De elektromagnetiska flödesmätarna representerar idag en stor andel av ABBs dedikerade portfölj för området och är t ex attraktiva för användare som transporterar eller bearbetar ledande vätskor. Skälen är flera, bland annat är de enkla att installera, har en försumbar påverkan på tryckfall och hög noggrannhet. Dessutom är EM-flödesmätarens prestanda inte mottagliga för variationer i temperatur, tryck eller densitet och påverkas inte heller av mindre fluktuationer i flödesprofiler. Oberoende av flödets riktning, kan de här mätarna även visa noggranna resultat vid låga flödeshastigheter.
DRAMATISK INVERKAN PÅ KONVENTIONELLA PROCESSER
Detta sagt har nya teknologier under det senaste decenniet haft en dramatisk inverkan på konventionella processer när det gäller vätskeflöden av vatten och behandling av avloppsvatten, skriver S. Dasgupta, senior forskare vid ABB Corporate Research och V. Kariwala, ABB BU Measurement & Analytics, i en artikel om saken.
Författarna konstaterar att ABB ständigt utforskar verktyg för att förbättra sina elektromagnetiska flödesmätare. Syftet är att uppfylla krav från kunder på ökade prestanda och kostnadsoptimering. En poäng i detta är att kombinera djup kunskap om flödesmätarfysik med nya verifierbara modelleringstekniker för att tillföra värde till befintliga flödesmätare.
FARADAYS LAG OM ELEKTROMAGNETISK INDUKTION
Vilka ”lagar” styr EM-flödesmätare rent tekniskt? Här spelar Faradays lag om elektromagnetisk induktion för att bestämma flödeshastigheten en huvudroll. När ett magnetfält införs i ett rör genom vilket en ledande vätska, som vatten, strömmar, induceras elektrisk potential eller elektromotorisk kraft (EMF) över rörets tvärsnitt (figur 1B).
”EMF är proportionell mot flödeshastigheten, och genom att mäta den inducerade EMFen kan flödeshastigheten uppskattas. Förhållandet mellan inducerad EMF och fluidhastighet är känslighet, vilket är relaterat till kalibreringsfaktorn. Även om det är viktigt att förutsäga känslighet är det lika viktigt att förutsäga variationerna i känslighet som uppstår till följd av förändrade förhållanden. Termiska och strukturella händelser som kan påverka flödesmätarens funktion måste utvärderas av produktsäkerhetsskäl och för att bedöma flödesmätarens prestanda under svåra förhållanden,” noterar författarna.
MULTIFYSIK-BASERAD FEA-TEKNIK
Men vad skulle det innebära om man låter tanken gå vidare från denna grund och vill utveckla en prediktiv modell, baserad på kunskaperna om de fysiska processer som styr, skulle kunna förutsäga flödesmätarens prestanda och minimera testbehovet? Resultatet skulle bli både tydligt ökad produktivitet och prestanda.
Detta var också precis vad ABB-forskarna gjorde; man utvecklade en mjukvarumodell för en EM-flödesmätare byggd på multifysikbaserad FEA-teknik (Finite Element Analysis) för att uppnå detta. Denna modell, den digitala tvillingen, är en replika av den fysiska tillgången i den virtuella världen och därmed efterliknar den den verkliga mätaren och i nästa steg även dess beteende.
Med dessa data tillgängliga kan därmed problem också upptäckas och designen förbättras baserat på den resulterande förvärvade processkunskapen.
”Denna information kan sedan användas för att bygga och driva produkten effektivare i fält. Digitala tvillingar kan simulera i stort sett alla villkor i sin virtuella värld med tillförsikten att samma händelsesekvenser inträffar i den verkliga världen,” skriver ABB-forskarna.
FEA-MODELLERING SÄKERSTÄLLER FÖRSTÅELSEN AV KOMPLEXA PROCESSER
FEA-modellering innebär det att man diskretiserar ett objekts geometri i mindre delar. Beräkningsmodellen förses med värden som definierar materialegenskaper, drifts- och gränsförhållanden. I den Multiphysics-mjukvara man använder löser modellen fysikbaserade ekvationer över de begränsade domänerna för att härleda parametrar.
”Denna metod, som ger tredimensionell, och vid behov, tidsvarierande information, används för prestationsförutsägelse och designförbättring av utrustning inom branscher som olja och gas och aerospace. Användningen av FEA-modellering, i motsats till konventionella testmetoder, säkerställer att komplexa processer lätt kan förstås. Testmetoder för laboratorier är begränsade av deras beroende av antalet sensorer och deras placering i utrustningen, vilket är kostnadskrävande och svårt för processindustrin att uppnå.
Däremot tillåter de senaste framstegen och de minskande kostnaderna för högpresterande datorer att olika och komplexa fysikbaserade ekvationer lätt och iterativt kan lösas med hjälp av FEA,” summerar Dasgupta och Kariwala.
ABB valde sålunda en multifysikmodell av en EM-flödesmätare för att förbättra sitt redan rika flödesmätarutbud.
DET STORA VÄRDET AV MULTIFYSISK VERIFIERING
Inledningsvis designades flödesmätarens geometri i en CAD-programvara för att i nästa steg meshas och delas in i mindre element över vilka ekvationer löstes. Det som är tufft i sammanhanget är sedan att jobba multifysiskt med modellen; alltså ta hänsyn till den sammantagna effekten av flera skilda fysikaliska effekter. Här handlade detta om integrationen av de två primära fenomenen, elektromagnetism och vätskedynamik, men även andra fysiska fenomen som skulle ”samlas” inom en enda modellsimulering.
Hur som helst löses elektromagnetismen genom Maxwells ekvationer, medan vätskedynamiken analyseras genom att lösa massaekvationer och bevarande av momentum för olika flödesförhållanden.
”För att få en heltäckande bild löser modellen även parametrar för termisk värmeutbredning och strukturell dynamik,” skriver Dasgupta och Kariwala och poängterar vikten av att beräkna termiska och hydrauliska spänningar som verkar på rörväggen. ”Sådana avancerade simuleringar är väsentliga för att förutsäga effekten av utmanande, hårda förhållanden som påverkar flödesmätarens tillstånd; som effekten av högtemperatur- och/eller högtrycksvätskor som passerar genom röret. Det slutliga resultatet av dessa uttömmande beräkningar är en komplett multifysik-modell av flödesmätaren som kan förutsäga prestanda såväl som förestående fel under ogynnsamma förhållanden.”
EN SVENSKA AKTÖR I VÄRLDSTOPP INOM MULTIFYSISK SIMULERING & ANALYS
Intressant i sammanhanget är att vi har en svensk spetsutvecklare inom multifysisk simulering, COMSOL, vars lösningar på området är världsledande och samlade i bolagets mjukvara Multiphysics. För de som är intresserade av just elektromagnetik och simulering i COMSOL-mjukvarumiljöer rekommenderas att följa bolagets ”COMSOL Day: AC/DC” (klicka på länken för att läsa mer om eventet) nu den 15 april.
NEWTON, DIFFERENTIAL- OCH INTEGRALKALKYLER
Vad är det då som gör Comsols multifysiska lösningar så speciella?
PLM&ERP News har tittat på detta i tidigare artiklar, bland annat en längre beskrivning på vår amerikanska systersajt, engineering.com.
Övergripande ser det ut så här:
Det finns en intressant koppling mellan Isaac Newton och COMSOLs programvara. När Newton (och Gottfried Leibniz, vissa påståenden) på 1670-talet formulerade differential- och integralkalkylering, gav han mänskligheten verktyg för att matematiskt beskriva mekaniska rörelser. Det är runt dessa partiella differentialekvationer (PDE) som COMSOL byggde sin multifysiska lösning.
– Verkligheten är full av komplexa relationer och den är multifysisk, säger COMSOL-chefen och en av bolagets medgrundare, Svante Littmarck. Hans poäng är att detta faktum ska återspeglas i alla typer av virtuella produktutvecklingsprocesser.
– En glödlampa kräver till exempel elektrisk ström. När du slår på den är värme en biprodukt, vilket i sin tur resulterar i spänningar i lampans glasvägg. Men värme försämrar också den elektriska ledningsförmågan, förklarar han och drar slutsatsen att, ”analysen av ett problem i taget inte bara är komplicerat, opraktiskt och tidskrävande utan kan också sluta i vilseledande resultat.”
GODTYCKLIGA MULTIFYSISKA KOPPLINGAR
I detta är nu vissa lösningar bättre än andra när de återspeglar interaktioner i den verkliga världen. COMSOLs CTO, Ed Fontes, hävdar att företagets lösning är unik genom att användaren kan formulera en godtycklig multifysisk koppling vilket resulterar i att programmet genererar en fullständigt kopplad matematisk modell (PDE). Först när detta är klart diskretiseras PDE med ändliga element och ändliga skillnader för att sedan generera en numerisk modell.
– Vårt inbyggda PDE-bibliotek, som representerar fysiska lagar, kan inte bara anslutas godtyckligt utan också kombineras med användarens egna PDEer. När den automatiska utvecklingen av den numeriska modellen pågår gör COMSOL ingen skillnad mellan inbyggda och användar-PDEs, förklarar Fontes och tillägger att, ”konkurrenterna alltid har underliggande numeriska modeller som grund, dvs de kan inte anpassas till godtycklig flerfysik i samma grad.” Det är inte heller möjligt att formulera sina egna godtyckliga PDEer, när den underliggande numeriska modellen saknar denna flexibilitet.”
Vill du läsa hela Verdi Ogewells artikel om Comsols lösningar på engineering.com – klicka på den länkade rubriken:
”Multiphysics for the masses. COMSOL wants to democratize simulation in the design process – TV-report”
På sista raden är det kanske inte så märkligt att COMSOL idag har globalt närmare 200 000 användare, av vilka ABB är ett av tusentals företag med ”Multiphysics-krut” i arsenalen.
