基于图像处理的换热器换热铜管尺寸测量研究

余健军,陆 育

(安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引言

换热器是一种使热量从热流体传递到冷流体,以满足规定工艺要求的装置统称[1],管翅式换热器是换热器的一种类型,由铜质换热管和亲水铝箔翅片组成[2],因其具有结构紧凑、节能高效等特点,在工业生产中得到了广泛的应用.铜质换热管是管翅式换热器的重要组成部件,其直径大小会影响换热器的换热性能、铜材用量、通用性[3]、传热热阻及换热量等指标.另外管翅式换热器在运行过程中,运行环境多变,需承受冷热冲击[4],同时铝箔翅片附近经常发生泄漏[5],这些都会导致换热铜管发生腐蚀、管壁变薄、直径变小,进而影响换热器的运行效率.因此,在设计制造和使用过程中,及时监测换热铜管的直径数据显得尤为重要.

传统测量方法多为接触式测量,但接触式测量效率较低,且在工业制造复杂的环境中,大多材料含有放射性和腐蚀性,接触式测量易对测量人员和测量仪器造成损伤或损坏[6].非接触式测量是当下研究的重点方向,其中代表性的测量方法有激光投影法测量[7]、传感器测量[8]和双目视觉测量[9]等方法.由于上述非接触式测量方法受环境因素影响大,且维护成本高,不适宜部分换热器换热铜管测量,因此本文提出一种基于图像处理的直径测量方法,可以较好地解决换热器换热铜管的直径测量问题.

1 尺寸测量系统概述

本文以管翅式换热器换热铜管为研究对象,主要测量换热铜管的外直径.管翅式换热器结构如图1所示,主要测量流程如图2所示.

图1 管翅式换热器

图2 测量流程

本文采用实验室CCD相机获取图像.在获取图像时,将换热器放在背景板上,调整相机和光源,使换热器清晰地成像于视野中央.在进行图像预处理时,先将获取的换热器图像灰度化,再经过滤波去除灰度图中的噪声,然后通过图像分割将图像二值化,转化为黑白图像,最后进行数学形态学运算处理,消除分割后图像中的小孔洞,便于下一步提取图像边界轮廓.

提取换热器换热铜管的边缘轮廓主要使用边缘检测算子算法,算法要尽可能准确地描绘出换热器换热铜管轮廓;紧接着进行相机标定,其目的在于利用棋盘格标定靶确定图像像素尺寸和实际物理尺寸的关系,得到像素尺寸和实际物理尺寸的比例;然后根据相机标定得到的比例关系结合换热铜管直径像素尺寸,换算出换热铜管直径物理尺寸.

2 测量方法

2.1 图像预处理

图像预处理是实现换热铜管尺寸测量的基础,预处理的目的是尽可能地去除图像中与测量无关的信息,如颜色、噪声等,处理结果的好坏将直接影响最后尺寸测量的准确程度.CCD相机获取的图像带有色彩,灰度化后去掉了图像的色彩信息,使图像更加简洁.本文采用中值滤波算法,可以消除灰度图像中的“椒盐”噪声,减少因噪声带来的误差,中值滤波计算公式为:

(1)

式中,median[]表示取中值运算,f(x,y)代表(x,y)处像素点的灰度值.

运用图像分割的二值化方法,计算分割阈值(本文使用大津阈值法),将图像转化为仅具有黑白两色的图像.最后对二值化图像进行数学形态学处理,通过“膨胀”和“腐蚀”操作进一步减少图像中与尺寸测量无关的信息.图像预处理后的结果如图3所示.

(a)原图 (b)灰度图

2.2 边缘检测

图像经过预处理后进行边缘检测,本文主要采用Canny边缘检测算法提取换热器铜管边界轮廓.Canny边缘检测算法是一种多步边缘检测算法,可以检测任何图形的边缘,因其具有较好的定位边缘点能力、单一的边缘响应和低错误率等优点被广泛应用.该检测算法的主要步骤为:

(1) 利用高斯滤波器对图像进行滤波处理;

(2) 利用偏导数算法计算图像灰度垂直方向和水平方向上的偏导数,并求出梯度幅值和角度;

(3) 对梯度幅值进行非极大值抑制;

(4) 双阈值算法检测和边缘连接.

从图3(d)中截取的一段铜管图像如图4所示,用Canny边缘检测的结果如图5所示.

图4 二值化图像

图5 边缘检测结果

2.3 相机标定

相机标定的目的是获取照片图像像素尺寸与实际物理尺寸的比例关系,方便在换热器铜管直径测量时进行尺寸换算.首先,用实验室CCD相机获取边长1厘米棋盘格图像(棋盘格如图6所示).在拍摄前,将24 cm×18 cm的大棋盘格剪成24个长6 cm、宽3 cm的小棋盘格;然后在拍摄时,将小棋盘格图像显示在相机镜头画面中央,保持镜头到每个小棋盘格的距离不变;其次对获取的小棋盘格图像做图像处理,并得到小棋盘格的像素尺寸;最后取24个小棋盘格像素尺寸的均值,将此均值与小棋盘格的实际物理尺寸进行对比,计算图像像素尺寸与实际物理尺寸的比例关系.小棋盘格像素尺寸如表1所列,计算均值为291.125像素×142.625像素,由此得到4.803像素表示实际物理尺寸1mm.

图6 边长1 cm棋盘格

3 测量实验及结果分析

3.1 测量过程和结果

在进行换热器铜管测量实验时,首先将CCD相机放置在换热器前,相机镜头与换热器铜管距离应和上文相机标定中相机镜头与棋盘格距离保持相等,同时使铜管成像画面位于相机镜头中央.然后对获取的铜管图像进行灰度化、滤波去噪、二值化和数学形态学处理等预处理操作,其次对二值化图像用Canny边缘检测算子绘制铜管边缘,边缘检测结果如图5所示.最后分别提取铜管上下边界的像素坐标(如图7所示),并将提取的上下边界像素纵坐标取均值相减,差值即为铜管直径的像素尺寸.

图7 测量示意图

实验过程中提取并计算了多组边界坐标,测量结果如表2所列.表中每组上下边界纵坐标均值通过分别在上下边界取10个纵坐标计算获得;换算尺寸是通过铜管像素尺寸与上文中的像素尺寸和实际物理尺寸比例关系换算得到的.

表2 测量结果

3.2 结果分析

为了验证本文测量方法的准确性,用游标卡尺直接测量换热器铜管直径,共测量50次,取均值,最终测量结果为9.760 mm,两种测量方法结果如表3所列,本文测量结果由表2换算尺寸取均值获得,通过与游标卡尺测量数据对比,计算误差为1.6%.

表3 测量结果分析

通过表3数据和实验过程分析可知,该实验方案仍有可改进空间,比如本文实验所用的相机为普通CCD相机,若改为工业CCD相机,则在相机标定时会更加精确,测量误差将进一步缩小;在用Canny边缘检测算子进行边缘提取时,绘制的边缘并不光滑,存在“伪边界现象”,这也对后面计算边界像素坐标造成了一定的困难,从而影响了换热铜管直径的像素尺寸,增大了测量误差;同时因为游标卡尺测量本身存在一定测量误差,这也是导致误差产生的客观因素.

4 结论

本文针对换热器换热铜管直径测量问题,采用图像处理的方法,利用CCD相机采集换热铜管图像,通过灰度化、滤波去噪、二值化和数学形态学处理等方法进行图像预处理,应用Canny边缘检测算子绘制边界轮廓等操作,获得换热铜管直径像素尺寸,并结合相机标定法将换热铜管像素尺寸换算为实际物理尺寸,最后将图像处理测量结果与游标卡尺测量结果对比,本文方法计算误差为1.6%.本文提出的基于图像处理的换热器换热铜管尺寸测量方法,可缩短普通人力测量的时间,自动化程度高,为实现机器视觉实时测量换热器换热铜管尺寸提供了一定的借鉴.