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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Przetwarzanie napięcia indukowanego przez elektrodę

1. Weź indukowaną siłę elektromotoryczną z obu stron czujnika jako sygnał wejściowy (Rysunek 1A).
   UWAGA: Oryginalny sygnał napięcia jest bardzo słaby i poważnie zanieczyszczony szumami, wykazując niski stosunek sygnału do szumu (SNR).
2. Zastosuj 10-krotny wzmacniacz różnicowy, aby wzmocnić sygnał (Rysunek 1B).
3. Kontynuuj podawanie sygnału do aktywnego filtra pasmowoprzepustowego drugiego rzędu, składającego się z kaskadowych stopni filtra górnoprzepustowego i dolnoprzepustowego. Początkowo usuń składowe niskiej częstotliwości przez filtr górnoprzepustowy, a następnie skieruj przefiltrowane wyjście przez kondensator sprzęgający do kolejnego stopnia filtra dolnoprzepustowego. Na tym etapie należy stłumić szczątkowy szum o wysokiej częstotliwości, a wynikowy przebieg wyjściowy jest zilustrowany na rysunku Rysunek 1C.
4. Wzmocnij odszumiony sygnał za pomocą wzmacniacza odwracającego, jak pokazano na rysunku Rysunek 1D.
5. Zaimplementuj wzmocnienie -1 przez wzmacniacz odwracający, aby przekształcić sygnał o ujemnej polaryzacji na biegunowość dodatnią, zachowując jego amplitudę bez zmian.
6. Skieruj dodatnie i ujemne sygnały półcyklu (Rysunek 1E) odpowiednio do dwóch kanałów przełącznika analogowego i jednocześnie wprowadź oba sygnały do komparatora.
   1. Przetwarzaj dwa sygnały wyjściowe generowane przez komparator za pomocą CPLD w celu wykrycia stanu pustki rurociągu i określenia kierunku przepływu płynu.
   2. Wykorzystaj CPLD do sterowania kanałami przełącznika analogowego, wykorzystując detekcję przejścia przez zero do precyzyjnej regulacji czasu przełączania, a tym samym wprowadź tylko minimalne opóźnienie (Rysunek 1F).
7. Po bramkowaniu za pomocą przełącznika analogowego, poprowadź sygnał do wzmacniacza sygnału trzeciego stopnia.
8. Zastosuj całkujący filtr dolnoprzepustowy, aby przetworzyć sygnał, a następnie prześlij przetworzony sygnał (Rysunek 1G) do jednostki mikrokontrolera (MCU) w celu przeprowadzenia kolejnych operacji obliczeniowych.

2. Zaimplementowany schemat i zasada działania

1. Ustaw wzmacniacz sygnału zgodnie z ilustracją na Rysunek 2, aby wzmocnić sygnał o współczynnik 10.
2. Podłącz wzmacniacz sygnału do filtra pasmowo-przepustowego.
3. Podłącz wtórny amplifier do wyjścia filtra pasmowo-przepustowego. Bezpośrednio buforuj dodatni sygnał półcyklu do wyjścia, jednocześnie kierując ujemny sygnał półcyklu przez falownik przed jego wprowadzeniem do przełącznika analogowego.
4. Skonfiguruj dwa komparatory pod przełącznikiem analogowym. Przesyłaj sygnały wyjściowe komparatora do CPLD i wykorzystaj CPLD do sterowania stanami włączenia/wyłączenia przełącznika analogowego w oparciu o logikę sekwencyjną.
5. Po poddaniu się filtrowaniu wtórnemu, wprowadź wyprostowany sygnał z wyjścia przełącznika analogowego do wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu.
6. Przekierować przetworzony sygnał przez filtr dolnoprzepustowy do kanału konwersji analogowo-cyfrowej (AD) procesora.

3. Wyznaczanie przepływu do przodu i do tyłu

1. Jak pokazano w Rysunek 3A, zauważ, że tryb przepływu do przodu charakteryzuje się opadającą krawędzią sygnału wzbudzenia odpowiadającą sygnałowi przewodzenia do przodu niskiego poziomu.
2. Zauważ, że wzorzec przepływu wstecznego zilustrowany na Rysunek 3B przejawia się jako czasowa zgodność między opadającą krawędzią sygnału wzbudzenia a aktywacją sygnału przewodzenia do przodu wysokiego poziomu.
3. Zastosuj CPLD do rozróżnienia dwóch charakterystycznych wzorców sygnału, uzyskując w ten sposób precyzyjne rozróżnienie między przepływem wody do przodu i do tyłu.

4. Korekta liniowości

1. Zastosuj metodę odcinkowej korekcji liniowej, aby sprostować sygnał wejściowy przy użyciu następującego wyrażenia matematycznego funkcji korekcji:
   
   Gdzie y jest skorygowanym natężeniem przepływu, f jest natężeniem przepływu generowanym przez przyrząd wzorcowy, n jest liczbą segmentów, k_i jest współczynnikiem korygującym dla i-tego przedziału, a x_{i jest} górną wartością graniczną i-tego przedziału.
2. Wyprowadź wzór na współczynnik korekcji na podstawie metody najmniejszych kwadratów, korzystając ze wzoru na nachylenie regresji liniowej, używając następującego wyrażenia matematycznego:
   
   Gdzie k jest współczynnikiem korygującym, n jest liczbą punktów danych, x_i jest natężeniem przepływu zmierzonym przez przyrząd doświadczalny, y_i i jest natężeniem przepływu generowanym przez przyrząd wzorcowy.

Results

Aby zapewnić ustandaryzowane warunki eksperymentu i wiarygodność wyników, eksperyment wykorzystuje pompę hydrauliczną pokazaną w Rysunek 4 do generowania stabilnego standardowego przepływu wody jako środowisko eksperymentalne. Przepływ wody generowany przez tę pompę hydrauliczną można w przybliżeniu określić jako strumień o stałej prędkości ze względu na jego stabilną charakterystykę wyjściową, spełniając w ten sposób wymagania eksperymentalne dotyczące równo...

Discussion

Istnieją różne implementacje przebiegów wzbudzenia w przepływomierzach elektromagnetycznych, wśród których wzbudzenie falą prostokątną i wzbudzenie falą krokową to dwa powszechnie stosowane typy. Wzbudzenie fali prostokątnej jest szeroko stosowane ze względu na prostotę realizacji¹⁵. Metoda ta jest jednak podatna na wywoływanie efektów prądów wirowych podczas przejściowej fazy przełączania wzbudzenia, co negatywnie wpływa na stabilność sygnału pomiarowego¹⁶. Ponadto problem...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.