油品黏度分析方法的探讨

油品黏度分析方法的探讨

张丽

大庆石化公司质量检验中心

摘要：为了解决石油化工产品运动粘度测量过程中误差大、效率低、测量数据可追溯性差的问题，在粘度测量过程中研究并设计了基于毛细管运动粘度测量方案的精确时间跨度测量方法。在该方法中，摄像机由计算机软件控制，以监控和采集运动粘度检测的整个过程。在检测过程开始之前，测量上下刻度位置，然后在监控过程中自动评估液位位置。当液位与两个刻度位置重合时，记录时间信息，并在两个周期后测量油品的运动粘度，同时将整个测量过程的视频数据上传到数字信息中心。通过对实际石油运动粘度的测量试验，发现所提出的时间测量方法具有操作简单、测量准确、测量效率高等特点。

关键词 运动黏度；时间间隔测量方法；毛细管；视频处理

0 引言

石油化工行业中使用的运动粘度测量方法包括毛细管法、单管落球法和旋转法。其中，毛细管法因其高准确度和易用性而备受关注。毛细管流量计也是目前计量控制部门唯一校准标准粘度的仪表。

液体粘度测量的毛细管法（标准化工作过程）存在自动化程度低、原油粘度测量控制误差大的问题[1]，国内外许多科学家和企业已对此进行了纠正。美国仪器公司（American Instruments Company）的全自动运动粘度计[2]使用毛细管法测量一定量的液体在重力作用下流过毛细管所需的时间。其特点是油品样品少，测量速度快。缺点是温度经常变化。Silber Li设计的自动温度调节微管粘度计[3]可以通过立体显微镜和计算机连接的CCD监控液体流量，以获得粘度值。其特点是测量精度高，但管径太小，容易被油添加剂堵塞。上海石化设备公司[4]开发了一种使用热敏电阻的粘度计液位自动检测装置。当液体通过粘度计的上刻度线时，热敏电阻开始计时，并在通过下刻度线时停止计时，以获得油流入毛细管的时间，从而计算油的粘度。许海英[5]利用视觉技术设计了一种智能粘度计控制仪。主要利用开放视觉中的一些图像处理算法实现毛细管粘度计刻度线检测和液位运动检测，并通过单片机、电磁阀和直流吸油泵设计负压吸油系统。计算机通过串口或蓝牙与硬件系统通信，连续自动验证4到5次。

为了提高石油运动粘度测量的精度和效率，本文设计了智能石油运动粘度仪。其主要原理是先用摄像头采集毛细管图像，确定上下刻度线的位置，然后监控整个油的粘度测量过程，实时检测油位。如果油位与上下刻度线的位置一致，则记录相应的时间T1和T2，并根据机油时间范围和相关特征参数确定机油的运动粘度。同时，将摄像机采集的测量过程上传到数字数据溯源信息平台。

1 设计方案

1.1 刻度线标定

在测量开始前，首先需要确定毛细管上下两刻度线位置，具体方法是在开始测量前，通过系统发送刻度线标定命令，则摄像头自动拍摄毛细管的图像，通过相应的图像处理方法检测出上下刻度线位置，在进行刻度线提取前，首先人工提取出毛细管上下2条刻度线的图像作为后续刻度线提取的匹配模板，并对匹配模板进行颜色空间分解，每条刻度线模板将得到3个颜色分量图像（R、G、B）；然后对开始测量前所采集到的毛细管图像进行颜色空间分解，并利用每条刻度线的匹配模板颜色分量图像对其进行匹配，匹配度最高（颜色相差最小）的区域即为刻度线位置。

在测量每个油品前，可以进行一次刻度线标定工作以判断刻度线位置标定是否准确，如果由于恒温浴中液体浑浊等原因导致刻度线标定不准确，则需要重新提取刻度线匹配模板。

1.2 油品液面检测

1.2.1框架和方法的区别

由于毛细管在测量过程中是静止的，且摄像机相对于毛细管几乎是静止的，因此使用帧差法来确定帧之间的交换面积，即液位面积。结果表明，该装置所用摄像机的视频帧速率为10.96fps，图像分辨率为640×480，以该区域的最低点为液位位置。这种方法的主要缺点是，如果测量仪器或摄像机在视频中的位置无意中发生变化，帧之间的差异中会出现大量非目标（液位）区域，从而更难分离液位。

1.2.2形态学方法

如果油位于上刻度线和下刻度线之间的毛细管腔中，则上述两种确定液位的方法可以检测油液位。当油从腔体流出并流入下刻度线的细管时，由于管径非常小，且油流速非常快，所以上一次油位通常高于下刻度线，下一次油位通常低于下刻度线。因此，1/（2）×帧速率的下刻度线时间误差由帧差法确定，试验发现，当油位到达毛细管腔，甚至流入下刻度线所在的细管时，形态学方法检测到的油位始终位于毛细管腔的底部。根据这一特性，在测量油粘度的过程中，当发现油位位于腔体底部（即，与较低刻度线的距离在一定阈值内）时，根据周期1/N乘以帧间隔（N值与测量粘度所需时间的精度有关）对视频进行分割。同时，仅在检测到的油位以下的区域（腔体底部）进行油位检测。如果发现前一张图像中的液位高于下刻度线，而下一张图像中的液位低于下刻度线，则取两张图像对应的平均时间作为机油流经下刻度线的时间。此时，时间精度可以校正N次。

1.3 确定时间间隔

在整个测量过程中，如果采用帧间差法检测油品液面，则默认摄像头和测量仪器之间是相对静止的，因而只需要进行一次刻度线标定，记录下刻度线位置，在测量过程中监控油品液面并与刻度线位置进行比较，即可得到时间间隔。如果采用形态学法检测油品液面，则每次都需要进行刻度线标定，以防摄像头与测量仪器相对位置变化等帧间差法失效的情况，然后将检测到的油品液面与每次得到的刻度线位置进行比对，确定时间间隔。

2 实验结果对比

1） 人工塞的计时方法与本文设计的算法计算的时间周期存在较大差距，导致粘度测量误差较大。同时，不同操作水平的操作员通过手动停止计时的方法也会导致不同的计时，这很难实现结果的可重复性。

2） 帧差法的精度与视频帧速率有关，其误差约为帧速率倒数的一半。算法简单，程序设计复杂度低；它对光线等场景变化不敏感，能适应不同的动态环境，稳定性好。但也有缺点：不能提取物体的整个区域，只能提取边界；同时，它取决于选定的帧间隔。如果定时不合适，如果对象在第一帧和第二帧中几乎完全重叠，则无法识别对象。

3） 形态学方法采用二值化算法，在保持图像功能的同时减少运算量，提高运算速度，并去除图像噪声，例如在检测过程中设置阈值。经过处理后，根据图像的连通面积分析液位的位置，计算复杂度低，便于硬件实现。因此，这种实际应用具有快速、高效的特点，特别适合于处理和分析大量的图像数据。为避免摄像机和测量仪器之间的相对位置发生变化而导致故障，每次必须校准刻度线。

实验数据表明，帧差法和形态学方法可以实现非常精确的时间间隔测量，并实现结果的可重复性。此外，测量视频的自动记录和上传到数字信息中心为可靠的数据可追溯性提供了基础。

3 结论

本文采用计算机和摄像机控制油液粘度测量过程，利用视频和图像处理技术设计了上下刻度线标定算法，设计了两帧差分法和形态学方法图实时检测液位。与上下刻度线相比，记录了液位与刻度线重合的相应时间，实现了油粘度测量过程中周期的准确测量，避免了主观性强、误差大、手工操作不便的缺点，为油粘度的自动测量奠定了基础。

参考文献：

[1]全国物理化学计量技术委员会.工作毛细管黏度计检定规程：JJG 155—2016[S].北京：中国质检出版社，2016.

[2]徐海英.基于视觉的黏度计智能检定仪的设计[D].兰州：西北师范大学，2013.