Medidor de vazão eletromagnético de alta precisão com detecção de tubo vazio por meio de reconhecimento de forma de onda baseado em dispositivo lógico programável complexo

Summary

Este estudo melhora a precisão do medidor de vazão eletromagnético otimizando as formas de onda de excitação, aplicando filtragem em vários estágios e usando retificação baseada em Dispositivo Lógico Programável Complexo (CPLD). Um novo método de detecção de tubo vazio baseado em forma de onda aumenta a confiabilidade. Os experimentos mostram precisão de 0,1% dentro de 0,1-15 m/s, validando a aplicabilidade industrial.

Abstract

Os medidores de vazão eletromagnéticos tradicionais são inerentemente propensos a interferências externas e distribuição desigual de velocidade durante a medição, o que limita severamente sua precisão. Neste estudo, é proposto um método aprimorado, que otimiza a forma de onda do acionamento de excitação, realiza filtragem e amplificação múltiplas da entrada do eletrodo e usa um dispositivo lógico programável complexo para obter uma comutação rápida entre sinais de indução positivos e negativos. Isso permite uma retificação suave e, em combinação com técnicas de filtragem de software, atinge um desempenho altamente preciso. Além disso, a detecção de tubos vazios é realizada reconhecendo a forma de onda de excitação e os padrões de forma de onda de entrada.

A verificação experimental mostra que o medidor de vazão eletromagnético projetado atinge uma precisão de 0,1% dentro de uma faixa de velocidade de fluxo de 0,1-15 m/s, com erros de repetibilidade do sistema inferiores a 1%. Os resultados validam a eficácia do método proposto na medição de vazão de alta precisão. O estudo demonstra que a detecção de alta precisão pode ser alcançada com um custo adicional mínimo, o que é importante para aplicações industriais.

Introduction

Os medidores de vazão eletromagnéticos são instrumentos de medição de vazão que operam com base na lei de indução eletromagnética de Faraday. Em comparação com os medidores de vazão mecânicos tradicionais, os medidores de vazão eletromagnéticos exibem adaptabilidade superior a vários meios e têm requisitos mais baixos para seções de tubos retos¹. Quando o fluido passa pela tubulação, o medidor de vazão eletromagnético gera um campo magnético e mede a diferença de tensão induzida no fluido para calcular a velocidade do fluxo². Os medidores de vazão eletromagnéticos são particularmente adequados para ambientes complexos, como os das indústrias química e petrolífera ^3,4,5. No entanto, devido à sua operação em ambientes hostis, a precisão dos medidores de vazão eletromagnéticos é facilmente afetada por interferência externa⁶, necessitando de avanços nas tecnologias de detecção para melhorar a precisão⁷.

A precisão pode ser melhorada de várias maneiras. A otimização da forma do eletrodo demonstrou aumentar efetivamente a precisão⁸, e otimizar o campo magnético da bobina de excitação pode melhorar significativamente a precisão da medição de fluxo, mantendo a uniformidade do campo magnético⁹. Além disso, melhorias nas formas de onda de acionamento, como o uso de condução de dupla frequência, podem efetivamente aumentar a precisão¹⁰. No entanto, esses métodos ainda enfrentam problemas de adaptabilidade insuficiente e flexibilidade limitada ao lidar com mudanças dinâmicas em ambientes complexos.

Para melhorar o desempenho dos medidores de vazão eletromagnéticos em ambientes complexos, este estudo implementa dois aprimoramentos principais destinados a melhorar a precisão e a estabilidade. Primeiro, um acionamento de forma de onda de vários estágios é implementado para suprimir harmônicos de alta ordem e otimizar formas de onda de excitação. Em segundo lugar, o processamento de sinal é aprimorado por meio de uma combinação de filtragem de hardware baseada em Dispositivo Lógico Programável Complexo (CPLD), retificação e técnicas de filtragem baseadas em software.

O acionamento da forma de onda escalonada controlado pelo interruptor analógico suprime efetivamente os harmônicos de alta ordem que normalmente surgem nos métodos tradicionais. Ao ajustar a amplitude do passo atual e o tempo de comutação, a forma de onda de excitação é otimizada, reduzindo a interferência com os eletrodos. Além disso, depois de passar por amplificação em vários estágios e filtragem passa-banda, o sinal é efetivamente removido e sua força é aprimorada. Além disso, os sinais positivos e negativos de meio ciclo são separados e recombinados para garantir a estabilidade do sinal, levando a uma maior precisão da medição. A integração desses dois aprimoramentos aumenta significativamente a precisão e a capacidade anti-interferência do medidor de vazão, tornando-o mais confiável em ambientes industriais complexos.

Em aplicações industriais, as tubulações nem sempre podem ser totalmente preenchidas com fluido. Se o nível do fluido cair abaixo dos eletrodos de medição, o medidor de vazão eletromagnético não poderá fornecer leituras válidas de velocidade de fluxo, tornando a detecção de tubos vazios um aspecto crítico da confiabilidade do sistema. Os métodos tradicionais de detecção de tubos vazios dependem principalmente de variações de condutividade, mas são altamente suscetíveis a mudanças na composição e concentração do fluido, levando à instabilidade em condições dinâmicas.

Para enfrentar esses desafios, estratégias alternativas de detecção foram exploradas. Um método baseado na variação da capacitância do eletrodo foi proposto¹¹, mas seu desempenho se deteriora quando as propriedades do fluido mudam ou quando há interferência externa. Da mesma forma, uma abordagem utilizando variações de amplitude de interferência foi^{introduzida 12}; no entanto, seu mecanismo de detecção baseado em limiar é significativamente influenciado pelo tipo de líquido, limitando sua adaptabilidade. Essas limitações ressaltam a necessidade de uma solução mais robusta e adaptável.

Neste estudo, um método de detecção de tubo vazio baseado em forma de onda também é proposto, aproveitando a correlação entre formas de onda de excitação e mecanismos de processamento de sinal para analisar as características da forma de onda. Este método melhora efetivamente a precisão da detecção, eliminando dependências de variações de amplitude ou flutuações de condutividade. Mais importante, aumenta a estabilidade e a confiabilidade, particularmente em ambientes industriais complexos, onde as propriedades do fluido e os distúrbios externos mudam com frequência.

Em resumo, este estudo apresenta um método de medição de vazão eletromagnética de alta precisão que aumenta a precisão e a estabilidade em ambientes complexos. O método proposto integra um processo de amplificação e filtragem em vários estágios com uma forma de onda de excitação otimizada e retificação baseada em CPLD para suprimir efetivamente harmônicos de alta ordem e reduzir a interferência de ruído. Além disso, técnicas de filtragem baseadas em software são incorporadas para refinar ainda mais o sinal, melhorando a estabilidade da medição e reduzindo o impacto de distúrbios externos. Além disso, é introduzida uma abordagem de detecção de tubo vazio baseada no reconhecimento de padrões de forma de onda, proporcionando maior confiabilidade de detecção em comparação com os métodos convencionais baseados em amplitude ou condutividade.

Vale ressaltar que a não uniformidade de velocidade em tubulações pode introduzir erros de medição significativos¹³. Portanto, este estudo assume uma distribuição de velocidade uniforme como pré-requisito para garantir uma medição de vazão de alta precisão. Os resultados experimentais demonstram que a abordagem proposta atinge uma precisão de medição de 0,1% dentro de uma faixa de velocidade de 0,1-15 m/s, com um erro de repetibilidade inferior a 1%. Essas descobertas validam a eficácia da metodologia proposta e oferecem uma solução promissora para aplicações de medição de vazão industrial de alta precisão. Pesquisas futuras se concentrarão em avaliar ainda mais a adaptabilidade do método a propriedades variáveis de fluidos e distúrbios externos para aumentar sua robustez em ambientes do mundo real.

Protocol

1. Processamento de tensão induzida por eletrodo

1. Tome a força eletromotriz induzida de ambos os lados do sensor como sinal de entrada (Figura 1A).
   NOTA: O volume originaltagO sinal é extremamente fraco e severamente contaminado por ruído, exibindo uma baixa relação sinal-ruído (SNR).
2. Aplique um amplificador diferencial de 10x para amplificar o sinal (Figura 1B).
3. Prossiga para alimentar o sinal em um filtro passa-banda de segunda ordem ativo que compreende os estágios de filtro passa-alta e passa-baixa em cascata. Inicialmente, remova os componentes de baixa frequência através do filtro passa-alta e, em seguida, canalize a saída filtrada por meio de um capacitor de acoplamento para o estágio subsequente do filtro passa-baixa. Nesta fase, suprima o ruído residual de alta frequência, com a forma de onda de saída resultante ilustrada na Figura 1C.
4. Amplificar o sinal sem ruído utilizando um amplificador inversor, conforme ilustrado na figura 1D.
5. Implemente um ganho de -1 através de um amplificador inversor para converter o sinal de polaridade negativa em polaridade positiva, preservando sua amplitude inalterada.
6. Direcione os sinais de meio ciclo positivo e negativo (Figura 1E) para os dois canais da chave analógica, respectivamente, e insira simultaneamente os dois sinais no comparador.
   1. Processe os dois sinais de saída gerados pelo comparador usando um CPLD para detectar o status de vacância da tubulação e determinar a direção do fluxo de fluido.
   2. Utilize o CPLD para controlar os canais do comutador analógico, empregando a detecção de cruzamento zero para regular com precisão o tempo de comutação e, assim, introduzir apenas um atraso mínimo (Figura 1F).
7. Após o gating por meio de uma chave analógica, alimente o sinal no sinal do terceiro stage amplificador.
8. Aplique um filtro passa-baixa integrado para processar o sinal e, em seguida, transmita o sinal processado (Figura 1G) para a unidade microcontroladora (MCU) para operações computacionais subsequentes.

2. Esquema e princípio de funcionamento implementados

1. Posicione o amplificador de sinal conforme ilustrado na Figura 2 para amplificar o sinal por um fator de 10.
2. Conecte o sinal amplifier ao filtro passa-banda.
3. Conecte o amplificador secundário à saída do filtro passa-banda. Armazene diretamente em buffer o sinal positivo de meio ciclo para saída enquanto roteia o sinal negativo de meio ciclo através de um inversor antes de sua entrada na chave analógica.
4. Configure dois comparadores abaixo do switch analógico. Transmita os sinais de saída do comparador para o CPLD e utilize o CPLD para controlar os estados liga/desliga da chave analógica com base na lógica sequencial.
5. Depois de passar pela filtragem secundária, insira o sinal retificado da saída do interruptor analógico no amplificador de ganho variável.
6. Encaminhe o sinal processado através do filtro passa-baixa para o canal de conversão analógico-digital (AD) do processador.

3. Determinação do fluxo direto e reverso

1. Conforme ilustrado na Figura 3A, observe que o modo de fluxo direto é caracterizado pela borda descendente do sinal de excitação correspondente ao sinal de condução direta de baixo nível.
2. Observe que o padrão de fluxo reverso ilustrado na Figura 3B se manifesta como uma correspondência temporal entre a borda descendente do sinal de excitação e a ativação do sinal de condução direta de alto nível.
3. Empregue um CPLD para diferenciar dois padrões de sinal característicos, obtendo assim uma discriminação precisa entre o fluxo de água direto e reverso.

4. Correção de linearidade

1. Aplique o método de correção linear por partes para retificar o sinal de entrada usando a seguinte expressão matemática da função de correção:
   
   Onde y é a vazão corrigida, f é a vazão gerada pelo instrumento padrão, n é o número de segmentos, k_i é o coeficiente de correção para o i-ésimo intervalo e x_i é o valor limite superior do i-ésimo intervalo.
2. Derive a fórmula do coeficiente de correção com base no método dos mínimos quadrados usando a fórmula de inclinação de regressão linear, usando a seguinte expressão matemática:
   
   Onde k é o coeficiente de correção, n é o número de pontos de dados, x_i é a taxa de fluxo medida pelo instrumento experimental, y_i e é a taxa de fluxo gerada pelo instrumento padrão.

Results

Para garantir condições experimentais padronizadas e a confiabilidade dos resultados, o experimento utiliza a bomba hidráulica mostrada na Figura 4 para gerar um fluxo de água padrão estável como ambiente experimental. O fluxo de água gerado por esta bomba hidráulica pode ser aproximado como um fluxo de velocidade constante devido às suas características estáveis de saída de energia, atendendo assim aos requisitos experimentais para fornecimento uniforme de f...

Discussion

Existem várias implementações de formas de onda de excitação em medidores de vazão eletromagnéticos, entre as quais a excitação de onda quadrada e a excitação de onda escalonada são dois tipos comumente usados. A excitação de onda quadrada é amplamente adotada devido à sua simplicidade na implementação¹⁵. No entanto, este método é propenso a induzir efeitos de correntes parasitas durante a fase transitória da comutação de excitação, o que afeta negativamente a estabilidade do sinal de medição

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Medidor de vazão eletromagnético	ABB	ABB-DN50	Como um instrumento padrão, ele é comparado com o instrumento neste artigo.
Sensor de medidor de vazão eletromagnético	ABB	ABB-DN50	Usado para coletar força eletromotriz induzida.