一种基于图像识别的电子皂膜气体流量计

摘要

本发明涉及气体流量测量技术领域，具体的说是一种基于图像识别的电子皂膜气体流量计，包括皂膜自动发生装置、图像传感器、计算机程序控制的图像数据采集电路，其特征在于包括一根皂膜管和一根皂膜回收管用一根连接橡胶软管连接、破膜热针装置固定在皂膜回收管的上方、皂膜管表面设有图像传感器，图像传感器上设有图像数据采集电路，皂膜管下部与橡胶软管一端间设有进气口，测量状态，皂膜自动发生装置由进气口在皂膜管内部产生皂膜，图像传感器将信号传输给图像数据采集电路，采集电路采集皂膜图像数据。本发明替代了传统人工操作、人工计算，避免了人为误差；图像传感器与图像数据采集电路配合，能适时显示被测气体的瞬时流量。

说明书

[技术领域]

本发明涉及气体流量测量技术领域，具体的说是一种基于图像识别的电子 皂膜气体流量计。

[背景技术]

传统皂膜气体流量计，测量原理为测算皂膜或液面经过玻璃管内一段体积 所用的时间，计算得出气体流量。其中皂膜的产生方式通常采取人为手动挤压乳 胶球，若挤压不当，则有可能产生多个皂膜，影响观察，因此人工手动挤压操 作稳定性不高；皂膜产生后位移距离通过人工观察，准确度不高；计时方式有 手掐秒表的方式，也有利用安装光电传感器计时的方式，总之人工干预的部分 占多数，不但费时费神，且测量存在人为误差，其最大的不足在于难以得到气 体的瞬时流量。

[发明内容]

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种可自动产生皂膜、自动 计时、可测量瞬时流量的皂膜气体流量计。

为实现上述目的，设计一种基于图像识别的电子皂膜气体流量计，包括皂 膜自动发生装置、图像传感器、计算机程序控制的图像数据采集电路，其特征 在于包括至少一根皂膜管(1)和一根皂膜回收管(5)用一根连接橡胶软管(6) 密封连接、破膜热针装置(4)固定在皂膜回收管(5)的上方、皂膜管的外侧 表面设有CIS图像传感器(2)，CIS图像传感器(2)上设有图像数据采集电路， 皂膜管(1)和CIS图像传感器(2)采取平行贴紧装配，在皂膜管(1)的下部 与橡胶软管(6)的一端之间设有进气口(3)，在测量状态下，皂膜自动发生装 置由进气口(3)在皂膜管内部产生皂膜，CIS图像传感器(2)将信号传输给图 像数据采集电路，采集电路采集皂膜图像数据或空白图像数据，所述的皂膜位 置最小分辨率≤0.05mm，最小体积分辨率为10uL，气体流量范围0-60L/min， 准确度等级为1，重复性≤0.5，响应速率为100ms。

所述的图像采集电路包括至少一只大气压传感器及测量电路、一只环境温 度传感器及测量电路，以测量环境的大气压强和温度。

所述的计算机程序控制的图像采集电路，包括至少一套皂膜图像识别算法 软件模块、皂膜运行速度计算软件模块、被测气体瞬时流量计算软件模块、大 气压强和环境温度软件算法模块、气体流速校正软件模块、显示操作窗口软件 模块以及数据输出接口软件模块。

所述的破膜热针装置采用100℃以上的特种陶瓷PTC加热材料制成。

所述的CIS图像传感器是由一排长216mm的光电传感阵列(5184点阵)、LED 光源阵列和柱状透镜阵列组成，CIS图像传感器由图像数据高速采集电路驱动， 图像数据高速采集电路由高速A/D模数转换器(3片TLC5510)、CPLD芯片 (LCMX0640)、缓冲存储器(2片IS61C1024芯片)等组成，CIS图像传感器在 CPLD芯片的控制下，将每一个像素的灰度值以模拟电压值的形式通过串行一位 方式传输出来(4MHz)，对每一个像素中的某个像素的电信号再经过差动放大器 电路进行信号调理后，由A/D转换器将模拟电压转换数字量，然后在CPLD芯片 的控制下，将转换后的数字信号暂时存在存储器RAM中，CPLD芯片采集到一幅 图像数据后，由皂膜图像识别软件算法识别出图像区域内的皂膜位置数据，根 据皂膜的运行速度以及皂膜管的内径，调用被测气体瞬时流量计算法软件模块 计算出被测气体的瞬时流量，同时由气体流速校正软件模块根据被测气体的瞬 时流量、大气压强和环境温度计算出被测气体的校正流速，再由CPLD芯片保存 在存储器RAM中。

本发明替代了传统人工操作、人工计算，避免了人为误差；图像传感器与 图像数据采集电路配合，能适时显示被测气体的瞬时流量；除此之外，本发明 还提供显示操作窗口及数据输出接口能便捷的显示数据、传送至上位机进校正 或反控。

[附图说明]

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明图像数据采集处理流程图；

图中1.皂膜管2.CIS图像传感器3.进气口4.破膜热针装置5.皂膜回收管6. 橡胶软管。

[具体实施方式]

结合附图对本发明做进一步说明，该装置的构造对本领域技术人员来说是 可以实现的。

本发明为了实现流量计自动皂膜功能，利用皂膜自动发生及回收装置取代 传统人工手动挤捏装置；为了实现计算机计算处理数据，增加了图像传感器及 图像采集电路，最终得到实施例结构如图1所示：

一根皂膜管1和一根皂膜回收管5用一根连接橡胶软管6密封连接、破膜 热针装置4固定在皂膜回收管5的上方、皂膜管的外侧表面平行贴紧装配CIS 图像传感器2，CIS图像传感器2上设有图像数据采集电路，在皂膜管1的下部 与橡胶软管6的一端之间设有进气口3。

将进气口3连接的气路输入管直接浸没在皂液内部适当位置，随着气体的 流出将连续产生皂膜，皂膜到达皂膜管1顶部进入皂膜回收管5，由破膜热针装 置4将其破灭，皂液回流到皂膜管底部重复利用，破膜热针装置是由100℃以上 的特种陶瓷PTC加热材料制得。

皂膜发生位移的整个过程被CIS图像传感器2识别，并传输到图像采集电 路中计算处理，其具体的处理流程由图2所示：

CIS图像传感器识别皂膜的存在和移动，CIS接触式图像传感器是由一排长 216mm的光电传感阵列(5184点阵)、LED光源阵列和柱状透镜阵列组成，CIS 图像传感器由图像数据高速采集电路驱动，图像数据高速采集电路由高速A/D 模数转换器(3片TLC5510)、CPLD芯片(LCMX0640)、缓冲存储器(2片IS61C1024 芯片)等组成，CIS图像传感器在CPLD的控制下，将每一个像素的灰度值以模 拟电压值的形式通过串行一位方式传输出来(4MHz)，对每一个像素中的某个像 素的电信号再经过差动放大器电路进行信号调理后，由A/D转换器将模拟电压 转换数字量，然后再CPLD的控制下，将转换后的数字信号暂时存在存储器RAM 中，CPLD采集到一幅图像数据后，由皂膜图像识别软件算法识别出图像区域内 的皂泡位置数据，根据皂膜的运行速度以及皂膜管的内径，调用被测气体瞬时 流量计算法软件模块计算出被测气体的瞬时流量，同时由气体流速校正软件模 块根据被测气体的瞬时流量、大气压强和环境温度计算出被测气体的校正流速， 再由CPLD保存在存储器RAM中。

本实施例中CPU选用高速8位单片机(GC89L591A0)，CPLD芯片中的高速切 换数据地址总线，使CPLD芯片与CPU共享存储器RAM，暂存在存储器RAM中的 皂膜位置数据被CPU读出；本发明中采用大气压强传感器(MPXA6400A)、温度 传感器(PT100)、高精度电压基准源(REF024AU)、放大电路、24位A/D模数转 换器(ADS1247)等组成大气压强及温度测量模块，24位A/D模数转换器产生的大 气压强传感器、温度传感器数据有计算软件计算出当前大气压强及温度；采用3.5 寸真彩触摸显示屏作为流量计的显示及设置窗口；采用RS232通信端口作为流 量实测数据及仪器运行状态的数据输出接口；

根据上述工作原理和技术方案，发明人研制的基于图像识别的电子皂膜气 体流量计，皂膜位置最小分辨率≤0.05mm，最小体积分辨率为10uL，气体流量 范围0-60L/min，准确度等级为1，重复性≤0.5，响应速率为100ms。

具体操作步骤如下：

1.完成皂膜产生与回收工作

由进气口3输入被测气体在存有一定浓度皂液的皂膜管1内产生皂膜，皂 膜上升至出口处由破膜装置4将皂膜刺破，皂膜落入破膜装置4下方的皂膜回 收管5内，皂膜回收管5与下方的橡胶软管6密封连接，橡胶软管6与皂膜管1 密封连接，至此泡液又重新回到产泡皂液中。

2.完成皂膜流量的读取、显示、输出及反控工作

由CIS图像传感器读取皂液位置，将信号传输给控制线路板前置处理装置， 根据图2所示，芯片进行后处理，内部高速运算，完成气体流量的显示、输出 及反控工作。