一，概述
　　pH计，离子计是一种常见的产品量和食品安全的检测仪器，pH计和离子计的计量性能准确与否直接影响到生产企业的产品质量和食品质量。因此，国家将其列入了国家强制检测的计量仪器。检定一台pH计或离子计要近百个检定数据，检定人员要花大量的时间进行数据处理，人工计算结果较容易出差错。为此，我们研发了基于虚拟仪器技术的PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪，该计量标准装置采用虚拟仪器技术，数码摄像的图像采集和识别技术，组成以计算机为核心虚拟仪器，具有自动输出标准电位信号，自动采集和读取被检器读数，自动记录检定数据，自动进行数据处理，自动进行检定结果准确度的判别，自动出具检定证书等功能。对提高检定工作技术水平和检测工作效率，实现计量检定的自动化水平都有重要的意义。
　　二，PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪的设计
　　（一）pH计及检定仪的工作原理PH计是一种常用的电化学分析仪器，主要用来测量液体的酸碱度。该仪器由pH电极（传感器）和pH电计（二次仪表）两部分组成。PH计检定仪的检定对象是pH电计（二次仪表）部分。
　　pH值定义：水中氢离子活度的负对数，即pH=-log[H ].pH电极应用原电池原理，将对氢离子敏感的电极插入水溶液，组成一个原电池，pH电极的电位与pH和温度有关，满足能斯特（NERNST）方程：焊缝可以伸缩，焊接（激光焊接技术）工艺容易保证，所以在地面上焊接的南温带焊缝焊接残余应力小，出现裂纹的几率也小；对北温带和赤道带的安装，因是在罐体上点固，组对与焊接，点固后的焊缝不能自由伸缩，罐体厚度又大，错边和角变形难以矫正，而需强力组对，使北温带和赤道带存在很大的拘束应力，加之冬季安装时，焊前预热温度，层间温度，后热温度及保温时间等焊接工艺要求难以保证，使北温带和赤道带焊缝形成延迟性冷裂纹。
　　（二）现场安装过程中，焊材中的水分和大气中的水汽等经焊接电弧的高温热作用，会分解成氢原子而进入焊接熔池中，引起焊接接头氢浓度过高[2]，也会引起延迟性冷裂纹。
　　（三）从对赤道带焊缝金相检测结果来看，焊缝显微组织存在枝晶偏析，焊缝塑性，韧性下降，有利于裂纹的形成。
　　正是上述三种情况的存在，使球罐中形成大量的延迟性冷裂纹。而16MnR材料淬硬性较低，使裂纹表现出穿晶型扩展。
　　至于二次开罐检验时仍发现大量裂纹，则是因安装时硬性组对形成的结构性缺陷和残余应力在热处理之后不可能*消除，加之罐体厚度较大，返修焊接时预热不均匀，冷却速度快，返修焊缝尖窄，使焊接接头产生新的局部应力，导致焊缝开裂。
　　四，裂纹修复（一）裂纹消除：扩大缺陷清除的部位，先用碳弧气刨刨除裂纹，再用砂轮机打磨消除碳弧气刨层，经磁粉探伤检查，确认裂纹已消除，磨出焊接坡口。
　　（二）焊接：保证焊条的烘干温度和时间，避免在潮湿天气时施焊，焊前对坡口进行严格清污，减少氢带入的可能，同时，提高预热温度及焊接线能量，严格按焊接工艺要求施焊，焊前预热温度120～140℃，层间温度不低于125℃，后热200℃/1h.（三）检验：焊接完成后36h，返修部位进行100的射线探伤和磁粉探伤及20的超声波探伤。
　　五，结论该球罐中的裂纹性质为延迟性冷裂纹，其成因是球罐安装过程中拘束应力应力偏高，焊缝中氢浓度较高和焊缝组织偏析三者交互作用的结果。
　　为避免或减少LPG球罐焊接接头的开裂现象，应在施焊过程中严格执行焊接工艺规程，做好焊接工艺评定与焊前预热工作，减小组对过程中的错边与角变形，以及氢的来源。同时，注意做好焊后消除应力热处理，以尽可能减小焊接接头区的拉伸残余应力，防止冷裂纹的发生。
　　数T――温度（K）
　　F――法拉弟常数在25℃时，每pH的电位为59.157mV.pH检定仪的设计原理就是模拟pH电极的标准电位，输出遵循能斯特（NERNST）方程的标准电位信号，对pH电计（二次仪表）的计量性能进行检定。
　　（二）检定仪的总体设计PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪主要由虚拟仪器软件，液晶触摸屏计算机，CCD成像系统，信号发生器和计算机接口电路组成（检定仪总体框图见图1）。该检定仪有三种工作方式，一种是手工操作方式，用户通过计算机中的虚拟仪器界面，控制调节标准信号发生器发出各种模拟pH/离子计传感器的标准电位信号，可按常规仪表方式操作和检定。第二种半自动检定方式，通过检定原始数据表格界面，自动选择检定点，输出该检定点的标准电位信号，被检pH/离子计在接受到标准信号后，通过人眼观察，手动微调标准器电位信号的输出，使被检pH/离子计的示值调到与检定点一致，按确认键将检定仪的标准电位信号读数自动输入计算机，计算机将自动进行数据处理，自动进行检定结果准确度判断。（也可人工记录读数，自动处理数据。）第三种方式是全自动检定方式，虚拟仪器按照国家检定规程规定的检定点，通过设计的自动程序控制标准电位信号发生器发出各种模拟pH/离子计传感器的标准电位信号，通过CCD成像系统，自动采集和识别被检器pH/离子计的读数，并自动记录被检器的检定数据，自动进行数据处理和检定结果准确度判断。
　　图1检定仪总体框图（三）硬件设计PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪硬件包括液晶触摸屏计算机，CCD成像系统，电位信号发生器和计算机接口电路组成。CCD成像系统采用工业相机，使用定焦镜头，通过USB接口与计算机连接。标准电位信号发生器是该检定仪的核心部分，标准信号发生器主要包括：单片机系统，高稳定度电源，高准确度D/A转换器，高阻切换选择电路等（框图见图2）。信号发生器通过USB接口与计算机通讯，由于整个系统功耗较低，采用USB口取电方式供电。
　　图2标准信号发生器框图该"虚拟仪器"软件部分分为用户界面模块，检定模块，数据库模块，证书打印模块，校准模块，标准器信息模块，数字签名模块，图像采集模块，图像处理和识别模块等（具体见图3）。具有用户界面友好，操作方便，自动化，智能程度高等特点。
　　图3软件系统框图1，用户界面模块这个模块是检定软件与用户的接口，按照检定人员的需要进行设计，界面友好，操作方便，简单，易于上手。具体可分为模拟传统仪器界面，半自动检定界面和全自动检定界面（需要摄像头支持），具体见图4，图5和图6.图4模拟传统仪器界面图5半自动检定界面图6全自动检定界面2，图像处理，识别模块系统采集，识别的对象是酸度计（或离子计）
　　的液晶或数码管，大多数酸度计（或离子计）的液晶或数码管采用八段的显示结构（见图7），可显示的字符种类有0～9，负号和小数点12种字符。
　　图7八段显示结构根据以上特点我们提出了一套针对仪表数字显示特征的快速识别算法，包括图像的二值化，图像倾斜度校正，字符分割，特征提取与识别等步骤。采集到的图像如图8所示。
　　图8采集到的图像（1）二值化图像的二值化关键是阈值分割，Otsu方法（大律方法）是经典的非参数，无监督自适应阈值选取方法。它利用图像中的灰度直方图，以目标与背景之间的方差zui大来动态地确定图像分割门限值，它不需要其他先验知识，因而应用范围很广。
　　该方法的基本思想如下：设一维离散概率密度的归一化直方图为：式中，n为图像的像素总数，nq是灰度级为rq的像素数目，L是图像的灰度等级。现随机选定一个灰度阈值k，它把图像灰度级分成两类：C0为一组灰度级为[0，1，…，k-1]的像素，C1为另一组灰度级为[k，k 1，…，L-1]的像素。类间方差定义为：之后搜索遍历所有的灰度等级，当符合zui大化类间方差准则：时，对应的K即为所要求的阈值。利用该方法二值化后的图像效果如图9所示。
　　图9二值化后的图像效果（2）分割4243R――气体常数T――温度（K）
　　F――法拉弟常数在25℃时，每pH的电位为59.157mV.pH检定仪的设计原理就是模拟pH电极的标准电位，输出遵循能斯特（NERNST）方程的标准电位信号，对pH电计（二次仪表）的计量性能进行检定。
　　（二）检定仪的总体设计PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪主要由虚拟仪器软件，液晶触摸屏计算机，CCD成像系统，信号发生器和计算机接口电路组成（检定仪总体框图见图1）。该检定仪有三种工作方式，一种是手工操作方式，用户通过计算机中的虚拟仪器界面，控制调节标准信号发生器发出各种模拟pH/离子计传感器的标准电位信号，可按常规仪表方式操作和检定。第二种半自动检定方式，通过检定原始数据表格界面，自动选择检定点，输出该检定点的标准电位信号，被检pH/离子计在接受到标准信号后，通过人眼观察，手动微调标准器电位信号的输出，使被检pH/离子计的示值调到与检定点一致，按确认键将检定仪的标准电位信号读数自动输入计算机，计算机将自动进行数据处理，自动进行检定结果准确度判断。（也可人工记录读数，自动处理数据。）第三种方式是全自动检定方式，虚拟仪器按照国家检定规程规定的检定点，通过设计的自动程序控制标准电位信号发生器发出各种模拟pH/离子计传感器的标准电位信号，通过CCD成像系统，自动采集和识别被检器pH/离子计的读数，并自动记录被检器的检定数据，自动进行数据处理和检定结果准确度判断。
　　图1检定仪总体框图（三）硬件设计PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪硬件包括液晶触摸屏计算机，CCD成像系统，电位信号发生器和计算机接口电路组成。CCD成像系统采用工业相机，使用定焦镜头，通过USB接口与计算机连接。标准电位信号发生器是该检定仪的核心部分，标准信号发生器主要包括：单片机系统，高稳定度电源，高准确度D/A转换器，高阻切换选择电路等（框图见图2）。信号发生器通过USB接口与计算机通讯，由于整个系统功耗较低，采用USB口取电方式供电。
　　图2标准信号发生器框图该"虚拟仪器"软件部分分为用户界面模块，检定模块，数据库模块，证书打印模块，校准模块，标准器信息模块，数字签名模块，图像采集模块，图像处理和识别模块等（具体见图3）。具有用户界面友好，操作方便，自动化，智能程度高等特点。
　　图3软件系统框图1，用户界面模块这个模块是检定软件与用户的接口，按照检定人员的需要进行设计，界面友好，操作方便，简单，易于上手。具体可分为模拟传统仪器界面，半自动检定界面和全自动检定界面（需要摄像头支持），具体见图4，图5和图6.图4模拟传统仪器界面图5半自动检定界面图6全自动检定界面2，图像处理，识别模块系统采集，识别的对象是酸度计（或离子计）
　　的液晶或数码管，大多数酸度计（或离子计）的液晶或数码管采用八段的显示结构（见图7），可显示的字符种类有0～9，负号和小数点12种字符。
　　图7八段显示结构根据以上特点我们提出了一套针对仪表数字显示特征的快速识别算法，包括图像的二值化，图像倾斜度校正，字符分割，特征提取与识别等步骤。采集到的图像如图8所示。
　　图8采集到的图像（1）二值化图像的二值化关键是阈值分割，Otsu方法（大律方法）是经典的非参数，无监督自适应阈值选取方法。它利用图像中的灰度直方图，以目标与背景之间的方差zui大来动态地确定图像分割门限值，它不需要其他先验知识，因而应用范围很广。
　　该方法的基本思想如下：设一维离散概率密度的归一化直方图为：式中，n为图像的像素总数，nq是灰度级为rq的像素数目，L是图像的灰度等级。现随机选定一个灰度阈值k，它把图像灰度级分成两类：C0为一组灰度级为[0，1，…，k-1]的像素，C1为另一组灰度级为[k，k 1，…，L-1]的像素。类间方差定义为：之后搜索遍历所有的灰度等级，当符合zui大化类间方差准则：时，对应的K即为所要求的阈值。利用该方法二值化后的图像效果如图9所示。
　　图9二值化后的图像效果（2）分割4445采集到的图像包括多个数字，识别只能根据每个字符的特征来进行判断，所以要进行字符分割，分割后的图像效果如图10所示。
　　图10分割后的图像效果（3）特征提取与识别从"0"，"1"到"9"，"."，"-"十二个字符的结构可以看出，除"1"和"."外，其他字符的结构宽高比都在30以上，如果发现宽高比小于30，则可判断是"1"或".".在对"1"和"."进行判断，宽高比对于50的是"."，小于50的是"1"."0"到"9"，"-"的判断可根据图7的黑色部分A～G的情况进行判断。
　　三，研究结果PC-3电脑型pH/离子计自动检定仪的特点在于将计算机的"虚拟仪器"技术，图像识别技术应用于pH/离子计的计量检测仪器，使计算机的强大数据处理和存贮功能与计量检测仪器融为一体。将电脑嵌入仪器中，取代普通测量仪器的显示控制面板，利用摄像头代替人眼读数，自动控制标准信号发生器电路，自动采集读取pH/离子计显示数值，构成一台集计量检测，数据存贮，数据处理，结果判别，证书出具为一体的自动检测仪器。
　　研究结果的自动检定仪准确度等级优于"JJG919-2008pH计检定仪"国家计量检定规程zui高准确度0.0006pH的要求。