文杰,楊聖潔,楊平濤,林海軍,滕召勝,謝彩雲,海遲申請人:湖南大學