Calcolo della potenza elettrica usando il QuantumX ed il catman

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.

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.

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.

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))
ove a = exp(-1/(cadenza campionamento * tempo finestra)). Il MEAN (media) viene formato in modo simile:
MEAN (n) =  (1-a)*valore misurato(n) + a * MEAN(n-1))

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 è il seguente:

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:

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.