利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统的设计与制作说明书本科毕设论文.docx

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利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统的设计与制作说明书本科毕设论文

利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统的设计与制作

摘要

某水表公司采用以标准水表作为“母表”，单片机控制光电反射式自动多水表检定系统。

检定系统中“母表”在使用一段时间后机芯容易出现机械磨损，影响检定精度。

随着时代不断进步，采用非接触或无磨损流量计替代标准水表作为“母表”，已经成为一种趋势，建立一个以非接触或无磨损流量计为“母表”的水表检定系统能够很好的解决机芯机械磨损带来检定精度不足的问题。

公司采用电磁流量计来替代标准水表作为“母表”，在水表检定过程中，“母表”的稳定性显特别的重要，影响“母表”稳定性的因素是多方面的，包括水流稳定性、水压稳定性、检定平台水平度、开关阀门速度、电磁流量计电压等。

为减少某些影响因素对电磁流量计稳定性的影响，提出设计利用电磁流量计容积比对式的水表检定系统来减少开关阀门速度、水压稳定性给电磁流量计稳定性造成的影响。

利用电磁流量计容积比对式的水表检定系统，是建立在机械技术、单片机技术、驱动技术和接口技术等基础上的综合技术。

采用LPC9401单片机控制电磁阀得电和失电来控制气缸的伸缩。

系统在水流稳定后，按键控制电磁阀得电来控制气缸活塞杆动作推动水管，让水管入水口到达计量桶上方，水流入计量桶内，同时电磁流量计开始脉冲计数，当电磁流量计脉冲计数达到预设值时，发送信号给单片机控制电磁阀失电，气缸推动水管到计量桶外，比对计量桶内水量和电磁流量计预设流量，计算误差，完成一次工作。

本次设计包括机械部分和电控部分两大块。

机械部分包括气缸推动水管部分机构设计和气缸固定部分机构设计。

电控部分包括单片机和传感器等硬件的选择，换向机构电路部分的设计和软件设计。

针对电磁流量计稳定性不好，需要做大量的实验，研究在各种流量下使用电磁流量计进行检定存在的规律并找出合适的检定方法。

同时对容积比对式水表检定系统进行程序调试和实验，找出影响电磁流量计稳定性的主要因素，提出整改方案。

关键词：

检定，容积式，单片机，电磁流量计

Volumeratiousingelectromagneticflow-metersforwatermetercalibrationsystemdesignandmanufacture

Abstract

Awatermeteradoptreflectedphotoelectricautomaticmultiplewatermetercalibrationsystembasedonmicro-controllerwithstandardwatermeterasthematrices．However，thematricesaredamagedafterusingaperiodoftime，thusaffectingtheaccuracyofthecalibration．Withthecontinuousprogressoftheera，theuseofnon-contactornowearandtearflow-metersinsteadofthestandardmeterasthematricesisanewtrendandtheestablishmentofannon-contactornowearandtearflow-meterasthematricestoameterverificationsystemnotonlycanbeagoodsolutiontotheproblemofmechanicalwear，butalsoincreasethedetectedprecision．Themetercalibrationsystemstabilityofthematricesisofthemostimportance．Inordertoreducethese-impactonthestabilityoftheelectromagneticflow-meter，themetercalibrationsystemwiththedesignofelectromagneticflow-metervolumecomparisonreducestabilityofelectromagneticflow-meter．

Thiskindofwatermetercalibrationsystemaboutelectromagneticflow-metervolumecomparisonbaseontheintegratedtechnologysuchasmechanicaltechnology，sensortechnology，single-chipmicrocomputertechnology，drivetechnologyandinterfacetechnology．More，itusesLPC9401SCMtocontrolsolenoidvalvesoastocontroltheprosandconsofelectrictelescopiccylinders．ThebuttonstocontrolSCMmakesolenoidvalvegainpower，whilewaterpipetogetwaterrunintomeasuringtankwhenwaterflowisstable．electromagneticflowmeterbegintocountwhentheelectromagneticflowmeterreachesthedesignflow，itsendsasignaltotheSCMtocontrolsolenoidvalvetolosspower．thecylinderpushforwardwaterpipetogetoutofthemeasuringtankandmakecomparisonbetweenthewatervolumeandthedesignflowtogetcomputationalerror．

Thedesignofthisproductisthereversingmechanismaboutcylindertopromotewater，includingmechanicalpartsandelectriccontrolparts．ElectriccontrolsectionsincludethechoiceofSCMandsensorsetcandthedesignofthecircuitandsoftwaredesignaboutcontrolsystem．alsoneedtodoalotofexperiments，researchusingelectromagneticflow-meterverificationundervarioustrafficruleandfindouttheappropriatetestmethod．Tovolumeratioonwatermetercalibrationsystematthesametimeoftenprogramdebugandexperiment．findoutmainfactors，putsforwardimprovementscheme．

Keywords:

calibration,displacement,microcontroller,electromagneticflow-meter

第1章绪论

1.1引言

近年来，随着水资源的日益匮乏，人们对于合理的使用水资源愈加重视。

无论是城市还是大多数农村都使用自来水，并且按使用量来收费，因此需要一个准确的计量器来计量水的使用量，这不仅关系到提供自来水的公司的利益，这也关系到许许多多自来水使用的家庭和企业的切身利益，所以自来水表能否进行准确计量非常重要。

所以在生产水表过程中，要对水表进行检定，水表计量准确度的检定就显得很重要，在能够保证精度的前提下，又能够保证企业高效率的生产。

自动水表检定装置是由一套完整的水路系统（试验台、水表固定连接机构），包括：

流量计数（玻璃转子流量计、流量控制阀），计量桶系统（玻璃管液位标尺），电器控制系统（水泵、气泵），电控系统（电磁阀）。

检定方法使用容积法，即水流经管道，通过水表进入计量桶，水位静止后，比较水表计量器（电磁流量计）与计量桶中的读数，求出示值误差[1]。

1.2研究背景

某水表公司现在的检定水表方法有单个水表检定法，每一台水表均在大流量Q3，分界流量Q2，和小流量Q1这三个流量点进行检定，公司现在所采用的水表为15mm口径水表，通常规定大流量Q3为2.5m3/h；根据检定规则Q3/Q1为160，则小流量Q1为0.016m3/h，Q2/Q1为1.6，所以Q2为0.025m3/h。

在这三个流量点下采用容积比对法进行检定，当流过一定水量到计量桶时，读出水表的水量和计量桶内的水量，计算出误差，从而进行校准。

这个方法误差较大，水表在进行分界流量和小流量检定时，水流小，效率低。

公司为改变这种检定方法存在的不足采用由单片机控制的以标准水表作为“母表”的光电反射式自动多水表检定系统，来对水表进行分界流量和小流量的检定。

采用该系统能够很好的提高企业的生产效率和检定精度。

但是这个检定系统的“母表”在使用一段时间后，内部机芯容易出现机械磨损，从而影响到检定精度。

随着时代的不断进步，采用非接触或无磨损流量计来替代标准水表作为“母表”已经成为一种趋势，建立一个以电磁流量计为“母表”的水表检定系统能够很好的解决机械磨损的问题。

在水表的检定系统中，“母表”稳定性显得尤为重要。

若“母表”存在一个固定误差在检定中可以采用正负抵消，而当“母表”误差存在跳动时，则无法取得一个合理的值来进行正负抵消，这就无法进行水表检定。

在使用电磁流量计进行的大量实验中发现，电磁流量计不稳定，存在的跳动较大。

产生不稳定的因素是多方面的，包括水流稳定性、水压稳定性、平台水平度、开关阀门速度、电磁流量计的电流不稳定等因素。

为了减少这些因素对电磁流量计稳定性带来的影响，设计电磁流量计容积比对式的水表检定系统来减少由水流稳定性、水压稳定性、开关阀门速度给电磁流量计稳定性测量带来的影响。

1.3主要研究内容

利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统主要由水管换向机构、气缸及其驱动模块、P89LPC9401单片机控制系统等模块组成。

研究的主要内容为通过单片机控制电磁阀来实现气缸推动水管换向，实现水流在不同需要的情况下进入到不同的位置。

本文各章内容安排如下：

第一章：

介绍毕业论文的主要研究内容，某水表公司采用电磁流量计替代标准水表作为“母表”，进行单片机控制的光电反射多水表检定，但是在试验中发现电磁流量计在不稳定，为找出不稳定因素需要进行大量的实验，并设计利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统来减少水流稳定性和开关阀门对电磁流量计稳定性的影响。

第二章：

主要对电磁流量计做一个简介，同时进行流量与电磁流量计稳定性关系实验，及实验数据分。

为了找出影响电磁流量计稳定性的因素，需要进行大量实验，同时分析因素和提出解决方案。

第三章：

主要介绍了机台实际情况，并针对任务要求和实际情况提出各种机构方案介绍，然后介绍了气缸的几种固定方案，接着对设计的机构零件进行强度校核，进行气缸的选择。

第四章：

这一章首先介绍一些元器件的选择，接下去介绍电路图的设计，包括电磁阀控制电路、电磁流量计脉冲采集电路和控制P89LPC9401单片机电源电路，接着介绍程序设计部分，最后还介绍了程序调试和进行的容积比对式实验及数据分析。

最后是对全文进行总结。

第2章稳定性与流量关系实验

2.1电磁流量计简介

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，在电磁流量计内部有一个磁场，水流经过磁场与磁场方向垂直，做切割磁场运动，磁场的两端将产生感应电动势，感应电动势的大小与水流运动速度及磁场强度大小成正比[2]。

如图2-1所示，当水流以平均速度

，通过内径为

的绝缘管子流动时，这绝缘管子放在一个均匀磁感应强度为

的磁场中，在电极上就会有感应出电动势产生，表示为

则

（2-1）

水流流量表示为：

（2-2）

感应电动势示为：

（2-3）

设：

（2-4）

则：

（2-5）

可见，流量

与电动势

成正比。

本设计需要采集到电磁流量计的脉冲，电磁流量计的脉冲输出方式有两种，频率的输出是一个连续的方波；或者脉冲的输出是矩形波，其接线电路如图2-2所示，接两根线P+连接脉冲输出正极，其旁边的COM为脉冲输出接地[2]。

图2-1电磁流量计原理图

图2-2电磁流量计接线图

2.2稳定性与流量关系实验数据分析

为研究电磁流量计在各种流量下进行检定，存在的规律和找出合适的检定方法，需要进行大量的实验。

通过实验数据分析来发现其中存在的误差、跳动，通过不同的实验找出最佳测量方法，并发现存在的影响稳定性的因素，做出判断和改正。

针对电磁流量计在某水表公司实验存在稳定性较差的问题，进行了多种实验。

实验中采用电磁流量计作为母表，在各个工位上安装15mm口径的不同编号的水表，6个编号分别为60108、60103、60131、60165、60185、60104，分别采用，样表一、样表二、样表三、样表四、样表五、样表六来表示。

实验数据见附录1。

实验分为三组，第一组实验，各样表在一次装夹后，大流量连续测量30次，分界流量和小流量各测量5次。

第二组实验为同一工位下每测完一次，样表进行重新装夹，大流量测量21次，分界流量测量5次，小流测量3次。

第三组实验采用的不同工位下的测量，即样表一在第一工位测量5次后进行轮换，将第一工位的样表放到第二工位，第二工位的样表放到第三工位，一次类推，最后一个工位的样表放到第一工位。

测量5次后进行一次轮换，直到每个样表表在每个工位下都测量5次。

2.2.1各种流量测量实验数据分析

2.2.1.1各种流量同一装夹下多次测量

实验中样表一放置在第一工位，样表二放置在第二工位，样表三放置在第三工位，样表四放置在第四工位，样表五放置在第五工位，样表六放置在第六工位。

从表2-1大流量一栏实验数据中可以看出，大流量30次实验数据显示电磁流量计的跳动为0.6，各样表都采用标准水表的误差较小跳动也较小，样表一跳动为0.15，样表二跳动为0.24，样表三跳动为0.08，样表四跳动为0.18，样表五跳动为0.11，样表六跳动为0.2。

从表2-1分界流量一栏实验数据可以看出，电磁流量计误差较大，跳动变大为4.4，其余工位的误差相对于大流的跳动有了普遍的提高，具体为样表一跳动为1，样表二跳动为1，样表三跳动为1，样表四跳动为1，样表五跳动为0.6，样表六跳动为1.19。

从表2-1小流量一栏实验数据可以看出，其跳动比大流更大。

电磁流量计跳动为6，样表一跳动为1.6，样表二跳动为0.4，样表三跳动为0.8，样表四跳动为2.4，样表五跳动为3.18，样表六跳动为1.7。

小流后面各个工位上的标准水表的跳动相对于分界流有的变大有的变小。

从实验数据的分析上可以明显的看出，在大流量测量下电磁流量计的稳定性最好，但还是无法满足要求，正常要求流量计的跳动在0.5以内，在这个要求内，小流量和分界流量的测量中电磁流量计的稳定性不好，无法满足水表检定要求。

表2-1各种流量同一装夹下多次测量值跳动表

型号

流量

电磁流量计

样表一

样表二

样表三

样表四

样表五

样表六

大流量

0.6

0.15

0.24

0.08

0.18

0.11

0.2

分界流量

4.4

1

1

1

1

0.6

1.19

小流量

6

1.6

0.4

0.4

2.4

3.18

1.7

2.2.1.2各种流量重新装夹下测量

本重新装夹下测量指每完成一次实验将各个水表拆下在装上，实验中样表一放置在第一工位，样表二放置在第二工位，样表三放置在第三工位，样表四放置在第四工位，样表五放置在第五工位，样表六放置在第六工位。

从表2-2大流量一栏的实验数据看出在误差和跳动上和同一装夹下多次测量实验上相近，具体跳动为电磁流量计跳动为0.71，样表一跳动为0.27，样表二跳动为0.18，样表三跳动为0.18，样表四跳动为0.18，样表五跳动为0.19，样表六跳动为0.12。

在分界流量一栏中数据可以看出重新装夹下测量中电磁流量计的动变大，但是这个变化小于同一装夹下多次测量的测量数据，具体跳动为电磁流量计跳动为2.2，样表一跳动为1，样表二跳动为0.2，样表三跳动为0.4，样表四跳动为0.2，样表五跳动为0.4，样表六跳动为1。

在小流量一栏实验数据中可以看出重新装夹下测量的电磁流量计的跳动很小，后面各个工位的水表的跳动变大具体为电磁流量计跳动为0.2，样表一跳动为1.6，样表二跳动为5.82，样表三跳动为0.4，样表四跳动为4.2，样表五跳动为0.46，样表六跳动为2.4。

从数据可以看出，电磁流量和各个型号在大流量下测量还是比分解流量和小流量测量稳定性更好，分界流量下跳动变大，小流量则出现比较异常的跳动数据，总体可以看出对于电磁流量计来说，重新装夹下测量跳动变化比同一装夹下多次测量更小。

表2-2各种流量重新装夹下测量值跳动表

型号

流量

电磁流量计

样表一

样表二

样表三

样表四

样表五

样表六

大流量

0.71

0.27

0.18

0.18

0.18

0.19

0.12

分界流量

2.2

1

0.2

0.4

0.2

0.4

1

小流量

2.8

1.6

5.82

0.4

4.2

0.6

2.4

2.2.1.3大流量多工位测量

从表2-3大流量多工位测量跳动表可以看出，电磁流量计的跳动比较小，控制在0.5以内，各个型号的水表的跳动也比较小。

从以上的分析可以得出一点结论就是大流量的测量比小流和分界流的测量稳定性好。

但是在大流量下电磁流量计的总体跳动还是无法满足要求，需要找出影响稳定性的因素，提出改进方案。

表2-3　大流量多工位测量值跳动表

型号

流量

电磁流量计

样表一

样表二

样表三

样表四

样表五

样表六

第一工位

0.33

0.11

0.04

0.11

0.20

0.06

0.10

第二工位

0.21

0.06

0.10

0.11

0.16

0.21

0.08

第三工位

0.17

0.04

0.03

0.07

0.08

0.12

0.15

第四工位

0.49

0.27

0.02

0.04

0.08

0.16

0.13

第五工位

0.49

0.27

0.02

0.04

0.08

0.16

0.13

第六工位

0.5

0.09

0.18

0.05

0.10

0.04

0.10

2.2.2影响因素的分析

对于多水表检定平台采用的以“母表”为基准，测出被测水表的误差从而进行修正，比如当“母表”有一个较固定的误差时，可以采用抵消法来调整被测水表。

所以“母表”的误差影响不大，而“母表”的误差跳动较大大将导致无法进行水表检定，所以需要将电磁流量计的误差跳动要控制在0.5以内。

从上述数据看，所得实验数据跳动不在0.5以内。

但是公司使用的这个电磁流量计在福建省计量科学研究院检定满足要求。

分析影响稳定性的因素可能原因包括：

（1）水流紊流的影响，尤其在小流量检定时受影响最大，故稳定性较差；

（2）实验中开关阀门带来的影响；

（3）电压的不稳定带来的影响；

（4）检定平台水平度的影响。

针对上述可能的存在的影响因素公司提出了一些解决方案：

（1）对于水流的不稳定和开关的影响，因为在检定系统中，采用的反射式脉冲采集来做比对，所取的水流段是在开关开启后水流稳定是的水流段，同时针对这个影响公司还正在做容积比对式水表检定系统和称重式水表检定系统。

（2）对于电压造成的不稳定，可采取的措施包括加一个整流器和采用多点接地。

（3）对水流管道增加整流器，减少紊流带来的影响。

第3章换向机构机械部分设计

3.1换向机构简介

换向机构是整个利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统的基础机械部分，用于实现将气缸的直线运动转换为水管的圆周运动，设计中采用间隙法来实现直接推动。

气缸的动作受单片机控制，在不同的需要时完成不同动作，带动换向机构实现水管的两点移动，设计中采用单片机控制继电器得电和失电，继电器连接电磁阀，达到控制电磁阀的得电和失电，从而控制气缸动作。

3.2机械部分的执行元件确定

机械部分执行元件是指受控制器的控制信息来完成对控制对象的控制作用的元件，它能够将电能或流体等能量转变成机械能或其他形式的能量，根据控制要求改变控制对象的机械动作状态或者一些其他状态（如温度、压力等），能够直接作用于控制对象，起到“手”和“脚”的作用[3]。

在机械生产系统中，动力执行元件由输入的物质能量的不同可分为电动、液压和气动。

电动执行元件能够将电能转换成机械能，经常使用的电动执行原件主要包括有电机、电磁制动器、继电器等，电动执行元件具有很宽的调速幅度、非常的灵敏、响应快、能长时间地工作，在某些特别的情况下，还能满足防爆、防腐、耐高温等特殊要求[3]。

液压执行元件主要有油缸、马达等，液压执行元件运动平稳，可以实现无级调速，能够传递较大的动力，但是需要一个完整的供油系统，还会出现泄漏，液压元件对精度要求很高，价格贵。

气动执行元件不仅可以提供较高的动力，且使用的是空气无污染，能够进行集中的供应和长距离的传输，与液压执行原件和电动执行原件相比，同条件下功率较小，而且速度不容易控制，所以多用于对点位控制精度不高的系统[4]。

3.3换向机构方案确定

3.3.1水管两点布局分布

在公司现场测量得出实验数据，计量桶的内桶直径为220mm,计量桶的边沿距离为30mm，水管外径为26mm，水管转动点到入水口的距离为600mm，转动点距离计量桶的水平距离为300mm,水管入水口到计量桶上边缘的距离为40mm.水管入水口距离计量桶的中心为20mm，通过这些实测数据和实际情况，得出水管起始两点的布局分布图如图3-1。

图3-1水管布局分布图

从图3-1可以看出，水管做圆周运动，在计量桶上方以水管原有位置为中心，水管的布局分布方案有两种，在计量桶两侧布局分布。

在布局分布的过程中考虑到水管入水口距离计量桶的上沿壁有40mm的距离，水在进入到计量桶的过程中有发散性，为保证水流入到计量桶或直接进入水池的过程中水不会流到计量桶的上沿壁上，同时又要考虑在实验过程中入水口不能离计量桶的内外壁太远而造成在水管移动过程中的误差，所以要保证水管的外壁距离计量桶的内壁或者外壁有一个8—10mm的距离，在移动中水一直在流出，为了减少水管移动中的带来的误