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....

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....

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。