複雑プログラマブルロジックデバイスによる波形認識による空配管検出機能付き高精度電磁流量計

Summary

この研究では、励起波形の最適化、多段フィルタリングの適用、およびCPLD(Complex Programmable Logic Device)ベースの整流の使用により、電磁流量計の精度を向上させます。新しい波形ベースの空パイプ検出方法により、信頼性が向上します。実験では、0.1〜15 m/s以内で0.1%の精度が示されており、産業への適用性が検証されています。

Abstract

従来の電磁流量計は、本質的に測定中に外部干渉や不均一な速度分布を受けやすく、精度が大幅に制限されていました。本研究では、励起駆動波形の最適化、電極入力の多重フィルタリングと増幅、およびComplex Programmable Logic Deviceを使用して正と負の誘導信号の迅速な切り替えを実現する改良型方法を提案します。これにより、スムーズな整流が可能となり、ソフトウェアフィルタリング技術と組み合わせることで、高精度な性能を実現しています。さらに、励起波形と入力波形パターンを認識することにより、空のパイプ検出が実現されます。

実験的検証により、設計された電磁流量計は、0.1〜15 m/sの流速範囲で0.1%の精度を達成し、システムの再現性誤差は1%未満であることが示されています。この結果は、提案手法の高精度流量測定の有効性を実証するものである。この研究は、産業アプリケーションにとって重要な、最小限の追加コストで高精度の検出を実現できることを示しています。

Introduction

電磁流量計は、ファラデーの電磁誘導の法則に基づいて動作する流量測定器です。従来の機械式流量計と比較して、電磁流量計はさまざまな媒体に優れた適応性を示し、直管セクション¹の要件が低くなります。流体がパイプラインを通過すると、電磁流量計は磁場を発生させ、流体の誘導電圧差を測定して流速²を算出します。電磁流量計は、化学および石油産業^3,4,5のような複雑な環境に特に適しています。しかし、電磁流量計は過酷な環境下で動作するため、外部干渉⁶の影響を受けやすく、精度向上のための検出技術の進歩⁷が求められています。

精度はいくつかの方法で向上させることができます。電極形状の最適化は、精度を効果的に向上させることが示されており⁸、励磁コイルの磁場を最適化することで、磁場の^均一性9を維持しながら流量測定精度を大幅に向上させることができる。さらに、デュアル周波数駆動を使用するなどの駆動波形の改善により、精度¹⁰を効果的に向上させることができます。しかし、これらの手法は、複雑な環境でのダイナミックな変化に対処する際に、適応性が不十分で柔軟性が限られているという問題に直面しています。

複雑な環境下での電磁流量計の性能を向上させるために、この研究では、精度と安定性の向上を目的とした2つの主要な機能強化を実装しています。まず、高次高調波を抑制し、励起波形を最適化するために、多段ステップ波形駆動を実装します。次に、CPLD(Complex Programmable Logic Device)ベースのハードウェアフィルタリング、整流、およびソフトウェアベースのフィルタリング技術を組み合わせることで、信号処理が強化されます。

アナログ・スイッチによって制御されるステップ波形駆動は、従来の方法で一般的に発生する高次高調波を効果的に抑制します。電流ステップ振幅とスイッチングタイミングを調整することで、励起波形を最適化し、電極との干渉を低減します。さらに、多段増幅とバンドパスフィルタリングを受けた後、信号は効果的にノイズ除去され、その強度が向上します。さらに、正と負のハーフサイクル信号を分離して再結合することで、信号の安定性を確保し、測定精度の向上につながります。これら2つの拡張機能の統合により、流量計の精度と干渉防止機能が大幅に向上し、複雑な産業環境での信頼性が向上します。

産業用途では、パイプラインが常に流体で完全に満たされているとは限りません。液面が測定電極を下回ると、電磁流量計は有効な流速を読み取ることができなくなり、空のパイプ検出はシステムの信頼性の重要な側面になります。従来の空パイプ検出方法は、主に導電率の変動に依存していますが、これらは流体の組成と濃度の変化に非常に敏感であり、動的条件下での不安定性につながります。

これらの課題に対処するために、代替の検出戦略が検討されています。電極の静電容量変動に基づく方法が提案されている¹¹が、流体の性質が変化したり、外部干渉が存在すると、その性能は低下する。同様に、干渉振幅変動を利用するアプローチが導入されました¹²。しかし、その閾値ベースの検出メカニズムは、液体の種類に大きく影響されるため、適応性には限界があります。これらの制限は、より堅牢で適応性の高いソリューションの必要性を強調しています。

本研究では、励起波形と信号処理機構の相関を利用して波形特性を解析する、波形ベースの空配管検出法も提案します。この方法は、振幅変動や導電率変動への依存性を排除することにより、検出精度を効果的に向上させます。さらに重要なことは、特に流体特性や外部外乱が頻繁に変化する複雑な産業環境において、安定性と信頼性を向上させることです。

要約すると、この研究は、複雑な環境での精度と安定性を向上させる高精度の電磁流量測定方法を示しています。提案手法は、多段増幅・フィルタリングプロセスと最適化された励起波形、CPLDによる整流を統合し、高次高調波を効果的に抑制し、ノイズ干渉を低減するものです。さらに、ソフトウェアベースのフィルタリング技術が組み込まれているため、信号がさらに精緻化され、測定の安定性が向上し、外部障害の影響が軽減されます。さらに、波形パターン認識に基づく空パイプ検出アプローチが導入され、従来の振幅または導電率ベースの方法と比較して検出信頼性が向上しました。

パイプラインの速度の不均一性は、重大な測定誤差¹³を引き起こす可能性があることは注目に値します。したがって、この研究では、高精度な流れ測定を確保するための前提条件として、均一な速度分布を想定しています。実験結果は、提案されたアプローチが0.1〜15 m/sの速度範囲内で0.1%の測定精度を達成し、再現性誤差が1%未満であることを示しています。これらの知見は、提案された方法論の有効性を検証し、高精度の産業用流量測定アプリケーションのための有望なソリューションを提供します。今後の研究では、さまざまな流体特性や外部擾乱に対するこの手法の適応性をさらに評価し、実世界でのロバスト性を高めることに焦点を当てる予定です。

Protocol

1. 電極誘起電圧の処理

1. センサの両側から誘導された起電力を入力信号として取ります(図1A)。
   注意: 元の電圧信号は非常に弱く、ノイズによってひどく汚染されており、信号対雑音比(SNR)が低くなっています。
2. 10倍差動アンプを印加して信号を増幅します(図1B)。
3. カスケード接続されたハイパス フィルター段とローパス フィルター段で構成されるアクティブな 2 次バンドパス フィルターに信号を送ります。最初に、ハイパスフィルタを介して低周波成分を除去し、次にフィルタリングされた出力をカップリングコンデンサを介して後続のローパスフィルタ段にチャネルします。このフェーズでは、残留高周波ノイズを抑制し、その結果の出力波形を 図1Cに示します。
4. 図1Dに示すように、反転アンプを使用してノイズ除去された信号を増幅します。
5. 反転アンプを介してゲイン -1 を実装し、振幅を変化させずに負極性信号を正極性に変換します。
6. 正と負のハーフサイクル信号(図1E)をそれぞれアナログスイッチの2つのチャンネルに送り、両方の信号をコンパレータに同時に入力します。
   1. コンパレータによって生成された 2 つの出力信号を CPLD を使用して処理し、パイプラインの空孔状態を検出し、流体の流れ方向を決定します。
   2. CPLDを使用してアナログスイッチのチャンネルを制御し、ゼロクロッシング検出を使用してスイッチングタイミングを正確に調整し、遅延を最小限に抑えます(図1F)。
7. アナログスイッチを介してゲートした後、信号を3段目の信号増幅器に供給します。
8. 積分ローパスフィルタを適用して信号を処理し、処理された信号(図1G)をマイクロコントローラユニット(MCU)に送信して、後続の計算操作を行います。

2.実装された概略図と動作原理

1. 図2に示すように信号アンプを配置して、信号を10倍に増幅します。
2. 信号を接続します amplifierバンドパスフィルターに。
3. 二次を接続します ampバンドパスフィルターの出力にamp。正のハーフサイクル信号を出力用に直接バッファリングし、負のハーフサイクル信号をアナログスイッチに入力する前にインバータにルーティングします。
4. アナログスイッチの下に2つのコンパレータを設定します。コンパレータの出力信号をCPLDに送信し、CPLDを使用してシーケンシャルロジックに基づいてアナログスイッチのオン/オフ状態を制御します。
5. 2次フィルタリングを受けた後、アナログスイッチ出力からの整流信号を可変利得アンプに入力します。
6. 処理された信号をローパスフィルタを介してプロセッサのアナログ-デジタル(AD)変換チャネルにルーティングします。

3. 順方向および逆方向の流れの決定

1. 図3Aに示すように、順流モードは、低レベルの順方向伝導信号に対応する励起信号の立ち下がりエッジによって特徴付けられることに注意してください。
2. 図3Bに示す逆流パターンは、励起信号の立ち下がりエッジと高レベルの順伝導信号の活性化との間の時間的対応として現れることを観察します。
3. CPLDを使用して2つの特性信号パターンを区別し、順方向と逆方向の水流を正確に区別します。

4. 直線性補正

1. 区分線形補正法を適用し、次の補正関数の数式を使用して入力信号を補正します。
   
   ここで、yは補正された流量、fは標準機器によって生成された流量、nはセグメント数、k_iはi番目の間隔の補正係数、xiはi番目の間隔の上限値です。
2. 次の数式を使用して、線形回帰勾配式を使用して、最小二乗法に基づく補正係数式を導き出します。
   
   ここで、kは補正係数、 n はデータポイントの数、 x_i は実験装置によって測定された流量、 y_i は標準装置によって生成された流量です。

Results

標準化された実験条件と結果の信頼性を確保するために、 実験では図4 に示す油圧ポンプを使用して、実験環境として安定した標準水流を生成します。この油圧ポンプによって生成される水流は、安定した出力特性により等速流として近似することができ、それにより均一な流体供給の実験要件を満たすことができます。標準搭載機器はABB-DN50です。プロトタイプデバイスを 図5に示します。

繰り返し性試験の結果を 表1に示します。流速測定ポイントごとに、測定システムの再現性を評価するために3回の実験を繰り返しました。その結果、特に低流速から中流速範囲(<0.3 m/s)で高い安定性が示され、システムは複数回の試行で優れた測定精度と再現性を示しました。繰り返し測定の標準偏差と変動係数(CV)を分析し、システムの一貫性をさ...

Discussion

電磁流量計の励起波形にはさまざまな実装があり、その中でも方形波励起とステップ波励起の2つが一般的に使用されるタイプです。方形波励起は、実装が簡単なため、広く採用されています¹⁵。しかし、この方法は、励起スイッチングの過渡フェーズ中に渦電流効果を誘発する傾向があり、測定信号¹⁶の安定性に悪影響を及ぼします。さらに、ゼロ点ドリフトの問題は、矩形波励起、特に低流速シナリオでより顕著になり、測定誤差が増加します¹⁷。

これに対し、ステップ波励起は、磁場の強さを離散的に調整することでこれらの問題を軽減し、矩形波励起に比べてコイル電流の変化率を制限します。その結果、高次高調波を低減し、渦電流損失を軽減し、電磁干渉とエネルギー損失を最小限に抑えます。さらに、高調波成分が低いため、渦電流による測定誤差がさらに抑制されます。連続的な渦電流と持続的なエネルギー損失を誘発する正弦波励起とは異なり、ステップ波励起は渦電流形成を妨害し、矩形波の高周波干渉を回避しなが...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
電磁流量計		ABB ABB-DN50	機器として、この記事の機器と比較します。
電磁流量計センサー	ABB	ABB-DN50	誘導起電力の収集に使用されます。