Zaloguj
Precision Power Scope, czyli oscyloskop do precyzyjnego pomiaru mocy elektrycznej? Brzmi to dość zaskakująco i enigmatycznie, oscyloskop postrzegany jest bowiem raczej jako uniwersalny przyrząd pomiarowy, nie zaś jako urządzenie dedykowane do pomiarów wąskiej grupy parametrów.
Można sądzić, że pomiar mocy każdym oscyloskopem cyfrowym wyposażonym w sondy prądowe, nie powinien stanowić większego problemu. Tymczasem Yokogawa proponuje specjalny typ oscyloskopu, który właściwie nie nadaje się do pomiarów innych parametrów niż moc elektryczna. Urządzenie opatrzone symbolem PX8000 nie jest jednak wyłącznie oscyloskopem, de facto mamy do czynienia ze skomplikowanym miernikiem mocy i jakości mocy, za pomocą którego można prowadzić kompleksową ocenę sieci energetycznych i systemów zasilania.
Nietypowa budowa
Fotografia 1. Widok wkładek pomiarowych: a) kanał napięciowy, b) kanały prądowe, c) kanały dodatkowe
Moc jest iloczynem napięcia i prądu. Do jej wyznaczenia jest więc konieczny pomiar obu tych parametrów. W tym celu PX8000 wyposażono w 3 pary wkładek napięciowych i prądowych umożliwiających badanie 3-fazowych instalacji elektrycznych (fotografia 1). Znalazło się też miejsce dla dwóch dodatkowych kanałów oscyloskopowych.
Ostatecznie można powiedzieć, że mamy do czynienia z 8-kanałowym oscyloskopem o bardzo specyficznych parametrach i cechach użytkowych. Należy zwrócić uwagę na możliwość bezpośredniego dołączania wysokich napięć oraz mierzenia prądów o dużych natężeniach.
Pomiar prądów zawsze stanowi pewien niewygodny problem. Tradycyjna metoda polega na włączeniu amperomierza w obwód elektryczny szeregowo z obciążeniem. Wiąże się to z koniecznością przerwania połączeń, a to nie zawsze jest wygodne, a nawet możliwe. Alternatywną metodą jest stosowanie cęgów prądowych, które są zakładane na jeden z przewodów prądowych. W takim przypadku obwód wprawdzie nie jest przerywany, ale przewody muszą być co najmniej rozszyte, tak aby możliwe było objęcie jednego z nich cęgami.
Wkładki prądowe oscyloskopu PX8000 mają zdublowane wejścia. Dolną parę gniazd można traktować jako zaciski pomiarowe amperomierza, do górnego wejścia (typu BNC) dołączana jest natomiast sonda prądowa z wyjściem napięciowym. Typowe współczynniki przetwarzania są równe 50 mA/V i 500 mA/V.
Dwa dodatkowe kanały pomiarowe (AUX) są wykorzystywane na przykład przy pomiarach silników elektrycznych. Oscyloskopem PX8000 można mierzyć prędkość obrotową, moment obrotowy i moc silnika.
Filozofia pomiarów
Rysunek 2. Przykładowe konfiguracje pomiarowe
Przyrząd PX8000 zaskakuje użytkowników w każdym elemencie. Trudno przenieść na niego przyzwyczajenia z obsługi klasycznych oscyloskopów. Zastosowane w PX8000 rozwiązania związane są ze specyfiką pomiarów sieci 3-fazowych zarówno dla konfiguracji gwiazdy, jak i trójkąta (połączenia 3- lub 4-przewodowe). Przyjęta koncepcja nie jest zbyt czytelna. Aby ją zrozumieć, trzeba dość dokładnie przeanalizować instrukcję. Jednym z ważniejszych pojęć jest system połączeń (Wiring System), określający topologię połączenia przyrządu z badaną siecią. Możliwe są 4 przypadki:
- 1P2W - jedna faza, połączenia dwoma przewodami,
- 1P3W - jedna faza, połączenie trzema przewodami,
- 3P3W - trzy fazy, połączenie trzema przewodami,
- 3P4W - trzy fazy, połączenie czterema przewodami,
- 3P3W (3V3A) - metoda trzech napięć i trzech prądów.
W ramach systemu połączeń wyróżnia się jednostki połączeniowe (Wiring Units) składające się z dwóch lub trzech pogrupowanych ze sobą tzw. elementów. Można zdefiniować dwie takie jednostki: ΣA i ΣB. Elementy są definiowane przez pomiarowy kanał napięciowy, kanał prądowy, wirtualny kanał obliczający moc, filtr liniowy i filtr częstotliwościowy (oba filtry są przypisane do kanału napięciowego, prądowego i mocowego danego elementu).
Filtr liniowy eliminuje wysokoczęstotliwościowe zakłócenia. Jego częstotliwości graniczne są równe: 500 Hz, 2 kHz, 20 kHz i 1 MHz. Filtr częstotliwościowy jest natomiast dołączany do bloku pomiaru częstotliwości badanego napięcia (prądu). Jego parametry graniczne są równe: 100 Hz, 500 Hz, 2 kHz lub 20 kHz. Oba filtry mogą być też wyłączone.
Rysunek 3. Pomiar z zastosowaniem h formuł obliczający sprawność przetwornicy DC/AC
Możliwe jest ponadto utworzenie 4 elementu, do którego są przypisane np. dodatkowe kanały pomiarowe AUX (CH7 i CH8). Taka konfiguracja może być wykorzystywana do pomiarów parametrów silników elektrycznych. Przykładowe połączenia dla sieci 3-fazowych przedstawiono na rysunku 2.
Przyjęta w oscyloskopie PX8000 koncepcja konfiguracji toru pomiarowego pozwala na wyznaczanie złożonych parametrów, które są w szerokim zakresie definiowane przez użytkownika. Jednym z ważniejszych jest obliczanie wydajności (sprawności) badanej sieci. Obliczenia tych parametrów są oparte na tzw. η formułach. Możliwe jest zdefiniowanie 4 takich formuł.
Argumentami obliczeń mogą być moce wyznaczone w każdym z 4 elementów, suma mocy z każdej jednostki połączeniowej (PΣA i PΣB, moc Pm z modułów wykorzystujących kanały dodatkowe AUX, a także argumenty definiowane przez użytkownika. Przykładem zastosowania η formuł jest obliczanie sprawności falowników (inwerterów).
Rysunek 4. Elementy regulacyjne oscyloskopu PX8000
W tym przypadku moc dostarczana (wejściowa) jest obliczana w elemencie 1 w jednofazowym obwodzie dwuprzewodowym, a moc pobierana (wyjściowa) jest obliczana w elemencie 2, który jest również utworzony z obwodu jednofazowego, dwuprzewodowego. Odpowiednia η formuła oblicza sprawność jako: η=P2/P1×100%. Na podobnej zasadzie mogą być tworzone dużo bardziej złożone wyrażenia matematyczne.
Przykładowe wyniki pomiarów z zastosowaniem η formuł przedstawiono na rysunku 3. Badano tu turystyczną przetwornicę napięcia stałego 12 V na napięcie zmienne 230 V o nominalnej mocy wyjściowej 200 W. Przetwornice obciążono świetlówką o mocy 10 W. W polu η1 umieszczono formułę zdefiniowaną według wcześniejszego opisu. Moc P1 mierzono elementem 1 po stronie DC, natomiast moc P2 mierzono elementem 2 po stronie AC. Jak widać, w takich warunkach przetwornica osiąga sprawność ok. 71%. Niestety obserwujemy również jak dalece napięcie wyjściowe odbiega od sinusoidy.
W oscyloskopie PX8000 zaimplementowano ponadto funkcje wspomagające wyznaczanie parametrów międzyfazowych. Są to tzw. Obliczenia Delta (Delta Computation, Δ Measure) umożliwiające wykonanie obliczeń takich parametrów, jak: napięcia i prądy różnicowe, napięcie liniowe i prąd fazowy (3P3W > 3V3A), dokonywane są także przekształcenia gwiazda -> trójkąt i trójkąt -> gwiazda.
PX8000 jako oscyloskop
Rysunek 5. Jednorazowe wyzwolenie poziomem napięcia wykorzystane do pomiaru prądu rozruchowego silnika elektrycznego, a) moc chwilowa w fazie rozruchu, b) moc chwilowa w warunkach ustabilizowania się obrotów
Jak oznajmia producent, przyrząd PX8000 mimo dość wąskiego przeznaczenia jest jednak oscyloskopem. Potwierdzeniem tego jest szereg jego cech funkcjonalnych, parametrów technicznych charakteryzujących oscyloskopy, a także ogólna zasada obsługi. Przyjrzyjmy się więc elementom regulacyjnym umieszczonym na płycie czołowej (rysunek 4).
Łatwo dostrzec charakterystyczne dla oscyloskopów pokrętła: podstawy czasu, czułości kanałów pomiarowych, przesuwu oscylogramów. Są też elementy uaktywniające obliczenia matematyczne, pomiary automatyczne i kursorowe, a także przełączniki wyboru trybów wyzwalania, akwizycji itp. Uzupełniają je elementy konfigurujące pomiary mocy i klawiatura numeryczna.
Tabela 1. Zależności między częstotliwością podstawową, szybkością próbkowania, szerokością okna i maksymalną liczbą harmonicznych
O sprofilowaniu oscyloskopu PX8000 do pomiarów mocy decyduje przede wszystkim oprogramowanie firmowe oraz niektóre rozwiązania układowe, np. duża liczba kanałów pomiarowych, w tym standardowe wyposażenie w kanały prądowe. Ogólna zasada działania jest natomiast charakterystyczna dla oscyloskopu cyfrowego. Jest więc układ akwizycji z przetwornikami analogowo-cyfrowymi, rekord danych, w którym są zapisywane spróbkowane dane itd.
Rysunek 6. Tabelaryczna forma prezentacji pomiarów harmonicznych
Układ akwizycji pracuje w trybach spotykanych w zwykłych oscyloskopach cyfrowych (Auto, AutoLevel, Normal, Single, SingleN, On Start). Są one wybierane w zależności od charakteru pomiarów. Na przykład przy badaniu prądu rozruchowego silnika elektrycznego, albo przy analizie startu przetwornicy napięciowej najlepsze będzie prawdopodobnie wyzwolenie jednorazowe lub typu Normal z odpowiednio wybranym zdarzeniem wyzwalającym (rysunek 5).
Najczęściej stosowane jest proste wyzwalanie poziomem napięcia, prądu lub mocy, ale możliwości jest znacznie więcej. W trybach rozszerzonych można tworzyć złożone sekwencje wyzwalające, składające się z dwóch zdarzeń uzależnionych od siebie zależnościami czasowymi lub logicznymi. Przykładem jest wyzwalanie A->B(N), w którym najpierw oczekiwane jest zdarzenie zdefiniowane jako A, a następnie zliczane są zdarzenia zdefiniowane jako B.
Po n-tym wystąpieniu takiego zdarzenia następuje wyzwolenie. Pozostałe zdarzenia wyzwalające w trybie rozszerzonym to: A Delay B, Edge On A, OR, AND, Period, Pulse Width, Wave Window. Dostrzegamy więc duże podobieństwa do trybów wyzwalania stosowanych w klasycznych oscyloskopach cyfrowych. Dotyczy to również źródeł wyzwalania.
Rysunek 7. Wykres słupkowy przedstawiający zawartość harmonicznych
Mogą nimi być wszystkie kanały napięciowe, prądowe, wirtualny kanał mocy oraz kanały dodatkowe, a także sygnały zewnętrzne doprowadzone do specjalnego gniazda. Możliwe jest wybranie jednej z trzech wielkości histerezy układu wyzwalającego, dzięki czemu unika się zrywaniu synchronizacji oscylogramów przy dużych szumach.
Dodatkowe możliwości optymalnego wyzwalania daje parametr Hold-Off, który usypia układ akwizycji na określony czas po wyzwoleniu. W pomiarze przedstawionym na rys. 5 zastosowano jednorazowe wyzwalanie poziomem napięcia U1 (na narastającym zboczu). Przy takich nastawach wyraźnie uchwycono moment startu silnika, a po zastosowaniu funkcji pomiarowych w prosty sposób stwierdzono, że moc rozruchowa jest ok. 10 razy większa od mocy pobieranej już w warunkach ustabilizowanych.
Klasa oscyloskopu cyfrowego, a zarazem jego możliwości pomiarowe oceniana jest z grubsza zwykle na podstawie kilku najważniejszych parametrów, takich jak: pasmo analogowe, szybkość próbkowania, długość rekordu. W przypadku PX8000 jest podobnie, z tym że nie do końca. Producent na przykład w ogóle nie określa pasma analogowego, podaje natomiast częstotliwości filtru liniowego i częstotliwościowego, o których była już mowa.
Rysunek 8. Wykres FFT widma prądu ładowania akumulatora telefonu Nokia
Bardziej istotne są natomiast maksymalne napięcia, które mogą być dołączane do kanałów pomiarowych. I tak: maksymalny napięciowy zakres pomiarowy oscyloskopu PX8000 jest równy 1000 VRMS, zaś maksymalny zakres prądowy dla wewnętrznego przetwornika jest równy 5 ARMS.
Standardowo rekord ma 10 Mpunktów, może być on jednak zwiększony do 50 Mpunktów dla opcji M1 i do 100 Mpunktów dla opcji M2. Na twarzach użytkowników oscyloskopów cyfrowych przyzwyczajonych do szybkości próbkowania mierzonych w gigasamplach na sekundę może pojawić się wyraz zwątpienia, gdy spojrzą na szybkość próbkowania oscyloskopu PX8000, ponieważ wynosi ona "zaledwie" 100 MSa/s.
Pamiętajmy jednak, że przyrząd ten jest wykorzystywany do pomiarów sygnałów o względnie niskich częstotliwościach. Z drugiej strony trzeba jednak pamiętać, że sygnały te mogą zawierać krótkie impulsy o stromych zboczach, znacznie poszerzające widmo częstotliwościowe, narzucając tym samym odpowiednio wysoką minimalną częstotliwość próbkowania.
Rysunek 9. Wykres X-Y
Należy tu jednak uspokoić użytkowników. Parametry oscyloskopu PX8000 umożliwiają dokonywanie pomiarów harmonicznych wysokiego rzędu, nawet w wysokoczęstotliwościowych przetwornicach. Co więcej, prawdopodobnie trudno byłoby obecnie znaleźć inny przyrząd tej klasy wykorzystywany do takich pomiarów. Maksymalna liczba analizowanych harmonicznych, szybkość próbkowania i szerokość okna są funkcjami częstotliwości podstawowej mierzonego sygnału. Zależności te przedstawiono w tabeli 1.
Jedną z ważniejszych zalet oscyloskopu PX8000 jest bardzo duża rozdzielczość i dokładność pomiarów, co uzyskano dzięki zastosowaniu 12-bitowych przetworników A/C. Oscylogramy są wyświetlane na powierzchni o rozmiarach 801×656 pikseli.
Cała matryca wyświetlacza (LCD TFT) ma 1024×768 punktów. Pola numeryczne wyświetlające liczbowe wartości mierzonych parametrów mają szerokość 5 lub 6 cyfr. Przykładowo, uzyskiwane dokładności przy wyłączonych filtrach są równe:
napięcie i prąd - {0,001×f + 0,001×n}%odczytu +0,1% zakresu,
moc - {0,002×f + 0,002×n}%odczytu +0,2% zakresu,
gdzie f - częstotliwość harmonicznej [kHz], n - numer harmonicznej.
Wyniki analizy harmonicznych mogą być przedstawiane w postaci tabelarycznej, jak na rysunku 6 lub w postaci wykresu słupkowego (rysunek 7).
Obliczenia matematyczne, praca w trybie X-Y
Rysunek 10. Wykres wektorowy parametrów sieci 3-fazowych
Na tym nie kończą się podobieństwa przyrządu PX8000 do klasycznego oscyloskopu cyfrowego. Użytkownicy mogą korzystać z bardzo rozbudowanego mechanizmu obliczeń matematycznych, mogą tworzyć własne wyrażenia matematyczne pozwalające na wyznaczanie nie mierzonych standardowo parametrów. Do kategorii obliczeń zaliczana jest także analiza FFT, taka sama, jaką spotykamy w zwykłych oscyloskopach cyfrowych.
Na rysunku 8 przedstawiono pomiary ładowarki telefonu Nokia podczas ładowania akumulatorów. Wyraźnie widoczny jest impulsowy charakter pracy, mający swoje odzwierciedlenie w widmie prądu pobieranego z sieci elektrycznej, a także w zawartości harmonicznych (pole Ithd1 w części numerycznej ekranu).
Zależności fazowe między przebiegami są bardzo dobrze eksponowane w trybie X-Y. W oscyloskopie PX8000 argumentami wykresów tego typu mogą być sygnały z każdego kanału napięciowego, prądowego, mocowego, dodatkowego, a także wyniki obliczeń matematycznych (rysunek 9). Na ekranie można wyświetlać jednocześnie dwa wykresy X-Y.
Do wizualnej interpretacji parametrów obwodów 3-fazowych służą natomiast wykresy wektorowe. Są one dostępne jednak tylko opcjonalnie. Wykres wektorowy stanowi wizualizację 3D napięć i prądów fazowych (rysunek 10).
Testy GO/NO-GO, zapisywanie i drukowanie danych i konfiguracji
Użytkownik może także zapisywać konfigurację przyrządu w pamięciach masowych typu pendrive, kartach SD lub na dyskach sieciowych, jeśli oscyloskop połączono z jakąś siecią LAN. Możliwe jest również wykonywanie zrzutów ekranowych i robienie bezpośrednich wydruków m.in. na wbudowanej drukarce (wyposażenie opcjonalne).
Analizę danych zarejestrowanych w trakcie pomiaru umożliwiają zaawansowane opcje przeszukiwania i śledzenia historii. Ich skuteczność jest zależna od długości rekordu.
Mierzone oscyloskopem PX8000 parametry mają w wielu przypadkach bardzo złożone definicje. Aby uniknąć ewentualnych nieporozumień związanych z ich interpretacją, w dodatku do instrukcji obsługi podano dokładne definicje i wzory opisujące każdy z mierzonych parametrów. Znajdują się tu również opisy stosowanych metod pomiarowych. Tę część manuala można traktować jak nienajgorszy podręcznik zawierający sporą dawkę specjalistycznej wiedzy.
Wadą oscyloskopu PX8000 jest niezbyt intuicyjne konfigurowanie pomiaru. Początkowo trudno jest opanować i powiązać ze sobą wszystkie Elementy, Jednostki Połączeniowe Pomiary typu delta, η formuły itp. Wiele wątpliwości rozjaśnia się jednak w miarę wykonywania kolejnych eksperymentów. W czasie pomiarów należy zachowywać najwyższą czujność i przestrzegać zasad BHP. Mamy bowiem do czynienia z napięciami zagrażającymi życiu. Oscyloskop PX8000 będą jednak obsługiwać najwyższej klasy specjaliści, którzy doskonale zdają sobie sprawę ze wszystkich zagrożeń. Nie można też pominąć stresu związanego z obsługą nie taniego przyrządu.
Jarosław Doliński, EP
Dodatkowe informacje:
NDN
ul. Janowskiego 15, 02-784 Warszawa
tel/fax: 22 641 61 96, 22 644 42 50, 22 641 15 47
e-mail: ndn@ndn.com.pl, www.ndn.com.pl
