Flow - Indukciós elven működő folyadék-áramlásmérők

A projektet ipari partnerünkkel, a Texelektronik Kft.-vel közösen végeztük, célunk az általuk jelenleg gyártott áramlásmérők alkalmazástechnikájának bővítése, a termékcsalád továbbfejlesztése volt. A projekt lényegi eleme az eddig használt távadók "intelligenssé" tétele, azaz egy olyan távadó kifejlesztése és megépítése, amelyet jelfeldolgozó processzor (DSP) vezérel. A jelfeldolgozó processzor beépítésével a jelfeldolgozás áttevődik a digitális tartományba, a mágneses indukciós szenzor jelét AD-átalakítás után a DSP szoftveresen dolgozza fel, és az eredményeket továbbítja a PC munkaállomásnak. A DSP-n megvalósított digitális szűrők az eddig megszokottnál pontosabb mérési eredményeket szolgáltatnak, valamint a jelfeldolgozás sebessége megfelelően nagy ahhoz, hogy a gyors áramlásváltozásokat is érzékelje, így a folyadék dinamikus viselkedése is pontosan nyomon követhető egy kijelzőn vagy a PC-n. A fizikai jel szoftveres feldolgozása lehetőséget nyújt arra, hogy az áramlásmérésen kívül járulékos feladatok ellátása is automatikusan megvalósítható legyen (tekercs szinuszos táplálása, nullpont kiegyenlítés, vízszint detektálás). A kétirányú digitális kapcsolat miatt a távadó minden paramétere a központi PC-n keresztül beállítható és lekérdezhető.
A távadót két változatban fejlesztettük ki, a hagyományos kitöltött szelvényű áramlásméréshez, illetve részlegesen kitöltött szelvényű mágneses indukciós áramlásmérőkhöz. Ez utóbbi  áramlásmérő egy olyan új típus, amely elsősorban élővíz, víz- és szennyvíz-technológiákhoz használható. A termelő ivóvíz kutak esetén, illetve a szennyvíztisztítási technológiákban sok területen nem biztosítható a telt szelvényű áramlás, ugyanakkor az átáramlott mennyiség mérése esetenként kötelező, vagy vízgazdálkodási szempontból lényeges.

1. ábra: mérőerősítő és jelfeldolgozó egység

A mérési elv

A távadó működése azon a fizikai törvényen alapul, amely szerint mágneses térben mozgó vezetőben a mozgás sebességével arányos feszültség indukálódik, az alábbi képlet szerint:

Ahol U_i [V] az indukált feszültég, B [T] a mágneses indukció, v [m/s] a mozgás sebessége, l [m] pedig a vezető hosszúsága. Az l hosszúság esetünkben az elektródák távolsága, mivel a távadóban a mozgó vezető maga a folyadék. Az indukált feszültség a szigetelő béléssel ellátott, korrózióálló acél mérőcső falába beépített és attól elszigetelt elektródákon alakul ki. A részlegesen kitöltött áramlás esetén a térfogatáram a csőben áramló anyag szintjének értékétől is függ. Ennek érzékelése egy járulékos nyomásmérő szenzorral történik. Ilyenkor több elektródapár kerül beépítésre, és az indukált feszültség mérése mindig a legmagasabban elhelyezett, de még a vízszint alatt lévő elektródapáron történik.
A mágneses teret egy nagy induktivitású (kb. 3 H) tekercs állítja elő. A gerjesztő áram egy kisfrekvenciás szinuszjel. A tápáramkört a DSP által kiadott szinuszjel vezérli. A korábbi analóg indukciós áramlásmérők kisfrekvenciás négyszögjelet használtak, mert az ehhez tartozó kapcsolás egyszerűbben megépíthető. A négyszögjeles gerjesztésnek azonban sok hátránya van a szinuszos gerjesztéssel szemben: a tekercs nagy induktivitása miatt lassú a négyszögjel felfutása, nagy a disszipáció, valamint a jelváltások jelentős feszültségtranzienseket okoznak. Használnak még egyenárammal gerjesztett indukciós áramlásmérőket is, de ilyenkor a DC erősítők driftje, illetve az elektródákon különböző okokból létrejövő ofszetpotenciál okoz problémát. Szinuszos gerjesztés esetén ezek a problémák nem jelentkeznek.
A kifejlesztett távadó az indukált feszültség mellett méri a tekercsben folyó áramot is, amely értékkel korrigálni kell a számított áramlási értéket. Az áramerősség a gerjesztőjel feszültségén keresztül a mágneses indukcióval arányos. Erre azért van szükség, mert az indukció kismértékben változhat a tápfeszültség és a hőmérséklet változásának hatására.

A mérőmodul

A mérőmodul vezérlését egy lebegőpontos, 32-bites számábrázolást használó jelfeldolgozó processzor, az Analog Devices ADSP-21065L végzi. A mérőmodul tartalmaz digitális, analóg és nagyteljesítményű áramköröket is. Ezért a modul négy nyomtatott áramköri kártyából áll, amelyek fizikailag egymás fölött helyezkednek el a távadó dobozában, a megfelelő árnyékolással ellátva. Külön nyomtatott áramkörön helyezkedik el a DSP és perifériái, egy AD73322 codec (kétcsatornás AD/DA-átalakító), FLASH memória, watchdog-timer stb. Külön kártya biztosítja a digitális eszközök tápfeszültségét (3.3 V), illetve itt található az RS-485 busz illesztő áramköre.
A harmadik kártyán az elektróda előerősítője van megvalósítva. Ez nem ugyanaz a teljesen kitöltött illetve a részlegesen kitöltött szelvényű távadó esetében, hiszen a két esetben az elektródák száma különbözik. A részlegesen kitöltött szelvényű távadó esetében egy további kártya is van, amely a vízszint mérését végző nyomásmérő szenzorhoz tartozó áramköri elemeket tartalmazza. A negyedik kártyán a tekercs meghajtását végző végfokozat található.
A távadó blokkvázlata az 1. ábrán látható. A DSP biztosítja a tekercs gerjesztését (U_g), amely egy kisfrekvenciás szinuszjel. Ez a jel a DA-átalakítás után a kapcsolóüzemű tápáramkört vezérli, amely egy ezzel megegyező frekvenciájú szinuszos árammal hajtja meg a tekercset. A másik DA-átalakítón keresztül a kompenzálójelet (U_C) szolgáltatja a DSP, amely arra szolgál, hogy a mérés nullponthibáját kompenzálja. A DSP a két AD-átalakítón keresztül az elektródákon indukálódott feszültséget (U_f), valamint a tekercsben folyó árammal arányos feszültséget méri (U_I).
A távadót kétirányú digitális kapcsolat köti össze a mérőhely központi személyi számítógépével. Jelenleg három szabványos protokoll szerint lehet a kommunikációt megvalósítani. Az egyik az általánosan elterjedt soros RS-485, a másik a DE protokoll, amely azért került beépítésre, hogy a távadó kompatibilis legyen a termékcsalád többi tagjával. A harmadik a szokásos 4-20 mA-es kimenet.
A központi PC-n futó monitorozó szoftver lehetővé teszi a távadó teljes körű vezérlését és monitorozását. A mérés paraméterei beállíthatók és lekérdezhetők. A mérési eredmények a PC-n a méréssel egyidejűleg, real-time jelennek meg, azaz a folyadék áramlásának pillanatértéke áll folyamatosan rendelkezésre. Ilyen módon az áramlás sebességének dinamikus változásai is nyomon követhetők, valamint grafikusan megjeleníthetők. A központi PC felől lehet kezdeményezni a távadó öntesztjét, amelynek része az AutoZero funkció.

Automatikus nullpont kiegyenlítés - AutoZero

A tekercs gerjesztése kisfrekvenciás szinuszjellel történik. Ideális esetben az elektródák között nem indukálódik feszültség, ha a csőben elhelyezkedő folyadék mozdulatlan. Az elkerülhetetlen aszimmetriák következtében azonban ilyenkor is megjelenik kis mértékű indukált feszültség, amihez nem tartozik áramlás. Ez a nullponthiba, amely álló közeg esetén figyelhető meg, de áramló közeg esetén is jelen van, hibát okozva a mérésben. A kompenzálójelnek a szinuszon kívül van DC komponense is, amivel az elektronika esetleges nullponti hibájának DC szintjét lehet kompenzálni.
A nullpont-hiba kompenzációja a pontos mérések érdekében elengedhetetlen. A mérőmodul ezért az U_C kompenzálójelet adja hozzá az U_f mért feszültségértékhez (ld. 2. ábra). A cél az, hogy a kompenzálójel kioltsa a nullponthibát. Mivel a tekercs gerjesztése szinuszos, ezért a nullponthiba is egy ismeretlen fázisú, ismeretlen amplitúdójú, de ismert frekvenciájú szinuszjel. Ha a kompenzálójel egy ezzel megegyező amplitúdójú és ellentétes fázisú szinuszjel, akkor összegük zérust ad.

2. ábra: az érzékelő blokkvázlata

A kompenzálójel beállítása automatikusan történik, a központi PC felől érkező AutoZero utasítás hatására. Ezt olyankor kell kiadni, amikor tudjuk, hogy a csőben lévő közeg nem áramlik. Az AutoZero utasítás hatására egy rezonátoros struktúrán alapuló szabályozási kör állítja be a kompenzálójelet. Miután a szabályozó hibajele (a kompenzálójel és a nullponthiba különbsége) elhanyagolhatóan kis érték alá került, a szabályozás leáll, mert a hibajel eltűnése azt jelenti, hogy a kompenzálójel amplitúdója közelítőleg megegyezik a nullponti hiba amplitúdójával, a fázisuk pedig ellentétes (fáziskülönbségük 180°). A szabályzó által ilyen módon beállított kompenzálójel a továbbiakban a mérések során folyamatosan hozzáadódik a mért feszültséghez, így a mintavételezett U_f már nem fogja tartalmazni a nullponthibát.
A kompenzálójel beállítását elég a kalibráció során egyszer elvégezni, mert a nullponti hiba a mérés ideje alatt konstansnak tekinthető. A kalibráció során az AutoZero szabályzó eredményeképpen létrejött kompenzálójel amplitúdó- és fázisértékei a FLASH memóriában automatikusan eltárolódnak. Ilyen módon nem kell újra és újra elvégezni a kiegyenlítést, mert a boot procedúra során a FLASH memóriából kiolvasott értéknek megfelelő kompenzálójelet fog a távadó kiadni minden bekapcsolás után. A beállítást laboratóriumban, hitelesítő állomáson végzik, ezért a beépítés helyszínén előfordulhat, hogy a kompenzáló jel beállítását az AutoZero eljárással újra el kell végezni.

Mérés üzemmód

A távadó az AutoZero után mérés üzemmódba kerül. A számítási folyamatot a 3. ábra szemlélteti. A DSP folyamatosan szolgáltatja a tekercs gerjesztését és a kompenzálójelet (U_g és U_C).  U_g állandó frekvenciájú és fázisú szinuszjel, így ennek mintaértékei egy szinusztáblából származnak. A kompenzálójel mintáit a fentiekben ismertetett nullpont-kompenzációs blokk állítja elő, amely a gerjesztőjellel megegyező frekvenciájú szinuszjelet szolgáltat.

3. ábra: számítási folyamat a DSP-n

A DSP folyamatosan kapja a két analóg bemenetének (U_f és U_I) mintavételezett értékeit, amelyekből real-time számítja az áramlás pillanatnyi sebességét. Az AD-átalakítók mintavételi frekvenciája elég magas, ezért a beérkezett jel mintavételi frekvenciáját decimáló szűréssel csökkentjük.

Az U_f  feszültség amplitúdómodulált (AM) jel, amelynek amplitúdója arányos az áramlás sebességével. A vivőjel az ω frekvenciájú U_g  szinuszjel: 

Az U_f jelet tehát demodulálni kell, tehát az A(t) jelet kell kiszámítani. Ez az alábbi egyenlet alapján történik:
 

ahol H{f(t)}  jelenti az f(t) Hilbert-transzformáltját.

A real-time számítási folyamat vázlata a 4. ábrán látható. Ez tartalmaz még egy járulékos sávszűrést is, melynek célja a zajelnyomás. A sávszűrők keskenysávú FIR szűrők, amelyek áteresztőtartományának középpontja az ω frekvencia.

4. ábra: burkoló demoduláció

A csőben a folyadék mindkét irányban áramolhat. Az ellentétes irányban áramló folyadék sebességéből adódó feszültség előjele is ellentétes lesz. A fenti demoduláció azonban nem tartalmazza ezt az előjelinformációt, pedig erre szükség van. Emiatt került be a rendszerbe egy külön fázisdetektor, amely a demodulátorral párhuzamosan számítja ki az U_g fázisának ismeretében az U_f előjelét.
A demodulált és előjelhelyes pillanatértéket a hiteles méréshez még korrigálni kell a tekercsben folyó áram pillanatnyi áramerősségével arányos értékkel (U_I). Végül a kalibrációs konstans értékével történő szorzás után rendelkezésre áll a hiteles áramlási sebesség.

Hitelesítés

A távadók hitelesítése során a kalibrációs konstansok értékeit kell meghatározni. A kalibráció a Gamma Digital OMH által hitelesített áramlásmérő laboratóriumában történik. A teljesen kitöltött szelvényű áramlásmérő esetében a kalibráció etalon műszerrel való összehasonlítással történik. Az összehasonlítás általában nem pillanatértékekre történik, hanem térfogatokra, azaz adott időtartamig integrált értékre. A részlegesen kitöltött szelvényű áramlásmérő esetén a kalibráció szintén etalon műszerrel történő összehasonlítás alapján történik. A különbség az, hogy az etalon műszer teljesen kitöltött szelvényű, ezért nem lehet közvetlenül ugyanabba a csőszakaszba beépíteni mindkettőt. A kalibráció emiatt egy zárt vízkörben úgy történik, hogy két tartály között részlegesen kitöltött szelvényben a gravitáció hatására áramlik a folyadék, és az alacsonyabban elhelyezkedő tartályból egy szivattyú tölti vissza a magasabban lévő tartályba egy fojtással ellátott teljesen kitöltött szelvényű csövön keresztül. A részlegesen kitöltött szelvényű áramlásmérő a gravitációs áramlást méri, az etalon műszer pedig a kitöltöttet. Mivel a folyamat zárt rendszerben történik, ezért a két műszeren átáramlott anyag mennyisége megegyezik.

5. ábra: a teljes összeszerelt elektronika

Ajánlott publikáció:

A. Görgényi, L. Sujbert, I. Bogár, K. Molnár, and T. Dabóczi, "DSP-based Electromagnetic Flowmeter with Sinusoidal Excitation", IMTC 2005, Instrumentation and Measurement Technology Conference

A Flow rendszer részletes ismertetése.

Hasznos link:

TEXelektronik Kft.

Együtműködő partnerünk.

  További információ: Molnár Károly