Высокоточный электромагнитный расходомер с обнаружением пустых труб с помощью распознавания осциллограмм на основе сложных программируемых логических устройств

Summary

Это исследование повышает точность электромагнитного расходомера за счет оптимизации форм сигналов возбуждения, применения многоступенчатой фильтрации и использования выпрямления на основе сложных программируемых логических устройств (CPLD). Новый метод обнаружения пустых труб на основе формы сигнала повышает надежность. Эксперименты показывают точность 0,1% в пределах 0,1-15 м/с, подтверждая промышленную применимость.

Abstract

Традиционные электромагнитные расходомеры по своей природе подвержены внешним помехам и неравномерному распределению скоростей во время измерений, что серьезно ограничивает их точность. В данном исследовании предлагается усовершенствованный метод, который оптимизирует форму волны возбуждения, выполняет многократную фильтрацию и усиление входного электрода, а также использует сложное программируемое логическое устройство для достижения быстрого переключения между положительными и отрицательными индукционными сигналами. Это обеспечивает плавное выпрямление и, в сочетании с программными методами фильтрации, обеспечивает высокую точность работы. Кроме того, обнаружение пустых труб реализуется путем распознавания формы сигнала возбуждения и шаблонов формы входного сигнала.

Экспериментальная проверка показала, что разработанный электромагнитный расходомер достигает точности 0,1% в диапазоне скоростей потока 0,1-15 м/с, при этом погрешность повторяемости системы составляет менее 1%. Полученные результаты подтверждают эффективность предложенного метода в высокоточном измерении расхода. Исследование демонстрирует, что высокоточное обнаружение может быть достигнуто с минимальными дополнительными затратами, что важно для промышленного применения.

Introduction

Электромагнитные расходомеры — это приборы для измерения расхода, которые работают на основе закона электромагнитной индукции Фарадея. По сравнению с традиционными механическими расходомерами, электромагнитные расходомеры демонстрируют превосходную адаптируемость к различным средам и имеют более низкие требования к прямым участкам труб¹. Когда жидкость проходит по трубопроводу, электромагнитный расходомер генерирует магнитное поле и измеряет наведенную разность напряжений в жидкости для расчета скорости потока². Электромагнитные расходомеры особенно подходят для сложных сред, таких как химическая и нефтяная промышленность ^3,4,5. Однако из-за их работы в суровых условиях точность электромагнитных расходомеров легко зависит от внешних помех⁶, что требует усовершенствования технологий обнаружения для повышения точности⁷.

Точность может быть повышена несколькими способами. Было показано, что оптимизация формы электрода эффективно повышает точность⁸, а оптимизация магнитного поля катушки возбуждения может значительно повысить точность измерения расхода при сохранении однородности магнитного поля⁹. Кроме того, усовершенствования в волнах привода, такие как использование двухчастотного вождения, могут эффективно повысить точность¹⁰. Тем не менее, эти методы по-прежнему сталкиваются с проблемами недостаточной адаптивности и ограниченной гибкости при работе с динамическими изменениями в сложных средах.

Чтобы улучшить характеристики электромагнитных расходомеров в сложных условиях, в этом исследовании реализованы два ключевых усовершенствования, направленных на повышение точности и стабильности. Во-первых, реализован многоступенчатый ступенчатый привод сигналов для подавления гармоник высокого порядка и оптимизации форм волн возбуждения. Во-вторых, обработка сигналов улучшается за счет комбинации аппаратной фильтрации, выпрямления и программной фильтрации на основе сложных программируемых логических устройств (CPLD).

Ступенчатый привод сигнала, управляемый аналоговым ключом, эффективно подавляет гармоники высокого порядка, которые обычно возникают при использовании традиционных методов. За счет регулировки амплитуды шага тока и синхронизации переключения оптимизируется форма волны возбуждения, что снижает помехи для электродов. Кроме того, после прохождения многоступенчатого усиления и полосовой фильтрации сигнал эффективно подавляется, а его сила увеличивается. Кроме того, положительные и отрицательные полупериодные сигналы разделяются и рекомбинируются для обеспечения стабильности сигнала, что приводит к повышению точности измерений. Интеграция этих двух усовершенствований значительно повышает точность и защиту от помех расходомера, делая его более надежным в сложных промышленных условиях.

В промышленном применении трубопроводы не всегда могут быть полностью заполнены жидкостью. Если уровень жидкости падает ниже измерительных электродов, электромагнитный расходомер не может предоставить достоверные показания скорости потока, что делает обнаружение пустой трубы критически важным аспектом надежности системы. Традиционные методы обнаружения пустых труб в первую очередь основаны на изменениях проводимости, но они очень чувствительны к изменениям состава и концентрации жидкости, что приводит к нестабильности в динамических условиях.

Для решения этих проблем были изучены альтернативные стратегии обнаружения. Предложен метод, основанный на изменении емкости электродов¹¹, но его эффективность ухудшается при изменении свойств жидкости или при наличии внешних помех. Аналогичным образом, был введен подход, использующий вариации амплитуды интерференции¹²; Тем не менее, его механизм обнаружения, основанный на пороговых значениях, значительно зависит от типа жидкости, что ограничивает его адаптируемость. Эти ограничения подчеркивают потребность в более надежном и адаптивном решении.

В этом исследовании также предлагается метод обнаружения пустых труб на основе осциллограмм, использующий корреляцию между формами волн возбуждения и механизмами обработки сигналов для анализа характеристик осциллограмм. Этот метод эффективно повышает точность обнаружения, устраняя зависимости от вариаций амплитуды или колебаний проводимости. Что еще более важно, он повышает стабильность и надежность, особенно в сложных промышленных условиях, где свойства жидкости и внешние возмущения часто меняются.

Подводя итог, можно сказать, что в данном исследовании представлен высокоточный метод измерения электромагнитного потока, который повышает точность и стабильность в сложных условиях. Предлагаемый метод объединяет многоступенчатый процесс усиления и фильтрации с оптимизированной формой сигнала возбуждения и выпрямлением на основе CPLD для эффективного подавления гармоник высокого порядка и снижения шумовых помех. Кроме того, используются программные методы фильтрации для дальнейшего уточнения сигнала, повышения стабильности измерений и снижения влияния внешних возмущений. Кроме того, представлен подход к обнаружению пустых труб, основанный на распознавании образов сигналов, что обеспечивает повышенную надежность обнаружения по сравнению с традиционными методами, основанными на амплитуде или проводимости.

Стоит отметить, что неравномерность скорости в трубопроводах может привести к значительным погрешностям измерений¹³. Таким образом, в данном исследовании предполагается равномерное распределение скоростей в качестве предпосылки для обеспечения высокоточного измерения расхода. Экспериментальные результаты показывают, что предложенный подход позволяет достичь точности измерений 0,1% в диапазоне скоростей 0,1-15 м/с, при этом погрешность повторяемости составляет менее 1%. Эти результаты подтверждают эффективность предложенной методологии и предлагают перспективное решение для высокоточных промышленных измерений расхода. Будущие исследования будут сосредоточены на дальнейшей оценке адаптивности метода к изменяющимся свойствам жидкости и внешним возмущениям для повышения его надежности в реальных условиях.

Protocol

1. Обработка электродного индуцированного напряжения

1. В качестве входного сигнала примем индуцированную электродвижущую силу с обеих сторон датчика (рис. 1A).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Исходный сигнал напряжения чрезвычайно слаб и сильно загрязнен шумом, демонстрируя низкое отношение сигнал/шум (SNR).
2. Примените 10-кратный дифференциальный усилитель для усиления сигнала (рис. 1B).
3. Продолжайте подавать сигнал в активный полосовой фильтр второго порядка, состоящий из каскадных каскадов фильтра верхних и нижних частот. Сначала удалите низкочастотные компоненты через фильтр верхних частот, а затем направьте отфильтрованный выход через конденсатор связи на следующий каскад фильтра нижних частот. На этом этапе подавите остаточный высокочастотный шум, и результирующая форма выходного сигнала будет показана на рисунке 1C.
4. Усилите шумоподавленный сигнал с помощью инвертирующего усилителя, как показано на рисунке 1D.
5. Реализуйте коэффициент усиления -1 с помощью инвертирующего усилителя, чтобы преобразовать сигнал отрицательной полярности в положительную полярность, сохраняя при этом его амплитуду неизменной.
6. Направьте положительный и отрицательный полутактные сигналы (рис. 1E) на два канала аналогового переключателя соответственно и одновременно введите оба сигнала в компаратор.
   1. Обработка двух выходных сигналов, генерируемых компаратором, с помощью CPLD для определения состояния свободного трубопровода и направления потока жидкости.
   2. Используйте CPLD для управления каналами аналогового коммутатора, используя обнаружение перехода через ноль для точной регулировки времени переключения и тем самым вводя минимальную задержку (рис. 1F).
7. После стробирования через аналоговый переключатель подайте сигнал в усилитель сигнала третьего каскада.
8. Примените интегрирующий фильтр нижних частот для обработки сигнала, а затем передайте обработанный сигнал (рис. 1G) на микроконтроллер (MCU) для последующих вычислительных операций.

2. Реализованная схема и принцип работы

1. Расположите усилитель сигнала, как показано на рисунке 2 , чтобы усилить сигнал в 10 раз.
2. Подключите усилитель сигнала к полосовому фильтру.
3. Подключите вторичный усилитель к выходу полосового фильтра. Прямая буферизация положительного полутактного сигнала для выхода, в то время как отрицательный полутактный сигнал проходит через инвертор перед его вводом в аналоговый переключатель.
4. Настройте два компаратора под аналоговым коммутатором. Передача выходных сигналов компаратора на CPLD и использование CPLD для управления состояниями включения/выключения аналогового коммутатора на основе последовательной логики.
5. После прохождения вторичной фильтрации необходимо ввести выпрямленный сигнал с выхода аналогового переключателя в усилитель с переменным коэффициентом усиления.
6. Направьте обработанный сигнал через фильтр нижних частот в канал аналого-цифрового преобразования (АЦП) процессора.

3. Определение прямого и обратного потока

1. Как показано на рисунке 3А, обратите внимание, что режим прямого течения характеризуется спадом фронта сигнала возбуждения, соответствующим низкоуровневому сигналу прямой проводимости.
2. Обратите внимание, что картина обратного потока, показанная на рисунке 3В , проявляется как временное соответствие между нисходящим фронтом сигнала возбуждения и активацией сигнала прямого проводимости высокого уровня.
3. Используйте CPLD для дифференциации двух характеристических диаграмм направленности, тем самым достигая точного различения прямого и обратного потока воды.

4. Коррекция линейности

1. Применим метод кусочно-линейной коррекции для выпрямления входного сигнала с помощью следующего математического выражения функции коррекции:
   
   Где y — скорректированный расход, f — расход, генерируемый стандартным прибором, n — количество сегментов, k_i — поправочный коэффициент для i-го интервала, x_i — верхняя граничная величина i-го интервала.
2. Выведите формулу поправочного коэффициента на основе метода наименьших квадратов с помощью формулы наклона линейной регрессии, используя следующее математическое выражение:
   
   Где k — поправочный коэффициент, n — количество точек данных, x_i — расход, измеренный экспериментальным прибором, y_i — расход, генерируемый стандартным прибором.

Results

Для обеспечения стандартизированных условий эксперимента и надежности результатов в эксперименте используется гидравлический насос, показанный на рисунке 4 , для создания стабильного стандартного потока воды в качестве экспериментальной среды. Поток воды, создаваемый этим гидравлическим насосом, может быть аппроксимирован как поток с постоянной скоростью благодаря его стабильным выходным характеристикам, что соответствует экспериментальным требованиям по равн...

Discussion

Существуют различные реализации сигналов возбуждения в электромагнитных расходомерах, среди которых два наиболее часто используемых типа — возбуждение прямоугольной волны и возбуждение ступенчатой волной. Возбуждение прямоугольной волной широко распространено благодаря своей простоте в реализации¹⁵. Однако этот метод подвержен индуцированию вихревых токовых эффектов во время переходной фазы переключения возбуждения, что отрицательно сказывается на стабильности измерительного сигнала

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Электромагнитный расходомер	ABB	ABB-DN50	В качестве стандартного прибора он сравнивается с прибором в этой статье.
Электромагнитный датчик расходомера	ABB	ABB-DN50	Используется для сбора наведенной электродвижущей силы.