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一，概述
　　pH計(jì)，離子計(jì)是一種常見的產(chǎn)品量和食品安全的檢測(cè)儀器，pH計(jì)和離子計(jì)的計(jì)量性能準(zhǔn)確與否直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和食品質(zhì)量。因此，國(guó)家將其列入了國(guó)家強(qiáng)制檢測(cè)的計(jì)量?jī)x器。檢定一臺(tái)pH計(jì)或離子計(jì)要近百個(gè)檢定數(shù)據(jù)，檢定人員要花大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，人工計(jì)算結(jié)果較容易出差錯(cuò)。為此，我們研發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀，該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用虛擬儀器技術(shù)，數(shù)碼攝像的圖像采集和識(shí)別技術(shù)，組成以計(jì)算機(jī)為核心虛擬儀器，具有自動(dòng)輸出標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，自動(dòng)采集和讀取被檢器讀數(shù)，自動(dòng)記錄檢定數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)進(jìn)行檢定結(jié)果準(zhǔn)確度的判別，自動(dòng)出具檢定證書等功能。對(duì)提高檢定工作技術(shù)水平和檢測(cè)工作效率，實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定的自動(dòng)化水平都有重要的意義。
　　二，PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀的設(shè)計(jì)
　?。ㄒ唬﹑H計(jì)及檢定儀的工作原理PH計(jì)是一種常用的電化學(xué)分析儀器，主要用來(lái)測(cè)量液體的酸堿度。該儀器由pH電極（傳感器）和pH電計(jì)（二次儀表）兩部分組成。PH計(jì)檢定儀的檢定對(duì)象是pH電計(jì)（二次儀表）部分。
　　pH值定義：水中氫離子活度的負(fù)對(duì)數(shù)，即pH=-log[H ].pH電極應(yīng)用原電池原理，將對(duì)氫離子敏感的電極插入水溶液，組成一個(gè)原電池，pH電極的電位與pH和溫度有關(guān)，滿足能斯特（NERNST）方程：焊縫可以伸縮，焊接（激光焊接技術(shù)）工藝容易保證，所以在地面上焊接的南溫帶焊縫焊接殘余應(yīng)力小，出現(xiàn)裂紋的幾率也?。粚?duì)北溫帶和赤道帶的安裝，因是在罐體上點(diǎn)固，組對(duì)與焊接，點(diǎn)固后的焊縫不能自由伸縮，罐體厚度又大，錯(cuò)邊和角變形難以矯正，而需強(qiáng)力組對(duì)，使北溫帶和赤道帶存在很大的拘束應(yīng)力，加之冬季安裝時(shí)，焊前預(yù)熱溫度，層間溫度，后熱溫度及保溫時(shí)間等焊接工藝要求難以保證，使北溫帶和赤道帶焊縫形成延遲性冷裂紋。
　?。ǘ┈F(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，焊材中的水分和大氣中的水汽等經(jīng)焊接電弧的高溫?zé)嶙饔?，?huì)分解成氫原子而進(jìn)入焊接熔池中，引起焊接接頭氫濃度過高[2]，也會(huì)引起延遲性冷裂紋。
　　（三）從對(duì)赤道帶焊縫金相檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，焊縫顯微組織存在枝晶偏析，焊縫塑性，韌性下降，有利于裂紋的形成。
　　正是上述三種情況的存在，使球罐中形成大量的延遲性冷裂紋。而16MnR材料淬硬性較低，使裂紋表現(xiàn)出穿晶型擴(kuò)展。
　　至于二次開罐檢驗(yàn)時(shí)仍發(fā)現(xiàn)大量裂紋，則是因安裝時(shí)硬性組對(duì)形成的結(jié)構(gòu)性缺陷和殘余應(yīng)力在熱處理之后不可能*消除，加之罐體厚度較大，返修焊接時(shí)預(yù)熱不均勻，冷卻速度快，返修焊縫尖窄，使焊接接頭產(chǎn)生新的局部應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫開裂。
　　四，裂紋修復(fù)（一）裂紋消除：擴(kuò)大缺陷清除的部位，先用碳弧氣刨刨除裂紋，再用砂輪機(jī)打磨消除碳弧氣刨層，經(jīng)磁粉探傷檢查，確認(rèn)裂紋已消除，磨出焊接坡口。
　　（二）焊接：保證焊條的烘干溫度和時(shí)間，避免在潮濕天氣時(shí)施焊，焊前對(duì)坡口進(jìn)行嚴(yán)格清污，減少氫帶入的可能，同時(shí)，提高預(yù)熱溫度及焊接線能量，嚴(yán)格按焊接工藝要求施焊，焊前預(yù)熱溫度120～140℃，層間溫度不低于125℃，后熱200℃/1h.（三）檢驗(yàn)：焊接完成后36h，返修部位進(jìn)行100的射線探傷和磁粉探傷及20的超聲波探傷。
　　五，結(jié)論該球罐中的裂紋性質(zhì)為延遲性冷裂紋，其成因是球罐安裝過程中拘束應(yīng)力應(yīng)力偏高，焊縫中氫濃度較高和焊縫組織偏析三者交互作用的結(jié)果。
　　為避免或減少LPG球罐焊接接頭的開裂現(xiàn)象，應(yīng)在施焊過程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，做好焊接工藝評(píng)定與焊前預(yù)熱工作，減小組對(duì)過程中的錯(cuò)邊與角變形，以及氫的來(lái)源。同時(shí)，注意做好焊后消除應(yīng)力熱處理，以盡可能減小焊接接頭區(qū)的拉伸殘余應(yīng)力，防止冷裂紋的發(fā)生。
　　數(shù)T――溫度（K）
　　F――法拉弟常數(shù)在25℃時(shí)，每pH的電位為59.157mV.pH檢定儀的設(shè)計(jì)原理就是模擬pH電極的標(biāo)準(zhǔn)電位，輸出遵循能斯特（NERNST）方程的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，對(duì)pH電計(jì)（二次儀表）的計(jì)量性能進(jìn)行檢定。
　　（二）檢定儀的總體設(shè)計(jì)PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀主要由虛擬儀器軟件，液晶觸摸屏計(jì)算機(jī)，CCD成像系統(tǒng)，信號(hào)發(fā)生器和計(jì)算機(jī)接口電路組成（檢定儀總體框圖見圖1）。該檢定儀有三種工作方式，一種是手工操作方式，用戶通過計(jì)算機(jī)中的虛擬儀器界面，控制調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出各種模擬pH/離子計(jì)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，可按常規(guī)儀表方式操作和檢定。第二種半自動(dòng)檢定方式，通過檢定原始數(shù)據(jù)表格界面，自動(dòng)選擇檢定點(diǎn)，輸出該檢定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，被檢pH/離子計(jì)在接受到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，通過人眼觀察，手動(dòng)微調(diào)標(biāo)準(zhǔn)器電位信號(hào)的輸出，使被檢pH/離子計(jì)的示值調(diào)到與檢定點(diǎn)一致，按確認(rèn)鍵將檢定儀的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)讀數(shù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)進(jìn)行檢定結(jié)果準(zhǔn)確度判斷。（也可人工記錄讀數(shù)，自動(dòng)處理數(shù)據(jù)。）第三種方式是全自動(dòng)檢定方式，虛擬儀器按照國(guó)家檢定規(guī)程規(guī)定的檢定點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)的自動(dòng)程序控制標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)發(fā)生器發(fā)出各種模擬pH/離子計(jì)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，通過CCD成像系統(tǒng)，自動(dòng)采集和識(shí)別被檢器pH/離子計(jì)的讀數(shù)，并自動(dòng)記錄被檢器的檢定數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和檢定結(jié)果準(zhǔn)確度判斷。
　　圖1檢定儀總體框圖（三）硬件設(shè)計(jì)PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀硬件包括液晶觸摸屏計(jì)算機(jī)，CCD成像系統(tǒng)，電位信號(hào)發(fā)生器和計(jì)算機(jī)接口電路組成。CCD成像系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)，使用定焦鏡頭，通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接。標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)發(fā)生器是該檢定儀的核心部分，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)，高穩(wěn)定度電源，高準(zhǔn)確度D/A轉(zhuǎn)換器，高阻切換選擇電路等（框圖見圖2）。信號(hào)發(fā)生器通過USB接口與計(jì)算機(jī)通訊，由于整個(gè)系統(tǒng)功耗較低，采用USB口取電方式供電。
　　圖2標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器框圖該"虛擬儀器"軟件部分分為用戶界面模塊，檢定模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，證書打印模塊，校準(zhǔn)模塊，標(biāo)準(zhǔn)器信息模塊，數(shù)字簽名模塊，圖像采集模塊，圖像處理和識(shí)別模塊等（具體見圖3）。具有用戶界面友好，操作方便，自動(dòng)化，智能程度高等特點(diǎn)。
　　圖3軟件系統(tǒng)框圖1，用戶界面模塊這個(gè)模塊是檢定軟件與用戶的接口，按照檢定人員的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面友好，操作方便，簡(jiǎn)單，易于上手。具體可分為模擬傳統(tǒng)儀器界面，半自動(dòng)檢定界面和全自動(dòng)檢定界面（需要攝像頭支持），具體見圖4，圖5和圖6.圖4模擬傳統(tǒng)儀器界面圖5半自動(dòng)檢定界面圖6全自動(dòng)檢定界面2，圖像處理，識(shí)別模塊系統(tǒng)采集，識(shí)別的對(duì)象是酸度計(jì)（或離子計(jì)）
　　的液晶或數(shù)碼管，大多數(shù)酸度計(jì)（或離子計(jì)）的液晶或數(shù)碼管采用八段的顯示結(jié)構(gòu)（見圖7），可顯示的字符種類有0～9，負(fù)號(hào)和小數(shù)點(diǎn)12種字符。
　　圖7八段顯示結(jié)構(gòu)根據(jù)以上特點(diǎn)我們提出了一套針對(duì)儀表數(shù)字顯示特征的快速識(shí)別算法，包括圖像的二值化，圖像傾斜度校正，字符分割，特征提取與識(shí)別等步驟。采集到的圖像如圖8所示。
　　圖8采集到的圖像（1）二值化圖像的二值化關(guān)鍵是閾值分割，Otsu方法（大律方法）是經(jīng)典的非參數(shù)，無(wú)監(jiān)督自適應(yīng)閾值選取方法。它利用圖像中的灰度直方圖，以目標(biāo)與背景之間的方差zui大來(lái)動(dòng)態(tài)地確定圖像分割門限值，它不需要其他先驗(yàn)知識(shí)，因而應(yīng)用范圍很廣。
　　該方法的基本思想如下：設(shè)一維離散概率密度的歸一化直方圖為：式中，n為圖像的像素總數(shù)，nq是灰度級(jí)為rq的像素?cái)?shù)目，L是圖像的灰度等級(jí)。現(xiàn)隨機(jī)選定一個(gè)灰度閾值k，它把圖像灰度級(jí)分成兩類：C0為一組灰度級(jí)為[0，1，…，k-1]的像素，C1為另一組灰度級(jí)為[k，k 1，…，L-1]的像素。類間方差定義為：之后搜索遍歷所有的灰度等級(jí)，當(dāng)符合zui大化類間方差準(zhǔn)則：時(shí)，對(duì)應(yīng)的K即為所要求的閾值。利用該方法二值化后的圖像效果如圖9所示。
　　圖9二值化后的圖像效果（2）分割4243R――氣體常數(shù)T――溫度（K）
　　F――法拉弟常數(shù)在25℃時(shí)，每pH的電位為59.157mV.pH檢定儀的設(shè)計(jì)原理就是模擬pH電極的標(biāo)準(zhǔn)電位，輸出遵循能斯特（NERNST）方程的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，對(duì)pH電計(jì)（二次儀表）的計(jì)量性能進(jìn)行檢定。
　?。ǘz定儀的總體設(shè)計(jì)PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀主要由虛擬儀器軟件，液晶觸摸屏計(jì)算機(jī)，CCD成像系統(tǒng)，信號(hào)發(fā)生器和計(jì)算機(jī)接口電路組成（檢定儀總體框圖見圖1）。該檢定儀有三種工作方式，一種是手工操作方式，用戶通過計(jì)算機(jī)中的虛擬儀器界面，控制調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出各種模擬pH/離子計(jì)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，可按常規(guī)儀表方式操作和檢定。第二種半自動(dòng)檢定方式，通過檢定原始數(shù)據(jù)表格界面，自動(dòng)選擇檢定點(diǎn)，輸出該檢定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，被檢pH/離子計(jì)在接受到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，通過人眼觀察，手動(dòng)微調(diào)標(biāo)準(zhǔn)器電位信號(hào)的輸出，使被檢pH/離子計(jì)的示值調(diào)到與檢定點(diǎn)一致，按確認(rèn)鍵將檢定儀的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)讀數(shù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)進(jìn)行檢定結(jié)果準(zhǔn)確度判斷。（也可人工記錄讀數(shù)，自動(dòng)處理數(shù)據(jù)。）第三種方式是全自動(dòng)檢定方式，虛擬儀器按照國(guó)家檢定規(guī)程規(guī)定的檢定點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)的自動(dòng)程序控制標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)發(fā)生器發(fā)出各種模擬pH/離子計(jì)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)，通過CCD成像系統(tǒng)，自動(dòng)采集和識(shí)別被檢器pH/離子計(jì)的讀數(shù)，并自動(dòng)記錄被檢器的檢定數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和檢定結(jié)果準(zhǔn)確度判斷。
　　圖1檢定儀總體框圖（三）硬件設(shè)計(jì)PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀硬件包括液晶觸摸屏計(jì)算機(jī)，CCD成像系統(tǒng)，電位信號(hào)發(fā)生器和計(jì)算機(jī)接口電路組成。CCD成像系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)，使用定焦鏡頭，通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接。標(biāo)準(zhǔn)電位信號(hào)發(fā)生器是該檢定儀的核心部分，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)，高穩(wěn)定度電源，高準(zhǔn)確度D/A轉(zhuǎn)換器，高阻切換選擇電路等（框圖見圖2）。信號(hào)發(fā)生器通過USB接口與計(jì)算機(jī)通訊，由于整個(gè)系統(tǒng)功耗較低，采用USB口取電方式供電。
　　圖2標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器框圖該"虛擬儀器"軟件部分分為用戶界面模塊，檢定模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，證書打印模塊，校準(zhǔn)模塊，標(biāo)準(zhǔn)器信息模塊，數(shù)字簽名模塊，圖像采集模塊，圖像處理和識(shí)別模塊等（具體見圖3）。具有用戶界面友好，操作方便，自動(dòng)化，智能程度高等特點(diǎn)。
　　圖3軟件系統(tǒng)框圖1，用戶界面模塊這個(gè)模塊是檢定軟件與用戶的接口，按照檢定人員的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面友好，操作方便，簡(jiǎn)單，易于上手。具體可分為模擬傳統(tǒng)儀器界面，半自動(dòng)檢定界面和全自動(dòng)檢定界面（需要攝像頭支持），具體見圖4，圖5和圖6.圖4模擬傳統(tǒng)儀器界面圖5半自動(dòng)檢定界面圖6全自動(dòng)檢定界面2，圖像處理，識(shí)別模塊系統(tǒng)采集，識(shí)別的對(duì)象是酸度計(jì)（或離子計(jì)）
　　的液晶或數(shù)碼管，大多數(shù)酸度計(jì)（或離子計(jì)）的液晶或數(shù)碼管采用八段的顯示結(jié)構(gòu)（見圖7），可顯示的字符種類有0～9，負(fù)號(hào)和小數(shù)點(diǎn)12種字符。
　　圖7八段顯示結(jié)構(gòu)根據(jù)以上特點(diǎn)我們提出了一套針對(duì)儀表數(shù)字顯示特征的快速識(shí)別算法，包括圖像的二值化，圖像傾斜度校正，字符分割，特征提取與識(shí)別等步驟。采集到的圖像如圖8所示。
　　圖8采集到的圖像（1）二值化圖像的二值化關(guān)鍵是閾值分割，Otsu方法（大律方法）是經(jīng)典的非參數(shù)，無(wú)監(jiān)督自適應(yīng)閾值選取方法。它利用圖像中的灰度直方圖，以目標(biāo)與背景之間的方差zui大來(lái)動(dòng)態(tài)地確定圖像分割門限值，它不需要其他先驗(yàn)知識(shí)，因而應(yīng)用范圍很廣。
　　該方法的基本思想如下：設(shè)一維離散概率密度的歸一化直方圖為：式中，n為圖像的像素總數(shù)，nq是灰度級(jí)為rq的像素?cái)?shù)目，L是圖像的灰度等級(jí)?，F(xiàn)隨機(jī)選定一個(gè)灰度閾值k，它把圖像灰度級(jí)分成兩類：C0為一組灰度級(jí)為[0，1，…，k-1]的像素，C1為另一組灰度級(jí)為[k，k 1，…，L-1]的像素。類間方差定義為：之后搜索遍歷所有的灰度等級(jí)，當(dāng)符合zui大化類間方差準(zhǔn)則：時(shí)，對(duì)應(yīng)的K即為所要求的閾值。利用該方法二值化后的圖像效果如圖9所示。
　　圖9二值化后的圖像效果（2）分割4445采集到的圖像包括多個(gè)數(shù)字，識(shí)別只能根據(jù)每個(gè)字符的特征來(lái)進(jìn)行判斷，所以要進(jìn)行字符分割，分割后的圖像效果如圖10所示。
　　圖10分割后的圖像效果（3）特征提取與識(shí)別從"0"，"1"到"9"，"."，"-"十二個(gè)字符的結(jié)構(gòu)可以看出，除"1"和"."外，其他字符的結(jié)構(gòu)寬高比都在30以上，如果發(fā)現(xiàn)寬高比小于30，則可判斷是"1"或".".在對(duì)"1"和"."進(jìn)行判斷，寬高比對(duì)于50的是"."，小于50的是"1"."0"到"9"，"-"的判斷可根據(jù)圖7的黑色部分A～G的情況進(jìn)行判斷。
　　三，研究結(jié)果PC-3電腦型pH/離子計(jì)自動(dòng)檢定儀的特點(diǎn)在于將計(jì)算機(jī)的"虛擬儀器"技術(shù)，圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于pH/離子計(jì)的計(jì)量檢測(cè)儀器，使計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和存貯功能與計(jì)量檢測(cè)儀器融為一體。將電腦嵌入儀器中，取代普通測(cè)量?jī)x器的顯示控制面板，利用攝像頭代替人眼讀數(shù)，自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器電路，自動(dòng)采集讀取pH/離子計(jì)顯示數(shù)值，構(gòu)成一臺(tái)集計(jì)量檢測(cè)，數(shù)據(jù)存貯，數(shù)據(jù)處理，結(jié)果判別，證書出具為一體的自動(dòng)檢測(cè)儀器。
　　研究結(jié)果的自動(dòng)檢定儀準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于"JJG919-2008pH計(jì)檢定儀"國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程zui高準(zhǔn)確度0.0006pH的要求。