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 코....

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(....

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.