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电磁流量计的动态同步捕获算法

来源:www4288com新萄京赌场作者:发表时间:2019-02-25 13:04:15

 
本文提出了一种动态同步捕获(DSC)算法来计算电磁流量计的流量。DSC算法的特性可以精确地计算流量信号并有效地转换模拟信号以升级微控制器单元(MCU)的执行性能。此外,它可以减少异常噪音的干扰。它非常稳定,不受流量测量波动的影响。而且,它可以立即计算当前流量信号(m / s)。DSC算法可以应用于当前通用MCU固件平台,无需使用DSP(数字信号处理)或高速和高端MCU平台,硬件信号放大降低了对ADC精度的要求,降低了成本。
 
1.简介
电磁流量计自20世纪初开始研制70多年,用于石油,化工,冶金,纺织,食品,液压建筑,工业测量和医疗行业[ 1]]。目前大多数流量计的开发仅限于台湾的机械测量。在工业测量领域中没有对电磁流量计的使用进行研究。它们的单价很高,并且由于进口问题,需要大量的时间来获得它们。Frost&Sullivan和国际能源署(IEA)表示,从2007年到2030年,全球基础能源设备的投资将累计达到26万亿美元,www4288com新萄京赌场市场预计将达到776亿美元。 2022年,2016年至2022年的复合年增长率(复合年增长率)为5.4%[ 2 ]。
 
在世界上的几个地方,电力,石油和天然气的基础设施将需要在2030年之前取代。面对竞争环境和全球节能减碳的需求,各种工业用户都越来越关注效率生产工厂尽可能减少能源消耗,从而提高竞争力。因此,大量投资,用于提高工厂自动化水平,收集现场数据和实时监控,可以提高过程控制系统的效率。在石油,天然气和能源工业中,贸易交接设施需要可靠的流量测量设备。在化学和制药工业中,电磁流量计需要高精度。传感器和现场设备,包括电磁流量计,
 
目前,电磁流量计纸张中的大多数方法都没有规定在流量计算中使用哪种算法。有许多方法来计算通过硬件或传感器结构的改进的流动,但往往经常发现,他们使用最固件计算平台的(MCU)规范(特别是在使用FPGA大量[ 3,4,5,6 ]或DSP [ 7]和其他高成本的硬件组件)。因此,可以推测必须通过更强大的硬件规范来计算其他方法,从而导致成本增加并且缺乏灵活性。鉴于此,研究如何提高算法实现效率和相关信号处理以降低硬件依赖性是非常实用的研究。
 
本文提出了一种动态同步捕获(DSC)算法来计算电磁流量计的流量。该实现平台基于32位微控制器单元(MCU),该单元便宜且易于获得。该算法可以满足实时计算和正确,准确的流量信号转换的要求。而且,它可以同时避免噪声干扰[ 8 ]。在计算流量信号时,该算法可以结合成像算法和统计方法,用于增加有限资源固件平台的S / N比(信噪比),以获得有效的结果。
 
2.背景
2.1。法拉第定律
电磁流量计的原理基于法拉第感应定律,该定律表明如果导体通过磁场移动,则将引起与导体速度成比例的电压。根据感应定律,可以在处理液中感应出与流速成比例的电压U.v¯处理液,感应B和内管直径D如下:
20190225130703.jpg
其中B是磁通密度(Wb / m 2),v¯是导电液体运动的平均速度(m / s),D是管道的直径(m),dl是导电液体直径(m),A是横截面积(m 2),和U是信号电动势(V)。
20190225130707.jpg
当将等式(1)应用于电磁流量计时,应用校准因子K,并且信号电动势U可以表示如下[ 9 ]:
QQ截图20190225130709.jpg
其中K是无量纲常数。
 
信号电压U由与处理液导电接触并与管壁绝缘的电极拾取[ 10 ]。运用
 
信号电压U可以通过信号转换器转换成流量指示Q V,如下:
 
此外,流速可以转换成适合于该过程的标准化信号。这里,Q V是体积流量(m 3 / s)。
 
该过程表明标称管道直径D是恒定值。当磁通密度改变时,流速与信号电动势U成正比。因此,我们可以观察到电磁流量计的流量测量与其他物理参数无关,这是其优点之一。此外,建立了上述公式,并且从以下部分满足有限条件。
 
2.2。假设和限制
电磁流量计需要满足以下条件:
 
假设1:轴对称速度分布。假设流速的分布具有轴对称分布。液体和电场中的感应电流是对称的并且平行于液体的轴向。
 
假设2:均匀,恒定的分布磁场。假设磁场具有恒定且均匀的分布。如果这个假设是正确的,则可以通过运动产生的磁场中导电液体的影响忽略它,即感应电流对磁场分布的影响以及感应电流和感应电流之间相互作用的影响。具有液体流速的电磁力。在液态金属的测量中这两种效果都不可忽略。
假设3:非磁性液体。被测液体被假定为一非磁性液体,它的磁导率μ是与真空的磁导率一致μ 0。因此,可以忽略磁性液体和磁场工作之间的相互作用对流量测量的影响。可以观察到,测量的流体流量在上述条件和假设下保持,并且感应电动势U可以被认为与瞬时体积流量Q V成比例。他们的关系是完全线性的。
 
假设4:均匀和各向同性的液体电导率。假设液体的电导率是均匀的和各向同性的。它与电场或液体流动无关。
 
2.3。激励模式
用于在各种环境中测量不同液体的不同激发方法具有不同的效果和功能。
 
2.3.1。直流励磁
电磁流量计的线圈可以由交流电(AC)或直流电(DC)供电[ 11 ]。直流励磁利用直流电压为电磁流量计提供稳定的电压,使磁场的激励稳定。直流励磁可靠且简单。此外,它很少受到电力供应的影响。直流激励的问题是它导致电极化,导致较弱的流量信号[ 12 ]。电极的电阻变得更显著,和供电的同时[漂移13,14 ]。
 
2.3.2。正弦波激励
正弦激励技能可以直接代替直流激励。它可以消除表面电极化,并减少电荷漂移和电磁流量计内阻的影响[ 15 ]。幅度和频率的正交干扰成正比。此外,它们引起同相干扰并导致电磁流量计,其没有漂移缺点。
 
2.3.3。脉冲直流激励低频矩形波激励
电磁流量计用于低频矩形激励,其频率为电源频率从1/4减小到1/10 [ 14 ]。DC激励不会引起涡流,正交干扰,同相干扰和非电极化。信号的放大用于计算。这种稳定的激励可以避免零漂移。此外,它可以很好地容忍噪音。不利的是,差分干扰的幅度与频率成正比。
 
3. DSC算法设计要求
线圈产生激励信号,并通过电极两端的信号,即所谓的流速原始信号(图1),通过计算振动的大小来计算瞬时流量,流量来检测。和信号幅度。因为从信号中感测到的功率电平非常小(mV),所以它非常容易受到干扰并且将产生需要克服的差分干扰现象。以下步骤说明了如何计算和挑战项目。
 
3.1。计算流量信号
如所示图1中,流量信号的变化依赖于在其感测的时刻激励的振幅波。流量信号与激励波的幅度成比例。在计算振幅时应避免微分干扰[ 16 ]。由于线圈的激励方向而发生差分干扰,该激励方向是变化的。此外,差分干扰具有基于激励电流的固定大小。流量信号较大,激励信号的幅度也较大。此外,它还可以覆盖差分干扰波。
 
3.2。不同流量信号的比较
对于流量信号的高和低激励波,显然激励波是不同的。由于激励信号的幅度大,流量信号很高。差分干扰将由信号覆盖。在低流速下,激励会产生差分干扰信号,因此我们需要同时符合高流量信号和低流量信号的算法。
 
3.3。噪声抑制
电磁流量计的信号来自感应电压,这需要准确的质量。噪音可能导致电磁流量计出错,任何错误都会影响重复。
 
3.4。水平颤动和偏移
流信号的高低激励波及其位于信号中的零电压电平是不同的。根据数据,如果使用正值和负值来计算正半周和负半周,则会导致异常结果并检测错误。零电压电平对不同的流量有不同的反应。当我们观察到稳定流量信号时,信号将跟随零电压电平上下,这表明流量信号可以上下移动。基于上述分析,本文设计了一种DSC算法,以提供以下功能:
 
一种基于电磁流量计特性计算流量信号的算法;
在计算幅度时避免噪声抑制和差分干扰扇区;
信号解释,以及动态和实时计算;
提高当前解决方案的准确性和可重复性; 和
产品化和重复流动生产的一致性。
 
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