مقياس الجريان الكهرومغناطيسي عالي الدقة مع الكشف عن الأنابيب الفارغة عبر التعرف على شكل الموجة القائم على جهاز المنطق القابل للبرمجة المعقد

Summary

تعمل هذه الدراسة على تحسين دقة مقياس الجريان الكهرومغناطيسي من خلال تحسين أشكال موجات الإثارة ، وتطبيق التصفية متعددة المراحل ، واستخدام التصحيح القائم على جهاز المنطق القابل للبرمجة المعقد (CPLD). تعمل طريقة الكشف عن الأنابيب الفارغة القائمة على شكل الموجة الجديدة على تحسين الموثوقية. تظهر التجارب دقة 0.1٪ في حدود 0.1-15 م / ث ، مما يتحقق من قابلية التطبيق الصناعي.

Abstract

مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية التقليدية معرضة بطبيعتها للتداخل الخارجي والتوزيع غير المتكافئ للسرعة أثناء القياس ، مما يحد بشدة من دقتها. في هذه الدراسة ، تم اقتراح طريقة محسنة ، والتي تعمل على تحسين شكل موجة محرك الإثارة ، وإجراء تصفية متعددة وتضخيم مدخلات القطب ، وتستخدم جهاز منطقي معقد قابل للبرمجة لتحقيق التبديل السريع بين إشارات الحث الإيجابية والسلبية. يتيح ذلك التصحيح السلس ، وبالاقتران مع تقنيات تصفية البرامج ، يحقق أداء عالي الدقة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم الكشف عن الأنابيب الفارغة من خلال التعرف على شكل موجة الإثارة وأنماط شكل موجة الإدخال.

يظهر التحقق التجريبي أن مقياس التدفق الكهرومغناطيسي المصمم يحقق دقة تبلغ 0.1٪ ضمن نطاق سرعة تدفق يتراوح بين 0.1-15 م / ث ، مع أخطاء تكرار النظام أقل من 1٪. تثبت النتائج فعالية الطريقة المقترحة في قياس التدفق عالي الدقة. توضح الدراسة أنه يمكن تحقيق الكشف عالي الدقة بأقل تكلفة إضافية ، وهو أمر مهم لتطبيقات الصناعة.

Introduction

مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية هي أدوات قياس التدفق التي تعمل بناء على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. بالمقارنة مع مقاييس التدفق الميكانيكية التقليدية ، تظهر مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية قدرة فائقة على التكيف مع الوسائط المختلفة ولديها متطلبات أقل لأقسام الأنابيب^{المستقيمة 1}. عندما يمر السائل عبر خط الأنابيب ، يولد مقياس الجريان الكهرومغناطيسي مجالا مغناطيسيا ويقيس فرق الجهد المستحث في السائل لحساب سرعة^{التدفق 2}. تعد مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية مناسبة بشكل خاص للبيئات المعقدة مثل تلك الموجودة في الصناعات الكيماوية والبترولية^3،4،5. ومع ذلك ، نظرا لتشغيلها في البيئات القاسية ، تتأثر دقة مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية بسهولة بالتداخل الخارجي⁶ ، مما يستلزم تقدما في تقنيات الكشف لتحسين الدقة⁷.

يمكن تحسين الدقة بعدة طرق. لقد ثبت أن تحسين شكل القطب الكهربائي يعزز الدقة^{بشكل فعال 8} ، ويمكن أن يؤدي تحسين المجال المغناطيسي لملف الإثارة إلى تحسين دقة قياس التدفق بشكل كبير مع الحفاظ على توحيد المجال^{المغناطيسي 9}. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للتحسينات في أشكال موجات محرك الأقراص ، مثل استخدام القيادة ثنائية التردد ، أن تعزز الدقة^{بشكل فعال 10}. ومع ذلك، لا تزال هذه الأساليب تواجه مشكلات تتعلق بعدم كفاية القدرة على التكيف والمرونة المحدودة عند التعامل مع التغيرات الدينامية في البيئات المعقدة.

لتحسين أداء مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية في البيئات المعقدة ، تنفذ هذه الدراسة تحسينين رئيسيين يهدفان إلى تحسين الدقة والاستقرار. أولا ، يتم تنفيذ محرك موجي متعدد المراحل لقمع التوافقيات عالية الترتيب وتحسين أشكال موجات الإثارة. ثانيا ، يتم تحسين معالجة الإشارات من خلال مزيج من تصفية الأجهزة المستندة إلى جهاز المنطق المعقد القابل للبرمجة (CPLD) ، وتصحيحها ، وتقنيات التصفية المستندة إلى البرامج.

يعمل محرك الشكل الموجي المتدرج الذي يتم التحكم فيه بواسطة المفتاح التناظري بشكل فعال على منع التوافقيات عالية الترتيب التي تنشأ عادة في الطرق التقليدية. من خلال ضبط سعة الخطوة الحالية وتوقيت التبديل ، يتم تحسين شكل موجة الإثارة ، مما يقلل من التداخل مع الأقطاب الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، بعد الخضوع لتضخيم متعدد المراحل وتصفية تمرير النطاق ، يتم إزالة الضوضاء من الإشارة بشكل فعال ويتم تعزيز قوتها. علاوة على ذلك ، يتم فصل إشارات نصف الدورة الإيجابية والسالبة وإعادة تجميعها لضمان استقرار الإشارة ، مما يؤدي إلى تحسين دقة القياس. يعزز دمج هذين التحسينين بشكل كبير الدقة والقدرة المضادة للتداخل لمقياس التدفق ، مما يجعله أكثر موثوقية في البيئات الصناعية المعقدة.

في التطبيقات الصناعية ، قد لا تمتلئ خطوط الأنابيب دائما بالسوائل. إذا انخفض مستوى السائل إلى ما دون أقطاب القياس ، فلن يتمكن مقياس التدفق الكهرومغناطيسي من توفير قراءات صحيحة لسرعة التدفق ، مما يجعل اكتشاف الأنابيب الفارغة جانبا مهما من موثوقية النظام. تعتمد طرق الكشف عن الأنابيب الفارغة التقليدية بشكل أساسي على اختلافات الموصلية ، ولكنها معرضة بشدة للتغيرات في تكوين السوائل وتركيزها ، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار في ظل الظروف الديناميكية.

ولمواجهة هذه التحديات، تم استكشاف استراتيجيات بديلة للكشف عنها. تم اقتراح طريقة تعتمد على تباين سعة القطب^{الكهربائي 11} ، لكن أدائها يتدهور عندما تتغير خصائص السائل أو عند وجود تداخل خارجي. وبالمثل، استحدث نهج يستخدم تنوعات اتساع^{التداخل 12}؛ ومع ذلك ، فإن آلية الكشف القائمة على العتبة تتأثر بشكل كبير بنوع السائل ، مما يحد من قدرته على التكيف. تؤكد هذه القيود على الحاجة إلى حل أكثر قوة وتكيفا.

في هذه الدراسة ، تم أيضا اقتراح طريقة للكشف عن الأنابيب الفارغة القائمة على شكل الموجة ، والاستفادة من العلاقة بين أشكال موجات الإثارة وآليات معالجة الإشارات لتحليل خصائص شكل الموجة. تعمل هذه الطريقة على تحسين دقة الكشف بشكل فعال من خلال القضاء على التبعيات على اختلافات السعة أو تقلبات التوصيلية. والأهم من ذلك ، أنه يعزز الاستقرار والموثوقية ، لا سيما في البيئات الصناعية المعقدة حيث تتغير خصائص السوائل والاضطرابات الخارجية بشكل متكرر.

باختصار ، تقدم هذه الدراسة طريقة قياس التدفق الكهرومغناطيسي عالية الدقة التي تعزز الدقة والاستقرار في البيئات المعقدة. تدمج الطريقة المقترحة عملية تضخيم وترشيح متعددة المراحل مع شكل موجة إثارة محسن وتصحيح قائم على CPLD لقمع التوافقيات عالية الترتيب بشكل فعال وتقليل تداخل الضوضاء. بالإضافة إلى ذلك ، تم دمج تقنيات التصفية القائمة على البرامج لزيادة تحسين الإشارة ، وتعزيز استقرار القياس وتقليل تأثير الاضطرابات الخارجية. علاوة على ذلك ، تم تقديم نهج الكشف عن الأنابيب الفارغة يعتمد على التعرف على نمط الشكل الموجي ، مما يوفر موثوقية محسنة للكشف مقارنة بالطرق التقليدية القائمة على السعة أو التوصيلية.

تجدر الإشارة إلى أن عدم توحيد السرعة في خطوط الأنابيب يمكن أن يؤدي إلى أخطاء قياس كبيرة¹³. لذلك ، تفترض هذه الدراسة توزيعا موحدا للسرعة كشرط أساسي لضمان قياس تدفق عالي الدقة. تظهر النتائج التجريبية أن النهج المقترح يحقق دقة قياس تبلغ 0.1٪ ضمن مدى سرعة يتراوح بين 0.1-15 م / ث ، مع خطأ تكرار أقل من 1٪. تثبت هذه النتائج فعالية المنهجية المقترحة وتقدم حلا واعدا لتطبيقات قياس التدفق الصناعي عالية الدقة. ستركز الأبحاث المستقبلية على زيادة تقييم قدرة الطريقة على التكيف مع خصائص السوائل المختلفة والاضطرابات الخارجية لتعزيز قوتها في بيئات العالم الحقيقي.

Protocol

1. معالجة الجهد الناجم عن القطب الكهربائي

1. خذ القوة الدافعة الكهربائية المستحثة من جانبي المستشعر كإشارة إدخال (الشكل 1 أ).
   ملاحظة: إشارة الجهد الأصلية ضعيفة للغاية وملوثة بشدة بالضوضاء ، مما يدل على نسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة (SNR).
2. قم بتطبيق مكبر صوت تفاضلي 10x لتضخيم الإشارة (الشكل 1 ب).
3. تابع تغذية الإشارة في مرشاح ممر نطاق نشط من الدرجة الثانية يشتمل على مراحل تصفية التمرير العالي والتمرير المنخفض المتتالية. في البداية ، قم بإزالة المكونات منخفضة التردد من خلال مرشح التمرير العالي ، ثم قم بتوجيه الإخراج الذي تمت تصفيته عبر مكثف اقتران إلى مرحلة مرشح التمرير المنخفض اللاحقة. في هذه المرحلة ، قمع الضوضاء عالية التردد المتبقية ، مع الشكل الموجي الناتج الناتج الموضح في الشكل 1C.
4. قم بتضخيم الإشارة الخاضعة للضوضاء باستخدام مكبر صوت عكسي ، كما هو موضح في الشكل 1 د.
5. قم بتنفيذ كسب -1 من خلال مكبر صوت مقلوب لتحويل إشارة القطبية السالبة إلى قطبية موجبة مع الحفاظ على اتساعها دون تغيير.
6. قم بتوجيه إشارات نصف الدورة الإيجابية والسالبة (الشكل 1E) إلى قناتي المفتاح التناظري ، على التوالي ، وأدخل كلتا الإشارتين في نفس الوقت في المقارنة.
   1. قم بمعالجة إشارتي الإخراج اللتين تم إنشاؤهما بواسطة أداة المقارنة باستخدام CPLD للكشف عن حالة شغور خط الأنابيب وتحديد اتجاه تدفق السوائل.
   2. استخدم CPLD للتحكم في قنوات المحول التناظري ، باستخدام اكتشاف العبور الصفري لتنظيم توقيت التبديل بدقة وبالتالي إدخال الحد الأدنى من التأخير فقط (الشكل 1F).
7. بعد البوابات عبر مفتاح تناظري ، قم بتغذية الإشارة في مضخم إشارة المرحلة الثالثة.
8. قم بتطبيق مرشح تمرير منخفض متكامل لمعالجة الإشارة ، ثم أرسل الإشارة المعالجة (الشكل 1G) إلى وحدة التحكم الدقيق (MCU) للعمليات الحسابية اللاحقة.

2. تنفيذ الرسم التخطيطي ومبدأ العمل

1. ضع مضخم الإشارة كما هو موضح في الشكل 2 لتضخيم الإشارة بمعامل 10.
2. قم بتوصيل مضخم الإشارة بمرشح تمرير النطاق.
3. قم بتوصيل مكبر الصوت الثانوي بإخراج مرشح تمرير النطاق. قم بتخزين إشارة نصف دورة موجبة للإخراج مباشرة أثناء توجيه إشارة نصف الدورة السلبية من خلال العاكس قبل إدخالها في المفتاح التناظري.
4. قم بتكوين مقارنتين أسفل المحول التناظري. انقل إشارات إخراج المقارنة إلى CPLD ، واستخدم CPLD للتحكم في حالات تشغيل / إيقاف تشغيل المفتاح التناظري بناء على المنطق التسلسلي.
5. بعد الخضوع للتصفية الثانوية ، أدخل الإشارة المصححة من خرج المفتاح التناظري إلى مكبر الصوت متغير الكسب.
6. قم بتوجيه الإشارة المعالجة عبر مرشح التمرير المنخفض إلى قناة التحويل التناظرية إلى الرقمية (AD) الخاصة بالمعالج.

3. تحديد التدفق الأمامي والعكسي

1. كما هو موضح في الشكل 3 أ ، لاحظ أن وضع التدفق الأمامي يتميز بالحافة الهابطة لإشارة الإثارة المقابلة لإشارة التوصيل الأمامي منخفضة المستوى.
2. لاحظ أن مخطط التدفق العكسي الموضح في الشكل 3 ب يتجلى كمراسلات زمنية بين الحافة المتساقطة لإشارة الإثارة وتنشيط إشارة التوصيل الأمامي عالية المستوى.
3. استخدم CPLD للتمييز بين نمطين مميزين للإشارة ، وبالتالي تحقيق تمييز دقيق بين تدفق المياه الأمامي والعكسي.

4. تصحيح الخطية

1. قم بتطبيق طريقة التصحيح الخطي المجزأ لتصحيح إشارة الإدخال باستخدام التعبير الرياضي التالي لوظيفة التصحيح:
   
   حيث y هو معدل التدفق المصحح ، f هو معدل التدفق الناتج عن الأداة القياسية ، و n هو عدد الأجزاء ، و k_i هو معامل التصحيح للفاصل i ، و x_i هي القيمة الحدية العليا للفاصل i-th.
2. اشتقاق صيغة معامل التصحيح بناء على طريقة المربعات الصغرى باستخدام صيغة ميل الانحدار الخطي ، باستخدام التعبير الرياضي التالي:
   
   حيث k هو معامل التصحيح ، n هو عدد نقاط البيانات ، x_i هو معدل التدفق الذي تقيسه الأداة التجريبية ، y_i وهو معدل التدفق الناتج عن الأداة القياسية.

Results

لضمان الظروف التجريبية الموحدة وموثوقية النتائج ، تستخدم التجربة المضخة الهيدروليكية الموضحة في الشكل 4 لتوليد تدفق مياه قياسي مستقر كبيئة تجريبية. يمكن تقريب تدفق المياه الناتج عن هذه المضخة الهيدروليكية على أنه تيار ثابت السرعة نظرا لخصائص خرج الطاقة المستقرة ، وبالتالي تلبية المتطلبات التجريبية لتوصيل السوائل بشكل منتظم. الأداة القياسية المستخدمة هي ABB-DN50. يتم توضيح النموذج الأولي للجهاز في الشكل 5.

Discussion

هناك العديد من التطبيقات لأشكال موجات الإثارة في مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية ، من بينها إثارة الموجة المربعة وإثارة الموجة المتدرجة نوعان شائعان الاستخدام. تم اعتماد إثارة الموجة المربعة على نطاق واسع نظرا لبساطتها في التنفيذ¹⁵. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة عرضة لإحداث تأثيرات تيار دوامة خلال المرحلة العابرة لتبديل الإثارة ، مما يؤثر سلبا على استقرار إشارة^{القياس 16}. بالإضافة إلى ذلك ، تكون مسألة انجراف نقطة الصفر أكثر وضوحا في إثارة الموجة المربعة ، لا سيما في سيناريوهات سرع...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
مقياس الجريان الكهرومغناطيسي	ABB	ABB-DN50	كأداة قياسية ، تتم مقارنتها بالجهاز الموجود في هذه المقالة.
مستشعر مقياس الجريان الكهرومغناطيسي	ABB	ABB-DN50	يستخدم لجمع القوة الدافعة الكهربائية المستحثة.