Курсовая работа: Автоматизация рефрактометра РПЛ-2 на основе применения технического зрения

С помощью лимба 5, имеющего 10 делений и связанного с наклонной плоско - параллельной пластинкой, которая помещена между объективом и окуляром зрительной трубы, производят смещение границы светотени. Поворот лимба на 10 делений вызывает такое смещение плоскопараллельной пластинки, которое перемещает границу светотени на одно деление шкалы прибора. Окуляр 6 может перемещаться в пределах ±5 диоптрий. Для установки нулевого положения прибора в нижней точке камеры 12 смонтирована оправа с зеркалом, поворот которой смещает границу светотени. Поворот оправы с зеркалом осуществляется с помощью регулировочного механизма 13, состоящего из регулировочного винта, перемещаемого при вращении гайки с различным шагом внутренней и наружной резьбы. Перемещение винта осуществляется прилагаемым к прибору ключом.

Осветитель 10 укреплен на нижней части камеры с помощью кронштейна 9. На поверхность измерительной призмы при помощи стеклянной палочки или пипетки наносится несколько капель исследуемого раствора и с осторожностью закрывают верхнюю камеру.

Наблюдая в окуляр 6 зрительной трубы 4, устанавливают осветитель 10 на кронштейне 9 так, чтобы поле зрения было освещено равномерно. Все измерения на приборе производят в белом свете. Поворотом кольца 7 устраняется окрашенность границы светотени. Контрастность светотени создается при перемещением подвижной диафрагмы верхней камеры, вращая для этого винт. После этого производится отсчет. Для этого необходимо вращением лимба 5 переместить границу светотени до ближайшего верхнего деления шкалы, и к отсчету по шкале добавить отсчет по лимбу.

При работе с исследуемыми жидкостями необходимо поддерживать температуру в пределах 20±0,2 С.

Рисунок 8 - Внешний вид рефрактометра РПЛ-2

3.Программное обеспечение для автоматизированного контроля

3.1 Cреда визуального программирования LabVIEW

LabVIEW - это прикладная программа для создания пользовательских приложений. В основу LabVIEW заложен графический язык программирования с названием "G", для создания программ в виде блок - схемы.

LabVIEW является функциональной системой программирования с многочисленными функциональными библиотеками, способные решить разные задачи программирования.

LabVIEW включает в себя следующие библиотеки:

· сбор и обмен данных;

· обмен данными с устройства по стандарту RS-232;

· анализ данных;

· представление данных;

· хранение обработанных данных на носителях различного типа.

Под «сбором данных», или ввод/вывод данных (DAQ) понимают процесс измерения реального сигнала и передачу этой информации в компьютер для необходимой обработки и анализа, а также для дальнейшего преобразования и хранения.

Достоинства LabVIEW:

· полноценный язык программирования;

· удобный и понятный процесс программирования;

· широкие возможности сбора, обработки, анализа данных, управления

приборами, генерации отчетов и обмена данных через сетевые интерфейсы;

· драйверная поддержка более 2000 приборов;

· высокая скорость выполнения программ;

· совместимость с операционными системами Windows2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.

Подведем итог, что LabVIEW - очень простая и понятная для пользователя система. Практически любой пользователь, не являясь программистом, за достаточно короткое время способен создать сложную программу для сбора данных и управления объектами, обладающую красивым и удобным интерфейсом.

3.2 Модуль технического зрения NI VISION ASSISTANT

National Instruments Vision Development Module предназначен для инженеров и ученых, использующих технологии машинного зрения в промышленных и научно - исследовательских целях.

Внушительно продуктивным, функциональным и полезным дополнением к NI Vision, расширяющим возможности пользователя, является NI Vision Assistant.

Этот модуль позволяет легко создавать собственные подпрограммы, исполнявшие любые действия, анализ и редактирование изображения, и даже изменение настроек используемых камер. Созданные подпрограммы импортируются в LabVIEW. Основные достоинства такого подхода - наглядность и оперативность - результат применения функции виден сразу, простота использования и освоения.

Возможность совместного использования NI Vision Assistant и IMAQ Vision позволяет существенно сократить сpоки создания систем технического зрения, при помощи того, что NI Vision Assistant может осуществлять автоматическую генеpацию кодов в LabVIEW, C/C++ и Visual Basic с такой же последовательностью операций, что использовалась при работе в NI Vision Assistant.

Возможно с легкостью интегрировать диaграмму видеосбора в промышленную систему измерений и aвтоматизации, которая сможет включать в себя управление движением, средствами измерения, контроля или устройствами ввода/вывода сигналов.

3.3 Модернизация рефрактометра РПЛ-2

C помощью модуля технического зрения NI VISION ASSISTANT и камеры NI 1712 Smart Camera составим автоматизированную установку рефрактометра РПЛ-2.

Структурная схема установки имеет вид:

Рисунок 9 - Структурная схема установки

На структурной схеме (Рисунок 9) отображен принцип работы системы, где от оператора поступает входящий сигнал на ЭВМ, после обработки команды из ЭВМ поступает сигнал на цифровую камеру, которая фиксирует информацию об объекте измерения и отправляет полученную информацию на ЭВМ, после обработки ЭВМ выдает запрашиваемую информацию оператору.

3.4 Разработка применяемой программы на ЭВМ

Полученная информация от цифровой камеры загружается в модуль технического зрения NI VISION ASSISTANT, который представлен на рисунке 10. Модуль содержит ряд функций, позволяющих настроить изображение для дальнейшей работы. Необходимо выбрать линию профиля, чтобы узнать распределение яркости пикселей вдоль этой линии.

Рисунок 10 - Модуль технического зрения NI VISION ASSISTANT

В программе обработки изображения, получаемого с видеокамеры, формируются массивы номеров пикселей и их яркости.

Далее формируется массив производных (i=0..n) из n элементов исходного массива. Опытным путем, было установлено оптимальное значение размерности массива производных n=20. Производная определялась путем аппроксимации исходного массива яркости E_i от номера пикселя зависимостью Ei=kix+b. Таким образом, исходный массив разбивался на массивы их 20 элементов и для каждого из них, определялось значение производной, которое затем, вставлялось в новый массив. В полученном массиве определялось минимальное значение производной, номер пикселя, соответствующего границе резкого уменьшения яркости и, соответственно, границе светотени. После этого, определяются показания рефрактометра в условных единицах и концентрация сухих веществ в растворе с использованием аппроксимационных зависимостей, полученным по справочным данным. Получаем уравнение:

;

;

Применив уравнение (4) в программе, получаем искомую концентрацию сухих веществ в растворе в процентах.

Данная программа представлена на рисунке 11.1 и рисунке 11.2:

Рисунок 11.1 - Блок диаграмма программы

Рисунок 11.2 - Лицевая панель программы

Алгоритм программы имеет вид:

4. NI 1712 Smart Camera

Подобранная NI 1712 Smart Camera существенно упрощает машинное зрение, анализирует изображения непосредственно на камере с мощным, производительным встроенным процессором, способным к управлению всем набором алгоритмов видения NI. Такие камеры можно использовать в различных областях, включая обнаружения дефектов, чтение кода, сборки и проверки. Технические характеристики камеры представлены в таблице 1:

Таблица 1

Комбинация бортового процессора с датчиком (ПЗС) изображения обеспечивает легкое распределение изображения, единую систему видения, которая передает измеренные результаты вместе или вместо необработанных изображений. Размещенные в прочном металлическом корпусе, предназначенном для использования в промышленных целях, эти камеры NI имеют встроенный ввод/вывод, многократные промышленные протоколы, встроенные веб-серверы и много других особенностей. Также, NI Smart Cameras можно настроить с включенным программным обеспечением NI Vision Builder для автоматического контроля (AI) или запрограммировать камеру в LabVIEW.

Все NI Smart Cameras включают NI Vision Builder для автоматического контроля (AI), настраиваемую среду разработки приложений зрения, так что можно создавать законченные приложения машинного зрения быстро и легко. Vision Builder AI также имеет все алгоритмы, которые необходимы для разработки комплексных систем машинного зрения, в том числе передовые технологии, связь с машинными интерфейсами и контроль цифровых линий ввода / вывода. [6]

На Рисунке 12 представлена интеллектуальная камера NI 1712:

Рисунок 12 - Интеллектуальная камера NI 1712

5.Расчет погрешности измерения

Для расчета погрешности измерения используем сахарный раствор, приготовленный из 100 мл дистиллированной воды и сахара, выпускаемого
компанией ОАО "Знаменский сахарный завод".

Завод введен в эксплуатацию в 1972 году. Мощности завода составляют: переработка сахарной свеклы - 6500 т/сутки, переработка сахара-сырца - 850 т/сутки.

Виды выпускаемой продукции:

· сахар-песок ГОСТ 21-94 по 25 кг., 50 кг. и 1000 кг;

· сахар-песок ГОСТ 21-94, фасованный по 5 кг;

· сахар прессованный ТУ 9111-002-00335841-2004 по 0,5 кг, 1 кг;

· меласса;

· жом сухой гранулированный.

Приготовим 5 сахарных растворов с разной массой сахара и известной концентрацией, полученной по формуле (5).

C = ·100%

Массу сахара в растворах измерим при помощи прецизионных весов Shinko Denshi серии ViBRA AJ модель AJ-420CE с наибольшим пределом взвешивания 420 г и ценой деления 0,001 г.

Перед началом работы с рефрактометром необходимо промыть дистиллированной водой стеклянные поверхности призменного преобразователя. Далее необходимо произвести ряд операций:

1) Включить компьютер;

2) Подключить камеру к USB порту;

3) Вызвать программу обработки изображения NI VISION ASSISTANT;

4) Записать результат измерения.

При непрерывной работе необходимо проводить не менее двух раз в сутки или один раз перед началом работы правильность установки на «0» .

Для проверки правильностиустановки на "нуль" несколько капель дистиллированной воды наносят на измерительную призму и закрывают верхнюю камеру. Наблюдают за границей светотени. Граница светотени должна проходить через нулевое деление шкалы. Если этого нет, то снимают колпачок регулировочного механизма и прилагаемой отверткой, вращая внутренний винт, перемешают границу светотени до совмещения ее с нулевым штрихом шкалы, после колпачок необходимо установить на место.

Для расчёта погрешности используем метод сравнения. Сравним рассчитанную концентрацию (таблица 2) с показаниями рефрактометра.

Таблица 2 - Зависимости рассчитанной концентрации от массы сахара в приготовленном растворе.

При массе 7 грамм наблюдаем максимальную погрешность - 0,6%.

На рисунке 12 представлена аппроксимация зависимости концентрации, показанной рефрактометром от полученных погрешностей.

Рисунок 13 - График аппроксимации зависимости концентрации, показанной рефрактометром от полученной погрешности.

Как видно из графика, верхний предел относительной погрешности не превышает 1 %.

В результате аппроксимации мы получили формулу:

y= 0,045x-0,08

Формулу (6) можно применять для расчета погрешности измерения.

Заключение

В последнее время на производстве широко используются информационные технологии для автоматизации обработки данных, поэтому изучение прикладных программ, их функций и возможностей актуально и востребовано.