[发明专利]一种精确流量获取装置及方法

权利要求书

1.一种精确流量获取装置，其特征在于，包括：储水箱、直流电机驱动泵、流量传感器、液面传感器、启动与控制模块、及PC端内的数据处理模块；

储水箱，储水并模拟实际储存液体容器的体积；

直流电机驱动泵，由一个直流电机和齿轮泵组成，由无刷电调控制直流电机，从而控制齿轮泵的转速，用于改变储水箱中液体流量，模拟不同工况下的液体流量；

流量传感器，安装在直流电机驱动泵出水端一侧，当液体流过流量传感器内部的磁性转子组件时，冲击磁性转子开始转动，产生不同磁极的旋转磁场，通过切割磁感线，流量传感器内部的霍尔元件产生相应的高低脉冲电平并输出流量信号至PC端；

液面传感器，安装在储水箱的上方，测量储水箱的液面高度，产生的液面高度信号输出至PC端，与储水箱截面积相乘得到液体变化体积；

启动与控制模块，以Arduino单片机开发板为平台，通过AVR单片机控制产生电信号启动直流电机，直流电机驱动齿轮泵、流量传感器及液面传感器；通过脉冲宽度调制调压的方法，利用滑调电位器控制，改变齿轮泵的转速以达到不同流量下测量的目的；同时将流量传感器、液面传感器获得的数字的流量信号与模拟的液面高度信号输入至PC端Arduino单片机开发板平台，由Arduino单片机开发板的程序转换为流量大小并在Arduino单片机开发板平台的串口监视器中显示输出；

数据处理模块，基于卡尔曼滤波算法，对PC端接收的流量传感器与液面传感器输出的流量信号与液面高度信号，进行卡尔曼滤波融合处理，最终得到精确的流量值；

所述数据处理模块中，卡尔曼滤波算法实现过程如下：

(1)利用当前时刻来自流量传感器和液面传感器的观测值对前一时刻的估计值进行修正得到D_k-1为前一时刻液体流量的最优偏差值；R_k²＝B_k²+C_k²为不确定度；B_k为当前时刻流量传感器的协方差；C_k为当前时刻液面传感器的协方差；A_k为当前时刻预测偏差值，为流量传感器得到的增益权重；为液面传感器得到的增益权重；得到偏差预测方程、滤波增益权重方程为下式：

(2)得到滤波权益增重之后，通过上一时刻流量传感器和液面传感器得到的预测值以及当前时刻得到的流量传感器的流量值Y_k和当前时刻得到的液面传感器的流量值Z_k，得到滤波估计方程如下：

其中为当前时刻用流量传感器得到的估计值，为当前时刻用液面传感器得到的估计值，为当前时刻融合后得到的流量估计值。

2.根据权利要求1所述的一种精确流量获取装置，其特征在于：所述储水箱中设置有压力传感器，用于测量储水箱内实际液面高度，PC端通过Arduino单片机开发板监测，液面高度过低时及时停止装置，确保直流电机驱动泵的正常工作。

3.根据权利要求1所述的一种精确流量获取装置，其特征在于：所述直流电机驱动泵为无刷直流电机驱动的齿轮泵，用于改变液体实际流量。

4.根据权利要求1所述的一种精确流量获取装置，其特征在于：所述流量传感器采用容积式涡轮和霍尔原理，即流动的液体冲击使涡轮旋转，涡轮旋转产生脉冲或方波，计算脉冲频率或方波高电平时间，通过测量得到，流量传感器的脉冲对应的体积关系式为10040脉冲/升，实际液体流量由流量传感器所测实时流量积分获得。

5.根据权利要求1所述的一种精确流量获取装置，其特征在于：所述液面传感器为红外液面传感器或超声波液面传感器，利用差分体积进行绝对测量，能够弥补流量传感器因管路中夹杂来自药箱的气泡，管路出口阻力过大或压力不均匀，产生湍流造成重复计数所带来的误差。