潮汐測量標準裝置系統(tǒng)設(shè)計

1、PAGE 7 -潮汐測量標準裝置系統(tǒng)設(shè)計摘要：為使儀器檢測能力滿足海洋觀測業(yè)務(wù)發(fā)展對潮位測量儀器性能的要求 ， 結(jié)合各類驗潮儀的檢定規(guī)程 ，設(shè)計潮汐測量標準裝置 ， 應(yīng)用先進的電氣控制技術(shù)進行水位精準控制和潮汐模擬 ， 實現(xiàn)儀器定點值測量和動態(tài)響應(yīng)測試 ， 通過圖像識別軟件實現(xiàn)水位和標尺動態(tài)識別 ， 提高標準值的精確度 ， 并集成遠程控制功能 ，提升儀器檢測效率 ，使裝置能對潮位測量儀器開展完善合理且高效的檢測 ， 從而進行全面系統(tǒng)的儀器性能評價。關(guān)鍵詞：海洋計量;水位測量;潮汐模擬;動態(tài)識別;遠程控制中圖分類號：P7 文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2022）03-0064-04

2、Systematic Design of the Tidal Measuring Standard EquipmentWANG Zhichao，Ll Fan，YAN Tian，LIQingchao，LU Yao（South China Sea Center of Ocean Standards and Metrology，sOA，Guangzhou 510715，China）Abstract：In order to make the detection capability of the instrument meet the performance requirementsof the oc

3、ean observation business development for the tidal level measuring instrument，combined withthe verification procedures of various tide gauges，advanced electrical control technology was applied forprecise water level control and tidal simulation，and to realize instrument fixed-point value measurement

4、and dynamic response test，realize the dynamic identification of water level and scale through image rec-ognition software，and to improve the acuracy of standard value，integrating remote control function toimprove instrument detection efficiency，so that the device could carry out perfect，reasonable a

5、nd effi-cient detection of tide level measuring instruments，so as to conduct a comprehensive and systematic e-valuation of instrument performance.Keywords ：Oceanographic metrology，Water level measurement，Tidal simulation，Dynamic iden-tification，Remote monitoring0 引言準確的海洋潮汐測量數(shù)據(jù)對海洋預警預報、海洋工程、海洋運輸和海洋科研等

6、工作意義重大。海洋潮位測量儀器主要有浮子式、壓力式和超聲波式驗潮儀等 ，驗潮儀的檢定校準技術(shù)在20世紀90年代已經(jīng)較為成熟 ，儀器檢定規(guī)程相繼發(fā)布實施1-3 ，但相應(yīng)的計量檢定裝置一直處于僅能滿足相應(yīng)規(guī)程要求的水平 ，建設(shè)功能更加完善的驗潮儀檢定校準裝置 ，是海洋觀測業(yè)務(wù)發(fā)展的迫切要求和重要保障。南海標準計量中心在國內(nèi)現(xiàn)有驗潮儀檢定裝置實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上進行改進 ，完善全日潮和半日潮的模擬、水位和標尺動態(tài)識別計算等功能4-5 ， 實現(xiàn)精準控制和實時測量 ，集成藍牙和4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊進行遠程控制 ，提升裝置自動化程度 ，建設(shè)完成潮汐測量標準裝置。本研究闡述了該裝置系統(tǒng)工作原理和設(shè)計思路 ，并進行

7、了圖像動態(tài)識別和潮汐模擬測試 ， 評估水位測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能。1 工作原理潮汐測量標準裝置由10m 水塔、給排水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水位測量系統(tǒng)等組成。水位控制由工控機或移動終端發(fā)送指令到 PLC控制器控制給排水系統(tǒng)完成 ，控制范圍為0 9m;水位測量由 CCD相機獲取透明管內(nèi)水位和銦鋼尺圖像 ，通過動態(tài)識別軟件識別水位線計算水位值。裝置標準器為10 m銦鋼尺 ，示值分辨力1 mm，年穩(wěn)定性小于0.4 mm。控制系統(tǒng)參考標準為光電式水位計和流量計 ，光電式水位計量程010m，示值分辨力1mm，最大測量誤差0.05%滿量程。流量計測量范圍0 0.03 m3/s， 最大測量誤差2%滿量程。

8、裝置工作原理如圖1所示。2 系統(tǒng)設(shè)計2.1 水位控制系統(tǒng)設(shè)計給排水管路設(shè)備包括水泵、電動球閥、流量計和壓力表等 ，通過工控機軟件向 PLC控制器發(fā)送指令控制管路設(shè)備運行 ，工控機與 PLC控制器通過以太網(wǎng)連接。水位控制安全變化速率范圍為010 mm/s，可以選擇兩種控制模式 ，流量控制模式通過流量計反饋 ，水位控制模式通過光電式水位計反饋 ，水位控制模式精度更高。進行潮汐模擬時 ，設(shè)定目標水位和到達目標水位時間間隔。全日潮、半日潮模擬分別預設(shè)24個、12個目標水位值 ， 由網(wǎng)絡(luò)計時器進行時序控制。工控機軟件通過預設(shè)目標水位和時間間隔計算所需水位變化速率和對應(yīng)給排水速率 ， 發(fā)送指令到 PLC控

9、制器調(diào)節(jié)變頻器輸出。在設(shè)定時間間隔內(nèi)依次自動完成目標水位控制 ， 實現(xiàn)潮汐模擬功能 ， 水位值時序變化要求能形成接近平滑的正弦波曲線。潮汐模擬控制流程如圖2所示。2.2 圖像動態(tài)識別設(shè)計圖像動態(tài)識別分為視頻跟蹤和圖像信息提取兩部分。 CCD相機隨動平臺由伺服電機控制 ， 可以跟隨水位變化移動 ，隨動平臺跟隨模式可選擇水位跟隨或速度跟隨 ，水位跟隨模式通過圖像動態(tài)識別水位線位置反饋 ，速度跟隨模式通過標準水位計反饋 ， 由于圖像動態(tài)識別響應(yīng)不如標準水位計響應(yīng)快 ，一般采用速度跟隨模式 ，保證水位線在監(jiān)控畫面中心線上。CCD相機以每秒25幀速率采集圖像 ， 當水位變化速率為10 mm/s 時 ，

10、每幀圖像移動距離為0.4 mm ，移動速率較低 ， 圖像處理可以看做是靜態(tài)圖像處理過程 ，簡化了圖像處理計算。圖像信息提取需甄別畫面像素點 ， CCD 相機取景高度為10 mm ，分辨率為12801024，每個像素對應(yīng)高度約為0.01 mm ，為提高計算效率 ， 采用10個像素為1個單元格 ，理論精度可達0.1 mm 。圖像處理采用灰度識別法 ， 分兩個步驟進行 ， 首先進行銦鋼尺刻度識別 ，選擇銦鋼尺某一刻度值作為標定值 ，在水位移動過程中不斷識別銦鋼尺刻度線進行長度累加計算 ，確定畫面中每個刻度對應(yīng)的標準值;再進行水位識別 ， 由于水位線處灰度值與透明管其他位置有明顯差異 ，通過灰度識別確

11、定水位線位置 ，結(jié)合水位線相對銦鋼尺刻度位置 ， 即可計算并顯示水位值。水位完全穩(wěn)定時 ，軟件可于凹液面最低處精準識別 ， 由讀數(shù)引入的標準不確定度分量僅需考慮 CCD相機靶面相對于水位線的位置6?；叶茸R別參數(shù)根據(jù)照明強度設(shè)置 ，軟件一次圖像處理計算過程平均耗時2ms。圖像動態(tài)識別需保證銦鋼尺刻度清晰 ，測量過程照明均勻 ，可在 CCD相機鏡頭處放置環(huán)形 LED燈提供光源 ，如有需要 ，還需在透明管內(nèi)放置醒目薄片狀漂浮物。圖像動態(tài)識別流程如圖3所示。2.3 無線通信模塊設(shè)計除工控機控制外 ， 裝置集成無線通信模塊 ， 實現(xiàn)遠程控制功能。無線通信模塊包括藍牙模塊和4G 網(wǎng)絡(luò)模塊 ，藍牙連接有效傳

12、輸距離為10m ， 主要用于設(shè)備檢修時通過移動終端控制裝置運行 ，4G 網(wǎng)絡(luò)連接理論上可以在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域連接裝置 PLC控制器 ，可在長時間潮汐模擬測試過程中實現(xiàn)無人值守 ， 通過移動終端控制和監(jiān)控裝置運行 ，并將儀器測試和裝置運行數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器保存。進行無線連接時 ， 可以選擇藍牙和4G 網(wǎng)絡(luò)連接中的一種方式 ， 通信指示燈亮起后 ， PLC連接指示燈也亮起 ， 表示連接成功 ， 無線通信軟件實現(xiàn)功能與工控機軟件一致 ，如圖4所示。3 裝置系統(tǒng)測試進行裝置系統(tǒng)圖像動態(tài)識別測試和潮汐模擬測試 ，評估裝置系統(tǒng)性能。3.1 動態(tài)識別測試測試水位上升和下降過程隨動平臺跟蹤和圖像處理軟件動態(tài)

13、識別性能 ，步驟如下：（1）控制水位回到0 m ， 切換 CCD相機隨動平臺手動控制模式使隨動平臺回到零位;（2）標定軟件標尺線;（3）切換 CCD相機隨動平臺自動控制模式 ，選擇速度跟隨;（4）設(shè)置目標水位為2 m ， 水位變化速率3.0 mm/s，到達目標水位后 ，設(shè)置目標水位為0 m ， 完成一次給排水測試。動態(tài)測試結(jié)果如表1所示 ， 其中起止零位讀數(shù)為水位線穩(wěn)定狀態(tài)時讀數(shù)。結(jié)果表明 ， 隨動平臺跟蹤和圖像動態(tài)識別響應(yīng)良好 ， 以銦鋼尺作為讀數(shù)標準的圖像動態(tài)識別結(jié)果準確。水位上升時 ， 水位線平直清晰 ，可以進行精準識別 ， 水位下降時 ， 表面張力使凹液面較為明顯 ， 會拉長水位線陰影

14、區(qū) ， 使動態(tài)識別水位線高于實際水位 ，讀值需進行修正。3.2 潮汐模擬測試潮汐模擬是在一段時間內(nèi)模擬水位正弦波曲線變化 ，設(shè)波高為4 m ， 峰峰值為8 m，一次全日潮周期變化時間為4 h， 則潮汐模擬標準正弦函數(shù)為 y=4sin（x/2）+4，水位變化設(shè)置如表2所示 ，實際水位控制變化曲線如圖5所示。結(jié)果表明 ， 裝置通過時序變化預設(shè)階段水位值進行潮位模擬的方法可以較好地模擬潮汐變化正弦函數(shù)曲線 ， 水位控制系統(tǒng)給排水速率變化過渡平滑。4 結(jié)語測試結(jié)果表明 ， 本研究介紹的潮汐測量標準裝置 ，可以實現(xiàn)準確高效的圖像動態(tài)識別和潮汐模擬控制 ，用以進行儀器動態(tài)響應(yīng)測試 ， 能為水位測量類產(chǎn)品研發(fā)、水位測量新方法研究和驗潮儀檢定校準方法改進提供更好的試驗平臺。無線通信模塊提升了裝置自動化水平 ， 應(yīng)用于儀器設(shè)備檢修、遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?， 能進一步提高儀器檢測工作效率。參考文獻1 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG 587-2022浮子式驗潮儀檢定規(guī)程S.北京：中國質(zhì)檢出版社 ，2022.2 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. JJG 946-1