High-precision Electromagnetic Flowmeter with Empty Pipe via Complex Programmable Logic Device 기반 파형 인식을 통한 빈 파이프 감지

Summary

이 연구는 여기 파형을 최적화하고, 다단계 필터링을 적용하고, CPLD(Complex Programmable Logic Device) 기반 정류를 사용하여 전자기 유량계 정확도를 향상시킵니다. 새로운 파형 기반 빈 파이프 감지 방법은 신뢰성을 향상시킵니다. 실험은 0.1-15m/s 내에서 0.1%의 정확도를 보여 산업적 적용 가능성을 검증했습니다.

Abstract

기존의 전자식 유량계는 본질적으로 측정 중 외부 간섭과 불균일한 속도 분포에 취약하여 정확도가 심각하게 제한됩니다. 이 연구에서는 여기 구동 파형을 최적화하고, 전극 입력의 다중 필터링 및 증폭을 수행하고, 복합 프로그래밍 가능 논리 장치를 사용하여 양과 음의 유도 신호 간의 빠른 전환을 달성하는 개선된 방법을 제안합니다. 이를 통해 원활한 정류가 가능하며 소프트웨어 필터링 기술과 결합하여 매우 정밀한 성능을 얻을 수 있습니다. 또한 여기 파형 및 입력 파형 패턴을 인식하여 빈 파이프 감지를 실현합니다.

실험적 검증에 따르면 설계된 전자식 유량계는 0.1-15m/s의 유속 범위 내에서 0.1%의 정확도를 달성하며 시스템 반복성 오류는 1% 미만입니다. 그 결과 고정밀 유량 측정에서 제안된 방법의 효과를 검증할 수 있습니다. 이 연구는 최소한의 추가 비용으로 고정밀 감지를 달성할 수 있음을 보여주며, 이는 산업 응용 분야에 중요합니다.

Introduction

전자식 유량계는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 작동하는 유량 측정 기기입니다. 기존의 기계식 유량계와 비교하여 전자식 유량계는 다양한 매체에 대한 적응력이 우수하고 직선 파이프 섹션에 대한 요구 사항이 낮습니다¹. 유체가 파이프라인을 통과할 때 전자기 유량계는 자기장을 생성하고 유체의 유도 전압 차이를 측정하여 유속²를 계산합니다. 전자기 유량계는 화학 및 석유 산업과 같은 복잡한 환경에 특히 적합합니다 ^3,4,5. 그러나 열악한 환경에서의 작동으로 인해 전자식 유량계의 정확도는 외부 간섭⁶의 영향을 쉽게 받으므로 정확도를 향상시키기 위해 감지 기술의 발전이 필요합니다⁷.

정확도는 여러 가지 방법으로 향상시킬 수 있습니다. 전극 모양을 최적화^{하면 정밀도가} 효과적으로 향상되는 것으로 나타났으며8 여기 코일의 자기장을 최적화하면 자기장 균일성⁹을 유지하면서 유량 측정 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 이중 주파수 구동을 사용하는 것과 같은 구동 파형의 개선은 정밀도¹⁰을 효과적으로 높일 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 복잡한 환경에서 동적 변화를 처리할 때 적응성이 부족하고 유연성이 제한되는 문제에 여전히 직면해 있습니다.

복잡한 환경에서 전자식 유량계의 성능을 향상시키기 위해 이 연구는 정확도와 안정성 향상을 목표로 하는 두 가지 주요 개선 사항을 구현합니다. 먼저, 다단계 스텝 파형 구동을 구현하여 고차 고조파를 억제하고 여기 파형을 최적화합니다. 둘째, CPLD(Complex Programmable Logic Device) 기반 하드웨어 필터링, 정류 및 소프트웨어 기반 필터링 기술의 조합을 통해 신호 처리가 향상됩니다.

아날로그 스위치에 의해 제어되는 스텝 파형 드라이브는 기존 방법에서 일반적으로 발생하는 고차 고조파를 효과적으로 억제합니다. 전류 스텝 진폭과 스위칭 타이밍을 조정함으로써 여기 파형이 최적화되어 전극과의 간섭을 줄입니다. 또한 다단계 증폭 및 대역 통과 필터링을 거친 후 신호의 노이즈가 효과적으로 제거되고 강도가 향상됩니다. 또한 포지티브 및 네거티브 반주기 신호가 분리 및 재결합되어 신호 안정성을 보장하므로 측정 정확도가 향상됩니다. 이 두 가지 개선 사항의 통합으로 유량계의 정밀도 및 간섭 방지 기능이 크게 향상되어 복잡한 산업 환경에서 보다 신뢰할 수 있습니다.

산업 응용 분야에서는 파이프라인이 항상 유체로 완전히 채워져 있지 않을 수 있습니다. 유체 레벨이 측정 전극 아래로 떨어지면 전자기 유량계가 유효한 유속 판독값을 제공할 수 없으므로 빈 파이프 감지가 시스템 신뢰성의 중요한 측면이 됩니다. 기존의 빈 파이프 감지 방법은 주로 전도도 변화에 의존하지만, 이러한 변화는 유체 조성 및 농도의 변화에 매우 민감하여 동적 조건에서 불안정성을 초래합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 대체 탐지 전략이 모색되었습니다. 전극 커패시턴스 변동에 기초한 방법이 제안되었지만¹¹ 유체 특성이 변하거나 외부 간섭이 존재할 때 성능이 저하됩니다. 유사하게, 간섭 진폭 변화를 활용하는 접근법이 도입되었습니다¹²; 그러나 임계값 기반 감지 메커니즘은 액체의 유형에 의해 상당한 영향을 받아 적응성을 제한합니다. 이러한 제한 사항은 보다 강력하고 적응력이 뛰어난 솔루션의 필요성을 강조합니다.

본 연구에서는 여기 파형과 신호 처리 메커니즘 간의 상관 관계를 활용하여 파형 특성을 분석하는 파형 기반 빈 파이프 감지 방법도 제안합니다. 이 방법은 진폭 변화 또는 전도도 변동에 대한 종속성을 제거하여 검출 정확도를 효과적으로 향상시킵니다. 더 중요한 것은 특히 유체 특성과 외부 교란이 자주 변하는 복잡한 산업 환경에서 안정성과 신뢰성을 향상시킨다는 것입니다.

요약하면, 본 연구는 복잡한 환경에서 정확성과 안정성을 향상시키는 고정밀 전자기 유량 측정 방법을 제시합니다. 제안된 방법은 다단계 증폭 및 필터링 프로세스를 최적화된 여기 파형 및 CPLD 기반 정류와 통합하여 고차 고조파를 효과적으로 억제하고 잡음 간섭을 줄입니다. 또한 소프트웨어 기반 필터링 기술이 통합되어 신호를 더욱 정교하게 만들어 측정 안정성을 높이고 외부 방해의 영향을 줄입니다. 또한 파형 패턴 인식을 기반으로 하는 빈 파이프 감지 접근 방식이 도입되어 기존의 진폭 또는 전도도 기반 방법에 비해 향상된 감지 신뢰성을 제공합니다.

파이프라인의 속도 불균일성은 심각한 측정 오류를 유발할 수 있다는 점에 주목할 가치가 있습니다¹³. 따라서 이 연구는 고정밀 유량 측정을 보장하기 위한 전제 조건으로 균일한 속도 분포를 가정합니다. 실험 결과는 제안된 접근 방식이 0.1-15m/s의 속도 범위 내에서 0.1%의 측정 정확도를 달성하고 반복성 오차는 1% 미만임을 보여줍니다. 이러한 결과는 제안된 방법론의 효과를 검증하고 고정밀 산업용 유량 측정 응용 분야를 위한 유망한 솔루션을 제공합니다. 향후 연구는 실제 환경에서 견고성을 향상시키기 위해 다양한 유체 특성 및 외부 교란에 대한 방법의 적응성을 추가로 평가하는 데 중점을 둘 것입니다.

Protocol

1. 전극 유도 전압 처리

1. 센서의 양쪽에서 유도 기전력을 입력 신호로 사용합니다(그림 1A).
   알림: 원래 볼륨tage 신호는 매우 약하고 노이즈로 심하게 오염되어 신호 대 잡음비(SNR)가 낮습니다.
2. 10x 차동 증폭기를 적용하여 신호를 증폭합니다(그림 1B).
3. 계속해서 캐스케이드된 고역 통과 필터 단계와 저역 통과 필터 단계로 구성된 활성 2차 대역통과 필터에 신호를 공급합니다. 처음에는 고역 통과 필터를 통해 저주파 부품을 제거한 다음 커플링 커패시터를 통해 필터링된 출력을 후속 저역 통과 필터 단계로 채널링합니다. 이 단계에서 잔류 고주파 잡음을 억제하며, 결과 출력 파형은 그림 1C에 나와 있습니다.
4. 그림 1D와 같이 반전 증폭기를 사용하여 잡음이 제거된 신호를 증폭합니다.
5. 반전 증폭기를 통해 -1의 이득을 구현하여 진폭을 변경하지 않고 유지하면서 음극 신호를 양의 극성으로 변환합니다.
6. 포지티브 및 네거티브 반주기 신호(그림 1E)를 각각 아날로그 스위치의 두 채널로 보내고 두 신호를 동시에 비교기에 입력합니다.
   1. CPLD를 사용하여 비교기에서 생성된 두 개의 출력 신호를 처리하여 파이프라인 빈 상태를 감지하고 유체 흐름 방향을 결정합니다.
   2. CPLD를 사용하여 아날로그 스위치의 채널을 제어하고, 제로 크로싱 감지를 사용하여 스위칭 타이밍을 정밀하게 조절함으로써 최소한의 지연만 도입합니다(그림 1F).
7. 아날로그 스위치를 통해 게이팅한 후 신호를 3단계 신호 증폭기에 공급합니다.
8. 통합 저역 통과 필터를 적용하여 신호를 처리한 다음, 처리된 신호(그림 1G)를 후속 계산 작업을 위해 MCU(마이크로 컨트롤러 장치)로 전송합니다.

2. 구현된 회로도와 작동 원리

1. 그림 2와 같이 신호 증폭기를 배치하여 신호를 10배로 증폭합니다.
2. 신호 연결 ampliifier를 대역 통과 필터에 연결합니다.
3. 보조 연결 ampliifier를 대역 통과 필터의 출력에 연결합니다. 포지티브 반주기 신호를 출력을 위해 직접 버퍼링하는 동시에 음의 반주기 신호를 아날로그 스위치에 입력하기 전에 인버터를 통해 라우팅합니다.
4. 아날로그 스위치 아래에 두 개의 비교기를 구성합니다. 비교기 출력 신호를 CPLD로 전송하고 CPLD를 활용하여 순차 로직을 기반으로 아날로그 스위치의 on/off 상태를 제어합니다.
5. 2차 필터링을 거친 후 아날로그 스위치 출력의 정류된 신호를 가변 이득 증폭기에 입력합니다.
6. 처리된 신호를 저역 통과 필터를 통해 프로세서의 아날로그-디지털(AD) 변환 채널로 라우팅합니다.

3. 정방향 및 역방향 흐름 결정

1. 그림 3A에서 볼 수 있듯이, 순방향 흐름 모드는 낮은 레벨의 순방향 전도 신호에 해당하는 여기 신호의 하강 에지가 특징임을 관찰할 수 있습니다.
2. 그림 3B에 표시된 역류 패턴이 여기 신호의 하강 에지와 높은 수준의 순방향 전도 신호의 활성화 사이의 시간적 대응으로 나타나는 것을 관찰하십시오.
3. CPLD를 사용하여 두 가지 특징적인 신호 패턴을 구별함으로써 정방향과 역방향 물의 흐름을 정확하게 구별할 수 있습니다.

4. 선형성 보정

1. 조각별 선형 보정법(piecewise linear correction method)을 적용하여 보정 함수의 다음과 같은 수학적 표현을 사용하여 입력 신호를 정류합니다.
   
   여기서, y는 보정된 유량, f는 표준 기기에 의해 생성된 유량, n은 세그먼트 수, kI는 i번째 간격에 대한 보정 계수, xi는 i번째 간격의 상한 값입니다.
2. 다음 수학 표현식을 사용하여 선형 회귀 기울기 공식을 사용하여 최소 제곱법을 기반으로 하는 보정 계수 공식을 도출합니다.
   
   여기서 k는 보정 계수, n은 데이터 포인트의 수, xi는 실험 장비에서 측정한 유량, y_i는 표준 장비에서 생성된 유량입니다.

Results

표준화된 실험 조건과 결과의 신뢰성을 보장하기 위해 실험은 그림 4 에 표시된 유압 펌프를 사용하여 실험 환경으로 안정적인 표준 물 흐름을 생성합니다. 이 유압 펌프에 의해 생성된 물의 흐름은 안정적인 동력 출력 특성으로 인해 등속 흐름으로 근사화될 수 있으므로 균일한 유체 전달에 대한 실험 요구 사항을 충족합니다. 사용되는 표준 기기는 ABB-DN50입니다. 프로토타입 장치는 그림 5에 나와 있습니다.

반복성 테스트 결과는 표 1에 자세히 설명되어 있습니다. 각 유속 측정 지점에 대해 측정 시스템의 반복성을 평가하기 위해 세 번의 반복 실험이 수행되었습니다. 그 결과, 특히 중저속 범위(<0.3m/s)에서 높은 수준의 안...

Discussion

전자기 유량계에는 여기 파형의 다양한 구현이 있으며, 그 중 구형파 여기와 스텝 파 여기는 일반적으로 사용되는 두 가지 유형입니다. 구형파 여기(Square wave excitation)는 구현의 단순성으로 인해 널리 채택되고 있다¹⁵. 그러나 이 방법은 여기 스위칭의 과도 위상 동안 와전류 효과를 유발하는 경향이 있으며, 이는 측정 신호⁽¹⁶)의 안정성에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한, 영점 드리프트 문제는 구형파 여기(square wave excitation), 특히 저유속 시나리오에서 더 두드러지며, 이로 인해 측정 오류가 증가합니다¹⁷.

대조적으로, 단계파 여기는 개별 단계에서 자기장 강도를 조정하여 이러한 문제를 완화하며, 이는 구형파 여기에 비해 코일 전류 변화 속도를 제한합니다. 결과적으로 고차 고조파를 줄이고, 와전류 손실을 완화하며, ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
전자기 유량계	ABB	ABB-DN50	표준 기기로서 이 기사의 기기와 비교합니다.
전자기 유량계 센서	ABB	ABB-DN50	유도 기전력을 수집하는 데 사용됩니다.