Использование тестового метода повышения точности измерений при автоматизированном оптическом считывании показаний щитовых стрелочных приборов Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 681.327

С. К. КИСЕЛЕВ, Д. Г. ШАБАЕВ

а

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕСТОВОГО МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ОПТИЧЕСКОМ СЧИТЫВАНИИ ПОКАЗАНИЙ ЩИТОВЫХ СТРЕЛОЧНЫХ ПРИБОРОВ

Предлагается алгоритм повышения точности автоматизированного оптического считывания показаний щитовых стрелочных приборов. Приводятся результаты реализации алгоритма в системе автоматизации поверки.

Необходимость автоматизированного считывании показаний стрелочных приборов возникает не только при их изготовлении и поверке, но и при модернизации тех производств, где используется дорогостоящее оборудование и не предусмотрена возможность автоматизированной передачи данных с приборных панелей в АСУ производства. Чаще всего задача считывания решается на основе использования системы технического зрения, которая состоит из оптического устройства для получения оцифрованного изображения индикаторной части прибора и программного обеспечения для его обработки [1,2].

В качестве устройства считывания обычно используется видеокамера или оптический планшетный сканер. При этом в поле считывания находится не один прибор, а несколько или целая приборная панель, рис.1.

Считываемые приборы имеют различное положение относительно точки наблюдения, и при определении положения указателя возникает погрешность параллакса, рис. 2.

Рис. 1. Результат оптического считывания показаний группы приборов в системе автоматизации поверки

© С. К. Киселёв, Д. Г. Шабаров, 2005

Рис. 2. Образование погрешности параллакса при оптическом считывании показаний

стрелочного прибора

Основными параметрами, от которых зависит данная погрешность, являются расстояние от точки наблюдения до шкалы прибора (плоскости считывания), угол, под которым наблюдается стрелочный указатель, расстояние от указателя до шкалы (30, ширина плющения копья стрелки.

Расстояние от точки наблюдения до шкалы прибора определяется параметрами используемой в устройстве считывания оптической системы. Угол, под которым наблюдается стрелочный указатель, в процессе считывания постоянно изменяется, т. к. стрелка при различных показаниях прибора занимает различные положения. Расстояние от указателя до шкалы зависит от качества сборки прибора и определяется несколькими составляющими:

- расстоянием между стрелкой и шкалой прибора при сохранении параллельности содержащих их плоскостей. Зазор между стрелкой и шкалой устанавливается при изготовлении прибора и ограничивается условиями отсутствия механического контакта стрелки со шкалой и с внутренней поверхностью лицевой панели (например, для электроизмерительных приборов производства ОАО «Электроприбор», г. Чебоксары с10 = (0,8 - 1,5) мм);

- расположением стрелки под углом р к шкале, рис. 3.

К2

Рис. 3. Наклон стрелки

стрелка

шкапа

Рис.4. Поворот оси стрелки

- изменением расстояния между стрелкой и шкалой при повороте указателя. Причиной изменения является отклонение оси вращения стрелки от перпендикуляра к плоскости шкалы (рис.4 а, б).

В этом случае зазор между стрелкой и шкалой будет изменяться при повороте указателя, т. е. при различных показаниях прибора.

Ширина плющения копья стрелки также определяется технологией изготовления и является величиной случайной для каждого прибора (для электроизмерительных приборов производства ОАО «Электроприбор», г. Чебоксары (1,0- 1,1) мм).

Кроме указанных параметров, на параллакс влияет преломление светового луча при проходе через стекло измерительного прибора.

Учитывая все указанные причины, получить аналитическое выражение, описывающее погрешность определения показаний, возникающую от параллакса, достаточно сложно, а большое число параметров, входящих в данное выражение, значения которых неизвестны для данного прибора, не позволит вычислить точное значение поправки для компенсации погрешности. Поэтому для минимизации данной погрешности необходимо использовать специальные технические или методические приёмы.

Технически минимизация погрешность параллакса достигается использованием для считывания показаний видеокамер с длиннофокусными объективами [3]. Однако при этом видеокамера и считываемый прибор должны быть конструктивно разнесены на достаточно большое расстояние, что существенно увеличивает габариты устройства считывания, усложняет его настройку и эксплуатацию. При использовании в качестве устройства считывания сканера такой метод нереализуем в принципе.

Методически исключить погрешность параллакса (имеющую систематический характер) можно, используя тестовые методы повышения точности измерений [4]. В общем случае в тестовом алгоритме процесс измерения состоит из (п+1) такта измерений. В первом такте измеряется искомая величинах, а в п остальных - дополнительные тесты А](х), Л2(х),...Лп(х). Результаты основного>> и дополнительных уи у2.....уп измерений представляются в виде

н-1

у = Я/+<г21*+... +а1{х У, = а,+а2А,(х)+...+а„[А](х)]п-1

(1)

уп « а>+а2Ап(х)+... +ап[Ап(х)]п'] (2)

При реализации тестового алгоритма сначала определяют параметры аи аап математической модели из системы уравнений (2), а затем находят значение измеряемой величины х из (1) при подстановке в него текущих значений аи я?,-.., ап-

При формировании алгоритма чаще всего используются два вида независимых тестов аддитивные:

А/х) = х+0Л (3)

где 0/ - постоянная, однородная, независящая от х величина;

и мультипликативные:

т шт> 7 (4)

где К - независящий от х коэффициент. Известно, что уравнения (1) и (2) не могут быть разрешены относительно искомой величины х при использовании в отдельности только аддитивных или только мультипликативных тестов (в случае неравенства нулю всех параметров а/ математической модели (1)) - для этого требуется комбинация тестов: один тест одного рода и (п-1) тест другого [4].

При применении данного метода для повышения точности отсчёта показаний щитовых стрелочных приборов, например, в системах автоматизации поверки проще сформировать аддитивные тесты (последовательным изменением входного калиброванного сигнала с образцового источника). Поэтому интерес представляет частный случай метода, когда при равенстве нулю любого параметра обобщённой математической модели (1), за исключением ат тестовый алгоритм повышения точности может быть получен с помощью только аддитивных тестов. На практике для снижения степени модели (1) (и соответственно снижения общего числа тестов) используют кусочную аппроксимацию, когда модель задается несколькими полиномами равной степени, отличающимися лишь значениями коэффициентов.

Рассмотрим пример использования тестового метода при определении показания стрелочного прибора в системе автоматической поверки, использующей для оптического считывания планшетный сканер. В эксперименте использовался щитовой вольтметр с пределом 50 вольт и классом точности 1.5. В ходе эксперимента стрелка контролируемого прибора устанавливалась плавным увеличением входного сигнала на оцифрованные отметки шкалы 10, 20, 30, 40 и 50 вольт, после чего проводилось автоматическое считывание показаний, таблица 1. Анализ полученных результатов определения показаний прибора

шкала

б)

стрелка

Таблица I

Данные тестового алгоритма повышения томности определения показания

Номиналы отметок v у-» — Уз Показание X, вол ьт Коэф< шциенты модели

ВХОД X, вольт тестл-í-Q/, вольт тест вольт тест x+Q вольт а, üj

10 10.74 9.19 10.61 12.18 9.88 5.678 0.513 -5.072-Ю"4

20 20.66 19.35 21.39 22.28 20.04 11.446 0.464 1.934-10"5

30 30.55 29.34 31.20 32.12 29.82 17.281 0.445 6.999-106

40 40.28 39.06 40.90 41.85 40.15 22.146 0.451 2.804-10-6

50 49.36 48.26 49.94 50.76 50.09 28.936 0.408 1.205-10'6

Таблица 2

Сравнение погрешностей определения показаний

Номиналы отметок Исходные значения ----------------- Расчетные значения

Показание, вольт Погрешность. % Показание, вольт Погрешность, %

10 10.74 1.48 9.88 -0.24

20 20.66 1.31 20.04 0.08

30 30.55 1.09 29.82 -0.32

40 40.28 0.55 40.15 0.3

50 49.36 -1.29 50.09 0.18

свидетельствует о наличии выраженной систематической погрешности, причиной которой является параллакс.

В качестве модели была принята кусочная аппроксимация полиномом третьей степени:

у = а;+азх+... -над"* ' (5)

Для определения коэффициентов модели (5) необходимы три аддитивных теста:

У1 = а^а^х+вО + .-.+а/х+в!/ у: = а,+С1:(х+§2) +

Уз = а1+а2(х+Ъ))+ ..Ла4(х+Ъ3/ ' (6)

Значения 9/, 9: и при проведении тестов были приняты, соответственно, -3, 1 и 3 вольта. Результа ты определения показаний контрольного прибора при тестах приведены в таблице 1. Решением системы (6) сначала найдены коэффициенты а7, а3 и затем решением (5) - искомое показания прибора х.

Анализ исходных погрешностей считывания показаний, таблица 2, и полученных при применении тестового алгоритма повышения точности показывает существенное снижение погрешности автоматического определения показаний.

Таким образом, применение тестовых методов повышения точности измерений позволяет снизить погрешности оптического считывания показаний щитовых стрелочных приборов. Рассмотренный измерительный алгоритм применим, прежде всего, в системах автоматизации поверки, что немаловажно для обеспечения их метрологических характеристик.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Киселёв, С. К. Автоматизация поверки щитовых электроизмерительных приборов при оптическом считывании показаний / С. К. Киселёв. - Ульяновск: УлГТУ, 2004. - 160 с.

2. Электронный ресурс \vww.insys-учБЮп.т/ргоаЗЛпш!

3. Хохлов, Ю. А., Табуйка, В. А. Анализ влияния параллакса при автоматической поверке стрелочных измерительных приборов // Межвуз. сб. науч. тр., МИИТ.- 1983.-Вып. 731.-С. 112-117.

4. Бромберг, Э. М. Тестовые методы повышения точности измерений / Э. М. Бромберг, К. Л. Куликовский. - М.: Энергия, 1978. - 176 с.

Киселёв Сергей Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области автоматизации производства электроизмерительных приборов.

Шабаев Дмитрий Геннадьевич, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ\ имеет публикации по разработке систем автоматической поверки измерительных приборов.