SYSTEM POMIAROWY DO WZORCOWANIA KALIBRATORA INMEL 8033

Transkrypt

1 Materiały Konferencji Grantowej Uniwersytet Zielonogórski Instytut Metrologii Elektrycznej Projekt badawczy KBN nr: 8 T10C /C/5085 SYSTEM POMIAROWY DO WZORCOWANIA KALIBRATORA INMEL 8033 W artykule przedstawiono budowę i działanie dedykowanego sterowanego komputerowo systemu pomiarowego przeznaczonego do wzorcowania trójfazowego kalibratora napięć i prądów przemiennych INMEL Zastosowanie do konstrukcji kalibratora współczesnych układów analogowych i cyfrowych umożliwiło wyeliminowanie ręcznych elementów regulacyjnych i zautomatyzowane wzorcowanie kalibratora w systemie pomiarowym. Wzorcowanie jest konieczne podczas procesu produkcyjnego lub sprawdzającego kalibratora. Opisywany system pomiarowy został realizowany w ramach projektu celowego nr 8 T10C /C/5085 Kalibrator mocy INMEL MEASUREMENT SYSTEM FOR STANDARDIZATION OF THE INMEL 8033 CALIBRATOR In the paper, dedicated computer controlled measurement system for standardisation of the three phase ac voltage and current calibrator is presented. Application to construction of the calibrator modern analog and digital circuits allow to eliminate manual trimmers and make possible automatisation of standardisation in measurement system. Standardisation is necessary while manufacruring and verification of the calibrator. 1. WSTĘP Kalibrator INMEL 8033 został zbudowany w ramach projektu celowego realizowanego we współpracy z producentem kalibratorów firmą INMEL z Zielonej Góry. Opis koncepcji i konstrukcji kalibratora przedstawiono w [1, 2, 3]. Kalibrator INMEL 8033 jest przeznaczony do generowania tzw. fantomu mocy w układzie trójfazowym. Parametry metrologiczne kalibratora przedstawiono w tab. 1. Mimo zastosowania do konstrukcji kalibratora elementów elektronicznych o bardzo dobrych parametrach nie jest możliwe osiągnięcie założonych parametrów metrologicznych kalibratora bez przeprowadzenia procesu wzorcowania. Wynika to z naturalnych tolerancji elementów biernych i aktywnych. W czasie projektowania kalibratora jednym z podstawowych założeń konstrukcyjnych było wyeliminowanie często stosowanych w konstrukcjach elektronicznych analogowych elementów regulacyjnych (np. potencjometrów). Takie założenie było możliwe do spełnienia dzięki realizacji kalibratora w oparciu o układy cyfrowe realizujące algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów, dzięki czemu współczynniki korekcyjne mogą być uwzględnione poprzez odpowiednie procedury programowe. Proces wzorcowania tak skonstruowanego kalibratora może być zrealizowany w sposób w dużym stopniu automatyczny. W tym celu zaprojektowano i zbudowano dedykowany system pomiarowy.

2 8 Podstawowe parametry metrologiczne kalibratora INMEL 8033 Tabela 1 Wielkość wyjściowa Napięcie Zakres Zakres nastaw Obciążąlność Błąd podstawowy 140V 280V 750V Prąd 0,5A 2,5A 10A 50A 1,4 140V 2,8-280V 7,5-750V 0,005-0,5A 0,025-2,5A 0,1-10A 0,5-50A 200 ma 100 ma 30 ma 20V 8V 2V 0,5V ±(0,04+0,01)% ± (0,04+0,01)% Moc pozorna S 3*(0, ) VA ±0,08% Moc czynna P 3*( )W ±0,08% dla cosϕ =1 ±0,1% dla cosϕ =0,5 Częstotliwość 100Hz 1000Hz 40-99,99Hz Hz 0,01Hz 0,1Hz Kąt ±180 0,1 dla 48-62Hz 0,3 dla Hz Czas min. 1s/tE*100% Energia Wynika z nastaw mocy i czasu Wynika z wartości błędu mocy i czasu Podstawą do projektu systemu pomiarowego do wzorcowania kalibratora INMEL 8033 było zastosowanie urządzeń pomiarowych o parametrach metrologicznych odpowiednich do wzorcowania precyzyjnego kalibratora, a zarazem będących w dyspozycji producenta kalibratora. Wszystkie przyrządy pomiarowe wchodzące w skład systemu, jak również kalibrator INMEL 8033 są standardowo wyposażone w interfejs IEEE 488.2, co narzuciło system interfejsu łączącego elementy systemu pomiarowego. 2. OBLICZENIA WSPÓŁCZYNNIKÓW PRZETWARZANIA Równanie przetwarzania układu pomiarowego odpowiedniej wielkości (napięcie lub prąd) jest określone wzorem: Y = kx + c, (1) gdzie: Y -wartość sygnału wyjściowego, X wartość nominalna (zadana) sygnału wyjściowego. Liniowe równanie przetwarzania pozwala na wyznaczenie współczynników w dwóch punktach kalibracyjnych dla najmniejszej i największej wartości wyznaczanego zakresu pomiarowego.

3 System pomiarowy do wzorcowania kalibratora INMEL W procesie kalibracji współczynniki k i c równania przetwarzania (1) są obliczane ze wzorów: Xzm2 Xzm 1 k = k0, (2) X X nom2 nom1 gdzie: c= k X + c kx, (3) 0 zm2 0 nom2 k0 - początkowa wartość współczynnika korekcyjnego k, c0 - początkowa wartość współczynnika korekcyjnego c, X zm1, X zm2 X nom1, X nom2 - wartości sygnału wyjściowego zmierzone w dwóch punktach kalibracji, - wartości nominalne dla dwóch punktów kalibracji. Wartości współczynników k 0 i c0 zostały wyznaczone na podstawie szacunkowych obliczeń stałych przetwarzania układu pomiarowego. Osiągana w praktyce dokładność oszacowania jest wystarczająca do poprawnego wzorcowania. Każdy z zakresów pomiarowych wielkości wyjściowej kalibratora jest podzielony na cztery podzakresy. Współczynniki k i c muszą być wyznaczone dla każdego podzakresu. Ponadto równanie przetwarzania jest funkcją częstotliwości mierzonego sygnału. Wpływ częstotliwości jest jednak na tyle mały, że jest wystarczające wyznaczenie współczynników k i c dla dwóch częstotliwości minimalnej k fmin, c fmin oraz maksymalnej k fmax, c fmax i stosowanie odpowiedniej pary współczynników dla połowy zakresu częstotliwości. 3. WZORCOWANIE TORÓW NAPIĘCIOWYCH Wzorcowanie torów napięciowych odbywa się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 1. MIKROKOMPUTER PC MAGISTRALA IEEE KALIBRATOR INMEL 8033 KANAŁ U 1 KANAŁ U 2 KANAŁ U 3 MULTIMETR DATRON 1271 Rys. 1. Struktura systemu pomiarowego do wzorcowania torów napięciowych kalibratora INMEL 8033 Fig. 1. Structural diagram of measurement system for standardisation voltage channels of the calibrator INMEL 8033

4 10 W układzie w danej chwili może być mierzony tylko jeden tor, dlatego wzorcowania poszczególnych torów są przeprowadzane niezależnie. Multimetr Datron 1271 umożliwia pomiar napięć do 1000V, dlatego może być stosowany do pomiaru w całym zakresie napięć wyjściowych kalibratora (od 1.4V do 750V). Przełączanie zakresów multimetru jest sterowane przez oprogramowanie systemu pomiarowego. Jest możliwe automatyczne wzorcowanie wszystkich zakresów wielkości wyjściowych wraz z odpowiednimi podzakresami, lub ograniczenie wzorcowania tylko do określonej liczby podzakresów (np. jednego podzakresu) na wybranym zakresie. 4. WZORCOWANIE TORÓW PRĄDOWYCH Wzorcowanie torów prądowych odbywa się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 2. Podobnie jak przy wzorcowaniu torów napięciowych, w układzie w danej chwili może być mierzony tylko jeden tor, dlatego wzorcowania poszczególnych torów są przeprowadzane niezależnie. MIKROKOMPUTER PC MAGISTRALA IEEE KALIBRATOR INMEL 8033 KANAŁ I 1 KANAŁ I 2 MULTIMETR DATRON 1271 KANAŁ I 3 Bocznik Rys. 2. Struktura systemu pomiarowego do wzorcowania torów prądowych kalibratora INMEL 8033 Fig. 2. Structural diagram of measurement system for standardisation current channels of the calibrator INMEL 8033 Ponieważ dokładność i zakresy pomiaru prądu (maksymalny prąd kalibratora wynosi 50A) multimetrem Datron 1271 nie pozwalają na pomiar prądu przez multimetr), dlatego pomiar prądu odbywa pośrednio się na podstawie pomiaru spadku napięcia na zewnętrznym boczniku pomiarowym. Odpowiednio do zakresu pomiarowego są stosowane boczniki o wartościach: 1 Ω dla zakresu 0.5A, 0.1 Ω dla zakresu 2.5A, 0.02 Ω dla zakresu 10A i Ω dla zakresu 50A. 5. WZORCOWANIE PRZESUNIĘĆ FAZOWYCH Podczas generowania fantomu mocy w układzie trójfazowym oprócz stabilizacji napięć i prądów konieczne jest odpowiednie ustalenie i stabilizowanie przesunięcia fazowego między

5 System pomiarowy do wzorcowania kalibratora INMEL odpowiednimi sygnałami wyjściowymi. Przesunięcia fazowe są odniesione do napięciowego sygnału wyjściowego kanału nr 1. MIKROKOMPUTER PC MAGISTRALA IEEE FAZOMIERZ KROHN-HITE 6620 PRZETWORNIK MOCY YOKOGAWA KALIBRATOR INMEL 8033 KANAŁ 1 KANAŁ 2 KANAŁ 3 U I U I U I Rys.3. Struktura systemu pomiarowego do wzorcowania przesunięć fazowych kalibratora INMEL 8033 Fig. 3. Structural diagram of measurement system for phase standardisation of the calibrator INMEL 8033 Mierzone są przesunięcia fazowe między napięciowymi sygnałami wyjściowymi kanałów 1 i 2 oraz 1 i 3, a także między wyjściowymi sygnałami napięciowym i prądowym każdego kanału. Korekcja przesunięcia fazowego w kalibratorze polega na dodaniu współczynnika korekcyjnego c do wyniku pomiaru przesunięcia fazowego. Wyznaczenie poprawki jest realizowane w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 3. Pewną niedogodnością pomiaru przesunięć fazowych jest konieczność wykonania pomiarów dla wszystkich kombinacji podzakresów kanałów napięciowych i prądowych, dodatkowo dla dwóch częstotliwości, co prowadzi do dużej liczby współczynników korekcyjnych przesunięcia fazowego. Precyzyjny fazomierz typ 6620 firmy KROHN-HITE pozwala na pomiar przesunięcia fazowego z rozdzielczością 0.01, wystarczającą do wyznaczenia poprawki. Przetwornik mocy YOKOGAWA służy do kontrolnego pomiaru mocy czynnej fantomu mocy generowanego przez kalibrator osobno dla każdej fazy. 6. ORGANIZACJA PAMIĘCI WSPÓLCZYNNIKÓW Współczynniki równania przetwarzania kalibratora są przechowywane w nieulotnej pamięci typu EEPROM o odpowiednio dużej pojemności (64KB). Współczynniki dla napięć i prądów są reprezentowane w postaci trójwymiarowych tablic, których indeksy są wyznaczone przez aktualny zakres i podzakres wielkości wyjściowej, a także zakres częstotliwości sygnałów wyjściowych. Bardziej złożona jest tablica współczynników c przesunięć fazowych, gdyż wymiary tablicy tworzą zakres i podzakres toru napięciowego, zakres i podzakres toru prądowego oraz zakres częstotliwości sygnałów wyjściowych. W pamięci nieulotnej są także przechowywane inne parametry początkowe kalibratora, np. adres w

6 12 systemie interfejsu. W czasie fazy wstępnej inicjalizacji kalibratora współczynniki przetwarzania są odczytywane z pamięci i kopiowane do pamięci operacyjnej sterownika kalibratora. W celu uniknięcia ewentualnych błędów wynikających z przekłamań informacji zapisanej w pamięci, blok danych zawierających współczynniki jest zabezpieczony sumą kontrolną obliczaną programowo. Ponadto w czasie przetwarzania danych związanych ze współczynnikami są kontrolowane wartości graniczne współczynników, tak że przeinaczenie wartości współczynnika z jakiegokolwiek powodu (np. wskutek przypadkowego nieprawidłowego wykonania programu) spowoduje wstrzymanie pracy kalibratora i wyświetlenie odpowiedniego komunikatu na konsoli operatorskiej. W pamięci programu są przechowywane inicjalizujące wartości współczynników i po poważnej awarii kalibratora można je wpisać do pamięci współczynników po wykonaniu specjalnej procedury serwisowej. 7. OPROGRAMOWANIE SYSTEMU POMIAROWEGO Oprogramowanie systemu pomiarowego napisano w środowisku programistycznym LabWindws/CWI firmy National Instruments. Jest to znakomita platforma do tworzenia aplikacji użytkowych w dziedzinie oprogramowania systemów pomiarowych. Program umożliwia wykonanie następujących funkcji: wzorcowanie wybranego kanału napięciowego, wzorcowanie wybranego kanału prądowego, wzorcowanie przesunięcia fazowego między odpowiednimi kanałami wyjściowymi, odczyt współczynników kalibracyjnych z kalibratora, zapis współczynników kalibracyjnych do kalibratora, konfiguracja systemu pomiarowego. Organizacja głównego okna opcji programu jest zilustrowana na rys. 4. Podczas pracy programu są rejestrowane w pliku tekstowym wszystkie rozkazy wysyłane do przyrządów zintegrowanych w systemie oraz odpowiedzi przyrządów, co umożliwia szybkie diagnozowanie ewentualnych błędów działania systemu pomiarowego. Oprócz automatycznego obliczania współczynników przetwarzania kalibratora podczas procesu wzorcowania, istnieje możliwość manualnego określenia wartości współczynników przez operatora programu. Opcje odczytywania współczynników z kalibratora oraz zapisu współczynników do kalibratora operują na plikach tekstowych, dzięki czemu łatwo jest rejestrować i ewentualnie śledzić zmiany współczynników przy kolejnych wzorcowaniach. Głównym celem tej opcji jest możliwość transferu poprawek między różnymi płytami sterownika kalibratora.

7 System pomiarowy do wzorcowania kalibratora INMEL Opcje konfiguracji systemu umożliwiają deklarowanie adresów przyrządów w systemie interfejsu, rezystancje boczników pomiarowych, częstotliwości nastaw itp. parametry. Rys. 4. Organizacja głównego okna opcji programu sterującego Fig. 4. Main window of program options 8. PODSUMOWANIE Odpowiednia struktura sprzętowa kalibratora INMEL 8033 oraz zastosowanie do wzorcowania kalibratora dedykowanego systemu pomiarowego umożliwiło osiągnięcie założonych parametrów metrologicznych kalibratora. Wyeliminowanie z konstrukcji kalibratora manualnych elementów regulacyjnych pozwoliło zautomatyzowanie procesu wzorcowania. Obsługa systemu przez operatora jest wymagana tylko w czasie przełączania wyjść kalibratora. Oprogramowanie systemu w środowisku LabVindows/CVI zapewniło wygodny interfejs użytkownika. Zastosowane w systemie przyrządy pomiarowe pozwalają na przeprowadzenie wzorcowania z niedokładnością na poziomie 1/3 błędu podstawowego kalibratora. Zwiększenie dokładności wzorcowania jest możliwe poprzez zastosowanie przyrządów pomiarowych wyższej klasy, ale jest to uwarunkowane względami ekonomicznymi aktualnie osiągane rezultaty wzorcowania są akceptowane przez producenta kalibratora.

8 14 LITERATURA 1. Analiza i wybór schematu strukturalnego kalibratora mocy INMEL 8033, Politechnika Zielonogórska, Raport nr 1 z realizacji prac badawczo-rozwojowych projektu celowego 8 T 10C C/ Koncepcja budowy trójfazowego kalibratora napięć i prądów przemiennych, Janusz Kaczmarek, Włodzimierz Kulesza, Pomiary Automatyka Kontrola, 2002, nr 7-8, s Trójfazowy kalibrator mocy INMEL 8033, Janusz Kaczmarek, Włodzimierz Kulesza, Metrologia Wspomagana Komputerowo - MWK 2003, VI Szkoła - Konferencja. Waplewo - Warszawa, 2003, T. 3 : Granty i projekty celowe : Referaty, s ABSTRACT Standardization of measurement devices is essential during their manufacturing. Designed by authors precision three phase power calibrator INMEL 8033 needs standardization too. For this purpose, the measurement system based on IEEE interface was developed. The system controlled by software developed under LabWindows/CVI from National Instruments consist of some precision instruments, such like multimeter DATRON 1271, phasemeter Krohn-Hite 6620 and powermeter YOKOGAVA. Through special construction of the INMEL 8033 calibrator, which allowed to eliminate any analogue trimmers, semi-full automatic standardization process was achieved manual service is necessary during change of measured output channel. Obtained results of standardization on the level bellow 1/3 a basic calibrator error are satisfying. A butter accuracy may be achieved by using more precision measurement instruments.