一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，包括保溫水箱，所述保溫水箱內(nèi)設(shè)有加熱管和溫度傳感器，所述加熱管和溫度傳感器都與控制器連接，所述保溫水箱內(nèi)還設(shè)有管道，管道的一端與保溫水箱內(nèi)的水泵連接，另一端的開(kāi)口朝向保溫水箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)供水；所述管道上設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)和被校準(zhǔn)超聲波水表。采用STM32單片機(jī)對(duì)測(cè)量環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)與控制，不僅具有測(cè)量精度高、控制方便、簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高對(duì)測(cè)試水體溫度控制的技術(shù)指標(biāo)，可在指定溫度下進(jìn)行超聲波水表的計(jì)量精度校準(zhǔn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及超聲波水表校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于超聲波水表精度校 準(zhǔn)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)論是工業(yè)控制領(lǐng)域還是民用用水計(jì)費(fèi)，水流量計(jì)的應(yīng)用都非常廣泛，如工業(yè)控 制中的鍋爐、加熱爐熱力及水流控制中的熱力表、熱水表，消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱水器，民用水 表的計(jì)量。而當(dāng)今水流量計(jì)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試方法亦然采用傳統(tǒng)辦法，存在測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)單、精確 度不高、對(duì)水溫的測(cè)試無(wú)法精確控制、人工測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力、環(huán)境搭建麻煩、操作復(fù)雜等問(wèn)題， 在開(kāi)發(fā)超聲波水表過(guò)程中，為提高計(jì)量精度，測(cè)試環(huán)境需要更加穩(wěn)定、可靠，溫度控制要更 加精準(zhǔn)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供了一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn) 的系統(tǒng)，測(cè)量精度高、控制方便、簡(jiǎn)單靈活，可以大幅度提高對(duì)測(cè)試水體溫度控制的技術(shù)指 標(biāo)。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，包括保溫水箱，所述保溫水箱內(nèi)設(shè)有加熱 管和溫度傳感器，所述加熱管和溫度傳感器都與控制器連接，所述保溫水箱內(nèi)還設(shè)有管道， 管道的一端與保溫水箱內(nèi)的水栗連接，另一端的開(kāi)口朝向保溫水箱內(nèi)；所述管道上設(shè)有標(biāo) 準(zhǔn)電磁流量計(jì)和被校準(zhǔn)超聲波水表。
[0006] 所述控制器連接電磁繼電器，通過(guò)控制電磁繼電器的工作與否控制所述加熱管的 加熱與否和水栗開(kāi)關(guān)。
[0007] 所述控制器采用STM32單片機(jī)。
[0008] 所述溫度傳感器采用PT1000溫度傳感器。
[0009] 所述保溫水箱內(nèi)加熱管的下端設(shè)有攪拌器，所述攪拌器也與所述控制器連接。
[0010] 所述控制器通過(guò)支架固定在所述保溫水箱的外側(cè)邊上。
[0011] 所述控制器與上位機(jī)進(jìn)行通信。
[0012] 所述控制器的輸入端連接按鍵。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是：
[0014]本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)對(duì)測(cè)量環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并控制相應(yīng)設(shè)備，不僅具有測(cè)量精 度高、控制方便、簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高對(duì)測(cè)試水體溫度控制的技術(shù)指標(biāo)， 可在指定溫度下進(jìn)行超聲波水表計(jì)量精度校準(zhǔn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0017]其中，1.保溫水箱，2.攪拌器，3.加熱管，4.控制器，5.被校準(zhǔn)超聲波水表，6.管道， 7.標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)，8.水栗，9.支架。
【具體實(shí)施方式】：
[0018] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明：
[0019] 如圖1-2所示，一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，包括保溫水箱1，所述保溫水 箱1內(nèi)設(shè)有加熱管3和溫度傳感器，所述加熱管3和溫度傳感器都與控制器4連接，所述保溫 水箱1內(nèi)還設(shè)有管道6，管道6的一端與保溫水箱1內(nèi)的水栗8連接，另一端的開(kāi)口朝向保溫水 箱1內(nèi)；所述管道6上設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)7和被校準(zhǔn)超聲波水表5，所述標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)7和 被校準(zhǔn)超聲波水表5都與控制器4連接。
[0020] 所述控制器4連接電磁繼電器，通過(guò)控制電磁繼電器的工作與否控制所述加熱管3 的加熱與否。所述保溫水箱內(nèi)加熱管的下端設(shè)有攪拌器2,所述攪拌器2也與所述控制器4連 接。所述控制器4通過(guò)支架9固定在所述保溫水箱的一側(cè)邊上。所述控制器4與上位機(jī)(計(jì)算 機(jī))進(jìn)行通信，用于設(shè)定加熱溫度與被測(cè)流量值、顯示測(cè)量的結(jié)果、控制水栗及相應(yīng)管道的 開(kāi)關(guān)。所述控制器的輸入端連接按鍵?？刂破鞯妮敵龆诉€與揚(yáng)聲器連接，用于播報(bào)校準(zhǔn)結(jié) 果。
[0021 ]本系統(tǒng)采用的主控芯片集成度高，寄存器資源豐富，內(nèi)置32位乘法器，內(nèi)部集成了 A/D，D/A轉(zhuǎn)換模塊，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便。
[0022]溫度傳感器是一種可將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的傳感器模塊， 可將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，與STM32的12位AD轉(zhuǎn)換模塊相配合，測(cè)量精度高，可精 確測(cè)量水體溫度。
[0023]加熱管由STM3 2單片機(jī)控制繼電器控制加熱電壓來(lái)控制加熱溫度，實(shí)時(shí)對(duì)保溫水 箱中的水進(jìn)行溫度控制，同時(shí)使用攪拌器實(shí)時(shí)攪拌使保溫水箱中水保持流動(dòng)，使水體受熱 均勻，使水體實(shí)時(shí)保持設(shè)定溫度。
[0024]標(biāo)準(zhǔn)型電磁流量計(jì)7應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，根據(jù)導(dǎo)電流體通過(guò)外加磁場(chǎng)時(shí)感生的電 動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量水流體流量。
[0025] 當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)按鍵或上位機(jī)輸入需要的溫度，同時(shí)控制系統(tǒng)啟動(dòng)，首先 由測(cè)溫電路(PT1000溫度傳感器)將保溫水箱中的當(dāng)前溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并通過(guò)A/ D轉(zhuǎn)換后反饋到單片機(jī)中，即控制程序中，控制程序?qū)?dāng)前的溫度與設(shè)定值比較輸出控制信 號(hào)到執(zhí)行電路(加熱管）中，以達(dá)到控制水溫的目的。
[0026] 因?yàn)閱纹瑱C(jī)STM32具有集成度高，內(nèi)部資源豐富，可實(shí)現(xiàn)本功能又耗資較少等優(yōu) 點(diǎn)，因此選擇STM32F103系列單片機(jī)作為控制器。意法半導(dǎo)體公司的STM32系列單片機(jī)，其主 要特點(diǎn)是:集成度高，寄存器資源豐富，內(nèi)置32位乘法器，內(nèi)部集成了 12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換模 塊，且擁有庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)功能，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，并且價(jià)格便宜。
[0027]德州儀器公司的MSP430系列單片機(jī)，其主要特點(diǎn)是:超低功耗，集成度高，寄存器 資源豐富，內(nèi)置16位乘法器。但是其實(shí)現(xiàn)A/D、D/A功能還需外接A/D、D/A模塊，且為寄存器開(kāi) 發(fā)模式，開(kāi)發(fā)環(huán)境不宜上手，開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜，價(jià)格較高。
[0028]宏晶半導(dǎo)體公司的STC12系列單片機(jī)，其主要特點(diǎn)是:價(jià)格便宜，開(kāi)發(fā)環(huán)境易于上 手，開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)便。但是其實(shí)現(xiàn)A/D、D/A功能還需外接A/D、D/A模塊，且集成度低，寄存器資 源匱乏，內(nèi)置乘法器僅為8位，計(jì)算精度不高。
[0029]綜上所述：由于本系統(tǒng)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換功能的需求，且考慮到便于開(kāi)發(fā)與開(kāi)發(fā)成本等問(wèn) 題，我們選擇內(nèi)置資源豐富，且價(jià)格便宜的STM32F103系列單片機(jī)。
[0030] PT1000溫度傳感器精度高，可將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，通過(guò)主控芯片的 數(shù)據(jù)采集計(jì)算出精確的實(shí)時(shí)溫度。
[0031] 當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，按鍵或上位機(jī)設(shè)定的溫度值傳輸給單片機(jī)，由PT1000溫度傳感器 采集當(dāng)前水體溫度，然后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償，并控制加熱管進(jìn)行加熱，同 時(shí)控制攪拌器攪拌，使水水體受熱均勻。
[0032] 溫度測(cè)定后，在控制程序中采用常規(guī)的PID控制法進(jìn)行對(duì)溫度的補(bǔ)償，在常規(guī)的調(diào) 節(jié)過(guò)程中，常通過(guò)整定三個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整PID補(bǔ)償輸出。采用MTLAB仿真工具進(jìn)行PID仿真，通 過(guò)Ziegler-Nichols方法模擬仿真計(jì)算出相應(yīng)的PID參數(shù)。
[0033] 濾波算法的選擇：由于本系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)為溫度，溫度是近似于一種線性變化變 化量，所以可以采用比較簡(jiǎn)單的濾波算法，采用簡(jiǎn)單平滑濾波算法，由此濾去采集到的數(shù)據(jù) 中存在的噪聲。
[0034] PID算法的選擇：
[0035] PID算法主要分為位置式與增量式兩種。
[0036]位置式PID算法的輸入為測(cè)量值與設(shè)定值的誤差，輸出為控制量的指定輸出值。 [0037]離散公式：
[0038]
[0039] 而增量式PID算法的輸入為本次測(cè)量值與設(shè)定值的誤差與上次測(cè)量值與設(shè)定值的 誤差的差值，輸出為控制量的增加值，與上次控制量的輸出值累加。
[0040] 離散公式：
[0041] Δ u(k) =u(k)-u(k_l)
[0042] Δ u(k)=Kp[e(k)-e(k_l)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k_l)+e(k_2)]
[0043] 但是位置式PID控制的輸出與整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的積分累加值;而 增量式PID控制輸出的是控制量增量，輸出僅與當(dāng)前狀態(tài)和前兩次狀態(tài)的誤差有關(guān)，并無(wú)積 分作用。
[0044] 增量式PID可進(jìn)一步改寫(xiě)成：
[0045] Δ u(k) =Ae(k)-Be(k-l )+Ce(k~2)
[0046] 可以看出兩種PID算法都可達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，但增量式PID由于沒(méi)有積分項(xiàng)，僅與過(guò) 去兩次狀態(tài)有關(guān)，顯然采用增量式PID控制更為穩(wěn)定。出于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性可考慮，我們選擇 增量式PID作為本系統(tǒng)的PID控制算法。
[0047]由PT1000溫度傳感器測(cè)得的水體當(dāng)前溫度并由STM32單片機(jī)采集數(shù)據(jù)。
[0048]采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)平滑濾波濾掉噪聲后，采用增量式PID進(jìn)行補(bǔ)償控制，控制STM32 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器的輸出電壓使加熱管工作，同時(shí)控制攪拌棒加快水體流動(dòng)使保溫水箱中 溫度均勻，進(jìn)而使保溫水箱中溫度趨于某一設(shè)定值，以完成加熱工作。
[0049] 當(dāng)水溫維持到設(shè)定值，可以進(jìn)行超聲波水表的精度校準(zhǔn)。此時(shí)通過(guò)按鍵或上位機(jī) 打開(kāi)水栗，使保溫水箱中的水依次流經(jīng)電磁流量計(jì)，超聲波水表，管道的另一頭重新流回保 溫水箱體，循環(huán)供水。
[0050] 系統(tǒng)中的溫度、測(cè)試時(shí)間等數(shù)據(jù)都經(jīng)單片機(jī)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，由串口傳到電腦上 位機(jī)上顯示。
[0051] 上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新 型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng) 域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍以?xún)?nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，包括保溫水箱，所述保溫水箱內(nèi)設(shè) 有加熱管和溫度傳感器，所述加熱管和溫度傳感器都與控制器連接，所述保溫水箱內(nèi)還設(shè) 有管道，管道的一端與保溫水箱內(nèi)的水栗連接，另一端的開(kāi)口朝向保溫水箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)供 水;所述管道上設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)和被校準(zhǔn)超聲波水表。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述控制器連 接電磁繼電器，通過(guò)控制電磁繼電器的工作與否控制所述加熱管的加熱與否和水栗的開(kāi) 關(guān)。3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述控制器采 用STM32單片機(jī)。4. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述溫度傳感 器采用PT1000溫度傳感器。5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述保溫水箱 內(nèi)加熱管的下端設(shè)有攪拌器，所述攪拌器也與所述控制器連接。6. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述控制器通 過(guò)支架固定在所述保溫水箱的外側(cè)邊上。7. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述控制器與 上位機(jī)進(jìn)行通信。8. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超聲波水表精度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，其特征是，所述控制器的 輸入端連接按鍵。
【文檔編號(hào)】G01F25/00GK205664911SQ201620554089
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】李慶華, 卜慶峰
【申請(qǐng)人】齊魯工業(yè)大學(xué)