煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转测量装置的制作方法

本实用新型涉及煤气柜运行状态检测技术领域，特别是指一种煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转在线测量装置。

背景技术：

煤气柜是一种可以回收并作为二次能源利用而存储煤气的装置。煤气柜主要由包括侧板、底板、顶板等部件构成的外部固定不动的壳体，包括活塞、T挡板构成的内部可活动构件，以及连接侧板与T挡板、T挡板与活塞挡板之间的橡皮膜组成。当煤气柜进行储气时活塞上升，排气时活塞下降。当活塞在较低位置时，活塞支架与T挡板脱开，活塞支架随活塞一起上下运动，活塞下降时T挡板与活塞挡板之间的橡皮膜将折叠，活塞上升时T挡板与活塞挡板之间的橡皮膜将伸展。当活塞上升到一定高度时，T挡板与活塞挡板间橡皮膜将完全展开，活塞支架与T挡板接触。在此高度以上，T挡板和活塞支架将随活塞一起上下运动，活塞上升时，侧板与T挡板之间的橡皮膜将伸展；活塞下降时，侧板与T挡板之间的橡皮膜将折叠。

当活塞上下运动时，活塞与煤气柜柜体之间没有任何刚性连接，主要依靠柜内煤气压力将其支撑。由于在活塞上下运动时可能会发生整个活塞面受力不均的现象，活塞并不会始终保持水平状态，可能会产生倾斜、偏移、扭转等状况。但活塞的倾斜、偏移、扭转等状况达到一定程度时，可能会引起煤气柜内煤气过压。严重时还可能引起橡皮膜的撕裂，进而导致煤气泄漏，造成重大的经济损失和安全隐患。因此，活塞的偏移、扭转在线测量技术 是保证煤气柜安全运行的关键技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转在线测量装置，可以准确的测量煤气柜活塞的偏移、扭转值，且简单易实现、成本低廉、适合大面积工业推广。

为了实现上述目的，现提出如下解决方案：

一方面，提供一种煤气柜活塞的偏移、扭转测量装置，包括：

N台相机、第一标记物、信号传输链路以及计算模块；其中，N为大于等于3的整数；

所述第一标记物设置在T挡板及其下方支架上，设置在所述相机的正前方；

所述N台相机设置在所述活塞支架顶部，用以捕捉对应标记物的图像变化，并将结果通过所述传输链路传送至所述计算模块；

所述计算模块接收上述信息，根据所述对应标记物的图像变化得到的第一位移向量Xp_h以及所述活塞倾斜引起的第二位移向量Xp_h”，计算得到由所述活塞偏移、扭转引起的每台相机的第三位移向量Xp_h'；

其中，所述第三位移向量Xp_h'包括：所述活塞的水平方向偏移量xQ、垂直方向偏移量yQ以及扭转角α。

优选地，在所述计算模块中，

所述第一位移向量Xp_h为所述相机在光轴垂直方向移动的位移，通过实际测量获得；

所述第二位移向量Xp_h”由公式Xp_h”＝H(βcosθ-γsinθ)求得，

其中，γ为所述活塞倾斜后x轴与水平面夹角；β为所述活塞倾斜后y轴与水平面的夹角；θ为所述相机镜头方向与x轴夹角；H为所述相机的安装位置到所述活塞平面的高度。

所述活塞的水平方向偏移量xQ、垂直方向偏移量yQ以及扭转角α的最优解由公式求得，

其中，为是一个N×3的矩阵；θ为所述相机镜头方向与x轴夹角,R为所述相机的安装位置到所述活塞中心的距离。

优选地，所述第一标记物采用垂直的黑白条纹样式。

优选地，所述相机采用1080P摄像机。

优选地，所述传输链路包括：

以太网交换机、网线电缆、光纤；

所述相机与所述以太网交换机通过所述网线电缆相连；所述计算模块与所述以太网交换机通过所述网线电缆相连；所述以太网交换机之间通过所述光纤相连。

另外，本实用新型还提供了一种煤气柜T挡板的偏移、扭转测量装置，包括：

N台相机、第二标记物、信号传输链路以及计算模块；其中，N为大于等于3的整数；

所述第二标记物设置在所述煤气柜侧板上，设置在所述相机的正前方；

所述N台相机设置在所述T挡板顶部，用以捕捉对应标记物的图像变化，并将结果通过所述传输链路传送至所述计算模块；

所述计算模块接收上述信息，根据所述对应标记物的图像变化得到的第一位移向量Xp_t以及所述T挡板倾斜引起的第二位移向量Xp_t”，计算得到由所述T挡板偏移、扭转引起的每台相机的第三位移向量Xp_h'；

其中，所述第三位移向量Xp_t'包括：所述T挡板的水平方向偏移量xQ、垂直方向偏移量yQ以及扭转角α。

优选地，所述计算模块中，

所述第一位移向量Xp_t为所述相机在光轴垂直方向移动的位移，通过实际测量获得。

所述第二位移向量Xp_t”由公式Xp_t”＝H(βcosθ-γsinθ)求得，

其中，γ为所述T挡板倾斜后x轴与水平面夹角；β为所述T挡板倾斜后y轴与水平面的夹角；θ为所述相机镜头方向与x轴夹角；H为所述相机的安装位置到所述T挡板平面的高度。

所述T挡板的水平方向偏移量xQ、垂直方向偏移量yQ以及扭转角α的最优解由公式求得，

其中，为是一个N×3的矩阵；θ为所述相机镜头方向与x轴夹角,R为所述相机的安装位置到所述T挡板中心的距离。

优选地，所述第一标记物采用垂直的黑白条纹样式。

优选地，所述相机采用1080P摄像机。

优选地，所述传输链路包括：

以太网交换机、网线电缆、光纤；

所述相机与所述以太网交换机通过所述网线电缆相连；所述计算模块与所述以太网交换机通过所述网线电缆相连；所述以太网交换机之间通过所述光纤相连。

本实用新型的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，本实用新型提供了一种精准在线测量煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转的方法和装置，维护人员可以远程实时掌控煤气柜活塞的运行状况。减少了人工进柜测量次数，提高了煤气柜的维护效率，提升了维护作业的安全性。可以准确的测量煤气柜活塞的偏移、扭转值，且简单易实现、成本低廉、适合大面积工业推广。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种煤气柜活塞的偏移、扭转测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种煤气柜T挡板的偏移、扭转测量装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种标记物和相机安装位置关系的示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种活塞偏移、扭转与相机位置变化关系的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种标记物的样式示意图；

图6为本实用新型实施例提供的相机位置变化计算方法的原理示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种煤气柜活塞的偏移、扭转测 量装置的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型的实施例针对现有技术中煤气柜活塞和T挡板运行状态检测不准确或需要人工测量等的问题，提供一种煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转测量和装置。在煤气柜运行过程中当活塞在初始位置时，记录下活塞上的相机所拍摄到的标记物图像，如果活塞不发生扭转和偏移，则该相机在水平面上的位置不会改变，由于标记物在垂直方向上看是相同的，所以该相机拍摄的图像与初始位置的图像没有区别，如果活塞发生了偏移、扭转或者倾斜，那么该相机在垂直方向的位置也会变化，拍摄的图像与初始位置图像就会不同。通过对比该相机拍摄的图像与初始位置图像的变化就能计算出该相机相对于初始位置的位移，从中减去活塞倾斜引起的该相机的位移就得到仅因活塞偏移和扭转引起的该相机的位移。

因此综合活塞上两台(本实用新型实施例中均以两台相机为例)相机的位移就能求解出活塞相对于T挡板的偏移和扭转值。同理，当T挡板在初始位置时，记录下T挡板上的相机所拍摄到的标记物图像，如果T挡板不发生扭转和偏移，则该相机垂直方向的位置不会改变，由于标记物在垂直方向上看是相同的，所以该相机拍摄的图像与初始位置的图像没有区别，如果T挡板发生了偏移、扭转或者倾斜，那么该相机在垂直方向的位置也会变化，拍摄的图像与初始位置图像就会不同。通过对比该相机拍摄的图像与初始位置图像的变化就能计算出该相机相对于初始位置的位移，从中减去T挡板倾斜引起的该相机的位移就得到仅因T挡板偏移和扭转引起的该相机的位移。综合T挡板上两台相机的位移就能求解出T挡板相对于柜壳的偏移和扭转值。

优选地，如图1所示，为本实用新型实施例提供的一种煤气柜活塞的偏移、扭转测量装置的结构示意图。本实用新型实施例提供的一种煤气柜活塞的偏移、扭转测量装置，包括：第一标记物101、N台相机102、信号传输链路103以及计算模块104；其中，N为大于等于3的整数；所述第一标记物101，设置在T挡板及其下方支架上在每台所述N台相机102的正前方；所述N台相机102设置在所述活塞支架顶部，用以捕捉所述第一标记物101的图像变化，并将结果通过所述传输链路103传送至所述计算模块104；所述计算模块104接收上述信息，根据所述第一标记物101的图像变化得到的第一位移向量以及所述活塞倾斜引起的第二位移向量，计算得到由所述活塞偏移、扭转引起的每台相机的第三位移向量；其中，所述第三位移向量包括：所述活塞的水平、垂直方向偏移量以及扭转角。

优选地，本实用新型实施例以分析计算机作为计算模块104进行说明，但并不以此为限。所述传输链路103包括：以太网交换机、网线电缆、光纤；相机与以太网交换机通过网线电缆相连；分析计算机与以太网交换机通过网线电缆相连；以太网交换机之间通过光纤相连。

优选地，如图2所示，为本实用新型实施例提供的一种煤气柜T挡板的偏移、扭转测量装置的结构示意图。本实用新型实施例提供的一种煤气柜T挡板的偏移、扭转测量装置，包括：第二标记物201、N台相机102、信号传输链路103以及计算模块104；其中，N为大于等于3的整数；所述第二标记物201，设置在所述煤气柜侧板上在每台所述多个相机102的正前方；所述N台相机102设置在所述T挡板顶部，用以捕捉所述第二标记物201的图像变化，并将结果通过所述传输链路103传送至所述计算模块104；所述计算模块104接收上述信息，根据所述第二标记物201的图像变化得到的第一位移向量 以及所述T挡板倾斜引起的第二位移向量，计算得到由所述T挡板偏移、扭转引起的每台相机的第三位移向量；其中，所述第三位移向量包括：所述T挡板的水平、垂直方向偏移量以及扭转角。优选地，本实用新型实施例装置中的传输方式与上述实施例中的煤气柜活塞的偏移、扭转测量装置相类似，因此不再进行赘述。

具体地，本实用新型实施例以测量煤气柜活塞的偏移、扭转为例进行阐述说明。在进行具体测量时以活塞中心为原点建立坐标系oxyz，x方向可根据活塞结构及操作人员习惯定义，如指向某个柱列线，y方向与x方向垂直，z方向是活塞上下升降运动的方向。如图3所示，为本实用新型实施例提供的一种标记物和相机安装位置关系的示意图。具体地，在活塞支架顶部设置两台相机，每台相机的正对面都设置有对应的第一标记物G2，记录下活塞在此初始位置时相机拍摄标记物的黑白条纹分界线在图像中的坐标值。如果活塞在上下运动过程，始终沿着z轴运动，且不发生扭转，那么相机的x,y坐标值将不会改变，所拍摄的标记物图像也不会变化，如果活塞上下运动过程中发生了偏移和扭转，则可以将活塞的运动等效为在x方向偏移xQ，y方向偏移yQ，绕平移后的Z轴扭转α后再沿Z轴上下运动，这样相机的x，y坐标值就会改变，那么拍摄的标记物的黑白条纹分界线在图像中的坐标就会变化。根据坐标的变化可以计算出任意一台相机在其镜头方向和镜头切线方向偏移量，也可以通俗的理解为相机前后方向和左右横移方向的偏移量Yp和Xp。

具体地，相机的成像原理通过使用简化透视模型来表示，如图4 所示，为本实用新型实施例提供的一种活塞偏移、扭转与相机位置变化关系的示意图。如图4中I为视点(可以理解为透镜中心)，H为相机成像平面，Io垂直于平面H，Io为相机镜头光轴方向，其垂直方向为镜头切线方向，Io的长度为焦距，A、B、C为标记物黑白分界在水平剖面的投影，其与视点I连线交成像平面H于a、b、c，因此a、b、c即为A、B、C的像。因为第一标记物G2是固定不动的，即A、B、C是静止的，且AC、BC、AB的距离已知。相机可以前后左右平移，如附图4所示相机从点I(初始位置点)移动至点I＇，在其光轴方向上移动了Yp_h，在光轴垂直方向上移动了Xp_h，由于相机安装的平行于标记物平面。所以像平面平行于AB，那么根据三角形相似关系

则

如图6所示，为本实用新型实施例提供的相机位置变化计算方法的原理示意图。如果活塞在x方向偏移xQ，y方向偏移yQ，绕平移后的Z轴扭转α后，相机从点P移动到了点P＇，经过推导求得因为活塞偏移扭转引起的相机在其镜头的切线方向的偏移量Xp_h'为：

其中A(θ,R)被称作该相机活塞偏移扭转到相机横移的转换矩阵, 它是一个1×3的矩阵，θ为相机镜头方向与x轴夹角，R表示相机安装位置到活塞中心的距离。由于相机安装在活塞支架顶部，活塞倾斜也会引起相机的横移，所以有必要考虑活塞倾斜引起的相机横移量的变化。如果相机的安装位置距离活塞底部的高度为H,活塞倾斜后x轴与水平面夹角为γ，y轴与水平面的夹角为β(这两个角度可以通过活塞倾斜测量装置测得)，经过推导可以得到活塞倾斜引起的相机在其镜头的切线方向的偏移量Xp_h”为：

Xp_h”＝H(βcosθ-γsinθ) (4)

相机的实际横移量Xp_h为Xp_h'与Xp_h”叠加产生即

Xp_h＝Xp_h'+Xp_h” (5)

在公式(3)(4)(5)可见xQ、yQ、α是未知数，Xp_h是已知的，需要求解这个三个未知数，至少需要三台相机的观测数据，如果设置更多的相机，则可以构成冗余方程组，可以使用最小二乘法求出xQ、yQ、α的最优解。

具体地，在实际操作过程中如果活塞上安装有N台相机，先根据相机拍摄的图像变化计算每台相机的Xp_h，使用公式(4)计算出每台相机的Xp_h”，然后计算出Xp_h'＝Xp_h-Xp_h”，接下来将公式(3)扩展成N台相机的矩阵形式为

定义活塞到N台相机横移的转移矩阵A为N×3矩阵，则可以计算出活塞偏移距离离xQ、yQ、扭转角α的最优解为：

以上计算推导方法均是在计算模块104中完成，同理，测量T挡板的偏移和扭转的原理与方法与测量活塞偏移扭转的原理和方法类似。本实用新型实施例提供的煤气柜T挡板的偏移、转转测量实际过程中，根据T挡板顶部设置的N台相机拍摄的第二标记物的图像变化计算出每台相机在光轴垂直方向的第一位移向量Xp_t；其中，N为大于等于3的整数；所述第二标记物设置在所述煤气柜侧板上；计算由所述T挡板倾斜引起的每台相机在镜头切线方向的第二位移向量Xp_t”；根据所述第一位移向量Xp_t与所述第二位移向量Xp_t”之差，计算得到由所述T挡板偏移、扭转引起的每台相机的第三位移向量Xp_t'；根据所述第三位移向量Xp_t'，计算得到所述T挡板的水平方向偏移量xQ、垂直方向偏移量yQ以及扭转角α。

先根据T挡板上相机拍摄的第二标记物G1的图像变化计算每台相机的第一位移向量Xp_t，再计算出相机因T挡板倾斜引起的的第三位移量Xp_t”，然后计算相机因T挡板偏移扭转引起的第二位移量Xp_t'＝Xp_t-Xp_t”，最后利用T挡板上两台相机的位移量，参照公式(9)(10)计算出T挡板的偏移量xQ、yQ及扭转角，在此不进行赘述。

如图7所示，为本实用新型实施例提供的一种煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转测量装置的系统结构示意图。本实用新型实施例提供的系统由安装在煤气柜侧板和T挡板及其下方支架上的多组标记物，以及对应的活塞支架顶部的两台相机，T挡板顶部的两台相机，放置在远程操作室的分析计算机及信号传输链路中的光纤交换机、图像服务器等组成。具体地，传输链路包括以太网交换机、网线电缆、光纤等部件。相机与以太网交换机之间通过网线连接，分析计算机与交换机之间通过网线连接，两台交换机之间通过光纤连接，形成相机-交换机-交换机-分析计算机的信息传输通道。相机拍摄的标记物图像通过该信息通道传输至分析计算机。分析计算机上的专用软件程序按照本实用新型所述的方法对相机拍摄的图像进行处理，得到活塞和T挡板的偏移和扭转值。

综上所述，本实用新型提供的精准在线测量煤气柜活塞和T挡板偏移、扭转的方法和装置，维护人员可以远程实时掌控煤气柜活塞和T挡板的运行状况。减少了人工进柜测量次数，提高了煤气柜的维护效率，提升了维护作业的安全性。可以准确的测量煤气柜活塞和T挡板的偏移、扭转值，且简单易实现、成本低廉、适合大面积工业推广。

在本实用新型各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本实用新型的保护范围之内。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。