Masurarea Defazajului Fazmetru Virtual

=== 1 ===

Măsurarea defazajului

În rețelele de transport și distribuție a energiei electrice, la încercările de laborator ale mașinilor și aparatelor electrice este deseori necesară măsurarea factorului de putere sau a unghiului de defazaj.

Prin definiție, factorul de putere este raportul pozitiv și subunitar dintre puterea activă și cea reactivă.În regim sinusoidal, pentru circuitele monofazate P=UI cosφ și S=UIsin, astfel încât rezultă pentru factorul de putere expresia expresia K=cosφ unde φ este unghiul de defazaj dintre curentul și tensiunea circuitului.

În circuitele trifazate simetrice, și , astfel încât expresia factorului de putere se reduce , de asemenea , la cosinusul unighiului de defazaj.

Măsurarea defazajelor prezintă importanță îndeosebi în rețelele de transport și distribuție de energie electrică la care, în vederea funcționării acestora cu maximum de eficacitate, se urmărește ameliorarea continuă a factorului de putere,(realizarea unui factor de putere apropiat de unitate K=1) adică obținerea unui defazaj între current și tensiune ce tinde spre zero.

Determinarea cosinusului unghiului de defazaje se poate face în cazul acestor rețele fie prin metode indirecte fie prin metode directe, cu aparate speciale numite fazmetre sau cosfimetre.În cazul circuitelor de mică putere, al frecvențelor mai mari de decât 50 Hz și al curbelor nesinusoidale, determinarea defazajelor se poate face relativ simplu cu ajutorul oscilografelor sau a osciloscoapelor.

Din cauza dificultăților de calcul, metoda indirectă nu se poate aplica decât în condiții de laborator sau pentru încercări de control. În condiții de exploatare curentă, în stații electrice și în intreprinderi, defazajul se măsoară cu direct cu ajutorul aparatelor indicatoare sau înregistratoare denumite fazmetre. În acest scop se utilizează aparate electrodinamice, ferodunamice, sau feromagnetice cu dispozitivul de măsurat de tip logometric. Se mai utilizează fazmetre cu dispozitive magnetoelectrice și cu redresoare ,fazmetre electronice si fazmetre virtuale.

1.Metoda celor trei tensiuni

fig.1

    Se consideră (fig.1) o tensiune U1 (de referinta) si o tensiune U2 a cărei defazaj față de U1 se măsoară. Se consideră paralelogramul vectorilor, cu U3 vectorul rezultant prin compunerea vectorilor U1 și U2. Aplicând teorema lui Pitagora generalizată
    

    Considerând un cuadripol ca in fig.1, tensiunea U1 la intrarea sa, U2 la ieșirea sa, U3 va fi tensiunea dintre intrare și ieșirea. Relația permite stabilirea defazajului dintre tensiunile de la intrarea și ieșirea cuadripolului măsurând tensiunile U1, U2 și U3.

2.Metode osciloscopice – Metoda directa

    Se folosește în acest scop un osciloscop catodic cu două spoturi, vizualizând tensiunile de la intrarea și de la ieșirea din cuadripol. Cele două intrări Y având aceeasi bază de timp, se poate vizualiza pe ecran defazajul dintre cele doua tensiuni. Montajul este cel din figură

    Este necesar ca amplificarile pe cele două canale să fie ajustate astfel încât cele două semnale să aibă aceeași amplitudine pe ecran; se axează formele de undă pe aceeași axă orizontală și se citesc defazajul Δt și perioada T comuna (fig.3), calculând defazajul cu relatia:
    

    Pentru măsurare corectă e necesar ca intrarea si iesirea circuitului masurat sa fie asimetrice.
   Se poate folosi si un osciloscop cu un singur spot.
    -daca osciloscopul este prevazut cu o singură intrare Y, este necesar un comutator de canale cu două intrări care să aplice succesiv semnalele măsurate la amplificatorul pe verticală al osciloscopului;
    – daca osciloscopul are mai multe (cel putin două) intrări, se aplică semnalele la cele două intrări A și B și se folosește regimul ALT, axând convenabil semnalele și citind defazajul ca anterior.
    În ambele situații, frecvența comutatorului de canale (exterior sau interior osciloscopului) trebuie să fie de cel puțin 10 – 20 ori mai mare decât cea comună semnalelor măsurate.

3.Măsurarea defazajelor cu detectoare sensibile la fază

    Detectorul sensibil la fază (DSF) este un circuit electronic cu trei perechi de borne. La bornele de ieșire se obține un semnal u(t) proporțional cu produsul semnalelor um(t) și ur(t) aplicate la cele două intrări.
    Semnalul de măsurat este de formă:
    

    După forma de variație a semnalului ur(t) există:

    a) DSF armonic, când ur(t) are o variație sinusoidală în timp:
    
    
    La măsurarea fazei se presupune:
    
    Eliminând componenta de frecvență suma cu un filtru trece-jos se obține pentru tensiunea de ieșire:
    

    b) DSF releu, când ur(t) are variație dreptunghiulară în timp:
    
    

    Cu  și eliminând componența de frecvență sumă cu un FTJ, rezultă:
    

    Se observă că în ambele cazuri tensiunea de ieșire este proporțională cu defazajul dintre semnalele aplicate la intrare prin cosinusul unghiului de defazaj.
    Se utilizează trei tipuri de scheme:
    – punte de rezistențe cu diode redresoare care funcționează în ambele alternanțe ale semnalului ur(t);
    – scheme diferențiale funcționând numai într-o semiperioadă a semnalului ur(t);
    – punte cu diode redresoare în inel (modulator în inel, care este , de fapt, o schemă diferențială dublă, funcționând în ambele semiperioade ale lui ur(t). Această este schemă cea mai raspândită.

Variante de scheme pentru detecția sincronă sensibilă la fază (fig.4):
    – în semiperioada lui ur(t) în care conduc D1 si D2, im(t) produs de semnalul um(t), se închide prin (D1+R1) în paralel cu (D2+R2) – în funcție de polaritatea lui um(t) – prin I și R4; în semiperioada în care conduc D3 și D4 im(t) se închide prin (D4+R1) în paralel cu (D3+R2),

prin I și R3.
    – în altă variantă um(t) se aplică între punctele mediane ale diagonalelor punții cu diode în inel. Punctele mediane se realizează cu rezistențe sau transformatoare. Astfel de fazmetre acoperă un domeniu de la 0° la 180°.
    Detectoarele sensibile la fază se folosesc uzual asociate cu circuite defazoare etalonate, într-un ansamblu numit comparator de fază. Schema bloc de bază a unui astfel de comparator de fază se dă în fig. 5 în care:
-DE – defazor etalonat;

-DSF – detector sensibil la fază.

  Circuitul sensibil la fază trebuie să indice în acest mod de folosire numai coincidența de fază. Inițial, la ambele intrări se aplică acelasi semnal și se reglează DE pâna când instrumentul de la iesire indică defazaj zero. Indicația DE este φ1. Semnalul al cărui defazaj trebuie măsurat se aplică la borna 1, este trecut prin DE, care se va regla, compensând defazajul semnalului u1, pâna când la iesire indicația va redeveni zero. Dacă acest nou defazaj indicat de DE este φ2 defazajul dintre

cele doua semnale este:

4.Fazmetru analogic cu circuit basculant

Schema bloc a circuitului este dată in fig.6, iar semnificațiile etajelor sunt:

– AL1,AL2 – amplificator limitator;

– F1,F2 – circuite formatoare;

– CBB – circuit basculant bistabil.

Semnalele de intrare sunt transformate în semnale dreptunghiulare de AL1, AL2, apoi cu F1,F2 derivate și apoi detectate. Aplicate CBB, ele vor produce bascularea circuitului pe calea U1, respectiv rebascularea, pe calea U2. Instrumentul indicator I poate fi etalonat direct în valori ale unghiului de defazaj, indicația fiind independentă de frecvență; se măsoara curentul mediu în una din ieșirile CBB.

5.Voltmetru vectorial

    Voltmetrul vectorial este un aparat care permite măsurarea atât a amplitudinilor, cât și a diferenței de fază a doua semnale (fig.7).
    – BE1, BE2 – blocuri de eșantionare;
    – OCT – oscilator comandat în tensiune;
    – GIE – generator de impulsuri de eșantionare;
    – O – oscilator;
    – F1, F2 – filtre;
    – VE – voltmetru electronic;
    – FZ – fazmetru cu citire directă (în varianta cu CBB);
    – AL1, AL2 – amplificatoare limitatoare.

   Aparatul funcționează pe principiul eșantionării coerente și permite măsurarea unor tensiuni în domeniul de frecvență 1 MHz – 1 GHz. Sensibilitatea este de 100 μV.
BE1 și BE2 transformă semnalele U1 și U2 în semnale cu amplitudinea de la intrare și frecvență fundamentală de 20 kHz, având același defazaj ca și semnalele de intrare. Componentele de 20 kHz sunt extrase cu filtrele F1 și F2 și, prin comutare manuală, măsurate succesiv cu VE. Aceleași semnale, amplificate și limitate, sunt aduse la intrarile fazmetrului cu CBB.

6.Fazmetre numerice

Aceste aparate se bazează pe măsurarea numerică a decalajului de timp corespunzator defazajului dintre două semnale (fig.8). Daca semnalele au aceeași perioadă (frecvență), unui decalaj de timp t0 îi corespunde un defazaj în grade:
    
    Masurând intervalele t0 și T printr-o metodă numerică, se poate determina defazajul. Se numară impulsurile provenind de la un oscilator cu cuarț în intervalele t0. Cu cât frecvența acestui oscilator este mai ridicată, cu atât precizia măsurarii este

mai mare.

Pentru a pune în evidență o variație de fază de 0,1° , trebuie ca în intervalul t0 să treacă cel puțin un impuls spre numărător. În timpul T vor trece spre numărător:
     impulsuri

    Dacă T este suficient de mare, numararea lor poate avea loc. Dacă frecvența semnalului de măsurat este mare, perioada T în care se face numărarea devine relativ mică și viteza de lucru a numărătorului devine o limită superioară care nu poate fi trecută întotdeauna. Spre exemplu, la o frecvență a semnalului măsurat de 100 kHz (T= 10-5 s), numărătorul trebuie să numere 3600· 105 = 3,6· 108 imp/s, ceea ce e destul de greu de realizat, necesitând un numărător de capacitate mare și viteză ridicată. Astfel de fazmetre se folosesc pâna la frecvențe ale semnalelor de

zeci de kHz.
    Se prezintă urmatoarele scheme bloc:
    a) măsurarea defazajului folosind numărătoare :

    – P1,P2, P3 – porți;
    – OC – oscilator cu cuarț;
    – F – circuit formator;
    – N1, N2 – numaratoare;
    –  – circuit SAU – EXCLUSIV;
    – S – S – circuit START – STOP;

Se măsoară mai multe intervale t0 și T, eliminând astfel dependența preciziei

de precizia OC.

Impulsurile de la OC trec (după ce au fost formate în F) prin P1 și P2 numai când U1 si U2 sunt pozitive. Circuitul SAU – EXCLUSIV () lasă să treacă aceste impulsuri numai atunci când semnalele la intrare sunt în antifază (semnal la o singură intrare). Acest interval apare într-o perioadă de doua ori, pe o durata t0 , deci 2t0. Circuitul P3 lasă să treacă impulsurile spre N2 un timp t, determinat de N1, care numară impulsurile N ce apar într-un număr oarecare de perioade. Pentru comoditate, N se ia egal cu un multiplu de 3600, deci:
    

Când N1 incepe să numere se dă un semnal care deschide poarta P3, iar când atinge cifra maximă N se dă un semnal de închidere a porții.
   Timpul de masură este de ordinul zeci, sute de perioade ale semnalului, ceea ce duce practic la eliminarea zgomotului prin mediere.
   Frecvența maximă a semnalelor este determinată de timpul de trecere al circuitelor logice și este independentă de frecvența oscilatorului cu cuarț.
    Frecvența minimă este determinată de timpul T , deoarece este necesar ca:

    De exemplu pentru T = 1 s, rezultă Tmax = 1 s, deci fmin = 1 Hz.

    b) Măsurarea defazajului folosind un convertor numeric – analogic fig. 10

    – FA, FB – formatoare;
    – C – comparator;
    – GLT1, GLT2 – generatoare de tensiune liniar variabilă;
    – CAN – convertor analog – numeric cu aproximatii succesive.

   Formatoarele transformă semnalele în unde dreptunghiulare. Comparatorul C emite un semnal de amplitudine constantă și durată Δt. GLT1 și GLT2 sunt comandate de UA și UB, pe durata T, respectiv Δt, furnizând palierele:

    
        Comparatorul ajunge la echilibru când:

    
    – a – mărimea analogică ce se convertește;
    – r0 – mărimea analogică de referință;
    – n – numarul în care se convertețte mărimea a.
    La intrarea a se aplică semnalul U2, iar la intrarea r0 semnalul U1. Deci:

 Alegând corespunzator k1 și k2,n poate exprima în grade defazajul dintre A și B.
    Eroarea de măsurare depinde de precizia circuitelor de formare, de liniaritatea GLT1, GLT2 și de precizia CAN

Un alt exemplu de fazmetru numeric

Se știe că defazajul dintre două tensiuni U1 și U2 poate fi exprimat prin relația :

în care θ reprezintă intervalul dintre trecerile consecutive prin zero a celor două tensiuni .Prin urmare, măsurând θ (și cunoscând perioada T) se poate determina φ. O schemă ce permite măsurarea numerică a lui θ este prezentată în figura XXXXX . Tensiunile U1 și U2 sunt mai întâi formatate ( circuitele trigger TS1 și TS2) și apoi aplicate la intrările active pe front pozitiv a două monostabile (CF1 și CF2) care, în momentul când tensiunile dreptunghiulare formate din U1 și U2 ating 50% din amplitudine, emit câte un impuls scurt, distanța dintre impulsuri fiind θ=φ/ω.

Când impulsul emis de către CF1 ajunge la bistabilul TF, acesta basculează, ieșirea lui trece în 1 logic și, ca urmare, poarta P se deschide; când impulsul emis de către CF2 ajunge la bistabilul TF, acesta revine în starea inițială și poarta P se închide.

În intervalul θ cât poarta a fost deschisă, spre numărător au trecut N impulsuri de perioadă constantă T0, adică θ=NT0, relația care, asociată cu

duce la ecuația de funcționare:

Se observă că în constanta aparatului intervin perioadele T și T0 ceea ce constituie un mare neajuns(daca T0 poate fi foarte precisă, perioada T este dependentă de circuitele de intrare). Acest dezavantaj poate fi înlăturat prin eliminarea termenilor T și T0 din ; o posibilitate de eliminare constă în utilizarea unui generator de ceas (GE) special, al cărui frecvență să provină din multiplicarea perioadei T cu un factor K sufficient de mare: T’kT. Multiplicatorulde frecvență se poate realize cu un circuit de calare pe fază (PLL), realizat fie analogoc, fie numeric; pentru multiplicare se allege semnalul de referință ( în raport cu cere se măsoară defazajul, în cazul de față U1). Metoda este perfect posibilă, deoarece mărimea de măsurat, faza φ, depinde doar de poziția relativă a celor două semnale . Evident, în calculul erorilor, trebuie făcută o analiză a schmei de multiplicare . O altă metodă este detaliată în continuare.

7.Schema clasică a unui fazmetru numeric

O schemă clasică de fazmetru numeric care înlătură dezavantajul dependendenței rezultatului măsurării de perioadele T și T0 , este ilustrată în figura următoare.

Se observă că s-a mai adăugat o poartă P2 care este comandată cu un semnal de durată

mult mai mare decât perioada T, semnal obținut de la generatorul etalon (GE)prin intermediul unui diviyor de frecvență (DF). Poarta P2 permite eliminarea termenilor T0 și Tdin

Funcționarea este simplă: în intervalul Tm1 =θ cât este deschisă poarta P1 , spre poarta P2 trec impulsuri de perioadă T0, iar în intervalul Tm2=n2T0 cât este deschisă poarta P2, spre numărător trec np pachete de câte n1 impulsuri:

relație care arată că numărul afișat este proporțional cu φ și este independent atât de frecvența de tact f0, cât și de cea a tensiunilor U1 și U2.Independența indicației numărătorului față de frecvența de tact,prezintă avantajul important că generatorul etalon nu trebuie să fie calibrat, ci numai să fie stabil pe durata măsurării.(Tm2=1…10s) și după cum se va arăta, să aibă f0 cât mai mare (f0>10…30MHz)

ERORI. Cum n2 este o constantă, rezultă că eroarea de măsurare a defazajului, , este constituită din eroarea de comparare numerică (), la care trebuie adăugată și eroarea de basculare(), adică:

Eroarea de comparare numerică () provine din faptul că semnalul de perioadă T, nu este sincron cu semnalul de deschidere a porții P2, și deci ultimul pachet de impulsuri poate să încapă parțial (sau deloc ) în intervalul Tm2, adică . Împărțind acum pe ΔN cu N=npn1T0=n2T0 se obține în final :

relație ce arată că această eroare crește la frecvențe joase, și scade odată cu alegerea unui numar mai mare de pachete np.

Eroarea de basculare este ; pe de altă parte rezultă că ΔN/N=100/np[%], ceea ce arată că și deci poate fi trenscris sub forma

Limita de măsurare. Limita superioară este, că și la fazmetru cu circuit basculant,φmax=180o și care, utilizând un inversor de fază pe una din intrări (U1,U2), poate fi extinsă până la 360o .Limita inferioară , de regulă, nu coboară sub φmin=10o și este impusă de către limita superioară a domeniului de frecvențe acceptat.

Domeniul de frecvențe. Limita inferioară de frecvențe (fmin) nu coboară sub 10 Hz și este impusă, cum s-a arătat, de eroarea ΔN/N. Limita superioară (fmax) nu urcă peste sute de KHz și este determinată de frecvența f0 și de viteza de lucru a numărătorului;acesta din urmă nu depășește în mod obișnuit 10…30 MHz.

Pentru a achiziționa semnalele pentru a fi procesate pe calculator, avem nevoie de un sistem de achiziții.

8. ACHIZITIA DATELOR

Sistemele de achizție a datelor sunt sisteme care îndeplinesc urmatoarele cerințe:

– preiau date despre măsurare;

– stochează datele;

– prelucrează datele în vederea luării unei decizii;

– transmit informația (către un centru de decizie sau către operator).

Sistemele de achizțtie a datelor se pot clasifica după numarul canalelor de

preluare a datelor în:

– sisteme monocanal, cele care preiau datele de la un singur măsurand;

-cu multiplexare analogică (comutarea intrarilor se face analogic);

Alegerea tipului de sistem de achizțtie multicanal cu multiplexare analogică sau digitală se face în funcție de tipul și numarul mărimilor de măsurat, modul de variație al acestor mărimi, viteza de achiziție necesară etc.

Realizarea unei arhitecturi pentru un sistem de achiziție de date impune,în prealabil, studii complete și complexe de natură tehnică-tehnologică (analiza sistemului, procesului sau fenomenului ce trebuie monitorizat) și totodată o analiză de natură economică (pentru a deține eficiența, economie și prețuri de cost,întretinere si exploatare corespunzatoare obiectivelor impuse).

Cu alte cuvinte, se impune realizarea unei funcții obiectiv (care va avea un minimum sau un maximum) în care parametrii de modificat vor fi ponderile funcțiilor fundamentale ale sistemelor de achizitie, iar restrictiile vor fi conditii de natură tehnică și economică.

Prin urmare, este necesara definirea si analiza:

funcțiilor fundamentale ale sistemelor de achiziție;

condițiilor tehnice impuse de proces (procese);

9.Funcțiile fundamentale ale sistemelor de achizitie

Preluarea datelor despre mărimile de interes (în cazul nostru marimi electrice), cu precizarea că se analizează numai mărimi electrice (curenți, tensiuni) deoarece în esență semnalul aferent oricărei alte mărimi fizice va fi convertit în final tot în tensiune sau curent (tehnica și arhitectura convertoarelor nefiind obiectul nostru de studiu) se realizează – practic – cu ajutorul așa-numitelor plăci de achiziție (carte sunt interfețe), majoritatea plăcilor sau interfețelor utilizând semnale primare, semnale de curent sau tensiune (unificate).

Stocarea datelor se face fie temporar (pentru analiza momentană sau transmisie), fie permanent.

10.Condițiile impuse de proces

Aceste condiții sunt determinate de:

– tipul parametrilor (marimilor) monitorizate;

– modul de variație a mărimilor;

– numărul mărimilor monitorizate;

– dispunerea în spațiu a senzorilor sau traductoarelor ce preiau mărimile.

Condițiile impuse de proces determină numarul și natura intrărilor și ieșirilor necesare sistemului de achizitie precum și algoritmii ce se preteaza pentru manipularea si prelucrarea datelor.

“Dispunerea spațială” a mărimilor măsurate (eventual controlate) determină

metodele de transmisie locala a datelor.

Este de precizat că aceste condiții impuse de proces, împreuna cu condițiile de natura economică, determină în final arhitectura sistemului de măsurare electronic. Pentru clarificare, se prezintă în continuare un exemplu. Se dă un proces pentru care este necesară monitorizarea a cel putin 7 parametri, iar procesul se “întinde” pe o arie de 800 m. Trei parametri variaza lent, doi parametri sunt de natură numerică, iar ceilalți doi parametri variază rapid.

În urma măsurarilor electronice, deciziile asupra procesului se iau centralizat, de către un sistem “master” aflat la distanță față de proces. Exemplul practic al acestui tip de proces îl poate constitui sistemul de transport al petrolului prin conducte.

În aceste conditii, un sistem de măsurat electronic elegant, acoperitor, dar care nu este restricționat economic ar avea urmatoarele caracteristici:

– 7 intrari: cinci analogice, doua numerice si doua analogice;

– transmisie la distanță prin radio sau GSM;

– transmisie locala prin cablu.

Pentru a reduce costurile unui asemenea sistem se face o analiză în urmă căreia se constată dacă: alegerea unui procesor mai ieftin (care asigură performanțe mai slabe, un numar de I/O mai mic) în combinație cu un sistem de multiplexare al I/O este mai ieftin decât un procesor mai avansat care ofera un numar sufficient de I/O.

O altă problemă care apare derivă din plasarea spațială a sistemului de măsurare electronică în raport cu procesul și cu calculatorul, aceasta ducând la soluții diferite atât pentru achizitie cât și pentru transmisie (cazurile din figura următoare).

În urma analizei caracteristicilor, functiilor si restrictiilor pe care trebuie să

le satisfacă un sistem de achiziție si măsurare se poate avansa o arhitectură de

sistem de măsurare, achiziție și monitorizare modern .

11. Fazmetru virtual realizat în LabVIEW

MEDUL DE DEZVOLTARE LabVIEW

Cu LabVIEW se pot construi aplicații puternice, utilizând toate tehnologiile software cu dezvoltări grafice ușor de utilizat. Este un mediu grafic, are obiecte de dezvoltare rapidă, are integrate librării pentru: achiziții de date, instrumente de control, analizoare, networing, ActiveX și altele, flexibilitate și funcționabilitate completă, compilator pentru execuții rapide, multiplatformă.

Soluții cu programe grafice

Mulți cercetători, ingineri și tehnicieni utilizează LabVIEW la crearea soluțiilor pentru fiecare aplicație de care are nevoie. El este un program de dezvoltare pentru achiziția și control de date, analizor de date, și prezentare de date. Dezvoltarea în el constă în asamblarea de obiecte aducând instrumente virtuale prin metoda drag – and – drop, astfel se creează o interfață grafică.

Dezvoltarea completă a sistemelor

Cu LabVIEW se poate controla un sistem și prezenta rezultatele interactiv pe panoul grafic frontal. Sunt numeroase opțiuni pentru menagementul datelor, înregistrarea datelor pe disk sau direct la baza de date, sau chiar scoaterea la imprimantă. Se pot achiziționa date de la mii de dispozitive ca: GPIB, VXI, PXI, dispozitive seriale și plăci de achiziție (plug-in). Se poate de asemenea conecta la alte surse de date prin Internet la comunicații interaplicații ca: ActiveX, DDE (schimb de date dinamic) sub Windows sau librării comune pe oricare altă platformă.

După ce s-au achiziționat datele, se pot converti măsurările brute în rezultate prelucrate utilizând un analizor de date puternic văzând astfel capabilitatea mediului de dezvoltare LabVIEW. Acest mediu simplifică și reduce timpul de dezvoltare a sistemului complet cu intuirea metodei și funcțiunilor necesare în dezvoltarea cerințelor.

Dezvoltare rapidă

Cu o dezvoltare rapidă se pot monitoriza de la 4 la 10 procese. Cu modulele și ierarhiile oferite de LabVIEW se pot dezvolta rapid prototipuri pentru design și modificări de sisteme în cel mai scurt timp.

Lucru cu LabVIEW

Programul LabVIEW sau instrumentele virtuale au un panou frontal și un bloc de diagrame. Paletele în LabVIEW conțin opțiuni ce pot fi utilizate la crearea și modificarea instrumentelor virtuale. Panoul frontal utilizează o interfață grafică pe care se afișează funcțiile intrărilor și programul de ieșire. De asemenea panoul frontal conține butoanele cu întrerupere, butoane prin apăsare și alte indicatoare și controlere.

Pentru începători există și LabVIEW Online Tutorial și LabVIEW Evaluation Guide unde se prezintă modul de lucru cu mediul de dezvoltare LabVIEW.

LabVIEW pentru test și măsurători

LabVIEW este potrivit pentru dezvoltări standard, pentru aplicații de test. Cu Test Executive, care este un program de test grafic ce conține multe librării cu instrumente industriale se pot realiza dezvoltări consistente. Se pot face și aplicații pentru controlul unui proces și automatizarea fabricilor.

LabVIEW pentru cercetare și analiză

Puternicul mediu de dezvoltare a prevăzut tot ce era necesar și este integrat în mediu. Se pot face cercetări în domeniul biomedical, aerospațial precum și numeroase alte aplicații industriale ca: procesoare de semnal, filtrare, fereastră în fereastră, pentru analizoare specifice ca: analizoare timp-frecvență, forme

12.Conceptul de Instrumentație virtuală

În practică se dorește să se obțină cât mai multe facilități de la aparatele de măsurare: configurare și utilizare ușoară, automatizarea măsurării, flexibilitate, posibilitatea de a le adapta rapid la diverse necesități de laborator sau diverse procese industriale. Arhitectura închisă a aparatelor tradiționale impune un număr mare de aparate specializate pentru o aplicație de anvergură. Specificațiile impuse fiind tot mai severe, fac ca aparatele clasice sa devină nesatisfăcătoare.

Calculatoarele personale, cu posibilități deosebite de prelucrare și afișare a datelor, asociate cu sisteme hardware de achiziție a datelor permit generarea unor aparate de măsură în care elementul software este dominant, numite instrumente virtuale. Realizarea acestora, cu funcții diferite, adaptând și adăugând funcționalități noi, satisfac cerințele mereu schimbătoare ale cercetării și proiectării. Prin introducerea instrumentului virtual, utilizatorului i se dă posibilitatea să-și definească el însuși funcționalitatea instrumentului pe care îl utilizează. Reconfigurarea sa ulterioară, pentru alte aplicații, devine o problemă relativ ușoară, operația rezumându-se la elaborarea unui nou Software de aplicație, suportul Hardware fiind, în general același.

Instrumentul virtual(Fig.12) reprezintă asocierea între echipamente hardware flexibile (sisteme de achiziții de date sau aparate de măsură programabile) atașate unui microcalculator și un Software de aplicație care implementează funcțiile aparatului.

Instrumentul virtual combină, într-un mod transparent față de utilizator:

resursele calculatorului(procesor, memorie, afișaj);

posibilitățile de măsură și control ale echipamentului hardware(traductoare, circuite de condiționare a semnalului, convertoare A/D și D/A, interfețe standardizate etc.).

Software-ul pentru analiza datelor, comunicarea proceselor și prezentarea rezultatelor.

Fig.12 Instrument virtual-schema generală de principiu

Instrumentul virtual reușește să colecteze semnale fizice prin intermediul traductoarelor și convertoarelor A/D și sa le prelucreze cu aparatul matematic puternic al PC- ului. Pentru aplicații de control a proceselor, după colectarea datelor de intrare (caracteristica stării unui sistem) se generează, după un anumit algoritm dat, cu ajutorul unor convertoare numeric-analogice, semnale electrice trimise la ieșirea instrumentului virtual pentru comanda elementelor de execuție.

Se pot realiza astfel osciloscoape, analizoare spectrale, sintetizatoare de frecvențe, termometre etc. , care au aceleași funcții cu cele reale , dar pot introduce elemente suplimentare de analiză, prelucrare și stocare a datelor. De asemenea, ”butonarea” potențiometrelor și comutatoarelor se face cu mouse-ul, tastatura sau automat, utilizând imaginea panoului frontal al aparatului realizat de pe monitorul calculatorului.

13. Software pentru Instrumentație virtuală

A doua componentă majoră a instrumentului virtual este software-ul specializat. Menirea software-ului este multiplă: asigură o interfață om-mașină ușor de folosit, controlează echipamentul hardware, realizează prelucrarea matematică a datelor, prezintă și stochează rezultatul, practic coordonează resursele disponibile spre implementarea funcțiilor impuse instrumentului virtual.

Utilizatorul vede această interfață software ca o imagine grafică, cu butoane, indicatoare, pictograme, obține funcția simbolizată de acestea, adică vizualizarea anumitor date, analize matematice complexe, generarea anumitor semnale, citirea datelor de intrare, etc. Un Software de instrumentație bun posedă biblioteci specifice care scutesc utilizatorul de munca de rutină. În cazuri particulare, face posibilă accesarea unor drivere preinstalate, livrate odată cu echipamentul hardware. Apelând aceste funcții prin limbaje de înalt nivel, transferul de date rezultat este sigur, corect și suficient de rapid.

Software-ul livrat cu sistemele de achiziție permite în general realizarea unor dispozitive mai simple ca: multimetre, osciloscoape, sintetizatoare de frecvență, iar programele specializate permit implementarea unor funcții mult mai puternice, inclusiv cele de control ale proceselor.

LabVIEW utilizează o abordare revoluționară a ingineriei software prin programare vizuală, oferind flexibilitate unui limbaj de programare de înalt nivel, fără ca utilizatorul să scrie măcar un rând de cod program. Este o cale rapidă, sigură și ușoară spre elaborarea unor aplicații deosebite, adaptate cerințelor impuse, ușor de testat și depanat, permițând realizarea de programe performante.

Astfel, în loc să scrie mii de rânduri cod-program, utilizatorul își construiește aplicația într-un mod elegant, folosind mouse-ul. Interfața grafică a utilizatorului (GUI) este schițată în câteva minute, alegând din meniu o serie de elemente virtuale: butoane de selecție, câmpuri de afișare, indicatoare luminoase și cu ac, becuri de control, panouri de reprezentare, 2D/3D, blocuri de I/O etc. Programarea propriu-zisă constă în schițarea schemei bloc a sistemului. Elementele selectate sunt interconectate cu ajutorul mouse-ului, specificând astfel și calea fluxului de date. Utilizatorul, fără să cunoască un limbaj de programare clasic, poate realiza programul de care are nevoie, concentrându-se doar asupra unei scheme bloc (diagrame) mult mai apropiată de gândirea sa, decât sutele de cod program, uneori greu de controlat.

Soluția oferă avantajele semnificative ale unui mediu multitasking, putând rula simultan mai multe instrumente virtuale. Fluxul de date schițat în diagrama funcțională specifică implicit și operațiile care se execută simultan. Având un design modular, există posibilitatea ca orice instrument virtual generat să poată deveni o componentă a altuia.

Bibliotecile aferente conțin funcții sistem puternice, axate pe următoarele domenii:

achiziție de date și control (drivere pentru dispozitive I/O și automate programabile, regulatoare numerice, dispozitive de reglare-vizualizare);

control dispozitive (GPIB, VXI, RS-232);

analiză date (evaluări statistice, elemente de algebră liniară, funcții de calcul pentru domenii de timp și frecvență, filtre numerice, etc.).

Schimbul de date cu alte aplicații sau alte sisteme de calcul este posibil prin funcțiile de comunicare în rețea sau inter-aplicații incluse, neexistând nici un impediment în calea realizării unor sisteme de control distribuite.

Dispunând de un editor și de un utilizator complex pentru depanare, munca programatorului este ușurată de un help on-line foarte bogat (practic un manual complet, unde se regăsesc informații utile, de la coduri de eroare până la exemple de programe complete). LabVIEW, ca mediu de programare vizuală, este recomandat în primul rând celor care nu au ocazia să se familiarizeze cu limbajele de programare clasice. Limbajul poate fi adoptat de asemenea și în cazul când este vorba de o muncă în echipă, ce implică includerea unui număr mare de specialiști, din diverse domenii, cu o pregătire în informatică foarte variată. În LabVIEW, instrumentul virtual (programul) are două regimuri de lucru:

editarea, când se modifică funcțiile, formulele de calcul, aspectul grafic, mesajele utilizate, etc.;

funcționarea VI independent, când se rulează programul.

Instrumentul virtual are două părți principale: Panoul frontal și Diagrama bloc..

Panoul realizează interfața cu utilizatorul instrumentului virtual și reprezintă fereastra care apare pe ecranul monitorului la orice operație. El poate conține: butoane, comutatoare, grafice, aparate indicatoare, liste, meniuri, desene cu parametrii variabili, etc. Panoul frontal este elementul de bază al oricărei aplicații, deoarece toate interacțiunile operatorului cu programul de aplicație se desfășoară în fereastra acestuia. Aici se face introducerea sau extragerea datelor. Comenzile pe care trebuie să le execute utilizatorul sunt simplificate, fiind preferate elementele de comandă și afișare grafice, denumite elemente de control și elemente indicatoare.

Panoul frontal

Acest fazmetru calculează defazajul a două semnale sinusoidale cu frecvență semnalului și cea de eșantionare stabilite de operator , îi prescriem un defazaj și urmărim defazajul calculat, în comparație cu cel prescris. De asemenea, putem stabili și numărul de perioade afișate pe ecran.

Vom observa că rezultatul variază în funcție de fecvența de eșantionare (numarul de esantioane/perioadă). Am realizat două scheme, una care măsoară doar defazajul și una care face un număr de măsurători prescris de operator, multiplicând frecvența de eșantionare după un algoritm.Am relizat acest lucru, pentru a face un studiu comparativ al măsurărilor si erorilor în funcție de numărul de eșantioane pe fiecare perioadă.

Schema fazmetrului virtual

LabVIEW pentru simularea semnalelor și eșantionarea lor folosește frecvență normalizată: raportul dintre frecvența semnalului și frecvența de eșantionare.

Defazajul dintre două semnale sinusoidale este proporțional cu amplitudinea semnalului sumă. Algoritmul de calcul presupune normarea celor două semnale înainte de sumare.

Defazajul în grade, va fi

unde U1n, U2n sunt semnalele S1, S2 normate.

În figura următoare sunt prezentate două semnale defazate (cu defazaj prescris). Calculul defazajului prin această metodă nu depinde de perioada semnalelor analizate.

Vom analiza două semnale cu aceiași frecvență și același numar de eșantioane, modificând doar numărul de perioade afișate, două cinci și respectiv zece perioade

Observăm că avem două semnale de 12 kHz cu un defazaj prescris de 19o , analizate doar pe două perioade, cu un număr de eșantioane pe o perioadă cuprins între 4 și 203. Urmărim în următorul desen că semnalul va avea aceleași caracteristici, modificăm doar numărul de perioade analizate.Vom observa că eroare nu se modifică deloc.

Concluzia este că indiferent de numărul de perioade afișat, rezultatele măsurării rămân aceleași.

Analizăm cinci perioade

analizăm zece perioade

Eroriile cele mai mari apar datorită alegerii frecvenței de eșantionare necorespunzătoare.

Pentru a analiza efectul erorilor în funcție de frecvența de eșantionare, am creeat un instrument la care introducem numarul de cicluri de masurare și în funcție de acesta crește frecvența de eșantioane. Acest instrument va calcula defazajul începând cu 4 eșantione pe o perioadă (fercvența de eșantionare minimă este de minimum patru ori mai mare decât frecvența semnalului de analizat).Frecvența de eșantionare crește după formula

unde I=0…..n

În continuare voi prezenta câteva măsurări și evoluția erorilor în funcție de frecvența de eșantionare(numărul de eșantioane pe o perioadă )

Am luat luat un semnal de 9 Khz cu un număr maxim de 93 de eșantioane pe o perioadă și observăm că eroare este (între 0,01 și 0,5 în valori absolute,iar in valori relative între 0,04 și 2%) începând de la 55 de eșantioane pe o perioadă .

Observăm că de la 150 de eșantioane pe o perioadă, eroarea absolută scade sub 0,1 în valori absolute și sub 0,3% în valori relative.

Pentru defazaje mai mari, vom observa că va scadea si eroare relativă:

La defazaj de 48 o obținem o eroare relativă de sub 0,1%

La defazaj de 85o obținem o eroare relativă de sub 0,03% , păstrând celelalte caracteristici a semnalului.

Tragem concluzia că, pentru defazaje mici, crește eroarea relativă, pentru a înlătura acest inconvenient, modificăm instrumentul, și la defazaje mai mici de No se va modifica automat constanta de multiplicare a frecvenței de eșantionare.

Vom analiza două măsurători cu cele două instrumente.

măsurarea cu modificarea automată a constantei de multiplicare.

În continuare vom analiza cateva măsurători în care vom modifica frecvența semnalului, și vom observa că eroare se pastrează, indiferent de frecvența semnalului achiziționat (frecvența de eșantionare crește proporțional cu frecvența semnalului, sigura limitare venind de la suportabilitatea plăcii de achiziții )

Dacă dorim sa stabilim o valoare maximă a erorii de măsurare, stabilim constanta de multiplicare a frecvenței de eșantionare până la limit ape care o suportă placa de achiziții.

Observăm ca după ce avem mai mult de 100 eșantioane pe o perioadă , eroarea scade foarte mult .

14. Concluzii

Determinarea cosinusului unghiului de defazaje se poate face fie prin metode indirecte fie prin metode directe, cu aparate speciale numite fazmetre sau cosfimetre.

În cazul circuitelor de mică putere, al frecvențelor mai mari de decât 50 Hz și al curbelor nesinusoidale, determinarea defazajelor se poate face relativ simplu cu ajutorul oscilografelor sau a osciloscoapelor.

Din cauza dificultăților de calcul, metoda indirectă nu se poate aplica decât în condiții de laborator sau pentru încercări de control.

În condiții de exploatare curentă, în stații electrice și în intreprinderi, defazajul se măsoară cu direct cu ajutorul aparatelor indicatoare sau înregistratoare denumite fazmetre. În acest scop se utilizează aparate electrodinamice, ferodunamice, sau feromagnetice cu dispozitivul de măsurat de tip logometric. Se mai utilizează fazmetre cu dispozitive magnetoelectrice și cu redresoare ,fazmetre electronice si fazmetre virtuale.

Expresia factorului de putere se reduce , de asemenea , la cosinusul unighiului de defazaj.

Indiferent de numărul de perioade pe care facem măsurarea, rezultatele măsurării rămân aceleași

Eroriile cele mai mari apar datorită alegerii frecvenței de eșantionare necorespunzătoare.

pentru defazaje mici, crește eroarea

creșterea frecvenței de eșantionare este limitată de proprietățile sistemului de achiziții

=== d2 ===

Panoul frontal

Acest fazmetru simulează două semnale sinusoidale cu frecvență semnalului și cea de eșantionare stabilite de operator , îi prescriem un defazaj și urmărim defazajul calculat în comparație cu cel prescris.De asemenea, putem stabili și numărul de perioade afișate pe ecran.

Vom observa că rezultatul variază în funcție de fecvența de eșantionare (numarul de esantioane/perioadă).

Schema

LabVIEW folosește frecvență normalizată:raportul dintre frecvența semnalului și frecvența de eșantionare.

Defazajul dintre două semnale sinusoidale este proporțional cu amplitudinea semnalului sumă. Algoritmul de calcul presupune normarea celor două semnale înainte de sumare.

Defazajul în grade, va fi

unde U1n, U2n sunt semnalele S1, S2 normate.

În figura următoare sunt prezentate două semnale defazate (cu defazaj prescris). Calculul defazajului prin această metodă nu depinde de perioada semnalelor analizate.

În figurile următoare sunt analizate două și cinci perioade

Eroriile cele mai mari apar datorită alegerii frecvenței de eșantionare necorespunzătoare.

Pentru a analiza efectul erorilor în funcție de frecvența de eșantionare, am creeat un instrument la care introducem numarul de cicluri de masurare și în funcție de acesta crește frecvența de eșantioane . Acest instrument va calcula defazajul începând cu 4 eșantione pe o perioadă (fercvența de eșantionare minimă este de minimum patru ori mai mare decât frecvența semnalului de analizat).Frecvența de eșantionare crește după formula

unde i=0…..n

În continuare voi prezenta câteva măsurări și evoluția erorilor în funcție de frecvența de eșantionare(numărul de eșantioane pe o perioadă )

Vom analiza un semnal cu frecvența de 12KHz.

Observăm ca după ce avem mai mult de 100 eșantioane pe o perioadă , eroarea scade foarte mult .

……………………………………

……………………………..

………