В случае цифровой измерительной регистрации входные аналоговые (непрерывные) сигналы представляются цифровыми кодами, т.е. дискретными во времени и квантованными по уровню значениями (отсчетами). Рассмотрим вычисление различных параметров и функций на примере напряжений и токов в электрических цепях.
Любой аналоговый сигнал x(t) можно представить (с той или иной достоверностью) последовательностью цифровых эквивалентов (кодов) мгновенных значений хi.
Чем большее число кодов (отсчетов) получено на одном периоде сигнала Т (чем меньше шаг дискретизации Тд и чем выше разрядность аналого-цифрового преобразования, тем точнее будет представлен сам сигнал в цифровом виде и тем точнее будут результаты всех последующих вычислений. В современных регистраторах/анализаторах типичное число отсчетов на одном периоде сигнала (Т = 20мс) равно 100... 200. Разрядность аналого-цифрового преобразования 10... 16 бит (двоичных разрядов).
Если преобразовать в коды достаточно длительную реализацию входного сигнала (не менее одного периода T), то полученный массив цифровых эквивалентов может быть использован для нахождения различных параметров и функций. По нему можно найти числовые значения некоторых величин, а также построить различные функциональные зависимости.
Мы уже знаем, что истинное среднее квадратическое (действующее) значение (СКЗ) любого аналогового периодического сигнала x(t) с периодом Т определяется выражением
На основе массивов кодов, полученных в результате быстродействующего аналого-цифрового преобразования входных периодических сигналов напряжения и тока, микропроцессор (или компьютер) вычисляет СКЗ напряжения и тока на периоде Т. Процедуры вычисления СКЗ по отдельным цифровым отсчетам аналогичны выражениям для непрерывных функций, Например, для случая вычисления СКЗ периодического напряжения и(t) по полученным N результатам аналого-цифрового преобразования (кодам) иi входного периодического сигнала процедура вычисления такова:
Множество таких последовательно вычисленных значений дает возможность построить график изменения (функцию) действующего значения uс.к (t) во времени. Аналогично могут быть получены СКЗ тока Iс.к и функция iс.к (t). На основе вычисленных значений напряжения и тока можно найти также значения и функции других важных параметров электрических сигналов, таких как мощность (активная и реактивная), энергия (активная и реактивная), коэффициент мощности и др. Формулы, по которым вычисляются эти значения, напоминают (по сути повторяют) выражения для аналоговых (непрерывных) сигналов.
Регистраторы/анализаторы, предназначенные для работы в трехфазных электрических сетях, вычисляют СКЗ напряжений и токов, а также мощностей отдельно по каждой фазе. Затем можно найти самые различные дополнительные параметры трехфазной сети, например, средние по трем фазам значения СКЗ напряжений (Uс.к)с и токов (Iс.к)с, общую (суммарную) активную мощность по всем трем фазам РΣ, среднее значение коэффициента мощности kм.с по трем фазам и др.
Рассмотрим подробнее вопрос формирования функциональных массивов кодов. На рис. 7.18 приведена упрощенная структурно-алгоритмическая схема регистратора/анализатора в режиме регистрации напряжения, тока, вычисления функции мощности и активной энергии (только для одной фазы).
Структура имеет два входных канала, на которые от исследуемого объекта поступают, соответственно, напряжение u (t)и ток i (t) одной фазы. Входные сигналы уменьшаются (с помощью трансформаторов напряжения, делителей, шунтов или других преобразователей напряжения и тока) в пропорциональные напряжения небольших амплитуд (2... 10 В). Затем с достаточно высокой частотой дискретизации (5... 20 кГц) они синхронно преобразуются отдельными аналого-цифровыми преобразователями АЦП в массивы кодов напряжения и тока. Эти массивы упорядочение складываются и хранятся в оперативных запоминающих устройствах напряжения (ОЗУ U) и тока (ОЗУ I). Если полученные на интервале, например, одного периода одноименные (т.е. полученные в одни и те же моменты) коды этих массивов перемножить с помощью микропроцессорного контроллера МК, то можно получить третий массив – массив кодов функции мощности (ОЗУ Р).
Проинтегрировав этот новый массив, можно получить четвертый массив – массив кодов, характеризующих функцию изменения активной энергии (ОЗУ W). Любой из сформированных массивов может быть восстановлен и в графическом (псевдоаналоговом) виде представлен на индикаторе (дисплее) или передан с помощью интерфейса другим устройствам.
Трехфазные регистраторы/анализаторы имеют как минимум три подобных входных канала напряжения и три входных канала тока и синхронно регистрируют сигналы по всем этим каналам.
Рис. 7.18. Упрощенная структура регистратора/анализатора
7.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПИЧНЫХ РЕГИСТРАТОРОВ/ АНАЛИЗАТОРОВ
Существует несколько вариантов реализации процедур регистрации и анализа. Наиболее широко распространены малогабаритные автономные регистраторы/анализаторы различных физических величин (процессов), а также компьютерные средства регистрации и анализа. Рассмотрим их основные возможности и характеристики.
7.4.1. Регистраторы/анализаторы параметров электропотребления
Современные микропроцессорные регистраторы/анализаторы параметров электропотребления в электрических цепях – это переносные малогабаритные приборы. Основные характеристики типичных представителей этого класса таковы:
• возможность работы с однофазными и трехфазными цепями (в том числе несимметричными);
• верхний предел диапазонов измерения входных напряжений – линейных до 600... 1000 В, фазных до 500...600 В;
• верхний предел диапазона измерения входных токов (с применением токовых клешей, обеспечивающих измерения без разрыва цепи исследуемого тока) – до 2000...5000 А (в зависимости от типа используемых клещей);
• выходная информация – средние квадратические (действующие) значения напряжений и токов, значения мощностей (активной и реактивной – индуктивного и емкостного характера), коэффициентов мощности (соs φ) по каждой фазе, частоты сети, энергии (активной и реактивной как индуктивного, так и емкостного характера);
• программируемые режимы работы и диапазоны измерений;
• представление зарегистрированных сигналов напряжений и токов во временной и частотной областях, числовое и графическое представление спектрального состава напряжений и токов (при поддержке специализированного программного обеспечения);
• возможная длительность регистрации – до нескольких месяцев;
• объем внутренней памяти данных – 128 Кбайт... 1 Мбайт (возможно также использование дополнительных карт памяти);
• различные режимы запуска (по заданному текущему времени или по заданному уровню входных величин);
• внутренний энергонезависимый таймер (текущие дата и время);
• наличие специализированного программного обеспечения, которое позволяет осуществлять обстоятельный анализ зарегистрированных данных на персональном компьютере;
• погрешности измерения и регистрации напряжений и токов (без учета измерительных трансформаторов) во всем рабочем диапазоне температур: ±(0,5 % значения результата измерения + 2 единицы младшего значащего разряда);
• погрешности измерений активной и реактивной мощности (без учета измерительных трансформаторов): ±(1,0% значения результата измерения + 2 единицы младшего значащего разряда);
• частота дискретизации АЦП – до 100 кГц;
• диапазон рабочих температур – 0...50 °С;
• масса – 1 ...3 кг.
Такие приборы (совместно со специализированным программным обеспечением) позволяют измерять, регистрировать и вычислять:
• текущие средние квадратические (действующие) значения напряжений и токов; максимальные, усредненные и минимальные значения напряжений и токов во всех фазах на всем интервале регистрации;
• текущие значения активной и реактивной (как индуктивного, так и емкостного характера) мощностей; максимальные и минимальные значения активной и реактивной мощностей на всем интервале регистрации; суммарную мощность по всем фазам;
• потребленную на интервале регистрации активную и реактивную энергию;
• текущее значение частоты электрической сети;
• текущие и экстремальные значения коэффициентов мощности (соsφ);
• формы кривых сигналов напряжений и токов во всех фазах; значения коэффициентов общих гармонических искажений напряжений и токов в каждой фазе; процентный состав гармонических составляющих напряжений и токов в каждой фазе с графическим представлением в спектральной области, а также в табличной форме.
Зарегистрированные прибором данные по окончании регистрации переносятся в персональный компьютер. Компьютер затем при поддержке программного обеспечения выполняет окончательный анализ и представление информации в табличном и/или в графическом виде.
Поскольку ресурсы памяти приборов ограничены, то типичной для всех цифровых измерительных регистраторов является необходимость выбора оптимального соотношения между шагом дискретизации Тд и общей продолжительностью (интервалом) регистрации Тр.
Программировать обычно можно любые значения шага регистрации в пределах возможного диапазона с разрешающей способностью 1 мин. При большем объеме внутренней памяти (или при использовании карты памяти с большим объемом) возможная продолжительность регистрации пропорционально возрастает.
Программный пакет таких регистраторов/анализаторов обеспечивает различные алгоритмы обработки (анализа) и представления информации. Возможное графическое и табличное представление результатов регистрации и анализа весьма разнообразно.