采用 QuantumX 和 catman 软件精确计算电功率

在很多应用中,获取电信号然后计算功率并分析时域和频域信号是一个非常重要的课题。本文提供了如何采用 HBM QuantumX MX403B 测量模块 和 HBM catman 软件执行必要的步骤完成这些任务的一些  实用技巧

电子执行器 的应用领域越来越广泛,例如电梯,自动扶梯或汽车部件。 执行器 (例如制动器或阀门) 正在迅速替代液压系统来计算电功率。因此,获取电信号,例如电压和电流变得日益重要。

QuantumX 数据采集系统运行采集两个 电气量 和典型的 物理量, QuantumX MX403B 4 通道测量模块 专门用于 电压 的高精度采集。QuantumX MX403B 模块能够测量高电势下非常小的差分电压。

提示: 危险电压 测量只可以由经过培训的人员完成。 IEC 61010 定义的测量类别能帮助您如何选择正确的放大器。 并且请参考 MX403B 操作手册安全说明。

QuantumX MX403B 放大器用于采集电气信号

电压测量

QuantumX MX403B 模块带有 四个隔离差分测量通道,可以对 1,000 V DC 或 1,000 Vrms AC 电压直接测量。测量范围 10, 100 和1,000 V 可以自由设定。进行高电压以及在高电势下非常小的差分电压采集。每个通道都配有模拟抗混叠滤波器, 24-bit AD 转换和数字滤波器,并且每个都可以单独设定。

QuantumX 模块可以物理分布到紧靠测量点的光学范围内 (光纤以太网或火线) 确保测量点和 PC 间的 极高可靠性

模块的采样率高达 100 kS/s 每通道,带宽高达 40 kHz,无缝地集成到现存的 QuantumX 数据采集系统中。QuantumX 测量放大器可以进行机械量,电气量以及热信号的采集,完全同步。通过信号计算,建立完整的解决方案,是您研发的宝贵工具。

Acquiring Current

电流测量的传统方法基于 分流(欧姆电阻)和电流探头的原理

分流 用于精确的相位同步的小电流测量, 电流探针 可提供快速的电流测量而不断开线路。

不同原理的电流探头用于不同的应用。感应式测量原理会导致被测电压和电流之间的相位偏移。在功率测量中,为补偿相移,最简单的方法就是相应地延迟电压测量。过程在下文中详细描述。

我们已经讨论了这两个电气量,下面我们将向您介绍电功率计算的软件。

一步步进行测量, 在线计算和分析

HBM catman 软件(catman Easy 和 catman AP) 非常适合安装按照以下步骤进行测量采集:

  • 通道的 设定 (传感器设置存储, 例如电流探针)
  • 单采用电流探针时,可选相位补偿
  • 有效,视在和无功功率以及其他参数计算
  • 原始数据和计算值可视化并单独显示
  • 以期望的格式存储数据
  • 测量的同时进行 分析
  • 后处理分析和报告

除了测量采集,catman 软件还提供集成的数学库。数学运算功能包括 简单的代数运算,统计和频谱分析以及功率和效率计算

软件还可以计算输入量的均方根值 (RMS)。

传感器数据库 能够帮助您快速参数化测量通道。如何无法在传感器数据库中发现正确的信号描述,您可以查询相关技术参数表。采用传感器技术参数表 更容易进行通道设置,并在任何时候进行调用。

信号的相位同步分析

QuantumX 数据采集系统 的所有通道都是 同步采集 的。其可以将所有通用传感器 信号,例如电压,电流,扭矩,转速,温度,加速度,振动,噪声和总线信号转换为数字信号。

Banana-to-BNC adapter

电流和电压之间相位延迟

分流通常用于测量交直流电流,其结构是纯电阻性的,因此,分流 没有相位延迟

由于采用感应式测量芯, 电流探头 会产生 相位延迟。这意味着转换器的输出信号相位相对于电流相位是延迟的。 如果转换器的相位延迟不知道,可以通过电阻损耗器(例如,灯丝灯泡)来测定,并采用 catman EASY 软件校正。测量的电压相应延迟。

例如, 电流探头可以采用 橡胶头 - (BNC) 适配器 连接到QuantumX MX403B 测量放大器中。

电流探头还可以通过 BNC-SubHD 适配器连接到 MX840A 通用放大器上。次放大器可以记录以下物理量: 扭矩, 转速, 温度, 加速度, 振动和 CAN bus 信号。

下面是相位校正 的例子:  Computing channels -> Filter -> Phase correction function:

在我们的案例中, 电流通过分流方式测量。

在线功率计算

功率计算 只考虑 低频谐波信号(<100赫兹)。该方法不涉及任何复杂的积分算法,只需采用常见的标准公式。  
catman Easy 中,功率计算采用了基于窗口的计算过程。功率计算的精度依赖于信号的基础频率和所选窗口的宽度。

例如: 50 Hz 基波振荡 -> 每周期 20 ms -> 100 ms 窗口 -> 平均 5 周期

功率计算会产生轻微的残余纹波,即使是在静态系统中。
catman EASY 中计算的量包括经过一个时间窗口的均方根值(RMS)和 均值 (MEAN) 。在 QuantumX MX403B 放大器模块中,这两个值的 n 值平均处理无法直接产生 (这需要 n 值缓存,最大的时间窗口将受到限制!)  而通过以下方法可以一步计算出来,不需要缓存处理。

公式 如下:

RMS (n) = sqrt((1-a)*measured value(n)*measured value(n) + a * RMS(n-1))
这里 a = exp(-1/(采样率 * 时间窗口))。均值也采用类似方法生成:
MEAN (n) =  (1-a)*measured value(n) + a * MEAN(n-1))

过程 更加快速, 无需缓存, 因此可以实现任意时间窗口的计算。并且结果同 QuantumX MX410B 或  QuantumX MX403B 放大器在线计算的值一致。RMS 和 MEAN 可以进行滤波,平滑处理。其他计算通道 可按照以下方法计算:

REALPOWER = MEAN(U * I)
APPARENTPOWER = RMS(U) * RMS(I)
REACTIVEPOWER = sqrt(APPARENTPOWER*APPARENTPOWER – REALPOWER*REALPOWER)
POWERFACTOR = REALPOWER/APPARENTPOWER
PHI = acos(POWERFACTOR) * 57.29 to go from rad to °

功率计算参数化 过程如下:

接下来, 你可以采用获得的量进行 测量。在该示例中,测量对象是一个60瓦的灯丝灯泡。图形可以导出到带有文字标记 Microsoft Word 文件生成 测量报告

 

作为对比,另外一个图显示的是 感应式负载的测量。在这个案例中,测量对象是一个 50 瓦的烙铁:

随后,执行的是 频率范围的信号分析。这种类型的信号分析基于 快速傅立叶变换 (FFT)。这有利于时间信号到频率范围的过度。

测量数据分析

采用 catmanEasy 测量软件,您可以对一个或多个信号的频率分布进行可视化和分析。用于计算幅度分布的测量值数量是必须的参数。

后处理模式下,频率分析 采用 FFT 计算 频谱 (振幅,相位或功率谱).

在动态操作上,多振幅谱显示非常重要。 瀑布流 可以在三个维度显示振幅谱,并可以在所有方向上自由旋转。

激活 '产生频率数据集' 能够输出频率通道。

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