Precisely Calculating Electrical Power using a QuantumX and catman Software

L'acquisizione dei segnali elettrici ed il successivo calcolo della potenza ed analisi dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza, sono argomenti di crescente importanza in numerose applicazioni. In quest'articolo vengono forniti consigli pratici su come svolgere i passi necessari per completare tali attività utilizzando il QuantumX MX403B ed il software catman.

Gli attuatori elettrici vengono impiegati in sempre più numerose applicazioni - ad esempio negli ascensori, nelle scale mobili o come componenti automobilistici. In quest'ultimo settore, gli attuatori (p. es. azionamenti e valvole), stanno rapidamente sostituendo i sistemi idraulici usati finora per tale scopo. Diventa quindi sempre più importante l'acquisizione di "grandezze elettriche" quali le tensioni e correnti.

Il sistema di acquisizione dati QuantumX consente sia la rilevazione di grandezze elettriche quali tensioni e correnti che quella di numerose altre grandezze fisiche. Il modulo di misura QuantumX MX403B a 4 canali è stato appositamente sviluppato per la precisa acquisizione di tensioni fino a 1000 V. L'MX403B consente inoltre di misurare piccole tensioni differenziali in presenza di elevati potenziali elettrici.

Nota: La misurazione di tensioni pericolosamente elevate può essere effettuata esclusivamente da personale addestrato. Come definito nella norma IEC 61010, le categorie di misura giocano un ruolo importante nella scelta dell'apparecchiatura di misura più adatta. Si prega pertanto di seguire attentamente le istruzioni sulla sicurezza specificate nel manuale operativo dell'MX403B.

Calcolo della potenza elettrica usando il QuantumX ed il catman

QuantumX MX403B

L'MX403B dispone di quattro canali di misura differenziali isolati per la misurazione diretta di tensioni fino a 1.000 V CC oppure 1.000 V_eff CA. Si possono liberamente parametrizzare i campi di misura di 10, 100 e 1.000 V, per consentire sia l'acquisizione di alte tensioni rispetto alla massa di riferimento che la misurazione di piccole tensioni differenziali verso la massa di riferimento. Ogni canale è dotato di filtri anti-aliasing analogici, convertitori A/D da 24 bit e di filtri digitali, tutti parametrizzabili individualmente.

Il modulo dispone di cadenza di campionamento fino a 100 kS/s per canale, banda passante fino a 40 kHz e può essere incorporato senza soluzione di continuità nei sistemi di acquisizione dati QuantumX preesistenti.
Il QuantumX consente l'acquisizione di tutti i misurandi fisici meccanici, elettrici e termici completamente sincronizzati e calcola i segnali, rappresentando pertanto una soluzione completa e globale, quale valida strumentazione per la ricerca e lo sviluppo.

I moduli QuantumX possono essere fisicamente distribuiti e collegati otticamente vicino ai punti di misura (Ethernet ottica o FireWire ottica) per garantire la massima affidabilità fra il punto di misura ed il PC.

Acquisizione di correnti

I metodi tradizionali per misurare le correnti si basano sul principio dello shunt (resistenza ohmica) e della sonda per correnti. Mentre lo shunt consente la misurazione di piccole correnti con precisione e sincronizzate in fase, la sonda per correnti è particolarmente adatta per la rilevazione di correnti rapide, senza dover scollegare la linea elettrica.

Per adattarsi alle diverse applicazioni, le sonde per correnti sono disponibili con strutture differenti. Il principio di misura induttivo induce lo sfasamento fra la corrente ed il segnale di tensione misurato proveniente dalla sonda per correnti. Per determinare la potenza, tale sfasamento deve essere compensato. La soluzione più semplice per farlo, consiste nel ritardare in modo corrispondente la tensione misurata. Tale processo viene descritto in seguito. Ora che sono stati discussi entrambi i misurandi elettrici, si può osservare il software.

Il software catman

Il software catman della HBM (disponibili due versioni: catman Easy e catman AP) è la soluzione ideale per quanto segue:

Parametrizzazione dei canali (salvataggio delle impostazioni dei canali per i sensori impiegati, ad esempio sonde per correnti)
Compensazione di fase opzionale per l'uso con sonde per correnti
Calcolo dei segnali per la potenza effettiva, apparente e reattiva, oltre che per altri fattori
Visualizzazione dei valori grezzi e di quelli calcolati su indicatori individuali
Salvataggio dati nel formato desiderato
Analisi effettuabili con la misurazione in corso
Analisi post-processo e reportistica

Oltre all'acquisizione delle misure, il software catman offre anche una libreria matematica integrata. Le funzioni matematiche spaziano dai semplici calcoli algebrici alla statistica ed all'analisi spettrale, comprendendo anche i calcoli della potenza elettrica e del rendimento. Il software calcola, inoltre, i valori efficaci (RMS) delle grandezze d'ingresso.

Misurazione passo - passo, calcolo in linea ed analisi usando il catman

Un aiuto per parametrizzare i canali di misura può venire dalla banca dati sensori. Se non si trova la corretta descrizione del segnale nella banca dati sensori, è possibile creare il relativo prospetto dati. L'uso del prospetto dati sensore facilita la successiva impostazione dei parametri di ogni singolo canale e rende riproducibile tale processo in qualsiasi momento.

Analisi sincronizzata in fase dei segnali usando il catman

L'acquisizione è sincronizzata per tutti i canali del sistema QuantumX. Il QuantumX offre un gran numero di possibili tecnologie di sensori e trasduttori per convertire in segnali digitali le grandezze fisiche quali tensioni, correnti, coppie, velocità rotazionali, temperature, accelerazioni, vibrazioni, rumori, segnali del bus per controllare la comunicazione con gli strumenti, ecc.

Nel nostro esempio, la corrente viene misurata da uno shunt. Per misurare correnti alternate o continue vengono sovente utilizzati gli Shunt che, avendo struttura puramente resistiva, non provocano alcun sfasamento.

C'è uno sfasamento fra corrente e tensione?

Le sonde di corrente, causano uno sfasamento dovuto al loro nucleo di misura induttivo. Ciò comporta che la fase del segnale di uscita in corrente è in ritardo rispetto alla fase della corrente. Se il ritardo di fase del convertitore è ignoto, esso può essere facilmente rilevato misurando la corrente e tensione su un carico resistivo (ad esempio una lampadina a filamento) e corretto usando il software catman EASY. La tensione misurata può essere corrispondentemente ritardata. Ad esempio, le sonde per correnti possono essere collegate all'MX403B usando un adattatore Banana ⇒ BNC.

Naturalmente la sonda per correnti può essere collegata anche mediante un altro amplificatore di misura del gruppo, per esempio un adattatore BNC ⇒ SubHD nell'amplificatore universale MX840A. Questo amplificatore è anche in grado di misurare le seguenti variabili: coppie, velocità rotazionali, temperature, accelerazioni e segnali del CAN bus.

Esempio di funzione per la correzione della fase – Canali di calcolo > Filtro > Correzione fase

Calcolo in linea della potenza

Il calcolo della potenza considera soltanto i segnali armonici a bassa frequenza (< 100 Hz). Il procedimento non comprende alcun complesso algoritmo di integrazione e prevede l'impiego delle comuni formule standard. In catman Easy, il calcolo della potenza incorpora un processo basato sulla finestra. La precisione del calcolo della potenza dipende perciò dalla frequenza fondamentale del segnale e dalla larghezza della finestra scelta.

Esempio: oscillazione fondamentale di 50 Hz -> 20 ms per periodo -> finestra da 100 ms -> 5 periodi in media.

Perfino nel caso di un sistema statico, la potenza calcolata mostrerà una leggera ondulazione (ripple) residua. Il calcolo completo di tutte le grandezze in catman EASY comprende il valore quadratico medio (RMS) ed anche il valore medio (MEAN) in funzione del tempo della finestra. Nessuno di essi viene formato con un processo di media ascendente con n valori come, ad esempio, con l'MX403B. Ciò richiederebbe un buffer per n valori, limitando così il massimo tempo della finestra! Invece il processo è del tipo ad iterazione in un solo passo, rendendo così inutile la memoria intermedia (buffer). Le formule sono le seguenti:

RMS (n) = sqrt((1-a)*valore misurato(n)*valore misurato(n) + a * RMS(n-1))
MEAN (n) = (1-a)*valore misurato(n) + a * MEAN(n-1))
a = exp(-1/(cadenza campionamento * tempo finestra))

Il processo è più rapido, non richiede praticamente alcun buffer, e può perciò essere implementato in finestre di qualsiasi dimensione. Il risultato concorda strettamente con i valori calcolati a bordo con l'MX410B o l'MX403B. Gli RMS e MEAN possono essere anche filtrati per il livellamento. Gli altri canali di calcolo vengono computati come segue:

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 °

Il processo di parametrizzazione del calcolo della potenza.

Il compito è ora quello di eseguire una misurazione con le grandezze che sono state appena ottenute. Nell'esempio, l'oggetto di misura è una lampadina a filamento da 60 Watt. Il grafico può essere semplicemente esportato in un rapporto di misura scritto in Microsoft Word con Text Markers (linguetta Office).

Per confronto, un altro grafico mostra la misurazione di carichi induttivi. In questo caso, l'oggetto di misura è un saldatore da 50 Watt.

Analisi dei dati di misura registrati

Successivamente viene eseguita un'analisi del segnale nel dominio della frequenza basata sulla Trasformata Rapida di Fourier (FFT). Essa facilita la transizione dei segnali nel tempo a quelli nel dominio della frequenza. Diamo ora uno sguardo più da vicino alla modalità analisi dei dati (post-elaborazione). L'impiego del software di misura catmanEasy consente la vista e l'analisi della distribuzione di frequenze di uno o più segnali, in cui il numero di valori misurati da impiegare per calcolare l'ampiezza dello spettro rappresenta un parametro necessario.

L'analisi in frequenza nella modalità post-elaborazione usa la FFT per calcolare uno spettro (spettro di ampiezza, fase o potenza). La vista di spettri multipli nel tempo è particolarmente importante nel caso di funzionamento dinamico. Per tale scopo si può utilizzare un "diagramma waterfall" (a cascata d'acqua), per poi mostrare lo spettro di ampiezza tracciato in tre dimensioni. La vista può essere liberamente ruotata in tutte le direzioni. Attivare 'Generate Frequency Data Set' per ottenere un canale di frequenza disponibile per l'esportazione.