Débitmètre électromagnétique de haute précision avec détection de tuyaux vides via une reconnaissance de forme d’onde basée sur un dispositif logique programmable complexe

Summary

Cette étude améliore la précision du débitmètre électromagnétique en optimisant les formes d’onde d’excitation, en appliquant un filtrage à plusieurs étages et en utilisant un redressement basé sur un dispositif logique programmable complexe (CPLD). Une nouvelle méthode de détection des tuyaux vides basée sur la forme d’onde améliore la fiabilité. Les expériences montrent une précision de 0,1 % entre 0,1 et 15 m/s, ce qui valide l’applicabilité industrielle.

Abstract

Les débitmètres électromagnétiques traditionnels sont intrinsèquement sujets aux interférences externes et à la distribution inégale de la vitesse pendant la mesure, ce qui limite considérablement leur précision. Dans cette étude, une méthode améliorée est proposée, qui optimise la forme d’onde du moteur d’excitation, effectue un filtrage et une amplification multiples de l’entrée de l’électrode et utilise un dispositif logique programmable complexe pour réaliser une commutation rapide entre les signaux d’induction positifs et négatifs. Cela permet une rectification en douceur et, en combinaison avec des techniques de filtrage logiciel, permet d’obtenir des performances très précises. De plus, la détection des tuyaux vides est réalisée en reconnaissant les formes d’onde d’excitation et les modèles de formes d’onde d’entrée.

La vérification expérimentale montre que le débitmètre électromagnétique conçu atteint une précision de 0,1 % dans une plage de vitesse d’écoulement de 0,1 à 15 m/s, avec des erreurs de répétabilité du système inférieures à 1 %. Les résultats valident l’efficacité de la méthode proposée dans la mesure de débit de haute précision. L’étude démontre qu’une détection de haute précision peut être obtenue avec un coût supplémentaire minimal, ce qui est important pour les applications industrielles.

Introduction

Les débitmètres électromagnétiques sont des instruments de mesure de débit qui fonctionnent selon la loi de Faraday sur l’induction électromagnétique. Par rapport aux débitmètres mécaniques traditionnels, les débitmètres électromagnétiques présentent une adaptabilité supérieure à divers fluides et ont des exigences inférieures pour les sections de tuyaux droites¹. Lorsque le fluide passe dans la canalisation, le débitmètre électromagnétique génère un champ magnétique et mesure la différence de tension induite dans le fluide pour calculer la vitesse d’écoulement². Les débitmètres électromagnétiques sont particulièrement adaptés aux environnements complexes tels que ceux des industries chimiques et pétrolières ^3,4,5. Cependant, en raison de leur fonctionnement dans des environnements difficiles, la précision des débitmètres électromagnétiques est facilement affectée par les interférences externes⁶, ce qui nécessite des progrès dans les technologies de détection pour améliorer la précision⁷.

La précision peut être améliorée de plusieurs façons. Il a été démontré que l’optimisation de la forme de l’électrode améliore efficacement la précision⁸, et l’optimisation du champ magnétique de la bobine d’excitation peut améliorer considérablement la précision de la mesure du débit tout en maintenant l’uniformité du champ magnétique⁹. De plus, les améliorations apportées aux formes d’onde des variateurs, telles que l’utilisation d’un pilote à double fréquence, peuvent améliorer efficacement la précision¹⁰. Cependant, ces méthodes se heurtent encore à des problèmes d’adaptabilité insuffisante et de flexibilité limitée lorsqu’il s’agit de faire face à des changements dynamiques dans des environnements complexes.

Pour améliorer les performances des débitmètres électromagnétiques dans des environnements complexes, cette étude met en œuvre deux améliorations clés visant à améliorer la précision et la stabilité. Tout d’abord, un variateur de forme d’onde à plusieurs étages est mis en œuvre pour supprimer les harmoniques d’ordre élevé et optimiser les formes d’onde d’excitation. Deuxièmement, le traitement du signal est amélioré grâce à une combinaison de techniques de filtrage matériel basées sur des dispositifs logiques programmables complexes (CPLD), de rectification et de techniques de filtrage logicielles.

Le variateur de forme d’onde pas contrôlé par le commutateur analogique supprime efficacement les harmoniques d’ordre élevé qui se produisent généralement dans les méthodes traditionnelles. En ajustant l’amplitude du pas de courant et en changeant de synchronisation, la forme d’onde d’excitation est optimisée, réduisant ainsi les interférences avec les électrodes. De plus, après avoir subi une amplification à plusieurs étages et un filtrage passe-bande, le signal est efficacement débruité et sa force est améliorée. De plus, les signaux positifs et négatifs du demi-cycle sont séparés et recombinés pour assurer la stabilité du signal, ce qui améliore la précision de mesure. L’intégration de ces deux améliorations augmente considérablement la précision et la capacité anti-interférence du débitmètre, ce qui le rend plus fiable dans les environnements industriels complexes.

Dans les applications industrielles, les pipelines ne sont pas toujours entièrement remplis de fluide. Si le niveau du fluide tombe en dessous des électrodes de mesure, le débitmètre électromagnétique ne peut pas fournir de lectures de vitesse d’écoulement valides, ce qui fait de la détection des tuyaux vides un aspect critique de la fiabilité du système. Les méthodes traditionnelles de détection des tuyaux vides reposent principalement sur les variations de conductivité, mais celles-ci sont très sensibles aux changements de composition et de concentration des fluides, ce qui entraîne une instabilité dans des conditions dynamiques.

Pour relever ces défis, d’autres stratégies de détection ont été explorées. Une méthode basée sur la variation de la capacité de l’électrode a été proposée¹¹, mais ses performances se détériorent lorsque les propriétés du fluide changent ou en cas d’interférence externe. De même, une approche utilisant les variations d’amplitude du brouillage a été introduite¹² ; Pourtant, son mécanisme de détection basé sur un seuil est fortement influencé par le type de liquide, ce qui limite son adaptabilité. Ces limites soulignent la nécessité d’une solution plus robuste et adaptative.

Dans cette étude, une méthode de détection de tuyaux vides basée sur les formes d’onde est également proposée, exploitant la corrélation entre les formes d’onde d’excitation et les mécanismes de traitement du signal pour analyser les caractéristiques des formes d’onde. Cette méthode améliore efficacement la précision de détection en éliminant les dépendances aux variations d’amplitude ou aux fluctuations de conductivité. Plus important encore, il améliore la stabilité et la fiabilité, en particulier dans les environnements industriels complexes où les propriétés des fluides et les perturbations externes changent fréquemment.

En résumé, cette étude présente une méthode de mesure de débit électromagnétique de haute précision qui améliore la précision et la stabilité dans des environnements complexes. La méthode proposée intègre un processus d’amplification et de filtrage à plusieurs étages avec une forme d’onde d’excitation optimisée et un redressement basé sur CPLD pour supprimer efficacement les harmoniques d’ordre élevé et réduire les interférences de bruit. De plus, des techniques de filtrage logicielles sont incorporées pour affiner davantage le signal, améliorer la stabilité de la mesure et réduire l’impact des perturbations externes. De plus, une approche de détection des tuyaux vides basée sur la reconnaissance de formes d’onde est introduite, offrant une fiabilité de détection améliorée par rapport aux méthodes conventionnelles basées sur l’amplitude ou la conductivité.

Il convient de noter que la non-uniformité de la vitesse dans les pipelines peut introduire des erreurs de mesure importantes¹³. Par conséquent, cette étude suppose une distribution uniforme de la vitesse comme condition préalable pour assurer une mesure de débit de haute précision. Les résultats expérimentaux démontrent que l’approche proposée permet d’obtenir une précision de mesure de 0,1 % dans une plage de vitesse de 0,1 à 15 m/s, avec une erreur de répétabilité inférieure à 1 %. Ces résultats valident l’efficacité de la méthodologie proposée et offrent une solution prometteuse pour les applications de mesure de débit industriel de haute précision. Les recherches futures se concentreront sur l’évaluation de l’adaptabilité de la méthode à diverses propriétés des fluides et aux perturbations externes afin d’améliorer sa robustesse dans des environnements réels.

Protocol

1. Traitement de la tension induite par l’électrode

1. Prenez la force électromotrice induite des deux côtés du capteur comme signal d’entrée (Figure 1A).
   REMARQUE : Le signal de tension d’origine est extrêmement faible et gravement contaminé par le bruit, présentant un faible rapport signal/bruit (SNR).
2. Appliquez un amplificateur différentiel 10x pour amplifier le signal (Figure 1B).
3. Passez ensuite à l’alimentation du signal dans un filtre passe-bande actif de second ordre comprenant des étages de filtre passe-haut et passe-bas en cascade. Dans un premier temps, retirez les composants basse fréquence à travers le filtre passe-haut, puis canalisez la sortie filtrée via un condensateur de couplage vers l’étage de filtre passe-bas suivant. À cette phase, supprimez le bruit résiduel à haute fréquence, avec la forme d’onde de sortie résultante illustrée à la figure 1C.
4. Amplifiez le signal débruité à l’aide d’un amplificateur inverseur, comme illustré à la Figure 1D.
5. Implémentez un gain de -1 grâce à un amplificateur inverseur pour convertir le signal de polarité négative en polarité positive tout en préservant son amplitude inchangée.
6. Dirigez les signaux positifs et négatifs du demi-cycle (Figure 1E) vers les deux voies du commutateur analogique, respectivement, et entrez simultanément les deux signaux dans le comparateur.
   1. Traitez les deux signaux de sortie générés par le comparateur à l’aide d’un CPLD pour détecter l’état d’inoccupation de la canalisation et déterminer la direction de l’écoulement du fluide.
   2. Utilisez le CPLD pour contrôler les voies du commutateur analogique, en utilisant la détection de passage à zéro pour réguler précisément la synchronisation de commutation et n’introduire ainsi qu’un retard minimal (Figure 1F).
7. Après le déclenchement via un commutateur analogique, introduisez le signal dans l’amplificateur de signal du troisième étage.
8. Appliquez un filtre passe-bas intégrateur pour traiter le signal, puis transmettez le signal traité (Figure 1G) à l’unité de microcontrôleur (MCU) pour les opérations de calcul ultérieures.

2. Schéma et principe de fonctionnement mis en œuvre

1. Positionnez l’amplificateur de signal comme illustré à la figure 2 pour amplifier le signal d’un facteur 10.
2. Connectez l’amplificateur de signal au filtre passe-bande.
3. Connectez l’amplificateur secondaire à la sortie du filtre passe-bande. Mettez directement en mémoire tampon le signal de demi-cycle positif pour la sortie tout en acheminant le signal de demi-cycle négatif à travers un onduleur avant son entrée dans le commutateur analogique.
4. Configurez deux comparateurs sous le commutateur analogique. Transmettez les signaux de sortie du comparateur au CPLD et utilisez le CPLD pour contrôler les états marche/arrêt du commutateur analogique en fonction de la logique séquentielle.
5. Après avoir subi un filtrage secondaire, entrez le signal redressé de la sortie du commutateur analogique dans l’amplificateur à gain variable.
6. Acheminez le signal traité à travers le filtre passe-bas dans le canal de conversion analogique-numérique (AD) du processeur.

3. Détermination du flux direct et inverse

1. Comme illustré à la figure 3A, observez que le mode d’écoulement direct est caractérisé par le front descendant du signal d’excitation correspondant au signal de conduction directe de bas niveau.
2. Observez que le modèle d’écoulement inverse illustré à la figure 3B se manifeste par une correspondance temporelle entre le front descendant du signal d’excitation et l’activation du signal de conduction directe de haut niveau.
3. Utilisez un CPLD pour différencier deux modèles de signaux caractéristiques, obtenant ainsi une discrimination précise entre le débit d’eau avant et arrière.

4. Correction de la linéarité

1. Appliquez la méthode de correction linéaire par morceaux pour rectifier le signal d’entrée à l’aide de l’expression mathématique suivante de la fonction de correction :
   
   Où y est le débit corrigé, f est le débit généré par l’instrument standard, n est le nombre de segments, k_i est le coefficient de correction pour le ième intervalle et x_i est la valeur limite supérieure du ième intervalle.
2. Dérivez la formule du coefficient de correction basée sur la méthode des moindres carrés à l’aide de la formule de pente de régression linéaire, à l’aide de l’expression mathématique suivante :
   
   Où k est le coefficient correcteur, n est le nombre de points de données, x_i est le débit mesuré par l’instrument expérimental, y_i et est le débit généré par l’instrument standard.

Results

Pour garantir des conditions expérimentales normalisées et la fiabilité des résultats, l’expérience utilise la pompe hydraulique illustrée à la figure 4 pour générer un débit d’eau standard stable comme environnement expérimental. Le débit d’eau généré par cette pompe hydraulique peut être approximé comme un flux à vitesse constante en raison de ses caractéristiques de puissance de sortie stables, répondant ainsi aux exigences expérimentales pour une distribu...

Discussion

Il existe diverses implémentations de formes d’onde d’excitation dans les débitmètres électromagnétiques, parmi lesquelles l’excitation à ondes carrées et l’excitation à ondes pas sont deux types couramment utilisés. L’excitation à ondes carrées est largement adoptée en raison de sa simplicité de mise en œuvre¹⁵. Cependant, cette méthode est susceptible d’induire des effets de courants de Foucault pendant la phase transitoire de commutation d’excitation, ce qui a un impact négatif sur la stabilité...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Débitmètre électromagnétique	ABB	ABB-DN50	En tant qu’instrument standard, il est comparé à l’instrument dans cet article.
Capteur de débitmètre électromagnétique	ABB	ABB-DN50	Utilisé pour la collecte de la force électromotrice induite.