一种用于超声波水表精度校准的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于超声波水表精度校准的系统，包括保温水箱，所述保温水箱内设有加热管和温度传感器，所述加热管和温度传感器都与控制器连接，所述保温水箱内还设有管道，管道的一端与保温水箱内的水泵连接，另一端的开口朝向保温水箱内，实现循环供水；所述管道上设有标准电磁流量计和被校准超声波水表。采用STM32单片机对测量环境进行检测与控制，不仅具有测量精度高、控制方便、简单灵活等优点，而且可以大幅度提高对测试水体温度控制的技术指标，可在指定温度下进行超声波水表的计量精度校准。
【专利说明】
一种用于超声波水表精度校准的系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及超声波水表校准技术领域，尤其涉及一种用于超声波水表精度校 准的系统。
【背景技术】
[0002] 无论是工业控制领域还是民用用水计费，水流量计的应用都非常广泛，如工业控 制中的锅炉、加热炉热力及水流控制中的热力表、热水表，消费电子领域的热水器，民用水 表的计量。而当今水流量计的开发与测试方法亦然采用传统办法，存在测试环境简单、精确 度不高、对水温的测试无法精确控制、人工测试费时费力、环境搭建麻烦、操作复杂等问题， 在开发超声波水表过程中，为提高计量精度，测试环境需要更加稳定、可靠，温度控制要更 加精准。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供了一种用于超声波水表精度校准 的系统，测量精度高、控制方便、简单灵活，可以大幅度提高对测试水体温度控制的技术指 标。
[0004] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0005] -种用于超声波水表精度校准的系统，包括保温水箱，所述保温水箱内设有加热 管和温度传感器，所述加热管和温度传感器都与控制器连接，所述保温水箱内还设有管道， 管道的一端与保温水箱内的水栗连接，另一端的开口朝向保温水箱内；所述管道上设有标 准电磁流量计和被校准超声波水表。
[0006] 所述控制器连接电磁继电器，通过控制电磁继电器的工作与否控制所述加热管的 加热与否和水栗开关。
[0007] 所述控制器采用STM32单片机。
[0008] 所述温度传感器采用PT1000温度传感器。
[0009] 所述保温水箱内加热管的下端设有搅拌器，所述搅拌器也与所述控制器连接。
[0010] 所述控制器通过支架固定在所述保温水箱的外侧边上。
[0011] 所述控制器与上位机进行通信。
[0012] 所述控制器的输入端连接按键。
[0013]本实用新型的有益效果是：
[0014]本系统采用STM32单片机对测量环境进行检测并控制相应设备，不仅具有测量精 度高、控制方便、简单灵活等优点，而且可以大幅度提高对测试水体温度控制的技术指标， 可在指定温度下进行超声波水表计量精度校准。
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的结构不意图；
[0016]图2为本实用新型的电路结构图；
[0017]其中，1.保温水箱，2.搅拌器，3.加热管，4.控制器，5.被校准超声波水表，6.管道， 7.标准电磁流量计，8.水栗，9.支架。
【具体实施方式】：
[0018] 下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：
[0019] 如图1-2所示，一种用于超声波水表精度校准的系统，包括保温水箱1，所述保温水 箱1内设有加热管3和温度传感器，所述加热管3和温度传感器都与控制器4连接，所述保温 水箱1内还设有管道6，管道6的一端与保温水箱1内的水栗8连接，另一端的开口朝向保温水 箱1内；所述管道6上设有标准电磁流量计7和被校准超声波水表5，所述标准电磁流量计7和 被校准超声波水表5都与控制器4连接。
[0020] 所述控制器4连接电磁继电器，通过控制电磁继电器的工作与否控制所述加热管3 的加热与否。所述保温水箱内加热管的下端设有搅拌器2,所述搅拌器2也与所述控制器4连 接。所述控制器4通过支架9固定在所述保温水箱的一侧边上。所述控制器4与上位机(计算 机)进行通信，用于设定加热温度与被测流量值、显示测量的结果、控制水栗及相应管道的 开关。所述控制器的输入端连接按键。控制器的输出端还与扬声器连接，用于播报校准结 果。
[0021 ]本系统采用的主控芯片集成度高，寄存器资源丰富，内置32位乘法器，内部集成了 A/D，D/A转换模块，开发简便。
[0022]温度传感器是一种可将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的传感器模块， 可将温度变化转换为电压值的变化，与STM32的12位AD转换模块相配合，测量精度高，可精 确测量水体温度。
[0023]加热管由STM3 2单片机控制继电器控制加热电压来控制加热温度，实时对保温水 箱中的水进行温度控制，同时使用搅拌器实时搅拌使保温水箱中水保持流动，使水体受热 均匀，使水体实时保持设定温度。
[0024]标准型电磁流量计7应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电 动势来测量水流体流量。
[0025] 当整个系统启动后，通过按键或上位机输入需要的温度，同时控制系统启动，首先 由测温电路(PT1000温度传感器)将保温水箱中的当前温度变化转换成电压信号，并通过A/ D转换后反馈到单片机中，即控制程序中，控制程序将当前的温度与设定值比较输出控制信 号到执行电路(加热管）中，以达到控制水温的目的。
[0026] 因为单片机STM32具有集成度高，内部资源丰富，可实现本功能又耗资较少等优 点，因此选择STM32F103系列单片机作为控制器。意法半导体公司的STM32系列单片机，其主 要特点是:集成度高，寄存器资源丰富，内置32位乘法器，内部集成了 12位A/D、D/A转换模 块，且拥有库函数开发功能，开发简便，并且价格便宜。
[0027]德州仪器公司的MSP430系列单片机，其主要特点是:超低功耗，集成度高，寄存器 资源丰富，内置16位乘法器。但是其实现A/D、D/A功能还需外接A/D、D/A模块，且为寄存器开 发模式，开发环境不宜上手，开发过程复杂，价格较高。
[0028]宏晶半导体公司的STC12系列单片机，其主要特点是:价格便宜，开发环境易于上 手，开发过程简便。但是其实现A/D、D/A功能还需外接A/D、D/A模块，且集成度低，寄存器资 源匮乏，内置乘法器仅为8位，计算精度不高。
[0029]综上所述：由于本系统对A/D转换功能的需求，且考虑到便于开发与开发成本等问 题，我们选择内置资源丰富，且价格便宜的STM32F103系列单片机。
[0030] PT1000温度传感器精度高，可将温度变化转换为电压值的变化，通过主控芯片的 数据采集计算出精确的实时温度。
[0031] 当系统启动后，按键或上位机设定的温度值传输给单片机，由PT1000温度传感器 采集当前水体温度，然后单片机进行数据处理，进行系统补偿，并控制加热管进行加热，同 时控制搅拌器搅拌，使水水体受热均匀。
[0032] 温度测定后，在控制程序中采用常规的PID控制法进行对温度的补偿，在常规的调 节过程中，常通过整定三个参数来调整PID补偿输出。采用MTLAB仿真工具进行PID仿真，通 过Ziegler-Nichols方法模拟仿真计算出相应的PID参数。
[0033] 滤波算法的选择：由于本系统处理的数据为温度，温度是近似于一种线性变化变 化量，所以可以采用比较简单的滤波算法，采用简单平滑滤波算法，由此滤去采集到的数据 中存在的噪声。
[0034] PID算法的选择：
[0035] PID算法主要分为位置式与增量式两种。
[0036]位置式PID算法的输入为测量值与设定值的误差，输出为控制量的指定输出值。 [0037]离散公式：
[0038]
[0039] 而增量式PID算法的输入为本次测量值与设定值的误差与上次测量值与设定值的 误差的差值，输出为控制量的增加值，与上次控制量的输出值累加。
[0040] 离散公式：
[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控制的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的积分累加值;而 增量式PID控制输出的是控制量增量，输出仅与当前状态和前两次状态的误差有关，并无积 分作用。
[0044] 增量式PID可进一步改写成：
[0045] Δ u(k) =Ae(k)-Be(k-l )+Ce(k~2)
[0046] 可以看出两种PID算法都可达到预定目标，但增量式PID由于没有积分项，仅与过 去两次状态有关，显然采用增量式PID控制更为稳定。出于对系统稳定性可考虑，我们选择 增量式PID作为本系统的PID控制算法。
[0047]由PT1000温度传感器测得的水体当前温度并由STM32单片机采集数据。
[0048]采集到的数据经平滑滤波滤掉噪声后，采用增量式PID进行补偿控制，控制STM32 单片机驱动继电器的输出电压使加热管工作，同时控制搅拌棒加快水体流动使保温水箱中 温度均匀，进而使保温水箱中温度趋于某一设定值，以完成加热工作。
[0049] 当水温维持到设定值，可以进行超声波水表的精度校准。此时通过按键或上位机 打开水栗，使保温水箱中的水依次流经电磁流量计，超声波水表，管道的另一头重新流回保 温水箱体，循环供水。
[0050] 系统中的温度、测试时间等数据都经单片机经过简单处理后，由串口传到电脑上 位机上显示。
[0051] 上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新 型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领 域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范 围以内。
【主权项】
1. 一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，包括保温水箱，所述保温水箱内设 有加热管和温度传感器，所述加热管和温度传感器都与控制器连接，所述保温水箱内还设 有管道，管道的一端与保温水箱内的水栗连接，另一端的开口朝向保温水箱内，实现循环供 水;所述管道上设有标准电磁流量计和被校准超声波水表。2. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述控制器连 接电磁继电器，通过控制电磁继电器的工作与否控制所述加热管的加热与否和水栗的开 关。3. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述控制器采 用STM32单片机。4. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述温度传感 器采用PT1000温度传感器。5. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述保温水箱 内加热管的下端设有搅拌器，所述搅拌器也与所述控制器连接。6. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述控制器通 过支架固定在所述保温水箱的外侧边上。7. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述控制器与 上位机进行通信。8. 如权利要求1所述的一种用于超声波水表精度校准的系统，其特征是，所述控制器的 输入端连接按键。
【文档编号】G01F25/00GK205664911SQ201620554089
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】李庆华, 卜庆峰
【申请人】齐鲁工业大学