Method Article

Karmaşık Programlanabilir Mantık Cihazı Tabanlı Dalga Formu Tanıma ile Boş Boru Algılamalı Yüksek Hassasiyetli Elektromanyetik Debimetre

DOI:

10.3791/68390

⸱

June 27th, 2025

 , 
1School of Computer and Information Engineering, Shanghai Polytechnic University, 2School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering, Shanghai Polytechnic University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, uyarma dalga biçimlerini optimize ederek, çok aşamalı filtreleme uygulayarak ve Karmaşık Programlanabilir Mantık Cihazı (CPLD) tabanlı düzeltme kullanarak elektromanyetik akış ölçer doğruluğunu geliştirir. Yeni bir dalga formu tabanlı boş boru algılama yöntemi, güvenilirliği artırır. Deneyler, 0,1-15 m/s içinde %0,1 doğruluk göstererek endüstriyel uygulanabilirliği doğrular.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geleneksel elektromanyetik akış ölçerler, doğası gereği ölçüm sırasında harici parazite ve eşit olmayan hız dağılımına eğilimlidir ve bu da doğruluklarını ciddi şekilde sınırlar. Bu çalışmada, uyarma sürücü dalga biçimini optimize eden, elektrot girişinin çoklu filtrelemesini ve amplifikasyonunu gerçekleştiren ve pozitif ve negatif indüksiyon sinyalleri arasında hızlı geçiş sağlamak için Karmaşık Programlanabilir Mantık Cihazı kullanan gelişmiş bir yöntem önerilmiştir. Bu, sorunsuz düzeltme sağlar ve yazılım filtreleme teknikleriyle birlikte son derece hassas performans sağlar. Ek olarak, uyarma dalga formu ve giriş dalga formu modelleri tanınarak boş boru tespiti gerçekleştirilir.

Deneysel doğrulama, tasarlanan elektromanyetik akış ölçerin 0,1-15 m/s'lik bir akış hızı aralığında %0,1'lik bir doğruluğa ulaştığını ve sistem tekrarlanabilirlik hatalarının %1'den az olduğunu göstermektedir. Sonuçlar, önerilen yöntemin yüksek hassasiyetli akış ölçümündeki etkinliğini doğrulamaktadır. Çalışma, endüstri uygulamaları için önemli olan minimum ek maliyetle yüksek hassasiyetli algılamanın elde edilebileceğini göstermektedir.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektromanyetik debimetreler, Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasasına dayalı olarak çalışan akış ölçüm cihazlarıdır. Geleneksel mekanik akış ölçerlerle karşılaştırıldığında, elektromanyetik akış ölçerler çeşitli ortamlara üstün uyum sağlar ve düz boru bölümleri için daha düşük gereksinimlere sahiptir1. Akışkan boru hattından geçtiğinde, elektromanyetik debimetre bir manyetik alan oluşturur ve akış hızını2 hesaplamak için akışkanda indüklenen voltaj farkını ölçer. Elektromanyetik debimetreler özellikle kimya ve petrol endüstrileri gibi karmaşık ortamlar için uygundur 3,4,5. Bununla birlikte, zorlu ortamlarda çalışmaları nedeniyle, elektromanyetik debimetrelerin doğruluğu dış parazitlerdenkolayca etkilenir 6 ve doğruluğu artırmak için algılama teknolojilerinde ilerlemeler gerektirir7.

Doğruluk çeşitli şekillerde geliştirilebilir. Elektrot şeklinin optimize edilmesinin hassasiyeti8 etkili bir şekilde artırdığı gösterilmiştir ve uyarma bobininin manyetik alanını optimize etmenin, manyetik alan homojenliğini korurken akış ölçüm doğruluğunu önemli ölçüde artırabileceğigösterilmiştir 9. Ek olarak, çift frekanslı sürüş kullanımı gibi sürücü dalga biçimlerindeki iyileştirmeler, hassasiyeti etkili bir şekilde artırabilir10. Bununla birlikte, bu yöntemler, karmaşık ortamlarda dinamik değişikliklerle uğraşırken hala yetersiz uyarlanabilirlik ve sınırlı esneklik sorunlarıyla karşı karşıyadır.

Karmaşık ortamlarda elektromanyetik akış ölçerlerin performansını artırmak için bu çalışma, doğruluğu ve kararlılığı artırmayı amaçlayan iki temel geliştirme uygulamaktadır. İlk olarak, yüksek dereceli harmonikleri bastırmak ve uyarma dalga biçimlerini optimize etmek için çok aşamalı bir adım dalga biçimi sürücüsü uygulanır. İkinci olarak, sinyal işleme, Karmaşık Programlanabilir Mantık Cihazı (CPLD) tabanlı donanım filtreleme, düzeltme ve yazılım tabanlı filtreleme tekniklerinin bir kombinasyonu ile geliştirilmiştir.

Analog anahtar tarafından kontrol edilen kademeli dalga biçimi sürücüsü, geleneksel yöntemlerde tipik olarak ortaya çıkan yüksek dereceli harmonikleri etkili bir şekilde bastırır. Akım adım genliğini ve anahtarlama zamanlamasını ayarlayarak, uyarma dalga formu optimize edilir ve elektrotlarla paraziti azaltır. Ek olarak, çok aşamalı amplifikasyon ve bant geçiren filtrelemeden geçtikten sonra, sinyal etkili bir şekilde gürültüden arındırılır ve gücü artırılır. Ayrıca, pozitif ve negatif yarım döngü sinyalleri, sinyal kararlılığını sağlamak için ayrılır ve yeniden birleştirilir, bu da gelişmiş ölçüm doğruluğuna yol açar. Bu iki geliştirmenin entegrasyonu, akış ölçerin hassasiyetini ve parazit önleme özelliğini önemli ölçüde artırarak karmaşık endüstriyel ortamlarda daha güvenilir hale getirir.

Endüstriyel uygulamalarda, boru hatları her zaman sıvı ile tam olarak doldurulmayabilir. Sıvı seviyesi ölçüm elektrotlarının altına düşerse, elektromanyetik akış ölçer geçerli akış hızı okumaları sağlayamaz ve bu da boş boru algılamayı sistem güvenilirliğinin kritik bir yönü haline getirir. Geleneksel boş boru algılama yöntemleri öncelikle iletkenlik değişimlerine dayanır, ancak bunlar sıvı bileşimi ve konsantrasyonundaki değişikliklere karşı oldukça hassastır ve dinamik koşullar altında kararsızlığa yol açar.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için alternatif tespit stratejileri araştırılmıştır. Elektrot kapasitans varyasyonuna dayalı bir yöntem önerilmiştir11, ancak sıvı özellikleri değiştiğinde veya harici parazit mevcut olduğunda performansı bozulur. Benzer şekilde, girişim genliği değişimlerini kullanan bir yaklaşım tanıtılmıştır12; Yine de eşik tabanlı algılama mekanizması, sıvının türünden önemli ölçüde etkilenir ve uyarlanabilirliğini sınırlar. Bu sınırlamalar, daha sağlam ve uyarlanabilir bir çözüme duyulan ihtiyacın altını çiziyor.

Bu çalışmada, dalga biçimi özelliklerini analiz etmek için uyarma dalga biçimleri ile sinyal işleme mekanizmaları arasındaki korelasyondan yararlanan dalga biçimi tabanlı bir boş boru algılama yöntemi de önerilmiştir. Bu yöntem, genlik değişimlerine veya iletkenlik dalgalanmalarına olan bağımlılıkları ortadan kaldırarak algılama doğruluğunu etkili bir şekilde artırır. Daha da önemlisi, özellikle akışkan özelliklerinin ve dış rahatsızlıkların sık sık değiştiği karmaşık endüstriyel ortamlarda kararlılığı ve güvenilirliği artırır.

Özetle, bu çalışma, karmaşık ortamlarda doğruluğu ve kararlılığı artıran yüksek hassasiyetli bir elektromanyetik akış ölçüm yöntemi sunmaktadır. Önerilen yöntem, yüksek dereceli harmonikleri etkili bir şekilde bastırmak ve gürültü girişimini azaltmak için optimize edilmiş bir uyarma dalga formu ve CPLD tabanlı düzeltme ile çok aşamalı bir amplifikasyon ve filtreleme sürecini entegre eder. Ek olarak, sinyali daha da iyileştirmek, ölçüm kararlılığını artırmak ve harici bozulmaların etkisini azaltmak için yazılım tabanlı filtreleme teknikleri dahil edilmiştir. Ayrıca, geleneksel genlik veya iletkenlik tabanlı yöntemlere kıyasla gelişmiş algılama güvenilirliği sağlayan dalga biçimi örüntü tanımaya dayalı bir boş boru algılama yaklaşımı tanıtılmıştır.

Boru hatlarındaki hız düzensizliğinin önemli ölçüm hatalarınaneden olabileceğini belirtmekte fayda var 13. Bu nedenle, bu çalışma, yüksek hassasiyetli akış ölçümünü sağlamak için bir ön koşul olarak düzgün bir hız dağılımını varsayar. Deneysel sonuçlar, önerilen yaklaşımın 0,1-15 m/s'lik bir hız aralığında %0,1'lik bir ölçüm doğruluğuna ulaştığını ve %1'den daha az bir tekrarlanabilirlik hatası elde ettiğini göstermektedir. Bu bulgular, önerilen metodolojinin etkinliğini doğrulamakta ve yüksek hassasiyetli endüstriyel akış ölçümü uygulamaları için umut verici bir çözüm sunmaktadır. Gelecekteki araştırmalar, gerçek dünya ortamlarında sağlamlığını artırmak için yöntemin değişen sıvı özelliklerine ve dış rahatsızlıklara uyarlanabilirliğini daha fazla değerlendirmeye odaklanacaktır.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Elektrot kaynaklı voltajın işlenmesi

  1. Sensörün her iki tarafından indüklenen elektromotor kuvvetini giriş sinyali olarak alın (Şekil 1A).
    NOT: Orijinal voltaj sinyali son derece zayıftır ve gürültüyle ciddi şekilde kirlenmiştir ve düşük bir sinyal-gürültü oranı (SNR) sergiler.
  2. Sinyali yükseltmek için 10x diferansiyel amplifikatör uygulayın (Şekil 1B).
  3. Sinyali, kademeli yüksek geçiren ve düşük geçiren filtre aşamalarından oluşan aktif bir ikinci dereceden bant geçiren filtreye beslemeye devam edin. İlk olarak, düşük frekanslı bileşenleri yüksek geçiren filtreden çıkarın, ardından filtrelenmiş çıkışı bir kuplaj kondansatörü aracılığıyla sonraki düşük geçiren filtre aşamasına kanalize edin. Bu aşamada, ortaya çıkan çıkış dalga formu Şekil 1C'de gösterildiği gibi artık yüksek frekanslı gürültüyü bastırın.
  4. Şekil 1D'de gösterildiği gibi, bir ters çevirici amplifikatör kullanarak gürültüden arındırılmış sinyali yükseltin.
  5. Genliğini değiştirmeden korurken negatif polarite sinyalini pozitif polariteye dönüştürmek için ters çevirici bir amplifikatör aracılığıyla -1'lik bir kazanç uygulayın.
  6. Pozitif ve negatif yarım döngü sinyallerini (Şekil 1E) sırasıyla analog anahtarın iki kanalına yönlendirin ve aynı anda her iki sinyali de karşılaştırıcıya girin.
    1. Boru hattı boşluk durumunu tespit etmek ve akışkan akış yönünü belirlemek için bir CPLD kullanarak karşılaştırıcı tarafından üretilen iki çıkış sinyalini işleyin.
    2. Analog anahtarın kanallarını kontrol etmek için CPLD'yi kullanın, anahtarlama zamanlamasını hassas bir şekilde düzenlemek ve böylece yalnızca minimum gecikme sağlamak için sıfır geçiş algılaması kullanın (Şekil 1F).
  7. Bir analog anahtarla geçit yaptıktan sonra, sinyali üçüncü aşamaya besleyin.ampsinyal amplifikatörü.
  8. Sinyali işlemek için entegre bir alçak geçiren filtre uygulayın, ardından işlenen sinyali (Şekil 1G) sonraki hesaplama işlemleri için mikrodenetleyici birimine (MCU) iletin.

2. Uygulanan şema ve çalışma prensibi

  1. Sinyali konumlandırın ampsinyali 2 faktörü ile yükseltmek için Şekil 10'de gösterildiği gibi yükseltici.
  2. Sinyali bağlayın amplifier bant geçiren filtreye.
  3. İkincil amplifikatörü bant geçiren filtrenin çıkışına bağlayın. Negatif yarım döngü sinyalini analog anahtara girişinden önce bir invertörden geçirirken, çıkış için pozitif yarım döngü sinyalini doğrudan tamponlayın.
  4. Analog anahtarın altında iki karşılaştırıcı yapılandırın. Karşılaştırıcı çıkış sinyallerini CPLD'ye iletin ve sıralı mantığa dayalı olarak analog anahtarın açık/kapalı durumlarını kontrol etmek için CPLD'yi kullanın.
  5. İkincil filtrelemeden geçtikten sonra, analog anahtar çıkışından gelen doğrultulmuş sinyali değişken kazançlı amplifikatöre girin.
  6. İşlenen sinyali alçak geçiren filtreden geçirerek işlemcinin analog-dijital (AD) dönüştürme kanalına yönlendirin.

3. İleri ve geri akış belirleme

  1. Şekil 3A'da gösterildiği gibi, ileri akış modunun, düşük seviyeli ileri iletim sinyaline karşılık gelen uyarma sinyalinin düşen kenarı ile karakterize edildiğini gözlemleyin.
  2. Şekil 3B'de gösterilen ters akış modelinin, uyarma sinyalinin düşen kenarı ile yüksek seviyeli ileri iletim sinyalinin aktivasyonu arasında zamansal bir yazışma olarak kendini gösterdiğini gözlemleyin.
  3. İki karakteristik sinyal modelini ayırt etmek için bir CPLD kullanın, böylece ileri ve geri su akışı arasında hassas bir ayrım elde edin.

4. Doğrusallık düzeltmesi

  1. Düzeltme fonksiyonunun aşağıdaki matematiksel ifadesini kullanarak giriş sinyalini düzeltmek için parçalı doğrusal düzeltme yöntemini uygulayın:
    figure-protocol-1
    Burada y düzeltilmiş akış hızıdır, f standart alet tarafından üretilen akış hızıdır, n segment sayısıdır, ki i'inci aralık için düzeltme katsayısıdır ve xi , i'inci aralığın üst sınır değeridir.
  2. Aşağıdaki matematiksel ifadeyi kullanarak doğrusal regresyon eğimi formülünü kullanarak en küçük kareler yöntemine dayalı düzeltme katsayısı formülünü türetin:
    figure-protocol-2
    Burada k düzeltme katsayısıdır, n veri noktalarının sayısıdır, xi deneysel cihaz tarafından ölçülen akış hızıdır, yi ve standart cihaz tarafından üretilen akış hızıdır.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Standartlaştırılmış deney koşullarını ve sonuçların güvenilirliğini sağlamak için deney, deney ortamı olarak kararlı bir standart su akışı oluşturmak için Şekil 4'te gösterilen hidrolik pompayı kullanır. Bu hidrolik pompa tarafından üretilen su akışı, kararlı güç çıkışı özellikleri nedeniyle sabit hızlı bir akış olarak yaklaşık olarak tahmin edilebilir, böylece tek tip sıvı dağıtımı için deneysel gereksinimleri karşılar. Kullanılan standart cihaz ABB-DN50'dir...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektromanyetik debimetrelerde, kare dalga uyarımı ve adım dalgası uyarımının yaygın olarak kullanılan iki tür olduğu çeşitli uyarma dalga biçimleri uygulamaları vardır. Kare dalga uyarımı, uygulamadaki basitliği nedeniyle yaygın olarak benimsenmiştir15. Bununla birlikte, bu yöntem, uyarma anahtarlamasının geçici fazı sırasında girdap akımı etkilerini indüklemeye eğilimlidir, bu da ölçüm sinyalinin16 kararlılığını olumsuz yönde etkiler. Ek olarak, sıfır noktası kayması soru...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hiç kimse.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Elektromanyetik akış ölçerABBABB-DN50Standart bir cihaz olarak, bu makaledeki cihaz ile karşılaştırılmıştır.
Elektromanyetik debimetre sensörüABBABB-DN50İndüklenen elektromotor kuvvetini toplamak için kullanılır.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Comparing performance of ultrasonic type and magnetic type flowmeters for desalination applications. Elgali, A. 2024 IEEE 4th International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (MI-STA), , 156-163 (2024).
  2. Kollár, L. E., Lucas, G. P., Zhang, Z. Proposed method for reconstructing velocity profiles using a multi-electrode electromagnetic flow meter. Meas Sci Technol. 25, 075301(2014).
  3. Mohindru, P. Recent advancements in volumetric flow meter for industrial application. Heat Mass Transfer. 59 (11), 2149-2166 (2023).
  4. Technical features and application of electromagnetic flow meter. Chen, B., et al. 2020 International Conference on Communications, Information System and Computer Engineering (CISCE), , 1-5 (2020).
  5. Watral, Z., Jakubowski, J., Michalski, A. Electromagnetic flow meters for open channels: Current state and development prospects. Flow Measurement and Instrumentation. 42, 16-25 (2015).
  6. Ge, L., et al. Study on a new electromagnetic flow measurement technology based on differential correlation detection. Sensors (Basel). 20 (9), 2489(2020).
  7. Ge, L., et al. Electromagnetic flow detection technology based on correlation theory. IEEE Access. 8, 56203-56213 (2020).
  8. Beck, K. J. An analysis of electromagnetic flowmeters: A numerical study [All Graduate Theses and Dissertations]. , https://digitalcommons.usu.edu/etd/8203 8203(2021).
  9. Ge, L., et al. Study on high-precision electromagnetic flow measurement technology based on novel regular octagonal excitation coil. Gongcheng Kexue Yu Jishu/Advanced Engineering Sciences. 54 (9), 178-190 (2022).
  10. Li, Z., Huang, Q., Duan, Y., Chen, W., Zou, L. Research on electromagnetic flowmeter based on double-frequency trapezoidal wave excitation. J Phys: Conf Ser. 1549, 052086(2020).
  11. Cheng, B., et al. Portable intelligent electromagnetic flowmeter controlled by magnetic induction intensity. Electronics. 13 (3), 556(2024).
  12. Cao, J. L., Li, B. Study on methods of empty pipe detection for electromagnetic flowmeter. Chin J Sci Instrum. 27 (6), 643(2006).
  13. Michalski, A. A new approach to estimating the main error of a primary transducer for an electromagnetic flowmeter. IEEE Trans Instrum Meas. 50 (3), 764-767 (2001).
  14. Lathi, B. P., Green, R. Signal processing and linear systems. 2, Oxford University Press. Oxford. (1998).
  15. Tetirick, J. E., Mengoli, L. Calibration and use of square-wave electromagnetic flowmeter. Surgery. 54 (4), 621-626 (1963).
  16. Clarke, D. W., Hemp, J. Eddy-current effects in an electromagnetic flowmeter. Flow Measurement and Instrumentation. 20 (1), 22-37 (2009).
  17. Maalouf, A. I. A validated model for the zero drift due to eddy currents in electromagnetic flowmeters operating with electrolytic conductors. IEEE Sensors Journal. 7 (11), 1497-1505 (2007).
  18. Li, B., Yan, Y., Chen, J., Fan, X. Study of the ability of an electromagnetic flowmeter based on step excitation to overcome slurry noise. IEEE Access. 8, 126540-126558 (2020).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electromagnetic FlowmeterEmpty Pipe DetectionWaveform RecognitionComplex Programmable Logic DeviceSignal AmplificationBand Pass FilterNoise SuppressionVariable Gain AmplifierSoftware FilteringFlow Measurement Accuracy

Related Articles