מד זרימה אלקטרומגנטי בעל דיוק גבוה עם זיהוי צינורות ריקים באמצעות זיהוי צורות גל מבוסס התקן לוגיקה מורכב הניתן לתכנות

סיכום

מחקר זה משפר את דיוק מד הזרימה האלקטרומגנטי על ידי אופטימיזציה של צורות גל עירור, החלת סינון רב-שלבי ושימוש בתיקון מבוסס Complex Programmable Logic Device (CPLD). שיטת זיהוי צינורות ריקים חדשה המבוססת על צורת גל משפרת את האמינות. ניסויים מראים דיוק של 0.1% בטווח של 0.1-15 מטר לשנייה, מה שמאמת את הישימות התעשייתית.

תקציר

מדי זרימה אלקטרומגנטיים מסורתיים מועדים מטבעם להפרעות חיצוניות ולחלוקת מהירות לא אחידה במהלך המדידה, מה שמגביל מאוד את הדיוק שלהם. במחקר זה מוצעת שיטה משופרת, המייעלת את צורת הגל של כונן העירור, מבצעת סינון והגברה מרובים של כניסת האלקטרודה, ומשתמשת בהתקן לוגי מורכב הניתן לתכנות כדי להשיג מעבר מהיר בין אותות אינדוקציה חיוביים ושליליים. זה מאפשר תיקון חלק ובשילוב עם טכניקות סינון תוכנה, משיג ביצועים מדויקים ביותר. בנוסף, זיהוי צינור ריק מתממש על ידי זיהוי צורת גל עירור ודפוסי צורת גל קלט.

אימות ניסיוני מראה כי מד הזרימה האלקטרומגנטי המתוכנן משיג דיוק של 0.1% בטווח מהירות זרימה של 0.1-15 מ' לשנייה, עם שגיאות חזרה על המערכת של פחות מ-1%. התוצאות מאמתות את יעילות השיטה המוצעת במדידת זרימה ברמת דיוק גבוהה. המחקר מדגים כי ניתן להשיג זיהוי דיוק גבוה בעלות נוספת מינימלית, החשובה ליישומים בתעשייה.

מבוא

מדי זרימה אלקטרומגנטיים הם מכשירי מדידת זרימה הפועלים על בסיס חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית של פאראדיי. בהשוואה למדי זרימה מכניים מסורתיים, מדי זרימה אלקטרומגנטיים מציגים יכולת הסתגלות מעולה למדיות שונות ויש להם דרישות נמוכות יותר לקטעי צינור ישרים¹. כאשר נוזל עובר דרך הצינור, מד הזרימה האלקטרומגנטי מייצר שדה מגנטי ומודד את הפרש המתח המושרה בנוזל כדי לחשב את מהירות הזרימה². מדי זרימה אלקטרומגנטיים מתאימים במיוחד לסביבות מורכבות כמו אלה בתעשיות הכימיות והנפט ^3,4,5. עם זאת, בשל פעולתם בסביבות קשות, הדיוק של מדי זרימה אלקטרומגנטיים מושפע בקלות מהפרעות חיצוניות⁶, מה שמחייב התקדמות בטכנולוגיות זיהוי כדי לשפר את הדיוק⁷.

ניתן לשפר את הדיוק בכמה דרכים. אופטימיזציה של צורת האלקטרודה הוכחה כמשפרת ביעילות את הדיוק⁸, ואופטימיזציה של השדה המגנטי של סליל העירור יכולה לשפר משמעותית את דיוק מדידת הזרימה תוך שמירה על אחידות השדה המגנטי⁹. בנוסף, שיפורים בצורות גל כונן, כגון שימוש בנהיגה בתדר כפול, יכולים להגביר ביעילות את דיוק¹⁰. עם זאת, שיטות אלה עדיין מתמודדות עם בעיות של יכולת הסתגלות לא מספקת וגמישות מוגבלת כאשר מתמודדים עם שינויים דינמיים בסביבות מורכבות.

כדי לשפר את הביצועים של מדי זרימה אלקטרומגנטיים בסביבות מורכבות, מחקר זה מיישם שני שיפורים מרכזיים שמטרתם לשפר את הדיוק והיציבות. ראשית, מיושם כונן צורת גל רב-שלבי כדי לדכא הרמוניות מסדר גבוה ולייעל צורות גל עירור. שנית, עיבוד האותות משופר באמצעות שילוב של טכניקות סינון, תיקון וסינון חומרה מבוססות Complex Programmable Logic Device (CPLD).

דוחף צורת-הגל של הצעד הנשלט על ידי המתג האנלוגי מדכא ביעילות הרמוניות מסדר גבוה המתעוררות בדרך כלל בשיטות מסורתיות. על ידי התאמת משרעת הצעד הנוכחי ותזמון המיתוג, צורת גל העירור ממוטבת, ומפחיתה את ההפרעה לאלקטרודות. בנוסף, לאחר שעבר הגברה רב-שלבית וסינון מעבר פס, האות מנוטרל ביעילות ועוצמתו משופרת. יתר על כן, אותות חצי המחזור החיוביים והשליליים מופרדים ומשולבים מחדש כדי להבטיח יציבות אות, מה שמוביל לדיוק מדידה משופר. השילוב של שני השיפורים הללו מגביר משמעותית את הדיוק והיכולת נגד הפרעות של מד הזרימה, מה שהופך אותו לאמין יותר בסביבות תעשייתיות מורכבות.

ביישומים תעשייתיים, צינורות לא תמיד מלאים בנוזל. אם מפלס הנוזל יורד מתחת לאלקטרודות המדידה, מד הזרימה האלקטרומגנטי אינו יכול לספק קריאות מהירות זרימה תקפות, מה שהופך את זיהוי הצינור הריק להיבט קריטי של אמינות המערכת. שיטות מסורתיות לזיהוי צינורות ריקים מסתמכות בעיקר על וריאציות מוליכות, אך אלה רגישות מאוד לשינויים בהרכב הנוזלים ובריכוזם, מה שמוביל לחוסר יציבות בתנאים דינמיים.

כדי להתמודד עם אתגרים אלה, נבחנו אסטרטגיות זיהוי חלופיות. שיטה המבוססת על וריאציה של קיבול אלקטרודה^{הוצעה 11}, אך ביצועיה מתדרדרים כאשר תכונות הנוזל משתנות או כאשר קיימת הפרעה חיצונית. באופן דומה, הוצגה גישה המשתמשת בווריאציות של משרעת הפרעות¹²; עם זאת, מנגנון הזיהוי מבוסס הסף שלו מושפע באופן משמעותי מסוג הנוזל, מה שמגביל את יכולת ההסתגלות שלו. מגבלות אלו מדגישות את הצורך בפתרון חזק ומסתגל יותר.

במחקר זה מוצעת גם שיטת זיהוי צינור ריק מבוססת צורת גל, הממנפת את המתאם בין צורות גל עירור ומנגנוני עיבוד אותות לניתוח מאפייני צורת גל. שיטה זו משפרת ביעילות את דיוק הזיהוי על ידי ביטול תלות בשינויים במשרעת או בתנודות מוליכות. חשוב מכך, הוא משפר את היציבות והאמינות, במיוחד בסביבות תעשייתיות מורכבות שבהן תכונות הנוזל וההפרעות החיצוניות משתנות לעתים קרובות.

לסיכום, מחקר זה מציג שיטת מדידת זרימה אלקטרומגנטית ברמת דיוק גבוהה המשפרת את הדיוק והיציבות בסביבות מורכבות. השיטה המוצעת משלבת תהליך הגברה וסינון רב-שלבי עם צורת גל עירור אופטימלית ותיקון מבוסס CPLD כדי לדכא ביעילות הרמוניות מסדר גבוה ולהפחית הפרעות רעש. בנוסף, משולבות טכניקות סינון מבוססות תוכנה כדי לחדד עוד יותר את האות, לשפר את יציבות המדידה ולהפחית את ההשפעה של הפרעות חיצוניות. יתר על כן, מוצגת גישת זיהוי צינורות ריקים המבוססת על זיהוי דפוסי צורת גל, המספקת אמינות זיהוי משופרת בהשוואה לשיטות קונבנציונליות מבוססות משרעת או מוליכות.

ראוי לציין כי אי אחידות מהירות בצינורות עלולה לגרום לשגיאות מדידה משמעותיות¹³. לכן, מחקר זה מניח התפלגות מהירות אחידה כתנאי מוקדם להבטחת מדידת זרימה ברמת דיוק גבוהה. תוצאות הניסוי מראות כי הגישה המוצעת משיגה דיוק מדידה של 0.1% בטווח מהירות של 0.1-15 מ' לשנייה, עם שגיאת חזרה של פחות מ-1%. ממצאים אלה מאמתים את יעילות המתודולוגיה המוצעת ומציעים פתרון מבטיח ליישומי מדידת זרימה תעשייתית ברמת דיוק גבוהה. מחקר עתידי יתמקד בהערכה נוספת של יכולת ההסתגלות של השיטה לתכונות נוזלים משתנות והפרעות חיצוניות כדי לשפר את חוסנה בסביבות בעולם האמיתי.

פרוטוקול

1. עיבוד מתח המושרה על ידי אלקטרודה

1. קח את הכוח האלקטרו-מניע המושרה משני צידי החיישן כאות הכניסה (איור 1A).
   הערה: כרך המקוריtagאות חלש במיוחד ומזוהם קשות על ידי רעש, ומציג יחס אות לרעש נמוך (SNR).
2. הפעילו מגבר דיפרנציאלי פי 10 כדי להגביר את האות (איור 1B).
3. המשך להזין את האות למסנן פס פס פעיל מסדר שני הכולל שלבי סינון מעבירים גבוהים ונמוכים מדורגים. בתחילה, הסר רכיבים בתדר נמוך דרך מסנן המעבר הגבוה, ולאחר מכן נתב את הפלט המסונן באמצעות קבל צימוד לשלב המסנן הנמוך הבא. בשלב זה, דכא רעש שיורי בתדר גבוה, כאשר צורת גל הפלט המתקבלת מודגמת באיור 1C.
4. הגביר את האות המנוטרל באמצעות מגבר הפוך, כפי שמוצג באיור 1D.
5. יישם רווח של -1 באמצעות מגבר הפוך כדי להמיר את אות הקוטביות השלילית לקוטביות חיובית תוך שמירה על המשרעת שלו ללא שינוי.
6. כוונו את אותות חצי-המחזור החיוביים והשליליים (איור 1E) לשני הערוצים של המתג האנלוגי, בהתאמה, והכניסו בו זמנית את שני האותות למשוון.
   1. עבד את שני אותות הפלט שנוצרו על ידי המשוון באמצעות CPLD כדי לזהות את מצב הצינור הפנוי ולקבוע את כיוון זרימת הנוזל.
   2. השתמש ב- CPLD כדי לשלוט בערוצים של המתג האנלוגי, תוך שימוש בגילוי חציית אפס כדי לווסת במדויק את תזמון המיתוג ובכך להציג עיכוב מינימלי בלבד (איור 1F).
7. לאחר שער באמצעות מתג אנלוגי, הזינו את האות לתוך השלב השלישי מגבר האות.
8. החל מסנן מעביר-נמוכים משולב כדי לעבד את האות, ולאחר מכן העביר את האות המעובד (איור 1G) ליחידת המיקרו-בקר (MCU) עבור פעולות חישוביות עוקבות.

2. יישום סכמטי ועקרון עבודה

1. מקם את מגבר האות כפי שמוצג באיור 2 כדי להגביר את האות בפקטור של 10.
2. חבר את האות ampחיים יותר למסנן מעבר הפס.
3. חבר את המגבר המשני לפלט של מסנן מעבר הפס. חוצץ ישירות את אות חצי המחזור החיובי לפלט תוך ניתוב אות חצי המחזור השלילי דרך מהפך לפני כניסתו למתג האנלוגי.
4. הגדר שני משוונים מתחת למתג האנלוגי. שדר את אותות יציאת המשוון ל-CPLD, והשתמש ב-CPLD כדי לשלוט במצבי ההפעלה/כיבוי של המתג האנלוגי בהתבסס על לוגיקה עוקבת.
5. לאחר שעבר סינון משני, הזן את האות המתוקן מיציאת המתג האנלוגי למגבר ההגבר המשתנה.
6. נתב את האות המעובד דרך מסנן מעביר-הנמוכים לערוץ ההמרה אנלוגי-לדיגיטלי (AD) של המעבד.

3. קביעת זרימה קדימה ואחורה

1. כפי שמוצג באיור 3A, שימו לב שמצב הזרימה קדימה מאופיין בקצה הנופל של אות העירור המתאים לאות ההולכה קדימה ברמה נמוכה.
2. שימו לב שדפוס הזרימה ההפוכה המוצג באיור 3B מתבטא בהתאמה זמנית בין הקצה הנופל של אות העירור לבין הפעלת אות ההולכה קדימה ברמה גבוהה.
3. השתמש ב-CPLD כדי להבדיל בין שני דפוסי אותות אופייניים, ובכך להשיג הבחנה מדויקת בין זרימת מים קדימה ואחורה.

4. תיקון ליניאריות

1. החל את שיטת התיקון הליניארי החלקי כדי לתקן את אות הכניסה באמצעות הביטוי המתמטי הבא של פונקציית התיקון:
   
   כאשר y הוא קצב הזרימה המתוקן, f הוא קצב הזרימה שנוצר על ידי המכשיר הסטנדרטי, n הוא מספר המקטעים, k_i הוא מקדם התיקון עבור מרווח ה-i, ו-x_i הוא ערך הגבול העליון של מרווח ה-i.
2. גזור את נוסחת מקדם התיקון המבוססת על שיטת הריבועים הפחותים באמצעות נוסחת שיפוע הרגרסיה הליניארית, תוך שימוש בביטוי המתמטי הבא:
   
   כאשר k הוא מקדם התיקון, n הוא מספר נקודות הנתונים, x_i הוא קצב הזרימה הנמדד על ידי המכשיר הניסיוני, y_i והוא קצב הזרימה שנוצר על ידי המכשיר הסטנדרטי.

תוצאות

כדי להבטיח תנאי ניסוי סטנדרטיים ואמינות התוצאות, הניסוי משתמש במשאבה ההידראולית המוצגת באיור 4 כדי ליצור זרימת מים סטנדרטית יציבה כסביבת הניסוי. ניתן להעריך את זרימת המים הנוצרת על ידי משאבה הידראולית זו כזרם במהירות קבועה בשל מאפייני תפוקת הכוח היציבים שלה, ובכך לעמוד בדרישות הניסוי לאספקת נוזלים אחידה. המכשיר הסטנדרטי המשמש הוא ABB-DN50. אב הטיפוס של המכשיר מתואר באיור 5.

דיון

ישנם יישומים שונים של צורות גל עירור במדי זרימה אלקטרומגנטיים, ביניהם עירור גל מרובע ועירור גל צעד הם שני סוגים נפוצים. עירור גל מרובע מאומץ באופן נרחב בשל פשטותו ביישום¹⁵. עם זאת, שיטה זו נוטה לגרום להשפעות זרם מערבולת במהלך השלב החולף של מיתוג העירור, מה שמשפיע לרעה על יציבות אות המדידה¹⁶. בנוסף, נושא סחיפת נקודת האפס בולט יותר בעירור גלים מרובעים, במיוחד בתרחישי מהירות זרימה נמוכה, מה שמוביל לשגיאות מדידה מוגברות¹⁷.

לעו...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מד זרימה אלקטרומגנטי	ABB	ABB-DN50	כמכשיר סטנדרטי, הוא מושווה למכשיר במאמר זה.
חיישן מד זרימה אלקטרומגנטי	ABB	ABB-DN50	משמש לאיסוף כוח אלקטרו-מניע מושרה .