Misuratore di portata elettromagnetico ad alta precisione con rilevamento di tubi vuoti tramite logica programmabile complessa Riconoscimento della forma d'onda basato su dispositivi

Summary

Questo studio migliora l'accuratezza del flussimetro elettromagnetico ottimizzando le forme d'onda di eccitazione, applicando il filtraggio multistadio e utilizzando il raddrizzamento basato su CPLD (Complex Programmable Logic Device). Un nuovo metodo di rilevamento dei tubi vuoti basato su forme d'onda migliora l'affidabilità. Gli esperimenti mostrano un'accuratezza dello 0,1% entro 0,1-15 m/s, convalidando l'applicabilità industriale.

Abstract

I misuratori di portata elettromagnetici tradizionali sono intrinsecamente soggetti a interferenze esterne e a una distribuzione irregolare della velocità durante la misurazione, il che ne limita fortemente l'accuratezza. In questo studio, viene proposto un metodo migliorato, che ottimizza la forma d'onda dell'unità di eccitazione, esegue il filtraggio e l'amplificazione multipli dell'ingresso dell'elettrodo e utilizza un dispositivo logico programmabile complesso per ottenere una rapida commutazione tra segnali di induzione positivi e negativi. Ciò consente una rettifica fluida e, in combinazione con tecniche di filtraggio software, consente di ottenere prestazioni estremamente precise. Inoltre, il rilevamento di tubi vuoti si realizza riconoscendo la forma d'onda di eccitazione e i modelli di forma d'onda di input.

La verifica sperimentale mostra che il misuratore di portata elettromagnetico progettato raggiunge una precisione dello 0,1% in un intervallo di velocità del flusso compreso tra 0,1 e 15 m/s, con errori di ripetibilità del sistema inferiori all'1%. I risultati convalidano l'efficacia del metodo proposto nella misurazione della portata ad alta precisione. Lo studio dimostra che il rilevamento ad alta precisione può essere ottenuto con un costo aggiuntivo minimo, il che è importante per le applicazioni industriali.

Introduction

I misuratori di portata elettromagnetici sono strumenti di misura della portata che funzionano in base alla legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. Rispetto ai tradizionali misuratori di portata meccanici, i misuratori di portata elettromagnetici presentano un'adattabilità superiore a vari fluidi e hanno requisiti inferiori per sezioni di tubo diritte¹. Quando il fluido passa attraverso la tubazione, il flussimetro elettromagnetico genera un campo magnetico e misura la differenza di tensione indotta nel fluido per calcolare la velocità del flusso². I misuratori di portata elettromagnetici sono particolarmente adatti per ambienti complessi come quelli dell'industria chimica e petrolifera ^3,4,5. Tuttavia, a causa del loro funzionamento in ambienti difficili, l'accuratezza dei misuratori di portata elettromagnetici è facilmente influenzata da interferenze esterne⁶, richiedendo progressi nelle tecnologie di rilevamento per migliorare l'accuratezza⁷.

La precisione può essere migliorata in diversi modi. È stato dimostrato che l'ottimizzazione della forma dell'elettrodo migliora efficacemente la precisione⁸ e l'ottimizzazione del campo magnetico della bobina di eccitazione può migliorare significativamente l'accuratezza della misurazione del flusso mantenendo l'uniformità del campo magnetico⁹. Inoltre, i miglioramenti nelle forme d'onda dell'unità, come l'utilizzo del pilotaggio a doppia frequenza, possono aumentare efficacemente la precisione¹⁰. Tuttavia, questi metodi devono ancora affrontare problemi di insufficiente adattabilità e flessibilità limitata quando si tratta di cambiamenti dinamici in ambienti complessi.

Per migliorare le prestazioni dei misuratori di portata elettromagnetici in ambienti complessi, questo studio implementa due miglioramenti chiave volti a migliorare l'accuratezza e la stabilità. Innanzitutto, viene implementato un azionamento della forma d'onda a gradini a più stadi per sopprimere le armoniche di ordine elevato e ottimizzare le forme d'onda di eccitazione. In secondo luogo, l'elaborazione del segnale è migliorata attraverso una combinazione di tecniche di filtraggio, rettifica e filtraggio basate su software basate su CPLD (Complex Programmable Logic Device).

L'azionamento della forma d'onda a gradini controllato dall'interruttore analogico sopprime efficacemente le armoniche di ordine superiore che si verificano tipicamente nei metodi tradizionali. Regolando l'ampiezza del passo di corrente e la temporizzazione di commutazione, la forma d'onda di eccitazione viene ottimizzata, riducendo l'interferenza con gli elettrodi. Inoltre, dopo essere stato sottoposto a amplificazione multistadio e filtraggio passa-banda, il segnale viene efficacemente denoizzato e la sua potenza viene migliorata. Inoltre, i segnali positivi e negativi a semiciclo vengono separati e ricombinati per garantire la stabilità del segnale, con conseguente miglioramento della precisione della misurazione. L'integrazione di questi due miglioramenti aumenta significativamente la precisione e la capacità anti-interferenza del misuratore di portata, rendendolo più affidabile in ambienti industriali complessi.

Nelle applicazioni industriali, le tubazioni potrebbero non essere sempre completamente riempite di fluido. Se il livello del fluido scende al di sotto degli elettrodi di misura, il flussimetro elettromagnetico non è in grado di fornire letture valide della velocità del flusso, rendendo il rilevamento di tubi vuoti un aspetto critico dell'affidabilità del sistema. I metodi tradizionali di rilevamento dei tubi vuoti si basano principalmente sulle variazioni di conducibilità, ma queste sono altamente suscettibili alle variazioni di composizione e concentrazione del fluido, portando all'instabilità in condizioni dinamiche.

Per affrontare queste sfide, sono state esplorate strategie di rilevamento alternative. È stato proposto un metodo basato sulla variazione della capacità dell'elettrodo¹¹, ma le sue prestazioni si deteriorano quando le proprietà del fluido cambiano o quando è presente un'interferenza esterna. Allo stesso modo, è stato introdotto un approccio che utilizza le variazioni di ampiezza dell'interferenza¹²; Tuttavia, il suo meccanismo di rilevamento basato su soglie è significativamente influenzato dal tipo di liquido, limitandone l'adattabilità. Queste limitazioni sottolineano la necessità di una soluzione più robusta e adattiva.

In questo studio, viene proposto anche un metodo di rilevamento di tubi vuoti basato su forme d'onda, sfruttando la correlazione tra le forme d'onda di eccitazione e i meccanismi di elaborazione del segnale per analizzare le caratteristiche della forma d'onda. Questo metodo migliora efficacemente l'accuratezza del rilevamento eliminando le dipendenze dalle variazioni di ampiezza o dalle fluttuazioni di conducibilità. Ancora più importante, migliora la stabilità e l'affidabilità, in particolare in ambienti industriali complessi in cui le proprietà dei fluidi e i disturbi esterni cambiano frequentemente.

In sintesi, questo studio presenta un metodo di misurazione del flusso elettromagnetico ad alta precisione che migliora l'accuratezza e la stabilità in ambienti complessi. Il metodo proposto integra un processo di amplificazione e filtraggio multistadio con una forma d'onda di eccitazione ottimizzata e un raddrizzamento basato su CPLD per sopprimere efficacemente le armoniche di ordine elevato e ridurre le interferenze di rumore. Inoltre, sono incorporate tecniche di filtraggio basate su software per perfezionare ulteriormente il segnale, migliorando la stabilità della misura e riducendo l'impatto dei disturbi esterni. Inoltre, viene introdotto un approccio di rilevamento di tubi vuoti basato sul riconoscimento del modello di forma d'onda, che fornisce una maggiore affidabilità di rilevamento rispetto ai metodi convenzionali basati su ampiezza o conducibilità.

Vale la pena notare che la non uniformità della velocità nelle tubazioni può introdurre errori di misurazione significativi¹³. Pertanto, questo studio presuppone una distribuzione uniforme della velocità come prerequisito per garantire una misurazione del flusso ad alta precisione. I risultati sperimentali dimostrano che l'approccio proposto raggiunge un'accuratezza di misura dello 0,1% in un intervallo di velocità compreso tra 0,1 e 15 m/s, con un errore di ripetibilità inferiore all'1%. Questi risultati convalidano l'efficacia della metodologia proposta e offrono una soluzione promettente per applicazioni di misurazione del flusso industriale ad alta precisione. La ricerca futura si concentrerà sull'ulteriore valutazione dell'adattabilità del metodo alle variazioni delle proprietà dei fluidi e ai disturbi esterni per migliorarne la robustezza in ambienti reali.

Protocol

1. Elaborazione della tensione indotta da elettrodi

1. Prendere la forza elettromotrice indotta da entrambi i lati del sensore come segnale di ingresso (Figura 1A).
   NOTA: Il segnale di tensione originale è estremamente debole e gravemente contaminato dal rumore, con un basso rapporto segnale/rumore (SNR).
2. Applicare un amplificatore differenziale 10x per amplificare il segnale (Figura 1B).
3. Procedere con l'immissione del segnale in un filtro passa-banda attivo del secondo ordine comprendente stadi di filtro passa-alto e passa-basso in cascata. Inizialmente, rimuovere i componenti a bassa frequenza attraverso il filtro passa-alto, quindi incanalare l'uscita filtrata tramite un condensatore di accoppiamento al successivo stadio del filtro passa-basso. A questo punto, sopprimere il rumore residuo ad alta frequenza, con la forma d'onda di uscita risultante illustrata nella Figura 1C.
4. Amplificare il segnale denoised utilizzando un amplificatore invertente, come illustrato nella Figura 1D.
5. Implementa un guadagno di -1 attraverso un amplificatore invertente per convertire il segnale di polarità negativa in polarità positiva preservandone l'ampiezza invariata.
6. Dirigere i segnali di semiciclo positivo e negativo (Figura 1E) rispettivamente ai due canali dell'interruttore analogico e immettere contemporaneamente entrambi i segnali nel comparatore.
   1. Elabora i due segnali di uscita generati dal comparatore utilizzando un CPLD per rilevare lo stato di svuotamento della tubazione e determinare la direzione del flusso del fluido.
   2. Utilizzare CPLD per controllare i canali dell'interruttore analogico, impiegando il rilevamento del passaggio per lo zero per regolare con precisione la temporizzazione di commutazione e quindi introdurre solo un ritardo minimo (Figura 1F).
7. Dopo il gating tramite un interruttore analogico, inviare il segnale all'amplificatore di segnale del terzo stadio.
8. Applicare un filtro passa-basso integrato per elaborare il segnale, quindi trasmettere il segnale elaborato (Figura 1G) all'unità microcontroller (MCU) per le successive operazioni computazionali.

2. Schema implementato e principio di funzionamento

1. Posizionare l'amplificatore di segnale come illustrato nella Figura 2 per amplificare il segnale di un fattore 10.
2. Collegare il segnale amplifier al filtro passa-banda.
3. Collegare l'amplificatore secondario all'uscita del filtro passa-banda. Bufferizza direttamente il segnale positivo di semiciclo per l'uscita mentre instrada il segnale negativo di semiciclo attraverso un inverter prima del suo ingresso nell'interruttore analogico.
4. Configurare due comparatori sotto l'interruttore analogico. Trasmetti i segnali di uscita del comparatore al CPLD e utilizza il CPLD per controllare gli stati di accensione/spegnimento dell'interruttore analogico in base alla logica sequenziale.
5. Dopo essere stato sottoposto a filtraggio secondario, immettere il segnale rettificato dall'uscita dell'interruttore analogico nell'amplificatore a guadagno variabile.
6. Instradare il segnale elaborato attraverso il filtro passa-basso nel canale di conversione analogico-digitale (AD) del processore.

3. Determinazione del flusso in avanti e all'indietro

1. Come illustrato nella Figura 3A, si noti che la modalità di flusso diretto è caratterizzata dal fronte di discesa del segnale di eccitazione corrispondente al segnale di conduzione diretta di basso livello.
2. Si osservi che il modello di flusso inverso illustrato nella Figura 3B si manifesta come una corrispondenza temporale tra il fronte di discesa del segnale di eccitazione e l'attivazione del segnale di conduzione diretta di alto livello.
3. Utilizzare un CPLD per differenziare due modelli di segnale caratteristici, ottenendo così una discriminazione precisa tra flusso d'acqua diretto e inverso.

4. Correzione della linearità

1. Applicare il metodo di correzione lineare a tratti per rettificare il segnale di ingresso utilizzando la seguente espressione matematica della funzione di correzione:
   
   Dove y è la portata corretta, f è la portata generata dallo strumento standard, n è il numero di segmenti, k_i è il coefficiente di correzione per l'intervallo i-esimo e x_i è il valore limite superiore dell'intervallo i-esimo.
2. Ricavare la formula del coefficiente di correzione in base al metodo dei minimi quadrati utilizzando la formula della pendenza della regressione lineare, utilizzando la seguente espressione matematica:
   
   Dove k è il coefficiente di correzione, n è il numero di punti dati, x_i è la portata misurata dallo strumento sperimentale, y_i e è la portata generata dallo strumento standard.

Results

Per garantire condizioni sperimentali standardizzate e l'affidabilità dei risultati, l'esperimento utilizza la pompa idraulica mostrata nella Figura 4 per generare un flusso d'acqua standard stabile come ambiente sperimentale. Il flusso d'acqua generato da questa pompa idraulica può essere approssimato come un flusso a velocità costante grazie alle sue caratteristiche di potenza stabili, soddisfacendo così i requisiti sperimentali per un'erogazione uniforme d...

Discussion

Esistono varie implementazioni delle forme d'onda di eccitazione nei misuratori di portata elettromagnetici, tra cui l'eccitazione a onda quadra e l'eccitazione a onde a gradini sono due tipi comunemente usati. L'eccitazione a onda quadra è ampiamente adottata grazie alla sua semplicità di implementazione¹⁵. Tuttavia, questo metodo è incline a indurre effetti di correnti parassite durante la fase transitoria della commutazione dell'eccitazione, il che influisce negativamente sulla stabilità del se...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Misuratore di portata elettromagnetico	ABB	ABB-DN50	Come strumento standard, viene confrontato con lo strumento in questo articolo.
Sensore di portata elettromagnetico	ABB	ABB-DN50	Utilizzato per la raccolta della forza elettromotrice indotta.