Precyzyjny przepływomierz elektromagnetyczny z wykrywaniem pustej rury za pomocą złożonego programowalnego systemu rozpoznawania przebiegów opartego na urządzeniach logicznych

Podsumowanie

To badanie poprawia dokładność przepływomierza elektromagnetycznego poprzez optymalizację przebiegów wzbudzenia, zastosowanie wielostopniowego filtrowania i użycie prostowania opartego na Complex Programmable Logic Device (CPLD). Nowatorska metoda wykrywania pustych rur oparta na kształcie fal zwiększa niezawodność. Eksperymenty wykazały dokładność 0,1% w zakresie 0,1-15 m/s, co potwierdza możliwość zastosowania w przemyśle.

Streszczenie

Tradycyjne przepływomierze elektromagnetyczne są z natury podatne na zewnętrzne zakłócenia i nierównomierny rozkład prędkości podczas pomiaru, co poważnie ogranicza ich dokładność. W tym badaniu zaproponowano ulepszoną metodę, która optymalizuje przebieg napędu wzbudzenia, przeprowadza wielokrotne filtrowanie i wzmacnianie wejścia elektrody oraz wykorzystuje złożone programowalne urządzenie logiczne w celu uzyskania szybkiego przełączania między dodatnimi i ujemnymi sygnałami indukcyjnymi. Umożliwia to płynną rektyfikację, a w połączeniu z technikami filtrowania programowego osiąga bardzo precyzyjną wydajność. Dodatkowo wykrywanie pustych rur jest realizowane poprzez rozpoznawanie przebiegu wzbudzenia i wzorców przebiegów wejściowych.

Eksperymentalna weryfikacja pokazuje, że zaprojektowany przepływomierz elektromagnetyczny osiąga dokładność 0,1% w zakresie prędkości przepływu 0,1-15 m/s, z błędami powtarzalności systemu mniejszymi niż 1%. Wyniki potwierdzają skuteczność proponowanej metody w precyzyjnym pomiarze przepływu. Badanie pokazuje, że wysoka precyzja wykrywania może być osiągnięta przy minimalnych dodatkowych kosztach, co jest ważne w przypadku zastosowań przemysłowych.

Wprowadzenie

Przepływomierze elektromagnetyczne to przyrządy do pomiaru przepływu, które działają w oparciu o prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. W porównaniu z tradycyjnymi przepływomierzami mechanicznymi, przepływomierze elektromagnetyczne wykazują lepszą zdolność adaptacji do różnych mediów i mają niższe wymagania dla prostych odcinków rur¹. Gdy płyn przepływa przez rurociąg, przepływomierz elektromagnetyczny generuje pole magnetyczne i mierzy indukowaną różnicę napięcia w płynie, aby obliczyć prędkość przepływu². Przepływomierze elektromagnetyczne są szczególnie przydatne w złożonych środowiskach, takich jak te w przemyśle chemicznym i naftowym^3,4,5. Jednak ze względu na ich działanie w trudnych warunkach, na dokładność przepływomierzy elektromagnetycznych łatwo wpływają zakłócenia zewnętrzne⁶, co wymaga postępu w technologiach wykrywania w celu poprawy dokładności⁷.

Dokładność można poprawić na kilka sposobów. Wykazano, że optymalizacja kształtu elektrody skutecznie zwiększa precyzję⁸, a optymalizacja pola magnetycznego cewki wzbudzającej może znacznie poprawić dokładność pomiaru przepływu przy zachowaniu jednorodności pola magnetycznego⁹. Dodatkowo, ulepszenia w przebiegach napędu, takie jak zastosowanie sterowania o podwójnej częstotliwości, mogą skutecznie zwiększyć precyzję¹⁰. Jednak metody te nadal borykają się z problemami związanymi z niewystarczającą zdolnością adaptacji i ograniczoną elastycznością w przypadku dynamicznych zmian w złożonych środowiskach.

Aby poprawić wydajność przepływomierzy elektromagnetycznych w złożonych środowiskach, to badanie wprowadza dwa kluczowe ulepszenia mające na celu poprawę dokładności i stabilności. Po pierwsze, zaimplementowany jest wielostopniowy napęd przebiegów krokowych w celu tłumienia harmonicznych wysokiego rzędu i optymalizacji przebiegów wzbudzenia. Po drugie, przetwarzanie sygnałów jest ulepszone dzięki połączeniu technik filtrowania, prostowania i filtrowania opartego na oprogramowaniu opartych na złożonych programowalnych urządzeniach logicznych (CPLD) i technikach filtrowania opartych na oprogramowaniu.

Sterowanie przebiegiem krokowym sterowane przez przełącznik analogowy skutecznie tłumi harmoniczne wysokiego rzędu, które zwykle pojawiają się w tradycyjnych metodach. Dostosowując prąd krokowy amplitudy i czasu przełączania, przebieg wzbudzenia jest optymalizowany, zmniejszając zakłócenia elektrod. Dodatkowo, po przejściu wielostopniowego wzmacniania i filtrowania pasmowo-przepustowego, sygnał jest skutecznie odszumiany i zwiększa się jego siła. Co więcej, dodatnie i ujemne sygnały półcyklu są rozdzielane i ponownie łączone w celu zapewnienia stabilności sygnału, co prowadzi do poprawy dokładności pomiaru. Integracja tych dwóch ulepszeń znacznie zwiększa precyzję i zdolność przeciwzakłóceniową przepływomierza, czyniąc go bardziej niezawodnym w złożonych środowiskach przemysłowych.

W zastosowaniach przemysłowych, rurociągi nie zawsze mogą być w pełni wypełnione płynem. Jeśli poziom płynu spadnie poniżej elektrod pomiarowych, przepływomierz elektromagnetyczny nie może zapewnić prawidłowych odczytów prędkości przepływu, co sprawia, że wykrywanie pustej rury jest krytycznym aspektem niezawodności systemu. Tradycyjne metody wykrywania pustych rur opierają się przede wszystkim na zmianach przewodności, ale są one bardzo podatne na zmiany składu i stężenia płynu, co prowadzi do niestabilności w warunkach dynamicznych.

Aby sprostać tym wyzwaniom, zbadano alternatywne strategie wykrywania. Zaproponowano metodę opartą na zmienności pojemności elektrody¹¹, ale jej wydajność pogarsza się, gdy zmieniają się właściwości płynu lub gdy występują zakłócenia zewnętrzne. Podobnie wprowadzono podejście wykorzystujące zmiany amplitudy interferencji¹²; Jednak jego oparty na progach mechanizm wykrywania jest w znacznym stopniu uzależniony od rodzaju cieczy, co ogranicza jego zdolności adaptacyjne. Ograniczenia te podkreślają potrzebę bardziej niezawodnego i adaptacyjnego rozwiązania.

W tym badaniu zaproponowano również metodę wykrywania pustych rur opartą na przebiegach fal, wykorzystującą korelację między przebiegami wzbudzenia a mechanizmami przetwarzania sygnału do analizy charakterystyki przebiegu. Metoda ta skutecznie poprawia dokładność wykrywania, eliminując zależności od zmian amplitudy lub wahań przewodności. Co ważniejsze, zwiększa stabilność i niezawodność, szczególnie w złożonych środowiskach przemysłowych, w których właściwości płynów i zakłócenia zewnętrzne często się zmieniają.

Podsumowując, to badanie przedstawia wysoce precyzyjną metodę pomiaru przepływu elektromagnetycznego, która zwiększa dokładność i stabilność w złożonych środowiskach. Proponowana metoda integruje wieloetapowy proces wzmacniania i filtrowania ze zoptymalizowanym kształtem fali wzbudzenia i prostowaniem opartym na CPLD, aby skutecznie tłumić harmoniczne wysokiego rzędu i redukować zakłócenia szumów. Ponadto zastosowano techniki filtrowania oparte na oprogramowaniu w celu dalszego udoskonalenia sygnału, zwiększenia stabilności pomiaru i zmniejszenia wpływu zakłóceń zewnętrznych. Ponadto wprowadzono metodę wykrywania pustej rury opartą na rozpoznawaniu wzorca przebiegów, co zapewnia większą niezawodność wykrywania w porównaniu z konwencjonalnymi metodami opartymi na amplitudzie lub przewodności.

Warto zauważyć, że niejednorodność prędkości w rurociągach może powodować znaczne błędy pomiaru¹³. W związku z tym w badaniu tym założono równomierny rozkład prędkości jako warunek wstępny zapewnienia bardzo precyzyjnego pomiaru przepływu. Wyniki eksperymentalne pokazują, że proponowane podejście pozwala osiągnąć dokładność pomiaru na poziomie 0,1% w zakresie prędkości 0,1-15 m/s, przy błędzie powtarzalności mniejszym niż 1%. Odkrycia te potwierdzają skuteczność proponowanej metodologii i stanowią obiecujące rozwiązanie dla wysoce precyzyjnych zastosowań w przemysłowych pomiarach przepływu. Przyszłe badania będą koncentrować się na dalszej ocenie zdolności adaptacyjnych metody do zmieniających się właściwości płynów i zakłóceń zewnętrznych, aby zwiększyć jej wytrzymałość w rzeczywistych warunkach.

Protokół

1. Przetwarzanie napięcia indukowanego przez elektrodę

1. Przyjąć indukowaną siłę elektromotoryczną z obu stron czujnika jako sygnał wejściowy (Rycina 1A).
   ​UWAGA: Oryginalny sygnał napięcia jest niezwykle słaby i silnie zaszumiony, wykazując niski stosunek sygnału do szumu (SNR).
2. Zastosować wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu 10x w celu wzmocnienia sygnału (Rycina 1B).
3. Przekazać sygnał do aktywnego filtrze pasmowo-przepustowego drugiego rzędu, składającego się z kaskadowych stopni filtra górnoprzepustowego i dolnoprzepustowego. Najpierw usunąć składowe niskoczęstotliwościowe za pomocą filtra górnoprzepustowego, a następnie skierować przefiltrowane wyjście przez kondensator sprzęgający do kolejnego stopnia filtra dolnoprzepustowego. Na tym etapie stłumić pozostały szum wysokoczęstotliwościowy; wynikowy przebieg wyjściowy przedstawiono na Rycynie 1C.
4. Wzmocnić odszumiony sygnał za pomocą wzmacniacza odwracającego, jak pokazano na Rycynie 1D.
5. Zastosować wzmocnienie -1 za pomocą wzmacniacza odwracającego, aby przekształcić sygnał o polaryzacji ujemnej na polaryzację dodatnią, zachowując niezmienioną jego amplitudę.
6. Skierować sygnały dodatniego i ujemnego półcyklu (Rycina 1E) odpowiednio do dwóch kanałów przełącznika analogowego i jednocześnie wprowadzić oba sygnały do komparatora.
   1. Przetworzyć dwa sygnały wyjściowe generowane przez komparator za pomocą CPLD w celu wykrycia stanu opróżnienia ruroprzewodu i określenia kierunku przepływu cieczy.
   2. Wykorzystać CPLD do sterowania kanałami przełącznika analogowego, stosując detekcję przejścia przez zero, aby precyzyjnie regulować czas przełączania i wprowadzić jedynie minimalne opóźnienie (Rycina 1F).
7. Po bramkowaniu za pomocą przełącznika analogowego przekazać sygnał do trzeciego stopnia wzmacniacza sygnałowego.
8. Zastosować całkujący filtr dolnoprzepustowy do przetworzenia sygnału, a następnie przesłać przetworzony sygnał (Rycina 1G) do jednostki mikrokontrolera (MCU) w celu przeprowadzenia dalszych operacji obliczeniowych.

2. Zaimplementowany schemat i zasada działania

1. Umieść wzmacniacz sygnału zgodnie z ilustracją na Rysunku 2, aby wzmocnić sygnał dziesięciokrotnie.
2. Podłącz wzmacniacz sygnału do filtra pasmowo-przepustowego.
3. Podłącz wzmacniacz wtórny do wyjścia filtra pasmowo-przepustowego. Sygnał dodatniej półfali przekaż bezpośrednio do wyjścia, natomiast sygnał ujemnej półfali przeprowadź przez inwerter przed wprowadzeniem go na przełącznik analogowy.
4. Skonfiguruj dwa komparatory pod przełącznikiem analogowym. Przesyłaj sygnały wyjściowe z komparatorów do CPLD i wykorzystaj CPLD do sterowania stanami włączony/wyłączony przełącznika analogowego w oparciu o logikę sekwencyjną.
5. Po przeprowadzeniu wtórnego filtrowania wprowadź prostowany sygnał z wyjścia przełącznika analogowego do wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu.
6. Przesyłaj przetworzony sygnał przez filtr dolnoprzepustowy do kanału konwersji analogowo-cyfrowej (AD) procesora.

3. Wyznaczanie przepływu w kierunku prostym i wstecznym

1. Jak pokazano na Rysunku 3A, należy zauważyć, że tryb przepływu w przód charakteryzuje się tym, że spadająca krawędź sygnału wzbudzenia odpowiada sygnałowi przewodzenia w przód o niskim poziomie.
2. Zauważ, że wzorzec przepływu wstecznego przedstawiony na Rysunku 3B przejawia się jako korelacja czasowa między spadającą krawędzią sygnału wzbudzenia a aktywacją sygnału przewodzenia w przód o wysokim poziomie.
3. Wykorzystaj układ CPLD do rozróżnienia dwóch charakterystycznych wzorców sygnałów, co pozwoli na precyzyjne odróżnienie przepływu wody w przód od przepływu wstecznego.

4. Korekcja liniowości

1. Zastosuj metodę korekcji liniowej elementowej w celu skorygowania sygnału wejściowego, korzystając z następującego wyrażenia matematycznego funkcji korekcyjnej:
   
   Gdzie y to skorygowane natężenie przepływu, f to natężenie przepływu generowane przez urządzenie wzorcowe, n to liczba segmentów, k_i to współczynnik korekcji dla i-tego przedziału, a x_i to górna wartość graniczna i-tego przedziału.
2. Wyprowadź wzór na współczynnik korekcji w oparciu o metodę najmniejszych kwadratów, wykorzystując wzór na nachylenie regresji liniowej zgodnie z następującym wyrażeniem matematycznym:
   
   Gdzie  k  to współczynnik korekcji, n to liczba punktów danych, x_i to natężenie przepływu mierzone przez urządzenie eksperymentalne, a y_i to natężenie przepływu generowane przez urządzenie wzorcowe.

Wyniki

Aby zapewnić zestandaryzowane warunki eksperymentalne i wiarygodność wyników, w doświadczeniu wykorzystano pompę hydrauliczną przedstawioną na Rysunku 4 do generowania stabilnego standardowego przepływu wody jako środowiska badawczego. Przepływ wody generowany przez tę pompę hydrauliczną można uznać za strumień o stałej prędkości ze względu na stabilne charakterystyki mocy wyjściowej, co spełnia wymogi eksperymentalne dotyczące jednorodnego dostarczania ciecz...

Dyskusja

Istnieją różne implementacje przebiegów pobudzających w elektromagnetycznych przepływomierzach, spośród których dwa powszechnie stosowane typy to pobudzenie prostokątne oraz pobudzenie skokowe. Pobudzenie prostokątne jest szeroko stosowane ze względu na prostotę implementacji¹⁵. Jednak metoda ta jest podatna na wywoływanie efektów prądów wirowych podczas fazy przejściowej przełączania pobudzenia, co negatywnie wpływa na stabilność sygnału pomiarowego¹⁶. Ponadto problem dryf...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Przepływomierz elektromagnetyczny		ABB ABB-DN50	Jako standardowy przyrząd jest porównywany z przyrządem w tym artykule.
Elektromagnetyczny czujnik przepływomierza		ABB ABB-DN50	Służy do zbierania indukowanej siły elektromotorycznej.