Uiterst nauwkeurige elektromagnetische flowmeter met detectie van lege leidingen via complexe programmeerbare logische apparaatgebaseerde golfvormherkenning

Summary

Deze studie verbetert de nauwkeurigheid van de elektromagnetische debietmeter door excitatiegolfvormen te optimaliseren, meertraps filtering toe te passen en gebruik te maken van op Complex Programmable Logic Device (CPLD) gebaseerde rectificatie. Een nieuwe, op golfvormen gebaseerde detectiemethode voor lege leidingen verhoogt de betrouwbaarheid. Experimenten tonen een nauwkeurigheid van 0,1% binnen 0,1-15 m/s, wat de industriële toepasbaarheid valideert.

Abstract

Traditionele elektromagnetische flowmeters zijn inherent gevoelig voor externe interferentie en ongelijke snelheidsverdeling tijdens de meting, wat hun nauwkeurigheid ernstig beperkt. In deze studie wordt een verbeterde methode voorgesteld, die de golfvorm van de excitatieaandrijving optimaliseert, meervoudige filtering en versterking van de elektrode-ingang uitvoert en een complex programmeerbaar logisch apparaat gebruikt om snel te schakelen tussen positieve en negatieve inductiesignalen. Dit maakt een soepele rectificatie mogelijk en zorgt in combinatie met softwarematige filtertechnieken voor zeer nauwkeurige prestaties. Bovendien wordt detectie van lege pijpen gerealiseerd door het herkennen van excitatiegolfvorm en invoergolfvormpatronen.

Experimentele verificatie toont aan dat de ontworpen elektromagnetische flowmeter een nauwkeurigheid van 0,1% bereikt binnen een stroomsnelheidsbereik van 0,1-15 m/s, met systeemherhaalbaarheidsfouten van minder dan 1%. De resultaten valideren de effectiviteit van de voorgestelde methode bij zeer nauwkeurige debietmeting. De studie toont aan dat detectie met hoge precisie kan worden bereikt met minimale extra kosten, wat belangrijk is voor industriële toepassingen.

Introduction

Elektromagnetische flowmeters zijn debietmeetinstrumenten die werken op basis van de wet van Faraday van elektromagnetische inductie. Vergeleken met traditionele mechanische debietmeters vertonen elektromagnetische debietmeters een superieur aanpassingsvermogen aan verschillende media en stellen ze lagere eisen aan rechte leidingsecties¹. Wanneer vloeistof door de pijpleiding stroomt, genereert de elektromagnetische flowmeter een magnetisch veld en meet het geïnduceerde spanningsverschil in de vloeistof om de stroomsnelheid² te berekenen. Elektromagnetische debietmeters zijn met name geschikt voor complexe omgevingen zoals die in de chemische en aardolie-industrie ^3,4,5. Vanwege hun werking in ruwe omgevingen wordt de nauwkeurigheid van elektromagnetische flowmeters echter gemakkelijk beïnvloed door externe interferentie⁶, waardoor vooruitgang in detectietechnologieën nodig is om de nauwkeurigheid te verbeteren⁷.

De nauwkeurigheid kan op verschillende manieren worden verbeterd. Het is aangetoond dat het optimaliseren van de elektrodevorm de precisie effectief verbetert⁸, en het optimaliseren van het magnetische veld van de excitatiespoel kan de nauwkeurigheid van de debietmeting aanzienlijk verbeteren met behoud van de uniformiteit van het magnetische veld⁹. Bovendien kunnen verbeteringen in aandrijfgolfvormen, zoals het gebruik van dual-frequency driving, de precisie^{effectief verhogen 10}. Deze methoden hebben echter nog steeds te maken met problemen van onvoldoende aanpassingsvermogen en beperkte flexibiliteit bij het omgaan met dynamische veranderingen in complexe omgevingen.

Om de prestaties van elektromagnetische flowmeters in complexe omgevingen te verbeteren, worden in deze studie twee belangrijke verbeteringen doorgevoerd die gericht zijn op het verbeteren van de nauwkeurigheid en stabiliteit. Eerst wordt een meertraps stapgolfvormaandrijving geïmplementeerd om harmonischen van hoge orde te onderdrukken en excitatiegolfvormen te optimaliseren. Ten tweede wordt de signaalverwerking verbeterd door een combinatie van op Complex Programmable Logic Device (CPLD) gebaseerde hardwarefiltering, rectificatie en softwarematige filtertechnieken.

De stapvormige golfvormaandrijving die door de analoge schakelaar wordt aangestuurd, onderdrukt effectief harmonischen van hoge orde die typisch zijn voor traditionele methoden. Door de stroomstapamplitude en schakeltiming aan te passen, wordt de excitatiegolfvorm geoptimaliseerd, waardoor interferentie met de elektroden wordt verminderd. Bovendien wordt het signaal, na het ondergaan van meertraps versterking en banddoorlaatfiltering, effectief gederuisd en wordt de sterkte ervan verbeterd. Bovendien worden de positieve en negatieve halfcyclussignalen gescheiden en opnieuw gecombineerd om de signaalstabiliteit te garanderen, wat leidt tot een verbeterde meetnauwkeurigheid. De integratie van deze twee verbeteringen verhoogt de precisie en het anti-interferentievermogen van de debietmeter aanzienlijk, waardoor deze betrouwbaarder wordt in complexe industriële omgevingen.

In industriële toepassingen zijn pijpleidingen mogelijk niet altijd volledig gevuld met vloeistof. Als het vloeistofniveau onder de meetelektroden daalt, kan de elektromagnetische flowmeter geen geldige stroomsnelheidsmetingen leveren, waardoor detectie van lege leidingen een cruciaal aspect van de betrouwbaarheid van het systeem is. Traditionele detectiemethoden voor lege leidingen zijn voornamelijk gebaseerd op geleidbaarheidsvariaties, maar deze zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de samenstelling en concentratie van de vloeistof, wat leidt tot instabiliteit onder dynamische omstandigheden.

Om deze uitdagingen aan te gaan, zijn alternatieve detectiestrategieën onderzocht. Er is een methode voorgesteld die gebaseerd is op de variatie van de elektrodecapaciteit¹¹, maar de prestaties verslechteren wanneer de vloeistofeigenschappen veranderen of wanneer externe interferentie aanwezig is. Evenzo is een benadering geïntroduceerd die gebruikmaakt van variaties in interferentieamplitude¹²; Het op drempelwaarden gebaseerde detectiemechanisme wordt echter aanzienlijk beïnvloed door het type vloeistof, waardoor het aanpassingsvermogen wordt beperkt. Deze beperkingen onderstrepen de noodzaak van een robuustere en adaptievere oplossing.

In deze studie wordt ook een op golfvorm gebaseerde detectiemethode voor lege pijpen voorgesteld, waarbij gebruik wordt gemaakt van de correlatie tussen excitatiegolfvormen en signaalverwerkingsmechanismen om golfvormkenmerken te analyseren. Deze methode verbetert de detectienauwkeurigheid effectief door afhankelijkheden van amplitudevariaties of geleidbaarheidsfluctuaties te elimineren. Wat nog belangrijker is, het verbetert de stabiliteit en betrouwbaarheid, met name in complexe industriële omgevingen waar vloeistofeigenschappen en externe verstoringen vaak veranderen.

Samenvattend presenteert deze studie een zeer nauwkeurige elektromagnetische flowmeetmethode die de nauwkeurigheid en stabiliteit in complexe omgevingen verbetert. De voorgestelde methode integreert een meertraps versterkings- en filterproces met een geoptimaliseerde excitatiegolfvorm en op CPLD gebaseerde rectificatie om harmonischen van hoge orde effectief te onderdrukken en ruisinterferentie te verminderen. Bovendien zijn op software gebaseerde filtertechnieken ingebouwd om het signaal verder te verfijnen, waardoor de meetstabiliteit wordt verbeterd en de impact van externe storingen wordt verminderd. Bovendien wordt een detectiebenadering voor lege pijpen geïntroduceerd op basis van golfvormpatroonherkenning, die een verbeterde detectiebetrouwbaarheid biedt in vergelijking met conventionele methoden op basis van amplitude of geleidbaarheid.

Het is vermeldenswaard dat niet-uniformiteit van de snelheid in pijpleidingen aanzienlijke meetfouten kan veroorzaken¹³. Daarom gaat deze studie uit van een uniforme snelheidsverdeling als voorwaarde om een zeer nauwkeurige debietmeting te garanderen. Experimentele resultaten tonen aan dat de voorgestelde aanpak een meetnauwkeurigheid van 0,1% bereikt binnen een snelheidsbereik van 0,1-15 m/s, met een herhaalbaarheidsfout van minder dan 1%. Deze bevindingen valideren de effectiviteit van de voorgestelde methodologie en bieden een veelbelovende oplossing voor toepassingen voor industriële debietmetingen met hoge precisie. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het verder evalueren van het aanpassingsvermogen van de methode aan variërende vloeistofeigenschappen en externe verstoringen om de robuustheid in real-world omgevingen te verbeteren.

Protocol

1. Verwerking van elektrode-geïnduceerde spanning

1. Neem de geïnduceerde elektromotorische kracht van beide zijden van de sensor als ingangssignaal (Afbeelding 1A).
   OPMERKING: Het originele voltage signaal is extreem zwak en ernstig vervuild door ruis, met een lage signaal-ruisverhouding (SNR).
2. Pas een 10x differentiële versterker toe om het signaal te versterken (Figuur 1B).
3. Ga verder met het invoeren van het signaal in een actief banddoorlaatfilter van de tweede orde, bestaande uit gecascadeerde hoogdoorlaat- en laagdoorlaatfiltertrappen. Verwijder eerst laagfrequente componenten door het hoogdoorlaatfilter en kanaliseer vervolgens de gefilterde uitgang via een koppelingscondensator naar de volgende laagdoorlaatfiltertrap. Onderdruk in deze fase resterende hoogfrequente ruis, waarbij de resulterende uitgangsgolfvorm wordt geïllustreerd in figuur 1C.
4. Versterk het ruisvrije signaal met behulp van een inverterende versterker, zoals geïllustreerd in afbeelding 1D.
5. Implementeer een versterking van -1 via een inverterende versterker om het signaal met negatieve polariteit om te zetten in positieve polariteit terwijl de amplitude ongewijzigd blijft.
6. Richt de positieve en negatieve halfcyclussignalen (Figuur 1E) respectievelijk op de twee kanalen van de analoge schakelaar en voer beide signalen tegelijkertijd in de comparator in.
   1. Verwerk de twee uitgangssignalen die door de comparator worden gegenereerd met behulp van een CPLD om de leegstand van de pijpleiding te detecteren en de richting van de vloeistofstroom te bepalen.
   2. Gebruik CPLD om de kanalen van de analoge schakelaar te besturen, waarbij zero-crossing-detectie wordt gebruikt om de schakeltiming nauwkeurig te regelen en daardoor slechts een minimale vertraging te introduceren (Afbeelding 1F).
7. Na gating via een analoge schakelaar, voert u het signaal in de signaalversterker van de derde trap.
8. Pas een integrerend laagdoorlaatfilter toe om het signaal te verwerken en verzend vervolgens het verwerkte signaal (Afbeelding 1G) naar de microcontrollereenheid (MCU) voor daaropvolgende rekenbewerkingen.

2. Geïmplementeerd schema en werkingsprincipe

1. Plaats de signaalversterker zoals geïllustreerd in afbeelding 2 om het signaal met een factor 10 te versterken.
2. Sluit de signaalversterker aan op het banddoorlaatfilter.
3. Sluit de secundaire versterker aan op de uitgang van het banddoorlaatfilter. Buffer het positieve halfcyclussignaal direct voor uitvoer terwijl u het negatieve halfcyclussignaal door een omvormer leidt voordat het in de analoge schakelaar wordt ingevoerd.
4. Configureer twee comparators onder de analoge schakelaar. Verzend de uitgangssignalen van de comparator naar de CPLD en gebruik de CPLD om de aan/uit-toestanden van de analoge schakelaar te regelen op basis van sequentiële logica.
5. Nadat u secundaire filtering hebt ondergaan, voert u het gelijkgerichte signaal van de analoge schakeluitgang in de versterker met variabele versterking in.
6. Leid het verwerkte signaal door het laagdoorlaatfilter naar het analoog-naar-digitaal (AD) conversiekanaal van de processor.

3. Bepaling van de voorwaartse en achterwaartse stroming

1. Zoals geïllustreerd in figuur 3A, moet u opmerken dat de voorwaartse stroommodus wordt gekenmerkt door de dalende flank van het excitatiesignaal die overeenkomt met het voorwaartse geleidingssignaal op laag niveau.
2. Merk op dat het omgekeerde stromingspatroon dat in figuur 3B wordt geïllustreerd, zich manifesteert als een tijdelijke overeenkomst tussen de dalende flank van het excitatiesignaal en de activering van het voorwaartse geleidingssignaal op hoog niveau.
3. Gebruik een CPLD om twee karakteristieke signaalpatronen te onderscheiden, waardoor een nauwkeurig onderscheid wordt gemaakt tussen voorwaartse en achterwaartse waterstroom.

4. Lineariteit correctie

1. Pas de stuksgewijze lineaire correctiemethode toe om het ingangssignaal te corrigeren met behulp van de volgende wiskundige uitdrukking van de correctiefunctie:
   
   Waarbij y het gecorrigeerde debiet is, f het debiet dat door het standaardinstrument wordt gegenereerd, n het aantal segmenten, k_i de correctiecoëfficiënt voor het i-de interval en x_i de bovengrenswaarde van het i-de interval.
2. Leid de formule voor de correctiecoëfficiënt af op basis van de kleinste-kwadratenmethode met behulp van de formule voor de lineaire regressiehelling, met behulp van de volgende wiskundige uitdrukking:
   
   Waarbij k de correctiecoëfficiënt is, n het aantal datapunten, x_i het debiet gemeten door het experimentele instrument, y_i en het debiet dat door het standaardinstrument wordt gegenereerd.

Results

Om gestandaardiseerde experimentele omstandigheden en de betrouwbaarheid van de resultaten te garanderen, maakt het experiment gebruik van de hydraulische pomp die in figuur 4 wordt getoond om een stabiele standaard waterstroom te genereren als de experimentele omgeving. De waterstroom die door deze hydraulische pomp wordt gegenereerd, kan worden benaderd als een stroom met constante snelheid vanwege de stabiele vermogenskara...

Discussion

Er zijn verschillende implementaties van excitatiegolfvormen in elektromagnetische flowmeters, waaronder blokgolfexcitatie en stapgolfexcitatie twee veelgebruikte typen zijn. Blokgolfexcitatie wordt op grote schaal toegepast vanwege de eenvoud in implementatie¹⁵. Deze methode is echter gevoelig voor het induceren van wervelstroomeffecten tijdens de voorbijgaande fase van excitatieschakeling, wat een negatieve invloed heeft op de stabiliteit van het meetsignaal

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Elektromagnetische flowmeter	ABB	ABB-DN50	Als standaardinstrument wordt het vergeleken met het instrument in dit artikel.
Elektromagnetische flowmeter sensor	ABB	ABB-DN50	Gebruikt voor het verzamelen van geïnduceerde elektromotorische kracht.