CN117205984A - 一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽，包括箱体、打开/盖合在箱体上的箱盖，所述箱盖下方设有搅拌器、温度传感器和电热棒；还设置有温度显示器控制器，所述温度显示器控制器包括下位机的单片机和上位机的LabVIEW虚拟仪器；所述温度显示器控制器采用增量式PID控制算法，其目标温度与温度补偿值的关系式如下：，其中y为温度补偿值，x为目标温度。能够实现对水浴温度的实时监控，实际能够将水浴的温控区域内温度精确控制到0.1℃；精度较高，可以对市面上绝大多数的温度传感器进行校验，并且也可以用于一些需要精确控温的工业生产使用。
Description
技术领域
本发明属于恒温水箱工具技术领域，涉及一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽。
背景技术
在我们的日常生活和工业生产当中会用到许多的温度测量传感器，但是，现在市场上面所存在传感器的质量参差不齐，因此在进行高精度温度测量之前都需要对传感器进行校验。目前常用的方式是通过高精度恒温水浴对测量传感器进行检测，因此对测量用恒温水槽的温度变化精度要求极高，目前常用的恒温水槽并不能保证温度实时监控，因此往往精度不高，误差较大进而影响了测量传感器的检测。常见的恒温水浴控制***不具备线性描述和复杂模型的校准，难以满足控制要求。
因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽，其在传统恒温水槽基础上配套相应的监控设备，能够将水浴的温控区域内温度精确控制到0.1℃，实现对市面上绝大多数的温度传感器进行校验，并且也可以用于一些需要精确控温的工业生产使用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽，包括箱体、打开/盖合在箱体上的箱盖，所述箱盖下方设有搅拌器、温度传感器和电热棒；还设置有温度显示器控制器，所述温度显示器控制器包括下位机的单片机和上位机的LabVIEW虚拟仪器；所述温度显示器控制器基于前馈-反馈控制技术采用增量式PID控制算法，其目标温度与温度补偿值的关系式如下：，其中y为温度补偿值，x为目标温度。上述单片机的型号为STM32F407，LabVIEW虚拟仪器上面能够显示测得的温度，能够输入想要控制的水槽温度。
进一步来说，所述温度显示器控制器内设有由EC20和HLK-7688组合而成的通信模块，保证温度监测具有时效性。
进一步来说，所述温度传感器实时采集温度数据，并将采集得到的温度数据传至温度数据采集模块进行储存，然后再将温度数据每隔一秒发送给单片机，上述温度传感器型号为PT1000。
进一步来说，所述温度传感器位于所述搅拌器的搅拌部分外部，所述温度传感器等角度绕搅拌器的搅拌部分中心线设置，所述温度传感器的外侧端为检测端。
进一步来说，所述温度显示器控制器上有信号接收传输器，信号接收传输器采用ESP8266模块，选用ESP8266模块接入网络。
进一步来说，恒温水槽通过互联网与手机和PC端等终端设备进行交互，除了可以单独使用外，也可以多组恒温水槽与手机和PC端进行交互使用。
进一步来说，所述箱盖为双开箱盖，所述箱盖的侧端通过铰链与箱体的开口的侧边相连，所述搅拌器固定在一个箱盖下方且该箱盖上方有设有温度显示器控制器；所述箱盖合起后搅拌器的搅拌部分在箱体内，所述搅拌器的搅拌部分外部安装有温度传感器。
采用上述技术方案，具有以下有益效果：能够实现对水浴温度的实时监控，实际能够将水浴的温控区域内温度精确控制到0.1℃；精度较高，可以对市面上绝大多数的温度传感器进行校验，并且也可以用于一些需要精确控温的工业生产使用；可以多个设备通过互联网与手机和PC端进行交互，通过加入互联网和数据分析实现智能交互控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明提供的工作示意图。
图2为本发明提供的打开示意图。
图3为本发明提供的局部结构示意图一。
图4为本发明提供的局部结构示意图二。
图5为本发明提供的硬件部分示意图。
图6为本发明提供的通信***图。
图7为本发明提供的下位机***程序流程图。
图8为本发明提供的上位机***程序流程图。
图9为本发明提供的函数曲线和温度补偿关系表中的数据变化曲线的仿真曲线比对图。
图10为本发明提供的PID算法与模糊PID算法的仿真曲线比对图。
图11为本发明提供的PID算法控制下水槽内的温度变化曲线图。
图12为本发明提供的模糊PID算法控制下水槽内的温度曲线图。
图中：1-箱体；2-箱盖；3-插座连接电线；4-温度传感器；5-搅拌器；6-电热棒；7-带温度显示器控制器；8-信号接收传输器。
实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例
参见图1-图4所示，一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽，包括箱体1、箱盖2、插座连接电线3、温度传感器4、搅拌器5、电热棒6、带温度显示器控制器7和信号接收传输器8。具体来说，箱体1的上方开口配套双开的箱盖2，箱盖2的侧端通过铰链与箱体1的开口的侧边相连，两个箱盖2上具有把手，可手动将箱盖2打开/关闭。搅拌器5的固定在一个箱盖2下方且该箱盖2上方设有温度显示器控制器7，箱盖2合起后搅拌器5的搅拌部分在箱体1内。
搅拌器5的搅拌部分外部安装有温度传感器4，上述温度传感器4的型号为PT1000且数量至少两个，等角度绕搅拌器5的搅拌部分中心线设置。温度传感器4的外侧端为检测端，用于感应恒温水槽内液体的温度，能实时进行温度采集，并将采集得到的温度数据传至温度数据采集模块（送变器）进行储存，然后再将温度数据每隔一秒发送给单片机。搅拌器5外侧设置有用于给恒温水槽加热的电热棒6，控制器通过调节电热棒6的输入功率调整其发热量，进而对恒温水槽的温度进行控制。
结合图5、图6所示，温度显示器控制器7选用STM32F407单片机为控制器并且选用LabVIEW虚拟仪器作为上位机，能够接收每隔一秒发送温度数据，并在LabVIEW虚拟仪器上显示测得的温度，还能够输入想要控制的水槽温度，实现对恒温水槽的控制。
温度显示器控制器7上设有信号接收传输器8，该信号接收传输器8采用ESP8266模块，通过ESP8266模块接入网络。温度显示器控制器7上还设有EC20和HLK-7688组合而成的通信模块，其中：
EC20是移远通信推出的 LTE Cat 4 无线通信模块， 采用PCI Express Card标准接口的LET模块，支持最大下行速率100Mbps和最大上行速率50Mbps，其通信网络模块稳定，小巧且性能卓越。可以实现数据的4G网络传输，使操作者第一时间了解温度变化及水浴槽状态。
HLK-7688A模块是一款基于联发科 MT7688AN 为核心的低成本低功耗的物联网模块，实现将4G网络转化为WiFi和WLAN网口通信，与PC端相连从而进行数据传输，速度快且稳定，通过EC20和HLK-7688两者的联合使用来保证温度监测具有时效性。
通过温度显示器控制器7的应用，恒温水槽可以与手机和PC端等终端设备进行交互。本申请的恒温水槽除了可以单独与终端设备连接外，也可以多组一起与手机和PC端等终端设备进行交互使用。
本实施例中温度显示器控制器7通过插座连接电线3与电源相连，为整体恒温水槽提供电力。
恒温水槽的下位机***程序流程图如图7所示，开始启动后，首先***各模块会完成初始化，随后等待上位机传输指令，之后会根据指令执行相应的程序，当接收到查询指令时就会访问各模块，将数据发送至上位机；***如果检测到上位机发送过来的可执行命令，就会将温度信号进行相应的算法处理；之后就将信号变化变为PWM波的占空比形式输出；如果收到实时监控命令时，单片机会每隔一秒访问一次温度检测模块和控制器的输出端，将温度信息和加热棒和电动机的功率发送至上位机。
恒温水槽的上位机***程序流程图如图8所示，通过手机等智能终端发送查询指令，收到下位机初始化信息并显示，并判断下位机***是否正常。如果正常则发送包括温度的设定的控制信息至下位机，并接收来自下位机的反馈，根据下位机的执行情况实时发送监控指令，使恒温水槽处于设定温度。当下位机***异常或者无法执行上位机发送的指令，则发出故障检测命令，接收反馈信息，辅助现场人员维护。
上位机***的控制方式包括开关控制，PID控制，模糊PID和其他智能控制方式，也可以选择自动匹配控制方式，在这种方式下***会根据当前温度与设定温度的温度差结合各种控制方式的优缺点在各控制方式中自动切换，以达到温度的最优化控制。
本实施例中的恒温水槽采用增量式PID控制算法，其中目标温度与温度补偿值的运算式如下：，其中y为温度补偿值，x为目标温度。其推导方法如下：
为了将温度控制在很高的精度上，首先在控制温度的时候，采用的是增量式PID控制算法，这种算法的优点是不会占用较多的储存单元，且便于编写程序，但是其输出会随着误差值的减少而减少，因此当检测温度达到目标温度的时候算法输出为零，这样一来就会存在有不能消除的稳态误差，且此误差在不同的温度情况下，受***散热的干扰在一直波动，因此采用了前馈-反馈控制技术，首先前馈控制是一种开环控制形式，只要在***其它条件不变的情况下，根据***的当前扰动，选择出合适的温度补偿值对扰动量进行直接校正，这样就可以到达很高的温度控制精度。以下就是我们在其他条件不变，且正常环境温度为25℃的情况下，通过多次实验总结出在不同温度区域内补偿值的选取，具体如表1所示：
表1 温度补偿关系表
| 目标温度：X℃ | 温度补偿值：Y℃ |
| 30≤X＜35 | Y=0.1 |
| 35≤X＜40 | Y=0.2 |
| 40≤X＜42.5 | Y=0.3 |
| 42.5≤X＜47.5 | Y=0.4 |
| 47.5≤X＜50 | Y=0.5 |
| 50≤X＜52.5 | Y=0.6 |
| 52.5≤X＜55 | Y=0.7 |
| 55≤X＜57 | Y=0.8 |
| 57≤X＜58.5 | Y=0.9 |
根据目标温度与温度补偿值的关系表，我们可以看出其随着温度补偿值的等差增加，目标温度的增加速率逐渐变慢，其变化情况和指数函数接近，因此我们设其函数关系式为:
代入数值计算得，则其函数关系式为：
然后我们用MATLAB对函数关系式的函数曲线和温度补偿关系表中的数据变化曲线进行对比，如图9所示，其中实线表示函数曲线，虚线表示数据变化曲线，由图我们可以看出两根曲线在一定目标温度范围内基本重合，因此我们就可以利用这个函数关系式建立一个闭环的前馈-反馈控制结构，这样既能够发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。
由于我们采用了PID与模糊PID两种控制算法，因此我们将PID与模糊PID控制算法进行对比，首先是利用MATLAB进行仿真比较，如图10所示，实线代表的是PID算法仿真结果，红线代表模糊PID算法仿真结果，由图我们可以看出，模糊PID与PID相比较，其优势在于超调小、调节时间快、稳定性高、具有自适应能力。
之后我们再在实际测量时，对两种算法的控制效果进行验证，如图11、图12所示，首先我们将目标温度都设定为37.5℃，其中图11为在PID算法控制下水槽内的温度变化曲线，图12为在模糊PID算法控制下水槽内的温度曲线，由图我们可以看出，在进行温度调节的过程当中，由于受模型和加热电源功率有限的影响，因此一开始并不能体现出模糊PID超调小和调节时间快的优势，但是通过其曲线变化我们可以看出，模糊PID的温度曲线在每隔5℃的情况下，温度会有一次阶跃行变化，这就表明了模糊PID的自适应能力，在不同的温度区间里，其输出的PID三个参数将会发生变化，最后当温度都达到37.5℃的时候，在两种控制算法条件下，他们都会稳定在37.5℃，但随着时间的推移，最终PID算法控制的温度会在37.5℃到37.6℃之间波动，因此我们可以得出模糊PID相对应PID而言，其稳定性更高。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种配套监控设备的测量传感器检测用高精度恒温水槽，包括箱体、打开/盖合在箱体上的箱盖，所述箱盖下方设有搅拌器、温度传感器和电热棒；其特征在于：还设置有温度显示器控制器，所述温度显示器控制器包括下位机的单片机和上位机的LabVIEW虚拟仪器；所述温度显示器控制器采用增量式PID控制算法，其目标温度与温度补偿值的关系式如下：，其中y为温度补偿值，x为目标温度。
2.根据权利要求1所述的测量传感器检测用高精度恒温水槽，其特征在于：所述温度显示器控制器内设有由EC20和HLK-7688组合而成的通信模块。
3.根据权利要求1所述的测量传感器检测用高精度恒温水槽，其特征在于：所述温度传感器实时采集温度数据，并将采集得到的温度数据传至温度数据采集模块进行储存，然后再将温度数据每隔一秒发送给单片机。
4.根据权利要求1所述的测量传感器检测用高精度恒温水槽，其特征在于：所述温度传感器位于所述搅拌器的搅拌部分外部，所述温度传感器等角度绕搅拌器的搅拌部分中心线设置，所述温度传感器的外侧端为检测端。
5.根据权利要求1所述的测量传感器检测用高精度恒温水槽，其特征在于：所述温度显示器控制器上有信号接收传输器。
6.根据权利要求1所述的测量传感器检测用高精度恒温水槽，其特征在于：所述箱盖为双开箱盖，所述箱盖的侧端通过铰链与箱体的开口的侧边相连，所述搅拌器固定在一个箱盖下方且该箱盖上方有设有温度显示器控制器；所述箱盖合起后搅拌器的搅拌部分在箱体内，所述搅拌器的搅拌部分外部安装有温度传感器。
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| CN114870927A (zh) * | 2022-06-06 | 2022-08-09 | 邵舒琪 | 一种pet特性粘度测量用恒温装置 |
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