Hochpräziser magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit Leerrohrerkennung über komplexe programmierbare Logikgeräte-basierte Wellenformerkennung

Zusammenfassung

Diese Studie verbessert die Genauigkeit von magnetisch-induktiven Durchflussmessern durch Optimierung der Anregungswellenformen, Anwendung einer mehrstufigen Filterung und Verwendung einer auf CPLD (Complex Programmable Logic Device) basierenden Gleichrichtung. Eine neuartige, wellenformbasierte Methode zur Erkennung von Leerrohren erhöht die Zuverlässigkeit. Experimente zeigen eine Genauigkeit von 0,1 % innerhalb von 0,1-15 m/s, was die industrielle Anwendbarkeit bestätigt.

Zusammenfassung

Herkömmliche magnetisch-induktive Durchflussmesser sind von Natur aus anfällig für externe Störungen und eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung während der Messung, was ihre Genauigkeit stark einschränkt. In dieser Studie wird ein verbessertes Verfahren vorgeschlagen, das die Wellenform des Erregerantriebs optimiert, eine mehrfache Filterung und Verstärkung des Elektrodeneingangs durchführt und eine komplexe programmierbare Logikvorrichtung verwendet, um ein schnelles Umschalten zwischen positiven und negativen Induktionssignalen zu erreichen. Dies ermöglicht eine reibungslose Entzerrung und erzielt in Kombination mit Software-Filtertechniken eine hochpräzise Leistung. Darüber hinaus wird die Leerrohrerkennung durch die Erkennung von Anregungswellenformen und Eingangswellenformmustern realisiert.

Die experimentelle Überprüfung zeigt, dass der konstruierte magnetisch-induktive Durchflussmesser eine Genauigkeit von 0,1 % innerhalb eines Strömungsgeschwindigkeitsbereichs von 0,1 bis 15 m/s erreicht, mit Systemwiederholbarkeitsfehlern von weniger als 1 %. Die Ergebnisse bestätigen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode bei der hochpräzisen Durchflussmessung. Die Studie zeigt, dass eine hochpräzise Detektion mit minimalen zusätzlichen Kosten erreicht werden kann, was für industrielle Anwendungen wichtig ist.

Einleitung

Magnetisch-induktive Durchflussmesser sind Durchflussmessgeräte, die auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion basieren. Im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Durchflussmessern weisen magnetisch-induktive Durchflussmesser eine überlegene Anpassungsfähigkeit an verschiedene Medien auf und stellen geringere Anforderungen an gerade Rohrabschnitte¹. Wenn Flüssigkeit durch die Rohrleitung strömt, erzeugt der magnetisch-induktive Durchflussmesser ein Magnetfeld und misst die induzierte Spannungsdifferenz in der Flüssigkeit, um die Strömungsgeschwindigkeit² zu berechnen. Magnetisch-induktive Durchflussmesser eignen sich besonders für komplexe Umgebungen, wie z. B. in der Chemie- und Erdölindustrie ^3,4,5. Aufgrund ihres Betriebs in rauen Umgebungen wird die Genauigkeit von magnetisch-induktiven Durchflussmessern jedoch leicht durch externe Störungen^{beeinträchtigt 6}, was Fortschritte in den Detektionstechnologien erforderlich macht, um die Genauigkeit^{zu verbessern 7}.

Die Genauigkeit kann auf verschiedene Weise verbessert werden. Es hat sich gezeigt, dass die Optimierung der Elektrodenform die Präzision effektiv verbessert⁸, und die Optimierung des Magnetfelds der Anregungsspule kann die Genauigkeit der Durchflussmessung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Gleichmäßigkeit des Magnetfelds erheblich verbessern⁹. Darüber hinaus können Verbesserungen bei den Antriebswellenformen, wie z. B. die Verwendung von Dual-Frequenz-Treibern, die Präzision^{effektiv steigern 10}. Diese Methoden sind jedoch immer noch mit Problemen der unzureichenden Anpassungsfähigkeit und eingeschränkten Flexibilität konfrontiert, wenn es um den Umgang mit dynamischen Veränderungen in komplexen Umgebungen geht.

Um die Leistung von magnetisch-induktiven Durchflussmessern in komplexen Umgebungen zu verbessern, wurden in dieser Studie zwei wichtige Verbesserungen implementiert, die darauf abzielen, die Genauigkeit und Stabilität zu verbessern. Zunächst wird ein mehrstufiger Stufenwellenformantrieb implementiert, um Oberschwingungen hoher Ordnung zu unterdrücken und Anregungswellenformen zu optimieren. Zweitens wird die Signalverarbeitung durch eine Kombination aus CPLD-basierter Hardwarefilterung, Gleichrichtung und softwarebasierten Filtertechniken (Complex Programmable Logic Device) verbessert.

Der über den Analogschalter gesteuerte Stufenwellenantrieb unterdrückt effektiv Oberschwingungen hoher Ordnung, die typischerweise bei herkömmlichen Methoden auftreten. Durch die Anpassung der Stromschrittamplitude und des Schalttimings wird die Erregerwellenform optimiert, wodurch Interferenzen mit den Elektroden reduziert werden. Darüber hinaus wird das Signal nach einer mehrstufigen Verstärkung und Bandpassfilterung effektiv entrauscht und seine Stärke erhöht. Darüber hinaus werden die positiven und negativen Halbzyklussignale getrennt und neu kombiniert, um die Signalstabilität zu gewährleisten, was zu einer verbesserten Messgenauigkeit führt. Die Integration dieser beiden Verbesserungen erhöht die Präzision und Entstörungsfähigkeit des Durchflussmessers erheblich und macht ihn in komplexen Industrieumgebungen zuverlässiger.

In industriellen Anwendungen sind Rohrleitungen nicht immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Wenn der Flüssigkeitsstand unter die Messelektroden fällt, kann der magnetisch-induktive Durchflussmesser keine gültigen Durchflussgeschwindigkeitsmesswerte liefern, was die Erkennung leerer Rohre zu einem kritischen Aspekt der Systemzuverlässigkeit macht. Herkömmliche Methoden zur Detektion von Leerrohren beruhen in erster Linie auf Leitfähigkeitsschwankungen, die jedoch sehr anfällig für Änderungen der Flüssigkeitszusammensetzung und -konzentration sind, was unter dynamischen Bedingungen zu Instabilität führt.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurden alternative Nachweisstrategien untersucht. Es wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das auf der Variation der Elektrodenkapazität^{basiert 11}, aber seine Leistung verschlechtert sich, wenn sich die Eigenschaften der Flüssigkeit ändern oder wenn externe Interferenzen vorhanden sind. In ähnlicher Weise wurde ein Ansatz eingeführt, der Interferenzamplitudenvariationen nutzt¹²; Der schwellenbasierte Nachweismechanismus wird jedoch maßgeblich von der Art der Flüssigkeit beeinflusst, was ihre Anpassungsfähigkeit einschränkt. Diese Einschränkungen unterstreichen die Notwendigkeit einer robusteren und anpassungsfähigeren Lösung.

In dieser Studie wird auch eine wellenformbasierte Empty-Pipe-Detektionsmethode vorgeschlagen, die die Korrelation zwischen Anregungswellenformen und Signalverarbeitungsmechanismen nutzt, um die Wellenformeigenschaften zu analysieren. Diese Methode verbessert effektiv die Detektionsgenauigkeit, indem sie Abhängigkeiten von Amplitudenvariationen oder Leitfähigkeitsschwankungen eliminiert. Noch wichtiger ist, dass es die Stabilität und Zuverlässigkeit erhöht, insbesondere in komplexen industriellen Umgebungen, in denen sich die Eigenschaften von Flüssigkeiten und externen Störungen häufig ändern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie eine hochpräzise Methode zur Messung des elektromagnetischen Durchflusses vorstellt, die die Genauigkeit und Stabilität in komplexen Umgebungen erhöht. Das vorgeschlagene Verfahren integriert einen mehrstufigen Verstärkungs- und Filterprozess mit einer optimierten Anregungswellenform und CPLD-basierter Gleichrichtung, um Oberschwingungen hoher Ordnung effektiv zu unterdrücken und Rauschstörungen zu reduzieren. Darüber hinaus sind softwarebasierte Filtertechniken integriert, um das Signal weiter zu verfeinern, die Messstabilität zu erhöhen und die Auswirkungen externer Störungen zu reduzieren. Darüber hinaus wird ein auf der Erkennung von Wellenformmustern basierender Ansatz zur Detektion leerer Rohre vorgestellt, der im Vergleich zu herkömmlichen amplituden- oder leitfähigkeitsbasierten Methoden eine höhere Detektionszuverlässigkeit bietet.

Es ist erwähnenswert, dass eine Ungleichmäßigkeit der Geschwindigkeit in Rohrleitungen zu erheblichen Messfehlern führen kann¹³. Daher geht diese Studie von einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung als Voraussetzung für eine hochpräzise Durchflussmessung aus. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Ansatz eine Messgenauigkeit von 0,1 % in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,1-15 m/s erreicht, bei einem Wiederholfehler von weniger als 1 %. Diese Ergebnisse bestätigen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methodik und bieten eine vielversprechende Lösung für hochpräzise industrielle Durchflussmessanwendungen. Zukünftige Forschungen werden sich darauf konzentrieren, die Anpassungsfähigkeit der Methode an unterschiedliche Fluideigenschaften und externe Störungen weiter zu bewerten, um ihre Robustheit in realen Umgebungen zu verbessern.

Protokoll

1. Verarbeitung der elektrodeninduzierten Spannung

1. Nehmen Sie die induzierte elektromotorische Kraft von beiden Seiten des Sensors als Eingangssignal (Abbildung 1A).
   HINWEIS: Das ursprüngliche Spannungssignal ist extrem schwach und stark durch Rauschen verunreinigt und weist ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) auf.
2. Wenden Sie einen 10-fachen Differenzverstärker an, um das Signal zu verstärken (Abbildung 1B).
3. Fahren Sie fort, das Signal in einen aktiven Bandpassfilter zweiter Ordnung einzuspeisen, der aus kaskadierten Hochpass- und Tiefpassfilterstufen besteht. Entfernen Sie zunächst tieffrequente Anteile durch den Hochpassfilter, dann leiten Sie den gefilterten Ausgang über einen Koppelkondensator in die nachfolgende Tiefpassfilterstufe. In dieser Phase wird das hochfrequente Restrauschen unterdrückt, wobei die resultierende Ausgangswellenform in Abbildung 1C dargestellt ist.
4. Verstärken Sie das entrauschte Signal mit einem invertierenden Verstärker, wie in Abbildung 1D dargestellt.
5. Implementieren Sie eine Verstärkung von -1 durch einen invertierenden Verstärker, um das Signal mit negativer Polarität in eine positive Polarität umzuwandeln, während die Amplitude unverändert bleibt.
6. Leiten Sie die positiven und negativen Halbzyklussignale (Abbildung 1E) auf die beiden Kanäle des Analogschalters und geben Sie beide Signale gleichzeitig in den Komparator ein.
   1. Verarbeiten Sie die beiden vom Komparator erzeugten Ausgangssignale mit einem CPLD, um den Leerstandsstatus der Rohrleitung zu erkennen und die Strömungsrichtung des Fluids zu bestimmen.
   2. Verwenden Sie CPLD, um die Kanäle des analogen Schalters zu steuern, und verwenden Sie die Nulldurchgangserkennung, um das Schalttiming präzise zu regulieren und dadurch nur eine minimale Verzögerung zu erzielen (Abbildung 1F).
7. Nach dem Gating über einen analogen Schalter speisen Sie das Signal in den Signalverstärker der dritten Stufe ein.
8. Wenden Sie einen integrierenden Tiefpassfilter an, um das Signal zu verarbeiten, und übertragen Sie dann das verarbeitete Signal (Abbildung 1G) an die Mikrocontroller-Einheit (MCU) für nachfolgende Rechenvorgänge.

2. Implementierter Schaltplan und Funktionsprinzip

1. Positionieren Sie den Signalverstärker wie in Abbildung 2 dargestellt, um das Signal um den Faktor 10 zu verstärken.
2. Verbinden Sie den Signalverstärker mit dem Bandpassfilter.
3. Verbinden Sie den Sekundärverstärker mit dem Ausgang des Bandpassfilters. Puffern Sie das positive Halbzyklussignal direkt für die Ausgabe, während das negative Halbzyklussignal vor seiner Eingabe in den Analogschalter durch einen Wechselrichter geleitet wird.
4. Konfigurieren Sie zwei Komparatoren unterhalb des Analogschalters. Übertragen Sie die Ausgangssignale des Komparators an den CPLD und verwenden Sie den CPLD, um die Ein-/Aus-Zustände des analogen Schalters basierend auf sequenzieller Logik zu steuern.
5. Geben Sie nach der Sekundärfilterung das gleichgerichtete Signal vom analogen Schaltausgang in den Verstärker mit variabler Verstärkung ein.
6. Leiten Sie das verarbeitete Signal durch den Tiefpassfilter in den Analog-Digital-Wandlungskanal (AD) des Prozessors.

3. Bestimmung des Vorwärts- und Rückwärtsflusses

1. Wie in Abbildung 3A dargestellt, ist zu beobachten, dass der Vorwärtsströmungsmodus durch die fallende Flanke des Anregungssignals gekennzeichnet ist, die dem Vorwärtsleitungssignal mit niedrigem Pegel entspricht.
2. Beachten Sie, dass sich das in Abbildung 3B dargestellte Umkehrströmungsmuster als zeitliche Entsprechung zwischen der fallenden Flanke des Anregungssignals und der Aktivierung des hochstufigen Vorwärtsleitungssignals manifestiert.
3. Verwenden Sie ein CPLD, um zwei charakteristische Signalmuster zu unterscheiden und so eine präzise Unterscheidung zwischen Vorwärts- und Rückwärtsströmung zu erreichen.

4. Linearitätskorrektur

1. Wenden Sie die stückweise lineare Korrekturmethode an, um das Eingangssignal mit dem folgenden mathematischen Ausdruck der Korrekturfunktion zu entzerren:
   
   Dabei ist y die korrigierte Durchflussrate, f die vom Standardgerät erzeugte Flussrate, n die Anzahl der Segmente, k_i der Korrekturkoeffizient für das i-te Intervall und x_i der obere Grenzwert des i-ten Intervalls.
2. Leiten Sie die Formel für den Korrekturkoeffizienten basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung der linearen Regressionssteigungsformel unter Verwendung des folgenden mathematischen Ausdrucks ab:
   
   Dabei ist k der Korrekturkoeffizient, n die Anzahl der Datenpunkte, x_i die vom Versuchsinstrument gemessene Durchflussrate, y_i und die vom Standardgerät erzeugte Durchflussrate.

Ergebnisse

Um standardisierte Versuchsbedingungen und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wird die in Abbildung 4 gezeigte Hydraulikpumpe verwendet, um einen stabilen Standardwasserfluss als Versuchsumgebung zu erzeugen. Der von dieser Hydraulikpumpe erzeugte Wasserstrom kann aufgrund ihrer stabilen Leistungsausgangseigenschaften als Strom mit konstanter Geschwindigkeit approximiert werden und erfüllt damit die experimentellen Anforderungen an eine glei...

Diskussion

Es gibt verschiedene Implementierungen von Anregungswellenformen in elektromagnetischen Durchflussmessern, unter denen die Rechteckanregung und die Stufenwellenanregung zwei häufig verwendete Typen sind. Die Rechteckwellenanregung ist aufgrund ihrer Einfachheit in der Implementierung weit verbreitet¹⁵. Dieses Verfahren ist jedoch anfällig dafür, während der transienten Phase der Erregerschaltung Wirbelstromeffekte zu induzieren, die sich negativ auf die Stabilität des Messsignals^...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser	ABB	ABB-DN50	Als Standardinstrument wird es mit dem Instrument in diesem Artikel verglichen.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser	ABB	ABB-DN50	Wird zum Sammeln der induzierten elektromotorischen Kraft verwendet.