INTELLIGENS VILLAMOS HÁLÓZAT ANALIZÁLÓ MŰSZER TERVEZÉSE

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT INTELLIGENS VILLAMOS HÁLÓZAT ANALIZÁLÓ MŰSZER TERVEZÉSE Nagy Balázs, Sarvajcz Kornél, Unhauzer Edina IV. éves villamosmérnök hallgatók Konzulens: Váradiné Dr. Szarka Angéla egyetemi docens Elektrotechnikai- Elektronikai Tanszék Miskolc, 2010

TARTALOMJEGYZÉK TARTALOMJEGYZÉK... 1 1. Bevezetés... 3 2. Hálózat analizálására alkalmazott mérőeszközök összehasonlítása... 5 3. Tervezési koncepció kidolgozása... 7 3.1 Villamos hálózaton végzett mérések elméleti háttere... 7 3.2 A villamos hálózatok minőségére vonatkozó szabványi előírások... 8 3.2.1 EN 61000-4-30:2008... 8 3.2.2 EN 61000-4-7:2008... 8 3.2.3 MSZ EN 50160:2008... 9 3.3 Mérőrendszer működési elve... 10 3.4 A tervezés szempontjai... 11 4. A műszer külső felépítése... 12 4.1 Műszerház... 12 4.2 A műszer primer oldala... 13 4.3 A műszer hátoldala... 14 5. A műszer belső felépítése... 15 5.1 Műszer felépítése... 15 5.2 Tápellátás... 16 5.2.1 ±15V-os tápfeszültség... 18 5.2.2 ±5V-os tápfeszültség... 19 5.2.3 +12V és +5V tápfeszültség... 19 5.3 Érzékelők... 20 5.3.1 Érzékelők elvi működése... 20 5.3.2 Feszültségérzékelők... 22 5.3.2.1 LV-25P feszültségmérő... 22 5.3.3 Áramérzékelők... 23 5.3.3.1 LA-25-NP/SP34... 23 5.3.3.2 LA-25-NP/SP2... 23 5.4 Mérőmodulok... 24 5.4.1 Mérőmodulok csatlakoztatása a sínrendszerhez... 24 5.4.2 Anti-aliasing szűrő áramkör tervezése... 24 5.4.3 Feszültségmérő modulok fejlesztése... 27 5.4.4 Árammérő modulok tervezése... 30 5.4.5 Lakatfogó tápellátását biztosító modul tervezése... 31 5.4.6 5V-os feszültség bemenetű modul tervezése... 31 5.4.7 Sínrendszer... 32 5.5 PLL (Phase Locked Loop) áramkör... 35 5.5.1 A PLL áramkörök működése... 35 5.5.2 Fázisdetektorok... 36 5.5.2.1 Csak fázisra érzékeny fázisdetektorok... 36 5.5.2.2 Fázisra és frekvenciára érzékeny PLL fázisdetektor... 37 5.5.3 CD4046 típusú PLL- áramkör... 37 1

5.5.4 Frekvenciaszinkronizáló áramkör megvalósítása... 38 5.5.4.1 A kapcsolás részegységei, működésük... 40 5.5.4.2 Normál működés... 40 5.5.4.3 Egy referencia-fázis kiesése... 40 5.5.4.4 Mindhárom referencia-fázis kiesése... 40 5.6 Beépített számítógép... 41 5.7 Mérésadatgyűjtő kártya... 42 5.8 Beépített védelmek... 44 6. Mérést vezérlő és adatfeldolgozó szoftver... 45 6.1 Mérést vezérlő szoftver... 45 6.2 Adatfeldolgozó szoftver... 47 6.2.1 A szoftver bemutatása... 47 6.2.2 RMS értékek számítása és ábrázolása... 50 6.2.3 THD értékek számítása és ábrázolása... 51 6.2.4 Teljesítmények és cosφ számítása és ábrázolása... 52 6.2.5 Feszültségletörés vizsgálat... 54 7. Adatkommunikáció... 55 7.1 A műszerben alkalmazott protokoll kiválasztása... 55 7.1.1 GPRS adatkapcsolat... 55 7.1.2 EDGE adatkapcsolat... 57 7.1.3 HSDPA adatkapcsolat... 57 7.1.4 A kiválasztott adatkommunikáció... 57 7.2 GSM/GPRS modul kiválasztása... 58 7.3 GSM modul összeállítva... 58 7.4 Soros porti kommunikáció... 59 7.5 GSM modul programozása AT parancsokkal... 59 7.5.1 FTP adatkapcsolat felépítése... 59 7.5.2 SMS szolgáltatás felépítése... 63 7.6 Kommunikációs CVI program... 63 7.6.1 Adatküldési programrész... 64 7.6.2 SMS küldési programrész... 67 8. Tesztelés ipari körülmények között... 69 9. Összegzés... 72 Irodalomjegyzék... 73 Függelék 1. melléklet Saját fejlesztésű műszer változatai 2. melléklet TRANSANAL-16 MULTIREC 3. melléklet Fluke 434, 435 háromfázisú hálózati minőség analizátor 4. melléklet UMG 511 Hálózati minőség monitoring 5. melléklet BW64RW lábkiosztása 6. melléklet Anti-aliasing szűrő áramkör 7. melléklet GSM/GPRS modul 8. melléklet SIMCOM SIM 900 EVB KIT központi egység 2

1. BEVEZETÉS Napjainkban egyre nagyobb szerepet kap a különböző berendezések és rendszerek minőségvizsgálata, és -biztosítása, ezért mind a szabványok, mind a tesztelés és analizálás módszerei rohamosan fejlődnek. Ez igaz a villamos hálózatok vizsgálatára is, amely elsősorban feszültség- és áramméréseket, valamint az ezekből számolt egyéb hálózati paraméterek meghatározását foglalja magába. A Miskolci Egyetem Elektrotechnikai - Elektronikai Tanszéke (EET) több évtizede végez minőségbiztosítási célokat szolgáló méréseket Észak - Kelet Magyarország villamos hálózatán. A mérések a tanszéken kifejlesztett eszközökkel és/vagy vásárolt hálózatanalizáló berendezésekkel történnek. Ezekkel a mérésekkel két probléma van. A tanszéki berendezések ugyan nagy flexibilitást biztosítanak, de alacsony automatizáltságuk miatt igen nehézkes a mérések kezelése, megfelelő dokumentálása. A vásárolt berendezésekkel történő mérések esetén kisebb az adminisztrációs hibázás lehetősége, viszont jelentős mértékben kisebb a rendszerek rugalmassága, mint amit a kutató-fejlesztő munka megkövetel, ezért ezek a műszerek csak korlátozott mértékben alkalmazhatóak. A mérések feszültség- és áramméréseket foglalnak magukban, amelyek alapján a villamos hálózat minőségére jellemző paraméterek kiszámolhatóak és analizálhatóak. A vásárolt műszerek a szabványban rögzített paraméterek mérésére /számolására alkalmasak. A K+F munkák méréseinél szinte minden esetben előfordul, hogy a munka során a részeredmények ismeretében az adatfeldolgozás módszerei módosulnak, kiegészülnek előre nem látható igényekkel, ezért méréseinknél az egyik lényeges feltétel, hogy a műszereknél szokásos átlagértékek és jellemzők regisztrálásán túl, a mért adatok is lementésre kerüljenek, így utólag minden szükséges, és esetleg előre nem látható vizsgálat a jeleken elvégezhető. Az elmúlt időszakban a tanszék saját fejlesztésű számítógépes mérőrendszerei egy számítógépbe helyezhető, 16 bites mérőkártyát, és a hozzá kapcsolt, egyenként három fázis mérésére alkalmas feszültség- és árammérő egységeket integráltak. Ennek a rendszernek a blokkvázlatát mutatja a 1. ábra, és egy ilyen mérés összeállítás látható a 2. ábrán. Ezeknél a méréseknél lényeges volt a mérési körülmények és paraméterek pontos dokumentálása, mivel a rendszer nem volt képes a berendezések automatikus felismerésére, a méréshatárok és kalibrációs adatok betöltésére. A dokumentációnak tartalmaznia kellett, hogy melyik mérődobozt alkalmazzuk, milyen méréshatárban használjuk, melyik csatornára milyen jelet kapcsoltunk és milyen sorrendben, illetve azt, hogy melyik dobozra milyen primer oldali feszültséget vagy áramot csatlakoztatunk. Ez igen bonyolulttá tette a manuális adminisztrációt, és jelentősen növelte a hibázás lehetőségét. Kutatómunkánk során legtöbbször nem rutinszerű mérésekkel kerülünk szembe, hanem egyedi feladatokkal bíznak meg a különböző vállalatok. Ezen különleges igények kielégítésére szükségessé vált egy rugalmas rendszer létrehozására, amely széles körű lehetőséget biztosít a mérési paraméterek beállítására és minimális mértékben korlátozza az off-line feldolgozás lehetőségeit. Háromfázisú feszültség és árammérő DAQ - kártya csatlakozó blokk NI-PXI ipari számítógép + mérőkártya 1. ábra Hagyományos mérés összeállításának blokkvázlata 3

2. ábra Hagyományos mérőrendszer az Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszéken A dolgozatban bemutatott kutatási munka azzal a céllal indult a Miskolci Egyetem Elektrotechnikai- Elektronikai Tanszékén közel két évvel ezelőtt, hogy létrehozzunk egy olyan speciális mérőberendezést, amely a fent leírt feltételeknek megfelel, azaz a mérési és adatfeldolgozási lehetőségek igen széleskörűek, miközben a költségek alacsonyak. Jelen dolgozatban annak a komplett mérőberendezésnek a hardveres tervezését és megvalósítását mutatjuk be, amely maximum 5x3 fázis áram és/vagy feszültség mérése esetén a fenti feltételeket kielégíti. A műszerből három változat készült el. Az első, legkisebb változata csupán a DAQ csatlakozó nehézségeit küszöböli ki, de egy lényegesen kompaktabb kivitelben ad lehetőséget a 4x3 fázis áram és/vagy feszültség mérésére. A második változat mérésadatgyűjtő kártyán keresztül számítógéphez kapcsolódik, a vezérlő szoftver azonosítja a műszerkeretbe helyezett fiókok típusát, helyét, méréshatárát és kalibrációs adatait. Ennek megfelelően a mérést végző személynek csak a mért hálózat primer oldali adatait kell megadnia. A mérőberendezés harmadik, legfejlettebb változata, amelyet a pályázatban bemutatunk, a komplett számítógépet és a mérésadatgyűjtő kártyát is tartalmazza, valamint beépítésre került egy GPRS modul, amellyel távolról is ellenőrizhető a berendezés megfelelő működése, a mérések eredményei. A műszer változatainak képei láthatóak az 1. mellékletben. A legújabb műszer fejlesztésének elsődleges célja az egyre növekvő számú egyedi és speciális ipari felkérések kielégítése, a munka automatizálása és az ipari partnerek számára nyújtott kutatások eredményességének növelése. Ezen túl rendkívül fontos, hogy a hibázási lehetőségeket minimalizáljuk. Mindez magával vonzza a mérések összeállítására, installálására és dokumentálására fordított idő minimalizálását is. A dolgozat különlegessége, hogy a kifejlesztésre került berendezés lényegesen szélesebb körben alkalmazható, mint a kereskedelemben kapható komplett hálózatanalizáló berendezések és kiértékelő szoftverek, mindemellett lényegesen kisebb költséggel készült, mint az ipari berendezések. A kereskedelemben kapható analizátorok többsége nagyon drága és többségük még az érvényes szabványok (EN 61000-4-30:2008, EN 50160:2008) előírásait sem elégítik ki, vagy ha kielégítik, akkor igen korlátozott számú jel mérhető velük (általában 1 háromfázisú rendszer, azaz összesen 6 jel). Ezzel szemben a saját fejlesztésű műszerünk nagyobb mintavételi sebességgel, pontosabb szinkronizálási eljárásokkal, szélesebb körű jelfeldolgozást tesz lehetővé összesen 15 jel mérésével. 4

2. HÁLÓZAT ANALIZÁLÁSÁRA ALKALMAZOTT MÉRŐESZKÖZÖK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Hálózatanalizáló mérőműszerek széles palettája kapható a kereskedelemben, de ezek általában nagyságrendileg más áron vásárolhatók meg, és más típusú alkalmazásokra használhatók, mint az általunk kifejlesztett eszköz. Ipari kivitelben számos hálózatanalizálásra alkalmas eszközt lehet megvásárolni. A komplett berendezések nemcsak egy-egy pillanatérték kijelzésére alkalmasak, hanem nagyméretű háttértárral rendelkeznek, így alkalmasak a mérésadatgyűjtésre és mérésadatfeldolgozásra. Ezekben a speciális (általában már nagyobb méretű) eszközökben beépített mérés-analizátor szoftver működése teszi lehetővé a mérések során begyűjtött adatok feldolgozását, és kiértékelését. A műszerek mellé adott, vagy beleépített mérésanalizátorprogramok számos paraméter szemléltetésére nyújtanak lehetőséget. A felhasználók nagyszámú eszköz kínálatából válogathatnak, a gyártók széles skáláján, kiválasztva a számukra legalkalmasabb mérésadatgyűjtőt, és mérésadat feldolgozót, a speciális eszközök azonban meglehetősen drágák. A következőkben összehasonlításra kerülnek azok a mérőberendezések, amelyek a tanszéken is rendelkezésünkre állnak és használunk, így egyfajta konkurenciái az általunk kifejlesztett műszernek. Bemutatjuk az eszközök által nyújtott lehetőségeket, a mérőműszerek legfontosabb paramétereinek kiemelésével. Az mellékletekben megtalálhatók a következő mérőeszközök részletes specifikációja: 2. melléklet TRANSANAL-16 (harmonikus, spektrum és tranziens analizátor) 3. melléklet FLUKE 434/435 (háromfázisú hálózati minőség analizátor) 4. melléklet UMG 511 (Hálózati minőség monitoring) A mérőműszerek legfontosabb jellemzőit az 1. táblázat tartalmazza. Ezen tulajdonságok összehasonlításával tanulmányoztuk a mai korszerű, megvásárolható eszközök széles palettáját, ezen belül a berendezések funkcióit, menürendszerét, és az általuk biztosított szolgáltatásokat. Ezen mérőműszerek a szabványok széles körét elégítik ki, azonban drágák, és a mérések elvégzésére korlátozott lehetőséget nyújtanak. 5

TRANSANAL-16 FLUKE 434/435 UMG 511 Csatornaszám 16 csatorna 8 csatorna 8 csatorna Mintavételezési frekvencia 80 ksample/sec 200 ksample/sec 20 ksamples / sec FFT analízis 63. felharmonikusig 50. felharmonikusig 40. felharmonikusig Anti-aliasing szűrő Van Nincs Nincs Tranziens rögzítés Van Van Van Feszültség kimaradás vizsgálat Van Van Van Flicker mérés Van Van Van Teljesítmény vizsgálat Hatásos és meddő Hatásos és meddő Hatásos és meddő Van (ip166 Beépített számítógép 16GB HDD 1.44 FDD, Nincs Nincs 9.5" LCD, modem) Belső memória 16MB 16MB 256MB Internet elérés Nincs Nincs Ethernet Szoftver Harmanal FlukeView GridVis EN 61000-4-7:1998 EN 61000-4-7:2002 EN 61000-4-7:2008 Szabványi előírások EN 61000-3- 15:1998 EN 61000-3- 15:2002 EN 61000-3- 15:2008 EN 50160:1998 EN 50160:2002 EN 50160:2008 1. táblázat Kereskedelemben kapható mérőműszerek összehasonlítása 6

3. TERVEZÉSI KONCEPCIÓ KIDOLGOZÁSA 3.1 Villamos hálózaton végzett mérések elméleti háttere [1] A villamos energia az egyik olyan energiafajta, amelynek minősége a felhasználók számára nehezen, vagy egyáltalán nem érzékelhető, láthatatlanul jut el az előállítás pontjától a felhasználás helyéig. A felhasználási területtől függően a villamos energia átalakítás folyamata hatással van a hálózatra és magára a rendszerre is, ezáltal a felhasználók hatással vannak egymásra is, zavarhatják egymás üzemét. Ezeket a zavarokat méréssel lehet a legegyszerűbben felderíteni. A Miskolci Egyetem Elektrotechnikai- Elektronikai Tanszékét egyrészt az áramszolgáltató,másrészt az ország különböző területeiről ipari fogyasztók bízzákmeg energiavizsgálati- és optimalizálási feladatokkal. A megfelelő diagnosztika érdekében komplex méréseket kell végeznünk, azaz a vizsgált terület tápellátását biztosító központi rendszer és az alhálózatok együttes vizsgálata szükséges. A mérés célját minden esetben a feladatot adó cég igényei határozzák meg. Ennek megfelelően elsőször fel kell térképezni a hálózathoz kapcsolódás feltételeit, és a méréshez szükséges körülményeket. Az aktuális elvárásoktól függően vizsgálataink általában 1-30 napot vesznek igénybe. Az energiagazdálkodás hatékonysági vizsgálataihoz több paraméter analizálása szükséges: Feszültség- és áramerősség Hatásos- és meddő teljesítmény Teljesítménytényező Aszimmetria jellemzők Harmonikus torzítás jellemzői A közhasznú, szinuszosan változó feszültségű villamos energiát háromfázisú generátorok termelik. Az ilyen hálózatok alapvető tulajdonsága, hogy terheletlen állapotban szimmetrikusak, azaz a feszültség hullámalakja ideális szinusz forma, effektív értékei azonosak és 120 o -120 o -ra követik egymást. A villamos energia minőségének főbb mutatói: Feszültségszint tartás Frekvenciatartás Szimmetria a háromfázisú rendszerekben Szinuszos hullámalak eltorzulása (felharmonikus tartalom) Rövid idejű feszültség lengések, túlfeszültségek, feszültség letörés Flicker jelenség Feszültség kimaradás A minőségi jellemzők mérési körülményeit, a mért értékek kiértékelését és a megengedett határértékeket szabvány szintű előírások határozzák meg. Mérés Mintavételezett adatok feldolgozása Adatok kiértékelése 3. ábra Energiavizsgálatok során elvégzett legfontosabb feladatok 7

3.2 A villamos hálózatok minőségére vonatkozó szabványi előírások 3.2.1 EN 61000-4-30:2008 [2] A hálózati feszültség minőségének mérési módszereit az EN 61000-4-30:2008 szabvány tartalmazza. Mérésein többsége ezen szabvány felhasználásával történik. A szabvány a 6. ábrán látható mérési felépítést írja elő Jel átalakítás Mérés Kiértékelés Bemeneti jel Mért jel Mérési eredmény 4. ábra Mérés felépítése Mérési kiértékelés A szabványban megfogalmazott feszültség minimális minőségi követelményei és mérőszámai a következők: Kisfeszültségű hálózatokon a feszültség minőségi jellemzőit az MSZ-EN 50160:2008 szabvány szerint kell betartani (mérés, kiértékelés, alapértékek) A feszültségmérést a csatlakozási pontokon adatrögzítős műszerrel kell mérni egy hetes intervallumban, félévenkénti gyakorisággal, illetve szükség szerint, ha ebben a felek megállapodnak. A mérések kiértékelésekor a tervszerű és a terven kívüli (3 percnél hosszabb) feszültség kimaradásokat a 10 perces átlagszámításokban kell figyelembe venni. A szabványban megfogalmazott mérési osztályok: A osztály B osztály S osztály. Méréseinket az A osztályú (legszigorúbb követelményrendszer) előírásoknak megfelelően végezzük. Értékek kiszámítása 3s / 10 min / 2h intervallumban kell történniük RMS értékeket 10 periódusonként kell vizsgálni 50Hz-es hálózat esetén THD vizsgálat az IEC 61000-4-7 szabvány szerint kell történnie. 3.2.2 EN 61000-4-7:2008 [3] Az EN-61000-4-7:2008-as szabvány a feszültség felharmonikus vizsgálat mérési módszerit írja le: Feszültség felharmonikus vizsgálatot kell végezni a 40. felharmonikusig (2000 Hz) Az interharmonikusok vizsgálatát minimum 9000 Hz-ig kell folytatni 8

3.2.3 MSZ EN 50160:2008 [4] Az EN 50160:2008 szabvány meghatározza, leírja és előírja a feszültség normál üzemi körülmények közötti fő jellemzőit a közcélú kis- és középfeszültségű villamos elosztóhálózatokon a hálózatot használók csatlakozási pontjaiban. Ez a szabvány azokat a határokat vagy értékeket adja meg, amelyeken a feszültségjellemzők elvárhatóan belül maradnak a teljes közcélú elosztóhálózat mentén. A szabvány tartalmazza a tápfeszültség jellemzőinek, köztük a frekvenciájának, nagyságának, hullámalakjának és fázisfeszültségek szimmetriájának meghatározását és leírását. Ezen jellemzők értékei a táphálózat normál üzeme idején véletlenszerűen változhatnak a terhelés változása, egyes villamos szerkezetek által keltett zavarok és főleg külső események által okozott hibák előfordulásának következtében. A szabványban előírt értékek normál üzemi körülmények között: Tartós eltérés a névleges vagy megegyezéses feszültségtől Kisfeszültségen a névleges feszültség 400/230 V. Normál üzemi körülmények között, a feszültségkimaradásokat figyelmen kívül hagyva a tápfeszültség 10 perces átlagos effektív értékei 95%-ának bármely egyhetes időszakban az U n ± 10% tartományban kell lennie. A tápfeszültség negatív fázissorrendű összetevője perces átlagos effektív értékeinek 95%-a bármilyen egyhetes időszakban a pozitív fázissorendű összetevői 0-2%-os tartományban kell lennie. Tápfeszültség frekvenciája A tápfeszültség névleges frekvenciája 50 Hz kell hogy legyen. Az alapharmonikus frekvencia átlagértéke 10s-on keresztül mérve 50 Hz ±1%-os tartományába kell esnie. Rövid idejű tápfeszültség kimaradás Rövid idejű kimaradásnak tekintjük, ha a tápfeszültség a megegyezéses feszültség 10%-a alá csökken és ez az állapot 3 percet nem halad meg. Tápfeszültség-letörés A feszültség letörésről beszélünk, ha a tápfeszültség a 0,1 0,9 Uc tartományba esik. A rövid idejű letörések időtartama 1 sec alatti és a maradék feszültség nagysága nagyobb, mint 0,6 Uc. Tartós kimaradás A 3 percnél hosszabb idejű kimaradást tartós kimaradásnak kell tekinteni. Az előre nem látható kimaradások (üzemzavarok) gyakorisága függ a hálózatképtől, a hálózatok szerkezetétől, harmadik fél cselekedeteitől, az időjárástól. Feszültség felharmonikus tartalom A tápfeszültség teljes felharmonikus torzítása (THD) az összes 40-es rendszám alatti felharmonikus figyelembe vételekor nem haladhatja meg a 8 %-ot. Kisfeszültségen minden fázis feszültséget vizsgálni kell. Egy hetes mérést követően a napi, 10 percre átlagolt értékek 95%-a nem lehet nagyobb az összeférhetőségi szintként megadott értéknél. 9

3.3 Mérőrendszer működési elve Mérendő hálózat ÁRAM MÉRÉS FESZÜLTSÉG MÉRÉS Mérőtrafó Lakatfogó Mérőtrafó Közvetlen Áramjel Saját fejlesztésű műszer tartalmazza Feszültségjel I/U mérőátalakító U/U mérőátalakító Mérésadatgyűjtő kártya PC Adatfeldolgozás HDD GPRS 5. ábra Műszer működési elve A mérőrendszer két fő részre osztható Primer oldal Szekunder oldal A primer oldalon történik a feszültség, illetve áram transzformálása, és mérhető jellé alakítása. A primer bemeneti oldalon különböző méréstartományokra van szükség, mert széleskörű felhasználhatóságra törekszünk. 10

3.4 A tervezés szempontjai [5] Az 2. fejezetben bemutatott mérőműszerekből tehát látható, hogy az iparban kapható berendezések drágák és ezzel szemben korlátozott mérések elvégzésére képesek. Ezért a tervezés megkezdése előtt fontos volt a követelmények pontos definiálása, hogy ezek alapján minél jobb és megbízhatóbb berendezést tudjunk összeállítani. Ezen szempontok a következők: rugalmasság, komplex, összetett funkciók kialakítása, megbízhatóság (ipari megoldások alkalmazása), költséghatékonyság. A tervező munka megkezdésekor egyik legfontosabb szempont volt, hogy egy olyan rendszert hozzunk létre, amely az iparban található mérőberendezésektől sokkal rugalmasabb és komplexebb. Ezalatt egyrészt azt értjük, hogy ne csak speciális feladatok ellátására legyen alkalmas, hanem a különböző igényeket széles körben ki tudja elégíteni. Rugalmasság alatt azt értjük, hogy könnyen átalakítható legyen különböző típusú mérések között, például ha az egyik mérésnél csak áramot mértünk, de a következőnél már feszültségek mérésére kell felkészülni, ez a mérés átalakítás könnyen és gyorsan elvégezhető legyen. A rendelkezésünkre álló mérésadatgyűjtő kártyák többsége 16 csatornával rendelkezik, így egymással párhuzamosan maximum 5 x 3, azaz 15 csatornán tudunk folyamatosan mintavételezni. Ebből következik, hogy a műszert úgy kell megtervezni, hogy 5x3 fázis/vonali áram és / vagy feszültség mérésére legyen alkalmas, illetve ezek bármilyen kombinációját össze lehessen állítani. Rugalmasság alatt továbbá a szoftveres kibővíthetőséget is értjük. Tehát egy olyan hardvert kellett létrehozni, amely szoftveresen könnyen fejleszthető, bővíthető és sokféle paraméter mérésére alkalmas. A műszer komplexitását hardveresen, az egy dobozon belül megvalósuló jel átalakítása, tárolása és feldolgozása biztosítja. Ezért a mérőműszernek tartalmaznia kell magát a mérést vezérlő számítógépet és a mérést végző adatgyűjtő kártyát is. Ezzel csökkenthetjük a hagyományos rendszerrel szemben az adminisztratív munkaigényt és a mérések előkészítése és összeállítása is sokkal gyorsabbá válik. A tervezés első lépésében egy olyan kialakítást kellett találnunk, amely 5 különböző mérés megvalósítására alkalmas és természetesen könnyen átalakítható a különböző mérések között. Ennek megvalósítására egy fiókos kivitelű műszer kialakítása mellett döntöttünk, amely lehetővé teszi a rugalmas mérőrendszer kialakítását. Mivel a DAQ-kártya maximálisan ± 5V-os feszültség fogadására alkalmas, ezért áram- és feszültség átalakítók alkalmazására volt szükség. A jel(ek) mérése és transzformálása több módon történhet: áram- és feszültségváltók felhasználásával Hall effektuson alapuló LEM modulok segítségével Tesztelések után végül a LEM modulokra esett a választásunk, mivel az áram- és feszültségváltókkal szemben több pozitív tulajdonságot mutattak, melyek a következők: Hiteles, megbízható adatok Magas műveleti sebesség (lehetséges 100 khz felett) Galvanikus leválasztás a primer és szekunder oldal között Rendkívül kicsi fáziskésés, azaz fáziskülönbség a be- és kimenet között. Széles hőmérsékleti tartomány (-40 C o -tól 150 C o -ig) Környezettel szembeni tűrőképesség Amennyiben a rendszerre nagyfrekvenciás zavarok kerülnek, a jelek mintavételezése folyamán nem létező komponensek is megjelenhetnek, amelyek ellen anti- 11

aliasing szűrővel kell védekezni, amely egy nagy meredekségű aluláteresztő szűrő. A szűrő alkalmazása azonban csökkenti a mérés pontosságát, ezért csak akkor kell alkalmazni, amikor erre valóban szükség van. Ennek megfelelően a rendszerbe egy szoftveresen ki/be kapcsolható anti-aliasing szűrőt terveztünk, amelynek a megvalósítását az 5.4.2. Antialiasing szűrő áramkör tervezése című fejezetben részletezzük. A mintavételi frekvencia a mérendő jel frekvenciájának egész számú többszörösének kell lennie. Azonban a villamos hálózat frekvenciája ingadozik. Ennek a problémának egyik lehetséges megoldása, ha a mintavételi frekvenciát a mérés során folyamatosan változtatjuk, mégpedig úgy, hogy az a mindenkori hálózati frekvencia egész számú többszöröse legyen. Ezt a műveletet egy PLL (Phase locked loop, azaz fázis zárthurkú) áramkörrel valósítottuk meg, melynek szükségességét és részletes leírását a 5.5. PLL (Phase Locked Loop) áramkör című fejezetben bővebben ismertetjük. Ezen követelmények voltak a legfontosabbak a mérődoboz tervezése folyamán, melyek természetesen a pályázat további részeiben bővebben kifejtésre kerülnek. 4. A MŰSZER KÜLSŐ FELÉPÍTÉSE A műszer egy kétoldalas mérőbőrönd, tehát mind az elülső, mind a hátsó oldala tekinthető kezelőfelületnek. Az egyik kezelőfelület a berendezés primer oldala, vagyis előlapja, amely a mérendő hálózat jeleit fogadja. Ez egy moduláris, fiókokból felépíthető felület, amely lehetőséget nyújt 5x3 fázis áram és / vagy feszültség számítógépes mérésére bármilyen összeállításban és sorrendben. A primer oldalon helyet kell kapnia a mérőmodulok mellett további 2 modulnak, amely szükség esetén az árammérő lakatfogók 9 V-os tápellátását biztosítja, modulonként 12-12 db tápforrással. A másik kezelőfelület a műszer hátoldala, amelyen a tápellátást, a szellőztetést és egyéb csatlakozási lehetőségeket biztosítunk. 4.1 Műszerház A tanszék ipari méréseinek megfelelően, olyan megoldást kellett találnunk, amellyel egyszerűen és gyorsan át tudjuk alakítani a berendezést az aktuális feladatokhoz. A műszer primer oldalát egy fiókos rendszernek terveztük, amely 7+1 fiók fogadására képes, ezért a primer oldalt 7 egyforma és egy nagyobb részre kellett elosztani. 6. ábra A műszerház és egy modul váza 12

A műszerház kiválasztásakor a legfontosabb szempont az ipari körülményeknek való megfelelősség volt, valamint figyelembe kellett vennünk, hogy a mérőmodulokon kívül egy komplett számítógép, mérésadatgyűjtő kártya valamint a tápellátás is el kell, hogy férjen a házban. Gondoskodni kellett a megfelelő védelemről, mind mechanikai mind elektronikai szempontból. Ezért egy árnyékolt, szabványos 19 -os méretű, fiókos kivitelű műszerházat választottunk a mérőműszer vázának. A kiválasztott ház megfelel a legújabb szabványoknak. Burkolati elemei magas árnyékolást biztosítanak, valamint az össze- és szétszerelhető elemekből épül fel, amely megkönnyíti a javítási és karbantartási feladatokat. 4.2 A műszer primer oldala A primer oldal a műszer azon része, amely a mérendő hálózat jeleit fogadja. Ez egy moduláris, fiókokból álló felület. A keret 5+2+1 fiók fogadására alkalmas. Az öt fiókhelyre tetszőleges sorrendben rakhatunk be feszültségmérő és árammérő modulokat. A hatodik és hetedik rekesz ténylegesen mérésre nem alkalmas, csupán az árammérő lakatfogók tápellátását szolgálja, amely 12-12 lakatfogó tápellátását képes biztosítani. Míg az utolsó fiókhelyre a mérőátalakítók ±15V-os tápfeszültségét előállító egység került beépítésre. A 7. ábrán a primer oldali kezelőfelület látható. A feszültség- és árammérő modulok előlapi kinézete típusonként azonos, eltekintve a feliratoktól. Minden egyes modul előlapján feltüntettük a fiók típusát és méréshatárát. Az előlapok felső részén egy 5 mm-es LED jelzi, hogy a fiók feszültség alatt van és üzemképes. Alatta helyezkednek el a jelbemenetek három fázis színeivel megkülönböztetett aljzatai. 7. ábra Primer oldali kezelőfelület 13

4.3 A műszer hátoldala A kimeneti oldal, a mérőberendezés azon része, ahol a tápellátást és a különböző csatlakoztatási pontokat biztosítottuk a mérőbőrönd számára. A hátoldali kezelőfelület látható a 8. ábrán, melynek részei a következők: Olvadó biztosítékos védelemmel ellátott hálózati csatlakozó, amelyen keresztül a 230V-os tápfeszültség csatlakoztatható a mérőberendezésre. Műszer főkapcsolója. Számítógép bekapcsoló gombja. HDD keret, amely segítségével az adattárolási hely bővíthető. Hűtőventilátor, amely az egész műszer levegőkeringtetését végzi. Mérőkártya csatlakozó, amely kiegészítő lehetőséget biztosít a jelek külső számítógéppel történő mérésére, valamint ellenőrzési lehetőséget biztosít a mérést végző személy számára, hiszen a mérőkártya összeköttetései már a műszerdobozon belül megtörténtek. Számítógép alaplapjának összes csatlakozási pontja. GPRS antenna csatlakozója. A beépített számítógép HDD és POWER visszajelző LED ei. 8. ábra Hátoldali kezelőfelület 14

5. A MŰSZER BELSŐ FELÉPÍTÉSE 5.1 Műszer felépítése A mérőrendszer egy szabványos méretű műszerházba került beépítésre. Ez biztosítja a blokkszerűen elhelyezkedő fiókrendszer rögzítését és lehetőséget nyújt a táp-, biztonsági-, fő- és segédberendezések elhelyezésére. MODUL 1 1.5A / 5A 200V / 500V MÉRŐKÁRTYA (NI PCIe-6251) DAQ csatlakozó MODUL 2 1.5A / 5A 200V / 500V GPRS Antenna csatlakozó MODUL 3 1.5A / 5A 200V / 500V MODUL 4 1.5A / 5A 200V / 500V MODUL 5 1.5A / 5A 200V / 500V LAKATFOGÓ TÁPELLÁTÁS LAKATFOGÓ TÁPELLÁTÁS 12V, 5V ±18 V SZÁMÍTÓGÉP Processzor (Intel Core 2 Duo T9300) Alaplap (AIMB-258G2-00A1E) Memória (PC10600) (DDR3 1333MHz 4GB) Winchester (128GB) (Kingston SSD SATA2) 2,5 HDD rack + 500 GB HDD Számítógép táp Chieftec DPS300AB9B) +5V, +12V TÁP Alaplap csatlakozók Ventillátor Főkapcsoló számítógép Főkapcsoló mérődoboz ±18V TÁPELLÁTÁS SÍNPANEL 230 V / 50 Hz Hálózati csatlakozó 9. ábra A berendezés blokkvázlata A műszer első felében találhatók a cserélhető feszültség- illetve árammérő fiókok, melyeket tetszőleges sorrendben és összeállításban helyezhetünk a mérőműszerbe, az aktuális mérésnek megfelelően. Ezen modulok végzik a mért jelek átalakítását mérhető tartományú feszültségjellé. Az 5 cserélhető fiók különböző méréshatárokban készült, melyek a következők: Feszültségmérő: 200V, 500V méréshatár Árammérő: 1.5A és 5A méréshatár 15

Szintén a műszer első felébe építettünk be két állandó fiókot is, amely tényleges mérésre nem használható, csupán az árammérő lakatfogók tápellátását szolgálja, hiszen ezek működéséhez +9V-os tápfeszültség szükséges. Egy modul 12 db lakatfogó tápellátását képes biztosítani. Az előlaphoz csatlakozik szintén egy nagyobb méretű fiók, amely a ±15V-os tápfeszültséget állítja elő. Minden fiók egy sínrendszerhez csatlakozik, amelynek feladata elsősorban a tápellátás csatlakoztatása a fiókokhoz, a fiókok azonosító jeleinek továbbítása, és az analóg mért jelek továbbítása a mérésadatgyűjtő kártyához. A fiókrendszer mögött található egy komplett számítógép, melynek részletes leírását az 5.6. Beépített számítógép című fejezetben bővebben kifejtjük. A műszerdoboz hátsó felében található egy GPRS adatkommunikációt végrehajtó modul, amellyel bármikor távolról leellenőrizhető, hogy a mérés megfelelően zajlik-e. Beépítésre került ezen kívül egy NI PCIe-6251 multifunkciós mérésadatgyűjtő kártya, amelyhez csatlakoznak az érzékelők jelei. A mérések során maximálisan 15 csatornán lehet adatokat gyűjteni. Az eszköz multiplexált adatgyűjtésre, folyamatos, nagysebességű mintavételezésre és adatmentésre is egyaránt alkalmas függetlenül attól, hogy milyen jel mérését vagy érzékelő jeleit kell mérni. Mivel a DAQ-kártya maximálisan ± 5V feszültség fogadására alkalmas (analóg bemeneti csatornák), ezért áram- és feszültségváltók alkalmazására volt szükség, melyek a cserélhető fiókokba lettek beépítve. Szükség volt egy +5V és +12V-ot előállító áramkör beépítésére, mivel a számítógép táp ezen feszültségszintjei nem voltak alkalmasak az analóg- és digitális áramkörök működtetéshez. 5.2 Tápellátás Az elektronikus rendszerek egyik fontos és kritikus eleme a tápegység. A tápegység jósága, hatásfoka és megbízhatósága alapvetően befolyásolja az egész rendszer tulajdonságait. Tápegységek könnyen lehetnek láncolt meghibásodások forrásai. A tápellátás megvalósításakor többféle lehetőség is felmerült, melyek a következők: Lineáris üzemű / analóg - disszipatív tápegység Kapcsolóüzemű tápegység (pl.: Traco Power) A lineáris üzemű tápegység a hálózati feszültséget közvetlenül alakítja át. A hálózati váltakozó feszültséget egy transzformátor a szükséges értékre alakítja. A kapott értékű váltakozó feszültség egy egyenirányítóra kerül, amely a kívánt kimeneti feszültségnél néhány V-al nagyobb stabilizálatlan egyenfeszültséget szolgáltat. A többlet feszültség egy szabályozható beavatkozó elemen (soros áteresztő elemen) esik. A soros áteresztő (disszipáló) elem a valóságban egy vagy több teljesítménytranzisztor, amely lineáris üzemmódban dolgozik. A szabályozó áramkör folyamatosan érzékeli a kimeneti feszültséget és negatív visszacsatolással úgy szabályozza az áteresztő tranzisztor(ok)at, hogy a kimeneti feszültség a kívánt szinten maradjon. Tulajdonságai: magas stabilizálási tényező kis kimenő ellenállás alacsony kimenő feszültség hullámosság megbízható nem kelt nagyfrekvenciás zavarokat nagyméretű és tömegű áteresztő tranzisztorok hűtőlapjai pedig még tovább növelik a méreteket hatásfok kicsi 16

bemeneti teljesítménynek mintegy 60%-a veszteségként jelentkezik nagy hőt termel A kapcsolóüzemű tápegység egy elektronikus tápegység, amely a kívánt feszültség és áram előállításához ill. annak állandó és megkívánt értéken tartásához nagyfrekvenciájú kapcsolójelet használ a szabályzás vagy vezérlés során. A bemenetet egyenirányítják és szűrik, majd tranzisztor segítségével a szabályzásnak vagy vezérlésnek megfelelő kitöltésű négyszögjellel (PWM) egy tekercset nagyfrekvencián kapcsolgatnak (50 khz-2 MHz). A tekercs szolgálhat mint transzformátor, vagy mint önindukciós elem. A kimenetet pedig szükség szerint ismét szűrik. Tulajdonságai: kisebb (és így könnyebb) transzformátort tartalmaz egyenáram átalakítására is alkalmas hatásfoka akár a 99%-ot is elérheti terheléstől függetlenül állandó értéken lehet tartani a kimenet feszültségét vagy áramát, és tudja kezelni a zárlatot elektromágneses szórása magas A mérések pontosságát nagymértékben befolyásolják a tápegységek stabilitása, ezért a felsorolt jellemzőket figyelembe véve lineáris üzemű tápegységet terveztünk és készítettünk el. 10. ábra Tápegység megvalósításának egy lehetséges kapcsolási rajza Az egyenirányító diódák nagy periodikus csúcsáram-igénybevételre, de alacsony frekvenciára tervezett diódák. A kondenzátor miatt jelentős a bekapcsolási áramlökés. Jelentős áramterhelést kell elviselniük alacsony nyitóirányú feszültségesés mellett. Az egyenirányítókban alkalmazott szűrő-simító kondenzátorok feladata az egyenirányított jel hullámosságának csökkentése és energiatárolás/leadás a fogyasztó felé, amikor a diódák nem vezetnek. A kondenzátorokat nagy csúcsáramok terhelik, mivel minél nagyobb a kapacitás, annál rövidebb ideig vezet az egyenirányító dióda, így annál rövidebb idő alatt kell a szükséges töltést felhalmozni, ami jelentős csúcsáramokhoz vezet. A csúcsáramok a kondenzátort fizikailag is terhelik, élettartamát csökkentik. A nagy csúcsáramok a kondenzátor üzemi hőmérsékletét emelik. Tápellátás kialakításakor figyelembe kell venni a hűtés körülményeit is. Gyakran a ház egyben az egyik csatlakozási pont is (anód vagy katód) a jobb hűtés érdekében. A transzformátorok teljesítménytől függően hűtést igényelnek, amely legegyszerűbben ventillátorral oldható meg. Tápellátás megtervezésekor ezen feltételek kielégítése volt a célunk. A mérőberendezés részegységeinek táplálásához több feszültségszint előállítására volt szükségünk: a műszerdobozok áram-, illetve feszültség érzékelőihez szükséges ±15 V; a hűtőventilátorok 12 voltról működnek; az analóg és digitális áramköröknek ±5 V-os tápellátást kellett biztosítani. A különböző feszültségszintek előállítása a műszerdoboz hátuljában, míg a stabilizálásuk az egyes fiókokba lettek beleépítve. 17

5.2.1 ±15V-os tápfeszültség A ±18V-os feszültségszint előállítását egy ME.TRE-47 66418-2 transzformátor végzi. A transzformátor primer oldali névleges feszültsége 230V (50/60 Hz), szekunder oldali feszültsége 2x18V. A transzformátor átütési szilárdsága 4kV. A ±18V-ot egy külön fiókban állítjuk elő, melynek kapcsolási rajza a 11. ábrán látható. 11. ábra ±18V-os tápellátás kapcsolási rajza 12. ábra ±18V-os tápellátást biztosító áramkör Az áram- és feszültség érzékelők pontossága érdekében a feszültségnek kellően stabilnak kell lennie, ezért a ±18V-ból szabályozó elektronika segítségével ±15V-os stabil feszültséget állítottunk elő. A ±15V előállítása különösen kritikus a mérés szempontjából. Annak érdekében, hogy minél kisebb mértékű legyen a mérés véletlen hibája, a ±15V-os stabilizátor elektronika fiókonként került beépítésre. 18

13. ábra ±15V-os stabilizáló áramkör 5.2.2 ±5V-os tápfeszültség Az analóg multiplexer ±5V-os tápfeszültségről működik. Ezért ezt a ±15V-os feszültségszintből állítottuk elő, melyet a 14. ábrán látható kapcsolási rajz alapján valósítottuk meg. Ezen áramkört szintén mindegyik fiók tartalmazza. 14. ábra ±5V-os stabilizáló áramkör 5.2.3 +12V és +5V tápfeszültség +12V kizárólag a hűtőventillátorok működtetéséhez szükséges. +5V szükséges a digitális áramkörökhöz (PIC és EEPROM). Ezen feszültségszintek stabilitása érdekében egy külön áramkört helyeztünk a műszerdobozba, melynek kapcsolási rajza a 15. ábrán látható. A +12V és a +5V előállításához egy MYRRA EN 60950-es transzformátort használtunk fel, melynek primer oldali névleges feszültsége 230V (50/60 Hz), szekunder oldali feszültsége 2x15V. a 2x15V-ból szabályozó áramkör segítségével hoztuk létre a stabil 5V-ot és 12V-ot. Ezen feszültségszinteket csatlakoztatjuk a belső sínrendszerhez, és innen kapja meg az összes fiók a kétféle tápfeszültséget. 15. ábra +5V-os és +12V-os tápellátás kapcsolási rajza 19

5.3 Érzékelők 16. ábra +5V-os és +12V-os tápellátás A méréseinkhez olyan érzékelőkre volt szükségünk, amelyek mérési tartománya, frekvencia tartománya, pontossága és megbízhatósága megfelel az elvárásainknak. Ezért a feszültség- és árammérésekhez a LEM cég különböző típusú érzékelőit választottuk. A LEM cég már évek óta vezető szerepet tölt be a Hall-effektuson alapuló mérőátalakítók gyártásában és forgalmazásában. Sajnos az utóbbi időben egyre több érzékelőben helyettesítik a Hall-effektus elvén működő érzékelőket a Rogowsky elvén működő érzékelőkkel. Az utóbbi elv nem biztosítja a DC és alacsony (20 Hz alatti) frekvencia tartományban történő mérést, valamint a fáziskésése is lényegesen nagyobb, mint a Hallelemes érzékelőké. Ez a probléma a mérőrendszerünkben csak a 2000 A-es flexibilis mérőhurkoknál jelentkezik, a modulokba épített átalakítók Hall-effektus elvén működnek. 5.3.1 Érzékelők elvi működése A felhasznált érzékelők mindegyike az úgynevezett Hall-effektuson alapszik. Edwin Hall 1879-ben fedezte fel a Hall-effektust, ahol a mágneses térben az áramjárta vezetőben, az áramra és a mágneses térre is merőleges irányban elektromos tér alakul ki. Ez a tér, az áramra merőleges irányban, a vezető két széle között mérhető elektromos feszültséget kelt. Vezető, félvezető anyagokban ennek a feszültségnek, az un. Hall-feszültségnek a mérésével meghatározható a töltéshordozók típusa és koncentrációja. Hall-effektus fizikai elvét az 17. ábra szemlélteti, ahol egy téglatest alakú félvezető lapkát használunk. A lapka vastagsága d, az áramirányra merőleges szélessége b. A 17. ábrán látható koordináta rendszer szerint a lapkán keresztül x irányban I áram folyik. Az áram q töltésű töltéshordozók mozgását jelenti, amelyek v sebességgel mozognak. A lapka síkjára merőleges z irányban B mágneses indukcióteret alkalmazva, a töltéshordozókra F = q ( v B) Lorentz-erő hat. Erő hatására megindul a töltéshordozók áramlása az I áramra merőleges -y irányban. Áramlás egyre több töltést halmoz fel a lapka két oldalán. A töltések halmozódása mindaddig tart, ameddig a töltésfelhalmozódás hatására létrejött elektromos tér a töltéshordozókat mozgató teret nem kompenzálja. Az így kialakuló elektromos tér, az un. Hall-tér által létrehozott elektromos feszültség nagysága: U H = R d H IB Ha a B indukció vektor nem merőleges a lapka síkjára, hanem az áramsűrűség vektor és a B vektor iránya α szöget zár be, akkor a Hall-feszültség kifejezése: (1) 20

U H R H = IBsin α d 1 Az előző kifejezésben szereplő R H = mennyiséget Hall-állandónak nevezzük. nq A Hall-állandó fizikai jelentése: egységnyi mágneses tér, egységnyi áramsűrűség esetében mekkora a keresztirányú térerősség. A Hall-állandó negatív, ha az áramot elektronok hozzák létre, és pozitív lyukvezetés esetén. (2) 17. ábra A Hall-effektus szemléltetése A Hall-generátoros mérő-átalakítók elsősorban különböző villamos mennyiségek mérése területén nyertek teret, de más mechanikai mennyiségek mérésére is alkalmazzák őket, pl. szögelfordulás, nyomás mérésére. A LA 25-NP típusú LEM modul, egy több méréshatárú árammérő, amely a mágneses kompenzáció elvén működik. Az érzékelő egyen és váltakozó-áram mérésére egyaránt alkalmas. Egyik legnagyobb előnye, hogy úgy tudunk áramot mérni, hogy a mérő- és a mérendő kör között galvanikus elválasztás van (a legtöbb HALL effektusos áram- és feszültségváltó is hasonló elven működik). A mérendő áram által létrehozott mágneses fluxussal a Hall-érzékelővel ellátott szekunder tekercs mágneses tere egyensúlyt tart. Így a szekunder (kompenzáló) áram minden időpillanatban a primer árammal pontosan arányos. U H = K H Ic (3) ahol: U H - Hall feszültség K - Hall állandó (a félvezető anyagától függő érték) H - a mérendő áram mágneses tere I C - állandó értékre beállított áram N P I P + N S IS = 0 N P I P = NS IS (4) ahol N p - primer menetszám N s - szekunder menetszám I p - primer áram I s - szekunder áram A primer és a szekunder ampermenetek egyenlők, ami azt is jelenti, hogy a primer és szekunder oldalon a mágneses terek kiegyenlítik egymást. 21

5.3.2 Feszültségérzékelők Feszültség érzékelésére is a LEM cég által gyártott modulokat választottuk. A következőkben be szeretném mutatni ezen érzékelők tulajdonságait. A különböző méréshatárok beállítását az előtét ellenállások megváltoztatásával oldottuk meg. Egy-egy példával szeretnénk bemutatni ezen ellenállások értékének kiszámítását is. 5.3.2.1 LV-25P feszültségmérő [6] Feszültség érzékelésére az LV-25P típusú LEM modult választottuk, amely maximum 1500 V feszültség mérésére alkalmas és áramkimenettel rendelkezik. LV-25P tulajdonságai: kiváló pontosság, nagyon jó linearitás alacsony válaszidő, magas sávszélesség alacsony zavar közös módban Működését tekintve egy ±15V-os táplálásra van szüksége. A primer oldalon a modul áramjelet tud fogadni, amely maximum 10mA lehet. Ehhez egy vagy több előtét ellenállásra van szükség. Vegyük például egy 10 ma effektív értékű maximális bemeneti áramot, amely esetében a mért maximális feszültség effektív értéke 1500 V, így az előtét ellenállás számított értéke: 1500V R = = 150 kω 10mA (5) Ha az ellenállás nem szabványos érték, akkor ebben az esetben a kapott számított értéket csak feljebb vihetjük, mert a 10 ma-es maximális bemeneti áramértéket nem léphetjük túl, és egy 151 kω-os ellenállás meg is felel a követelményeinknek. Már csak a szükséges teljesítményre kell méretezni az ellenállást, amit a következő képlettel elvégezhetünk és kapjuk a megfelelő eredményt: P = 1500V 10mA = 15W (6) Így egy 1500 V-os mérés során alkalmazott előtét-ellenállás: 151 kω / 15 W. Ezek alapján 200V-os mérés esetén 22kΩ/2W-os, míg 500V-os mérés esetén 50kΩ/10W-os ellenállást alkalmaztunk. A kimeneti oldalon áramjelet kapunk (max. 25mA). A konverziós tényező 2,5. A kimenetre egy mérőellenállást kell tennünk a mérésadatgyűjtő kártyánk bemenetéhez méretezve. Ez azt jelenti, hogy ha a mérőkártyánk feszültség bemenete ±5 V csúcsértékű, 5 avagy ± V effektív értékű tartományban tud mérni, akkor a maximum 25mA effektív 2 értékű kimeneti áram esetén az ellenállást a következőképpen kell számolni: 5 V R = 2 = 141, 42 25mA A 141,42 Ω nem szabvány érték, ezért ennél kisebb ellenállást kell használni a mérő-oldal megvédése érdekében. A szükséges teljesítményt is ki kell számolnunk: Ω (7) 22

5 P = V 25mA = 0,088W 2 (8) Mérőmoduljaink minden csatornán 1-1 db 120Ω/0,4W-os ellenállást tartalmaztunk. 5.3.3 Áramérzékelők Áram érzékelésére szintén különböző fajta LEM modulokat használtunk. A 1,5 A- es méréshatárú fiókokba LA-25-NP/SP9, míg az 5 A-es méréshatárú fiókokba LA-25- NP/SP2 érzékelőt építettünk bele. 5.3.3.1 LA-25-NP/SP34 [7] Az általunk választott LA-25-NP/SP34 árammérő maximum 1,5A mérésére alkalmas, melynek tulajdonságai: kiváló pontosság nagyon jó linearitás optimalizált válaszidő széles frekvencia-sávszélesség (DC.. 15kHz) magas üzemi hőmérséklet (0.. +70 o C) Tegyük fel, hogy van egy vezetékünk, amin 1,5 A folyik. Ezt szeretnénk megmérni és a számítógépen feldolgozni. A mérésadatgyűjtő kártyánk csatornájának bemeneti 5 feszültségtartománya ±5 V, vagyis ± V RMS értékű. Az érzékelő kimenetén 24 ma-es 2 effektív érték fog megjelenni, amiből nekünk maximálisan 5 V csúcsértékű feszültséget kell előállítanunk. A mérőellenállást Ohm-törvényéből számolva: 5 V R = 2 = 147, 31 Ω 24mA (9) Ez nem szabványos ellenállás érték, ezért csak kisebb értékű ellenállással mérhetünk, a mérőoldal megvédése érdekében. Az ellenállás teljesítménye pedig el kell érje a 5 P = V 24mA = 0,084W 2 A számoltak alapján a használt mérőellenállások értéke 120Ω/0,4W. (10) 5.3.3.2 LA-25-NP/SP2 [8] A másik választott áramérzékelő az LA-25-NP/SP2 maximum 25A mérésére alkalmas, melyet szintén a LEM cég kínálatából választottuk. LA-25-NP/SP2 tulajdonságai megegyeznek a LA-25-NP/SP34-nél leírtakkal. Az érzékelő méréshatárát tudjuk változtatni, annak megfelelően, hogy az árammérő lábait milyen kombinációban kötjük össze. Nekünk arra a kombinációra volt szükségünk, amely esetében az érzékelő 5 A-es áramerősségnél szolgáltat a kimenetén 25 ma-t. Az LA-25-NP/SP2 méretezése megegyezik az LA-25-NP/SP34-nél leírtakkal. 23

5.4 Mérőmodulok A DAQ-kártya maximálisan ± 5V-os feszültség fogadására alkalmas (analóg bemeneti csatornák), ezért áram- és feszültségváltók alkalmazására volt szükség, melyek cserélhető modulokba lettek beépítve. Mivel a mérések során maximálisan 15 csatornán lehet adatokat gyűjteni, ezért 5 modult lehet a műszerbe helyezni, melynek mindegyike 3 fázis mérésére alkalmas. A modulok egy belső sínrendszerhez kapcsolódnak, ahonnan megkapják a szükséges feszültségszinteket, vagyis a ±15 V-ot, +12V-ot és ±5V-t. A cserélhető modulok az alábbiak lehetnek: Feszültségmérő modul: 3 x 200V, 3 x 500 V-os méréshatárral; Feszültség bemenet a lakatfogó áramkörökhöz: 3 x 5V; Lakatfogó tápellátást biztosító modul: 12 x 9V Árammérő modul: 3 x 1,5A; 3 x 5A 5.4.1 Mérőmodulok csatlakoztatása a sínrendszerhez A modulokat a hátsó sínrendszerhez egy egy csatlakozóval illesztettük melyhez minden esetben a 64 pólusú BM 64 RW könyökös dugót használtunk, melyet a 31. ábra is mutat. A csatlakozó 64 tüskével rendelkezik. A tápellátás biztosításához, a fiókazonosításhoz és az analóg mérőcsatornák mérésadatgyűjtő kártyához csatlakoztatásához elegendő volt 32 csatlakozási pont, ezért az "a" és "b" kivezetéseket összekötöttük. Ez a csatlakozó lehetővé tette a fiókok egyszerű és gyors cserélhetőségét a műszerdobozban. A csatlakozó lábkiosztása látható az 5. mellékletben. 5.4.2 Anti-aliasing szűrő áramkör tervezése Mintavételezésnek nevezzük, ha egy folyamatos analóg jelből meghatározott időközönként mintát veszünk. A minták függőleges raszterekbe sorolását kvantálásnak nevezzük. 18. ábra 19. ábra Mintavételezett jel: U(t) Kvantált jel: U(t) A digitális technika elterjedésével a mintavételezett jel sokoldalú feldolgozása vált lehetővé. Ehhez szükségszerűen a mintavételezett jelet digitalizálni kell. Digitalizálásról beszélünk akkor, amikor időben és értékben is diszkretizáljuk a jelet. Ebből következik, hogy a mintavételezés frekvenciáját egyrészt meghatározza a mintavételezett jel frekvenciája, másrészt felülről korlátozza az átalakítás műveleti ideje. 24

20. ábra Digitalizált jel: U(t) Egy jelből olyan gyakorisággal kell mintát venni, hogy az eredeti jel reprodukálható legyen. Shannon mintavételi törvénye értelmében a mintavételi frekvenciát ( f mv ) úgy kell megválasztani, hogy az nagyobb legyen, mint a mintavételezett analóg jel legnagyobb frekvenciájú összetevőjének ( f ) ) a kétszerese. ( jel f mv > max 2 ( f jel ) max Ha a mintavételezési törvényt nem tartjuk be, akkor a mintavételezett jelben nem létező összetevők jelennek meg, ezek az un. alias jelek. Ezen jelenség ellen anti-aliasing szűrővel védekezhetünk, ami egy nagy meredekségű aluláteresztő szűrő. (11) 21. ábra Aliasing jelenség A szűrővel a jel spektrumát lehet módosítani olyan módon, hogy a jel bizonyos frekvencia sávba eső komponenseit átengedjük (áteresztő sáv), más tartományba eső komponenseit viszont elnyomjuk (záró sáv). Az áteresztő sáv elhelyezkedésétől függően beszélhetünk aluláteresztő, felüláteresztő, sáváteresztő és sávzáró szűrőről. Az antialiasing szűrő egy aktív vagy passzív aluláteresztő szűrő, melyet a digitális jelrögzítés esetén helyeznek el azzal a céllal, hagy így az ún. aliasing-effektust (alulmintavételezésből adódó jelhamisítást) csökkentsék és kizárják. Az antialiasing-szűrő gyakorlatilag az analóg jel sávkorlátozását végzi el a jel digitalizálása (mintavételezés és amplitúdó-kvantálás) előtt, ezenkívül a jel/zaj viszony is javul a szűrőnek köszönhetően. A sávszélesség csökkenése megnöveli a felfutás-, lefutási-, és beállítási időt az analóg bemeneten fellépő tranziensek esetén. Ezen kívül a magas fokszámú aluláteresztő szűrő típustól függően kisebb - nagyobb fázis- és amplitúdó hibákat okozhat, ami a mérőcsatorna egészének a pontosságát rontja. 25

Egy szűrő megvalósítására mindig több áramköri megoldás létezik. Ezek elvileg azonos eredményt szolgáltatnak, de a valóságban a különböző megoldások különböző mértékű hibákat eredményeznek. Ezért mindig a legkedvezőbb megoldást kell választani. A döntésnél figyelembe kell venni a kivezérelhetőséget, tápenergia igényt, áramkör saját zaját, melyek befolyásolják az áramkör működését. Az aluláteresztő szűrő fejlesztése során a következő megoldások jöttek számításba: Passzív LC szűrők, melyek minimális számú alkatrészből épülnek fel, belső zajuk kicsi, azonban hátrányuk, hogy az induktivitás megvalósítása drága, nagy a helyigénye. Másik lehetséges megoldás az aktív RC szűrők, melyek kizárólag RC elemekből épülnek fel. RC elemekből felépülő szűrő megvalósítására is többféle megoldás lehetséges, melynek egy lehetséges változatát mutatja a következő ábrán a Sallen key aluláteresztő alaptag. Az aliasing jelek szűréséhez egy olyan megoldásra volt szükségünk, amely nagy meredekségű (minimum -60 db), és 12 000 Hz vágási frekvenciával rendelkezik. Ezen kritériumokat egy negyedfokú Linkwitz-Riley szűrővel tudtuk megvalósítani. 22. ábra Nagy meredekségű másodfokú aluláteresztő szűrő kapcsolási rajza Elvárásoknak a következő értékek feleltek meg, melynek részletes számítása látható a 6. mellékletben: R = 9,3kΩ C 1 = 2nF C 2 = 1nF A szűrő megépítéséhez egy-egy TL082-es IC-t használtunk fel, amely két erősítőt tartalmazó analóg áramkör. Mivel a LEM modulok táplálásához ±15V-os feszültségre volt szükségünk, ezért az első lényeges szempont hogy erről a feszültségszintről tudjon működni a szűrő. Ezenkívül fontos volt megvizsgálni, hogy az összeállított áramkör képese a 12 000 Hz-es vágási frekvenciára és a -60 db-es csillapításra. A fenti feltételeket ezen áramkör teljes mértékig teljesítette. 23. ábra A fiókokba épített szűrő áramkör kapcsolási rajza 26

Az anti-aliasing szűrő megfelelő működségét teszteltük, a mérések eredménye a 24. ábrán látható Bode diagram, amely megmutatja, hogy a szűrő az elvárásoknak megfelel és a működését tekintve is elfogadható, ezért néhány fiók minden egyes fázisára beépítésre került az előzőekben bemutatott áramkör. 10 0 10 100 1000 10000 100000-10 -20 Erősítés (db) -30-40 -50-60 -70-80 Frekvencia (Hz) 24. ábra Anti-aliasing szűrő Bode diagramja 5.4.3 Feszültségmérő modulok fejlesztése Kétféle méréshatárban fejlesztettünk feszültségmérésre alkalmas modult. Ezek a méréseink során leggyakrabban használt méréshatárok az 200V és 500V effektív értékek. Ezen fiókok felépítése teljes mértékben megegyeznek, eltekintve az előtét ellenállások értékétől. Ezen ellenállások kiszámításának módját egy példa alapján végigvezetjük a következőkben, mely alapján a nekünk szükséges ellenállások értéke is könnyen meghatározható. A fiók a sín panelen keresztül kapja meg a megfelelő tápellátást, vagyis a ±18V-ot, +12V-ot és a ±5V-ot. A fiók tartalmaz 3 darab LV-25P feszültségmérő LEM modult, amelyeknek stabil ±15V-os tápfeszültségre van szükségük. A primer oldalon mindegyik modul áramjelet tud fogadni. Ahhoz, hogy feszültséget mérjünk, egy előtét ellenállásra van szükség. A maximális bemeneti áram effektív értéke 10 ma. Az első méréshatár effektívértéke 200 V, így az előtét ellenállás számított értéke: 200V R = = 20kΩ 10mA (12) Az ellenállás pontos méretezésének megadásához a teljesítményét is ki kell számolnunk: P = 200V 10mA = 2W (13) 27

Ahhoz, hogy a bemeneti áram ne növekedhessen 10 ma fölé, a számolt ellenállás értéket felfelé kerekítettem egy szabványos mérőellenállás értékre. Ezek alapján egy 22kΩ /10 W-os előtét ellenállást választottam. A következő méréshatár 500 V, így az előtét ellenállás számított értéke: 500V R = = 50kΩ 10mA (14) Az ellenállás pontos méretezésének megadásához a teljesítményét is ki kell számolnunk: P = 500V 10mA = 5W (15) Tehát egy 50 kω /10 W-os ellenállást választottuk. A mért jelek minden fázison egy előtét ellenálláson keresztül érkeznek a feszültség érzékelőkhöz. A 200V-os méréshatárú modul esetében ezen ellenállás érték a 22kΩ, míg az 500V-os esetében 50kΩ értékű. A LEM modulok megfelelő működéséhez stabil ±15V-ra volt szükségünk. Ezért a sínpanelről kapott ±18V-ot 7815 és 7915-ös stabilizátorokkal és megfelelő szűrő kondenzátorokkal állítottuk elő a szükséges feszültségszintet a tápellátás részben leírtaknak megfelelően (25. ábra). Mivel a LEM modulok áram kimenettel rendelkeznek, a mérésadatgyűjtő kártya viszont feszültség jelet fogad, a LEM érzékelők kimenetére mérőellenállásokat kellett terveznünk. A LEM modulok maximális bemeneti áram (10 ma) hatására 24 ma effektív értéket szolgáltatnak a kimeneten, amiből nekünk maximálisan 5 V csúcsértékű, feszültséget kell előállítanunk. A mérőellenállást Ohm-törvényéből számolva: 5 V R = 2 = 147, 31 24mA Ezen kívül meg kell adnunk az ellenállás teljesítményét is: Ω 5 P = V 24mA = 0,084W 2 Ez nem szabványos ellenállás érték, ezért csak kisebb értékű ellenállással mérhetünk, a mérőoldal megvédése érdekében. Ezek alapján mi 120 Ω / 0,125 W-os előtét ellenállást választottunk. Az aliasing jelenség ( 5.4.2. Anti-aliasing szűrő áramkör tervezése című fejezetben ismertetve) elkerülésére beépítésre került csatornánkénti anti-aliasing szűrő. A szűrő áramkört úgy valósítottuk meg, hogy ki lehessen kapcsolni egy analóg multiplexer (74HCT4053) segítségével. A 12 400 Hz-es vágási frekvenciával rendelkező anti-aliasing szűrőt már az előzőekben részletesen kifejtettük. Azonban ehhez szükség volt egy PIC áramkör (PIC18F14K50) beépítésére is, amelyben szoftveresen vezérelni tudjuk a szűrő áramkör ki- / bekapcsolását. A PIC ezen kívül tárolja a modulazonosítót, a modul típusát és a mérőellenállások hitelesítési szorzóit is. Ezek után a jel a BM64RW csatlakozón keresztül a sínpanelhez kapcsolódik, amely a mérésadatgyűjtő kártya megfelelő bemeneteihez szállítja a megfelelő információkat. A hűtést ventillátorral biztosítottuk, amelyet a modul oldalára szereltünk fel. (16) (17) 28

25. ábra Feszültségmérő modul kapcsolási rajza 26. ábra Kész 200V-os feszültségmérő modul 29

5.4.4 Árammérő modulok tervezése Az árammérő modulokat szintén két különböző méréshatárra terveztük, melyek a következők: 1,5A és 5A. A két méréshatárú modul áramköri panelja teljesen megegyezik, egy lényeges különbségtől eltekintve, melyek a LEM modulok. A 1,5A-es esetében a LEM LA-25-NP/SP34, az 5A-es esetében pedig LA-25-NP/SP2-t használtunk fel, melynek részletes leírása az Érzékelők című fejezetben olvasható. Az árammérő modulok a feszültségmérő modulokkal azonos módon működnek eltekintve attól, hogy itt áramjeleket mérünk, ezért nem kell előtét ellenállásokat helyezni a fiókokba. 27. ábra Árammérő modul kapcsolási rajza 30

5.4.5 Lakatfogó tápellátását biztosító modul tervezése A műszer primer oldalán található két fix modul is, amelyek tényleges mérésre nem alkalmasak, csupán az árammérő lakatfogók tápellátását szolgálják. Ezen fiókok 12-12 lakatfogó tápellátását képesek biztosítani. 28. ábra 2 db lakatfogó tápellátás kapcsolási rajza 29. ábra Lakatfogó tápellátás megvalósítása 5.4.6 5V-os feszültség bemenetű modul tervezése Tanszékünkön lakatfogós árammérők különböző méréshatárokban találhatók: 20 200A 60 600A 150 1500A 20-200-2000A 30-300-3000A A lakatfogók ugyan áramot mérnek, de 1-10mV-os feszültség kimenettel rendelkeznek, ezért szükséges volt olyan fiókok kivitelezése, amelyek 5V-os feszültségbemenetet biztosítanak a lakatfogós árammérőkhöz. Tehát a fiók a lakatfogók jeleit közvetlenül továbbítja a DAQ-kártya bemeneteire. 31

30. ábra 5V-os feszültség bemenetű modul kapcsolási rajza 5.4.7 Sínrendszer A műszer moduláris felépítéséből adódóan rendelkezik egy sínrendszerrel, ami a csatlakozósorokat és a hozzá kapcsolódó vezetékezéseket tartalmazza. Ennek a sínrendszernek a feladatai: A tápellátás továbbítása a modulokhoz. A fiókhelyek azonosításához szükséges hardver feltétel biztosítása. Modulazonosítás Az analóg mérőcsatornák kapcsolása a műszerdobozon elhelyezett mérésadatgyűjtő kártya csatlakozójához. A sínrendszer első lényeges feladata a tápellátás biztosítása a fiókok számára. A sínpanelen ez 6 vezetéken történik: +5V, +12V, GND, +15V,-15V, GND. Ezeken kívül az utolsó 3 fiókhelyre a 230V sínpanelre csatlakoztatása is 2 vezetéken történik. A modulokban a nyomtatott áramköri lapon található egy-egy soros EEPROM, amely a modul azonosításában vesz részt. Az EEPROM tartalmazza a fiókazonosítót, a fiók típusát, fiók sorozatszámát, mérőellenállások értékeit. Az EEPROM felprogramozásához az I 2 C protokoll szerinti kommunikációhoz megfelelő függvények NI LabWindows CVI ban készültek el. A méréseknél egy modult két jellemzővel azonosítunk. Adott modulazonosítójával,és a mérőkeretben elfoglalt helyével, azaz,hogy melyik fiókhelyre került. A fiókhelyek megkülönböztetését három bit (vezeték) kettes számrendszerbeli különböző kombinációival oldottuk meg. Így a legelső fiókhely a 000, a legutolsó pedig az 111 kombinációval rendelkezik, hiszen a műszerdoboz maximálisan 8 modul fogadására képes, tehát a 3 bit 8 féle kombinációja elegendő a fiókazonosításhoz. 32

A sínpanel következő funkciója a modul azonosítása. A modul lekérdezésekor a mérőkártya digitális kimenetei által megszólított fiókhely csatlakozik a modul lekérdezésére fenntartott digitális csatornákra. A fiókhely megszólítása valójában egy engedélyező jel kiadását jelenti a megcímzett fiók számára. Az engedélyező jelét egy 74138-as típusú címdekódoló szolgáltatja. Az IC-re a mérőkártya 3 darab digitális kimenete csatlakozik, amelyek segítségével a kezelő szoftver képes megszólítani a kérdéses fiókot. A sínrendszer feladata az analóg mérőcsatornák eljutatása a műszerdobozon elhelyezett mérésadatgyűjtő kártya csatlakozójához. Azonban ezt zavarvédelmi szempontból nem a sínpanelon, hanem külön árnyékolt vezetékekkel valósítottuk meg. A sínpanelt két részből épül fel, melyek összeköttetéseit szalagkábellel oldottuk meg. A 230 V -os feszültséget csak a 3 tápellátást biztosító fiókhelyre kellett rávezetni, ezért a zavarvédelem és érintésvédelem szempontjából a sínrendszer feldarabolása 3 5 csatlakozósor arányában történt. 31. ábra Sínpanel megvalósítása 33

32. ábra Sínpanel kapcsolási rajza 34

5.5 PLL (Phase Locked Loop) áramkör A villamos hálózat analízisének egyik legfontosabb eleme az FFT vizsgálat, melynek során követelmény, hogy a vizsgálandó digitalizált jelalak a mintavett jel egy vagy több teljes periódusát tartalmazza. Ha tört periódust tartalmaz a regisztrátum, akkor a kapott amplitúdó-frekvencia spektrum sátras jellegű lesz, és az amplitúdó értéke nem a valós érték lesz. Emiatt a mintavételi frekvencia a mérendő jel frekvenciájának egész számú többszöröse kell, hogy legyen. Azonban a villamos hálózat frekvenciája, ha csak kis mértékben is, de ingadozik. Ennek a problémának a megoldására több módszer létezik, mi azt választottuk, hogy a mintavételi frekvenciát szinkronizáljuk a mérendő jel frekvenciájával. A mérésekhez felhasznált multifunkciós mérőkártya mintavételi frekvenciájának alapjául általában a kártya belső órajelét használjuk. Azonban ezek a kártyák rendelkeznek még egy külső órajel-bemenettel is, mely szintén felhasználható e célra. Az alkalmazott módszer ezt a külső órajel-bemenet alkalmazását igényli. Erre a bemenetre egy feszültségvezérelt oszcillátor csatlakozik, melynek frekvenciáját egy PLL (= Phase Locked Loop = Fázis zárt hurok) áramkör szabályozza a hálózati frekvencia változásainak megfelelően. 5.5.1 A PLL áramkörök működése A PLL áramkörök feladata általában egy instabil oszcillátor frekvenciájának stabilizálása egy megfelelően stabil referencia frekvencia segítségével. Az áramkör felépítését a következő ábra szemlélteti. f ref Fázis detektor Aluláteresztő szűrő Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) f ki Frekvencia osztó 33. ábra PLL áramkör elvi felépítése Az áramkör bemenetén egy fázisdetektor fogadja a referencia oszcillátor jelét, melynek fázisát a feszültségvezérelt oszcillátor kimeneti frekvenciájának megfelelően leosztott fázisával hasonlítja össze. A kimenete áramkimenet, melynek nagysága a fázisok különbségével arányos. Ezt követi egy aluláteresztő szűrő, az ún. hurokszűrő, mely elvégzi a megfelelő áram-feszültség konverziót, és kiszűri a nem kívánatos spektrumkomponenseket a fázisdetektor kimeneti jeléből. A szűrő kimenetén feszültség jelenik meg, mely tulajdonképpen már magát a feszültségvezérelt oszcillátort (VCO) hangolja. Ha az oszcillátor esetlegesen elhangolódik, akkor a fázisdetektor bemenetén a jelek fázisai nem egyeznek meg, ezzel megváltozik az aluláteresztő szűrő kimenetén a feszültség, olyan irányba, hogy az úgymond visszahangolja a VCO-t. A kimeneti frekvenciára felírható az 35

f ki = f N (18) ref képlet, ahol N a frekvenciaosztó osztás aránya. Tehát megállapítható, hogy a PLL úgymond többszörözi a referencia frekvenciát, a többszörözési tényező megegyezik a frekvenciaosztó osztási arányával. Ma már a legtöbb PLL áramkör programozható, vagyis működés közben változtatható az osztó osztási aránya, ezzel tulajdonképpen megoldható a kimeneti frekvencia léptetése annak stabilan tartása mellett. 5.5.2 Fázisdetektorok A PLL áramkörök ún. magja a fázisdetektor, melyeknek két fő típusa van: fázisra érzékeny fázisdetektor fázisra és frekvenciára érzékeny fázisdetektor 5.5.2.1 Csak fázisra érzékeny fázisdetektorok Eleinte csak ezeket a típusokat használták egyszerűségük miatt, azonban nagy hátránya, hogy ezen típusú áramköröknek véges a behúzási ill. a tartási tartománya, azaz ha a VCO frekvenciája egy bizonyos határnál jobban eltér a PLL által diktált frekvenciától, akkor a PLL nem tudja kontrollálni a VCO kimeneti frekvenciáját, kiesik a szabályzási tartományból. Manapság már csak GHz-es tartományban használják ezeket, ahol nehézséget okoz a bonyolult digitális áramkörök használata. A csak fázisra érzékeny PLL fázisdetektoroknak négyféle megvalósítása létezik: a.) Kizáró-vagy (XOR) kapu A kétbemenetű kizáró vagy kapu működése: A B Q L L L L H H H L H H H L Belátható tehát, hogy ha a XOR kapu két bemenetére azonos frekvenciájú négyszögjelek kerülnek, a kimeneti jel kitöltési tényezője arányos lesz a bemeneti jelek fáziseltérésével. Ezt a jelet integrálás után felhasználhatjuk a VCO vezérlésére. 36

b.) Analóg szorzó Az előjeles szorzásnál az előjelekre igaz a XOR kapunál ismertetett igazságtáblázat, tehát a kimenet integrálása után itt is egy olyan feszültséget kapunk, mellyel a VCO szabályozható. c.) Analóg mintavételezés A referencia frekvencia (ami tipikusan négyszögfrekvencia) él váltásainál mintát veszünk a VCO jeléből, amivel szintén tudunk fáziskorrekciót végezni. Ez a három megoldás maximálisan 90 fokos fáziseltérést tud korrigálni. d.) JK tárolós megoldás Hasonló a működési elve, mint a XOR kapus megoldásnak, viszont ez már 180 fokos fáziseltérést is korrigálni tud. 5.5.2.2 Fázisra és frekvenciára érzékeny PLL fázisdetektor 34. ábra Fázisra és frekvenciára érzékeny PLL fázisdetektor felépítése Az áramkör két D tárolót tartalmaz. A tárolók bemenete logikai 1 szintre vannak kötve. A kimenetük akkor lesz magas szintű, amikor az órajel (CLK, CP) alacsony szintről (L) magas szintre (H) ugrik. Amikor az u 1 bemenetnél megtörténik az L-H átmenet, akkor UP magasra vált. Amikor később az u 2 bemenet is magas szintre vált, akkor DN kimenet is magas szintű lesz, de ekkor az ÉS kapun keresztül (H&H H) a C D törlő lábon megjelenik a D tárolókat törlő impulzus, amely hatására alacsony szintre (L) kerül az UP és DN kimenet. Belátható, hogy az UP láb magas állapotának aránya (más szóval kitöltési tényezője) arányos azonos frekvenciájú jel esetén a fázisszöggel, ráadásul 0...100 % között. Ugyanakkor az is belátható, ha u 1 bemenetre gyakrabban érkeznek L-H átmenetek (nagyobb frekvencia), akkor szintén nagyobb lesz a kitöltési tényező. 5.5.3 CD4046 típusú PLL- áramkör [9] A kereskedelemben számos PLL áramkör kapható, azonban ezek magasabb (MHz, GHz) frekvenciákon működnek. Mivel esetünkben a referencia az 50Hz-es hálózati frekvencia, ezért olyan típust kell választanunk, amelynek nagy a referencia frekvencia értékelés tartalmaz frekvenciaosztót (512 vagy ennél nagyobb mértékű leosztást). A CD4046 típusú PLL külső frekvenciaosztót [7] igényel, ezáltal alkalmassá tehető a 37

feladatra. Ráadásul beépítve tartalmaz egy csak fázis érzékeny (XOR kapus), valamint egy fázis- és frekvencia érzékeny (D-tárolós) fázisdetektort, illetve egy négyszögkimenetű VCO áramkört. Az áramkör jellemző paraméterei: Tápfeszültség (V dd ): 5-18V Maximális működési frekvencia: 2,4MHz Maximális teljesítmény-disszipáció: 500mW Linearitás (VCO): 0,5-4% A frekvenciaszinkronizáló áramkörrel szemben támasztott követelmények nagy behúzási és benntartási tartomány lehető legkisebb frekvencia-ingadozás fáziskiesés esetén átkapcsolás egy másik, meglévő referencia fázisra mindhárom referencia kiesése esetén beállított, fix mintavételi frekvencia szolgáltatása amint lehetséges, álljon vissza a referencia fázisok használatára szorzótényező külső beállításának, módosításának lehetősége, lehetőleg I 2 C kommunikációs busz használatával mérő PC értesítése fáziskiesésről, esetleges hibákról +5V tápfeszültségről üzemeltethetőség kis áramfelvétel 5.5.4 Frekvenciaszinkronizáló áramkör megvalósítása Több prototípus és tesztmérés után elkészült a kapcsolás végleges verziója, melynek fényképét ill. kapcsolási rajzát az alábbi ábrák szemléltetik. 35. ábra Kész PLL áramkör 38

36. ábra PLL áramkör kapcsolási rajza 39

5.5.4.1 A kapcsolás részegységei, működésük a.) Nullkomparátor egység: három műveleti erősítőt tartalmaz, feladata a három szinuszos referencia-jel négyszögesítése, nullátmenetre szinkronizálva. b.) Bemeneti multiplexer: feladata a megfelelő, négyszögesített referencia-jel kiválasztása. c.) Fáziskomparátor-VCO egység: a már ismertetett CD4046 áramkört tartalmazza, fáziskomparátorának egyik bemenetére a kiválasztott referencia, másik bemenetére pedig a VCO kimeneti frekvenciájának leosztott megfelelője csatlakozik. Normál működés esetén a VCO kimeneti frekvenciája adja a mintavételi frekvenciát. d.) Programozható N-osztó: CD4059 típusú áramkör, feladata a VCO kimeneti frekvenciájának megfelelő leosztása BCD kódolású preset-bemeneteinek megfelelően. Az itt beállított osztásarány adja meg, hányszorosa legyen a mintavételi frekvencia a hálózati frekvenciának. e.) Kimeneti multiplexer: szintén 74HC153 típus, kiválasztja, hogy a VCO vagy egy fix frekvencia szolgáltassa a mintavételezés órajelét. f.) Mikrokontroller (µc): PIC18F4550 típusú mikrovezérlő, vezérli az áramkör működését (N-osztó beállítása, multiplexerek vezérlése, fáziskiesés figyelése, fix frekvencia előállítása), a PC-vel való I 2 C kommunikációért felelős. 5.5.4.2 Normál működés A bemeneti MUX által aktuálisan kiválasztott referencia-jel a PLL egység bemenetére jut, melynek VCO kimenetén a megadott szorzótényezőnek megfelelő frekvencia jelenik meg (pl. ha pontosan 50Hz a hálózati frekvencia, és 3200Hz az igényelt mintavételi frekvencia, akkor az N-osztót 64-es osztásra kell beállítani, stb.). A referencia jelet megkapja még a µc egyik bemeneti portja is, mely folyamatosan mintát vesz abból. A kimeneti MUX a VCO frekvenciáját kapcsolja az áramkör kimenetére. 5.5.4.3 Egy referencia-fázis kiesése Ha 30ms-nál hosszabb ideig nem érkezik referencia-impulzus a kiválasztott fázisról, abban az esetben a µc átkapcsolja a MUX-t egy másik, soron következő referencia-fázisra. Amennyiben azon nincs kiesés, úgy a fentiek szerint tovább működik az áramkör. Az átkapcsolás idején egy minimális ingadozás várható a mintavételi frekvenciában. 5.5.4.4 Mindhárom referencia-fázis kiesése Ha a fent említett referenciaforrás-változtatást háromszor egymás után elvégezve sem talál a µc használható jelet, úgy a kimeneti MUX-t utasítja, kapcsoljon az előre meghatározott, fix órajelre. Eközben a három bemeneti jel figyelése folyamatosan történik, egészen addig, amíg valamelyik (vagy akár az összes) forrás helyre nem áll. Ekkor az éppen elkapott bemeneti jel a normál működésben leírtak szerint a PLL referenciája lesz, azonban a kimenet csak 30 hálózati periódus (600ms) múlva kapcsol vissza a VCO kimenetére, ugyanis ennyi idő szükséges ahhoz, hogy a PLL elérje a benntartási tartományt. Abnormális működés esetén az áramkör egy ún. jelző vonalon figyelmeztetést küld a PC-nek, mely ezt követően I 2 C kommunikációs vonalon lekérdezi az üzemzavar okait. Jelző vonalra az I 2 C kommunikáció mester-szolga mivolta miatt volt szükség, mivel csak a mester üzemmódban kommunikáló PC képes adatátvitel kezdeményezésére. 40

5.6 Beépített számítógép A műszer magába foglal egy beépített számítógépet. A számítógép elemeinek a kiválasztásakor több fontos jellemzőt vizsgáltunk meg a végső cél érdekében: Helytakarékossági jellemzők (méretek) Működési sebesség Gyors adattárolás Nagy tárolási helyigény Melegedési jellemzők Elsőként a helytakarékossági jellemzőket vettük figyelembe. A műszernek meghatározott méretű házban kell elhelyezkednie. A moduláris elrendezés miatt a fiókok helyzete adott. A számítógépet a műszerház szabadon maradt helyén tudtuk elhelyezni. Az adatok feldolgozásához szükségünk volt egy alaplapra, hozzá processzorra, winchesterre, memóriára és egy tápellátásra. Minden alkatrészből a lehető legkisebb méretűt kerestük. Másodsorban a működési sebességgel foglalkoztam. A mérőberendezés egyik sajátossága, hogy a méréssel azonos időben a mért adatokat egy szoftver segítségével azonnal fel is lehet dolgozni. A mérőrendszer maximum 15 csatornán tud egyszerre mérést folytatni. A legjellemzőbb a csatornánként 3200 Hz-es mintavételezés, de ennél nagyobb mintavételi frekvenciával is lehetséges a mérés(ek) elvégzése. A megfelelő feldolgozás érdekében a lehető legnagyobb teljesítményű számítógép konfigurációra törekedtünk. Minimum feltétel az Intel Pentium DualCore T5800 processzor, és a hozzá tartozó alkatrészek. Következő szempont a melegedési jellemzők. A számítógép megfelelő működése szempontjából fontos tulajdonság a melegedés, illetve a megfelelő hűtés biztosítása. Mivel a műszerház egy zárt lemezdoboz, megfelelően nagy felületű szellőzőnyílással az alján, egy ventillátorral lehet biztosítani a rendszer hűtését. Ezért helyeztünk el egy 8cm-es ventillátort a berendezés hátoldalán. A levegő keringését a műszerház kialakítása teszi lehetővé. A számítógép túlmelegedése a berendezés leállásához vezethet, ami adatvesztést eredményez. A konfiguráció összeállításában nagy figyelmet fordítottunk az egyes alkatrészek melegedési paramétereinek vizsgálatára. Ezután a gyors adattárolást vizsgáltuk. A műszer 15 csatornán általában max. 20 khz-es mintavételi sebességgel méri a jeleket. A méréssel azonos időben feldolgozza és rögzíti az adatokat. Ez percenként körülbelül 36 Megabyte adatot jelent. A számítógépnek ezt az adatmennyiséget folyamatosan mentenie kell a merevlemezre, mert ha lassabban tárolja, mint ahogy feldolgozza, akkor adatvesztés következik be. A tárolási sebesség leginkább a winchestertől és a kommunikációs csatornától függ. Az alkatrész kiválasztásakor erre a jellemzőre is nagy figyelmet fordítottunk. Végül a nagy tárolási helyigényt vizsgáltuk. Az előző pontban taglaltak alapján percenként körülbelül 36 Megabyte adat keletkezik, maximális kihasználtságnál. A berendezés több napos folyamatos mérésre is alkalmas. Tíz napos mérés esetén körülbelül 500 Gigabyte adat kerül rögzítésre. A winchester az adattárolás gyorsaságát legnagyobb mértékben befolyásoló alkatrésze. Nagymértékben meghatározza az írási és olvasási paramétereket. A feltételeket figyelembe véve olyan tárolóeszközt kellett keresnünk, amely nagy sebességre képes, kapacitása 500Gb-nál nagyobb, és a melegedési problémát nem növeli. Választásunk két HDD-ból álló rendszerre esett. A megfelelő sebesség érdekében a rendszerlemez egy Solid State Disk technikával készített merevlemez. A Solid-State Disk NAND flash alapú félvezetős memória, amely nyomtatott áramkörre szerelt memória ICkből épül fel. Ezek áram nélkül is megőrzik a bennük tárolt adatokat. Alapvetően azért gyorsabb, mert nem tartalmaz mozgó alkatrészeket, azaz nincs benne induláskor felpörgő 41

mágneslemez és egy olyan mechanikus szerkezet, amelyik a lemez megadott felületére mozogva végzi az írás/olvasás műveletét. Az SSD-ben ezek a műveletek elektronikusan történnek, így csak a vezérlő elektronika és a NAND flash memóriák írási sebessége a határ. A 128Gb SSD winchesteren kívül a nagy kapacitás biztosítására egy 500Gb 2,5 normál cserélhető winchestert is beépítettünk. A kiválasztott alkatrészek: Alaplap (AIMB-258) [10] Processzor (Intel Core 2 Duo mobile T9300) [11] Memória (DDR3 PC10600 1333MHz 4GB) [12] SSD adattároló (Kingston SSD SATA2 128GB 2,5") [13] 2,5 HDD rack + 500 GB HDD Számítógép táp (Chieftec DPS300AB9B mini 300W) [14] 37. ábra Műszerdoboz belső felépítése 5.7 Mérésadatgyűjtő kártya [15] A mérőrendszer kialakításakor nagy figyelmet fordítottunk a mérésadatgyűjtő kártya típusára. A mérés talán legfontosabb alkatrésze a mérőkártya. Feladata az analóg mérőjelet fogadni és a számítógépnek továbbítani digitális formában. A mérésadatgyűjtő kártyával szembeni elvárások: PCIe foglalattal csatlakozzon az alaplaphoz Minimum 15 analóg bemenettel rendelkezzen Minimum 5 digitális bemenete legyen Mintavételi frekvencia körülbelül 1 MHz Felbontása 16 bit 42

A megvalósításhoz egy NI PCIe-6251 multifunkciós adatgyűjtő kártyát választottunk, amely a mintavételezés szempontjából minden igényt kielégített, hiszen méréseink során maximum 15 csatornán gyűjtünk adatokat, csatornánként max.20khz-es mintavételi frekvenciával. Az alaplaphoz egyszerűen csatlakoztatható, mert az alaplap és a mérőkártya is PCIe csatlakozóponttal rendelkezik. A mérőkártya digitális portjait a modulok azonosítására használtuk fel. Napjainkban a mérőrendszerekben elengedhetetlen a 16bit-es felbontás. A National Instruments gyártmánya, a PCIe-6251 mérésadatgyűjtő kártya minden elvárásnak megfelel, és kiváló specifikációkkal rendelkezik. A DAQ kártya legfontosabb jellemzői: 16 db AI (Analog Input) 2 db 16 bites AO csatorna (Analog Output) 8 db digitális I / O (Input / Output) csatorna 2 db 24 bites számláló csatorna (Counter) analóg triggerelési lehetőség NI-DAQmx driver szoftver a mérésekhez NIST kalibrációs bizonyítvány, több mint 70 jelkondicionálási lehetőséggel szoftvertámogatás LabVIEW, LabWindows/CVI, Measurement Studio (Visual Basic), és Visual Studio.NET fejlesztőkörnyezetekhez. Tulajdonságai alkalmassá teszik az eszközt számos mérési feladat ellátására. Az eszköz multiplex adatgyűjtésre, folyamatos nagysebességű mintavételezésre és adatmentésre is egyaránt alkalmas függetlenül attól, hogy milyen jel mérését vagy érzékelő jeleit kell mérni. 38. ábra NI PCI-6251 multifunkciós adatgyűjtő kártya A mérésekhez a számítógépben elhelyezett mérőkártya analóg csatornáit, a modulok azonosításához pedig a digitális ki- és bemeneteit használjuk. Ahhoz, hogy a méréseket el tudjuk végezni, a számítógépben elhelyezett mérőkártya analóg csatornáit kell összekötni a műszerbe helyezhető modulokkal. A sínpanel és a mérésadatgyűjtő kártya a National Instruments szabványos 68 lábú, SCSI-II típusú mérésadatgyűjtő csatlakozóján keresztül csatlakozik egy szabványos kábellel. A műszer hátoldalán elhelyezett DAQ csatlakozó csupán a csatornák működésének ellenőrösére lett beépítve, mivel minden összeköttetés a mérődobozon belül megvalósul. 43

5.8 Beépített védelmek A műszert különböző védelmekkel kellett ellátni mind az üzembiztonság, mind a szabványok előírásai miatt. A villamos gépek, készülékek, szerszámok burkolatait, kezelőfogantyúit burkolni kell. Ezek a burkolatok, fogantyúk stb. üzemszerűen nem állnak feszültség alatt. Ha a szigetelés sérülése következtében a burkolat érintkezésbe kerül a feszültség alatt lévő alkatrésszel, akkor annak érintése áramütést okozhat. Az ebből származó balesetek megelőzésével, ill. az ellene való védekezéssel foglalkozik az érintésvédelem. A fogyasztó érintésvédelmét úgy biztosítjuk, hogy az üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de megérinthető fém alkatrészeit egy védőföldeléshez kötjük. Ezzel biztosítani lehet, hogy a megérinthető alkatrészek hibátlan állapotban a környezetükhöz képest nem lesznek potenciálon, így a géppel biztonságosan lehet dolgozni. A magyar előírások szerint csupán a limitfeszültségnél nem nagyobb feszültség juthat az emberi testre. Ez a feszültség súlyos, de még nem életveszélyes balesetet képes okozni. Ha tehát egy rendszerben testzárlat keletkezik, akkor a gép burkolatán olyan nagy érintési feszültség jön létre, amely meghaladja a megengedett limitfeszültség értékét és súlyos, halálos baleset előidézője lehet. Ennek megakadályozása érdekében a szabvány nemcsak az érintési feszültség nagyságát határozza meg, hanem előírja, hogyha valamely helyen az érintési feszültség nagyobb a megengedettnél, akkor azt a gépet, készüléket meghatározott időn belül, önműködően le kell kapcsolni a hálózatról. A lekapcsolási idő hordozható készülékek esetén 0,2s -nál nagyobb nem lehet. Az előzőekben leírtak alapján az érintésvédelem lehetséges megfoldásai: Védelem a táplálás önműködő lekapcsolásával A villamos szerkezet elszigetelésével. Tehát az érintésvédelmi módok nem a testek érintését kívánják megakadályozni, hanem azt, hogy az érinthető testek tartósan (hosszabb ideig) veszélyes érintési feszültség alá kerüljenek. Ezért azokat a villamos berendezéseket, amelyek áramütéses balesetet okozhatnak, úgy kell szerelni, hogy abban az üzemszerűen feszültség alatt álló alkatrészeket véletlenül se lehessen megérinteni sem kézzel, sem valamilyen eszközzel. Az érintésvédelmi előírásoknak esetünkben a műszerháznak kell megfelelnie. A szabványos kialakítás érdekében a védőföldelést a külső ház minden eleméhez hozzávezettük, és a hálózati védőföld pontjához csatlakozattuk. A teljes tesztberendezés és a belső modulrendszer egyaránt olvadó biztosítékos védelemmel van ellátva, a túlfeszültség- és áram hatásai ellen. 44

6. MÉRÉST VEZÉRLŐ ÉS ADATFELDOLGOZÓ SZOFTVER A mérőszoftvert és a kommunikáció szoftverét a National Instruments LabWindows/CVI magas szintű programozási nyelvén fejlesztettük. A mérőműszer laboratóriumi teszteléséhez két általunk készített szoftvert használtunk fel. Az egyik az adatgyűjtés feladatát látta el, a másik a mért értékeket dolgozta fel [16]. 6.1 Mérést vezérlő szoftver A mérőprogramot a laboratóriumi teszteléshez fejlesztettük ki, célunk az volt, hogy a mérési körülmények minél jobban lefedjék a valós ipari mérések körülményeit, ezért számos olyan funkciót építettünk be a mérésvezérlő programba, ami a laboratóriumi mérésnél ugyan nem fontos, de ipari körülmények között gyakran előforduló igényt vagy körülményt szimulál. Ennek megfelelően a mérésvezérlő program feladata, hogy folyamatosan és adatvesztés nélkül mérjen, akár több héten keresztül. A szoftver a mért jelalakokból adatfájlokat állít elő, lehetővé téve a mérés későbbi feldolgozását. A mérés megkezdése előtt be kell állítani a mérési paramétereket. A beállítások alapján elkészülő paraméter fájlt használja a feldolgozó szoftver a valós értékek helyes megjelenítésére. A mérésvezérlő program az adatgyűjtő kártyával végrehajtott multiplexált mintavételezés során mért értékeket adatfájlba írja. Egy adatfájl egy perc mérési eredményeit tartalmazza. Az adatfájlok neve a mérés azonosítójából, illetve a mentés hónap, nap, óra, perc formátumú időpontjából áll (pl.: SALGO_08-23-13-32-00.dat). A mért értékek short integer típusúak, az adatfájlok bináris formátumúak. A program működését szemlélteti az 39. ábrán látható folyamatábra. A mérési paraméterek: 3 fázisú áramjelek száma Mintavételi frekvencia Mintaszám/csatorna/másodperc A/D átalakító felbontása Mérésazonosító A mérési csatornához tartozó teljes skála maximális értéke A mérési csatornához tartozó mértékegység 3 fázisú áramjelek száma: A mérőrendszerünk, mint azt ismertettük, összesen öt háromfázisú rendszer mérésére alkalmas. A tesztelés során ez egyszer három fázis feszültség és 1-4 közötti három-fázisú, azaz maximum négyszer három-három áramjel mérését jelenti. Mintavételi frekvencia: Két mintavételezés között eltelt idő reciproka. A/D átalakító felbontása: Az analóg-digitális átalakítás bitszáma. A DAQ kártya A/D átalakítójának felbontása (általában 12, 16 bit) határozza meg, hogy mekkora a legkisebb mérhető feszültség nagysága. Minél nagyobb a felbontás, annál kisebb feszültség értékek mérésére képes az adatgyűjtő kártya. A legkisebb mérhető feszültség (kvantumfeszültség) nagysága a teljes skála értékének és a 2 bitszám hányadosa. A mérőprogram a tárolókapacitás optimális kihasználásának érdekében short integer formátumban tárolja az adatokat. A feldolgozás első lépéseként a short integer formában tárolt adatokat át kell alakítani valós feszültség értékekké, vagyis a tárolt eredményeket szorozni kell a kvantumfeszültséggel, amihez ismernünk kell az A/D felbontását. 45

Mérés indítása Mérés előkészítése Mérőkártya inicializálása Mérési feladat (task) létrehozása másodperc=0 hamis igaz Mérési csatornák hozzáadása a task-hoz. Mintavételi és konverziós frekvencia beállítása. Mérés indítása. Hiba történt igaz hamis másodpercek száma == 60 hamis igaz Idő lekérdezése. Adatokat tároló fájl létrehozása. másodpercek száma =0 Csatornánként kiolvasható minták számának lekérdezése. mintaszám == 10000 hamis mintaszám >= 3200 igaz hamis igaz Adatok fájlba írása. másodpercek száma ++ Mérés leállítása Hiba naplózása 39. ábra A mérésvezérlő program működését szemléltető folyamatábra 46

Mintaszám/csatorna/másodperc: Csatornánként hány darab mintát veszünk és tárolunk el másodpercenként. A mintavételi frekvencia és a mintaszám beállításánál figyelembe kell venni, hogy a mintavételezett jel frekvencia spektrumának felbontását az alapharmonikus frekvencia (a mintaszám és a mintavételi frekvencia hányadosa) határozza meg. A spektrum felbontásának növeléséhez csökkenteni kell az alapharmonikus frekvenciát, azaz növelni kell a feldolgozandó regisztrátum időtartamát. Ez a mintavételi frekvencia csökkentésével, és/vagy a mintaszám növelésével lehetséges. Mivel a Shannon törvény megszabja a mintavételi frekvencia minimális értékét, a mintaszám megfelelő beállításával lehetséges a frekvencia spektrum felbontásának növelése. A mintavételi frekvencia és a mintaszám azért adható meg külön, mert előfordulnak olyan mérések, amikor nem folyamatosan mérünk, hanem az 50 Hz-es jel egy másodpercének 50 periódusából kevesebb, például 16 is elég a jelfeldolgozáshoz. Mérésazonosító: Az adott mérés azonosítására szolgáló 5 karakterből álló azonosító. A mérési csatornához tartozó teljes skála maximális értéke: A digitalizálás során a Full Scale (FS) digitális értékhez tartozó valós érték. A mérés során a nagyfeszültségű jel egy mérőtranszformátoron keresztül csatlakozik a mérőműszerhez. A jel lakatfogós érzékelőkön keresztül csatlakozik a mérőkártyához. Tehát ez a paraméter azt adja meg, hogy milyen valós feszültség vagy áramértéket repreneztál a mérőkártya +/-5Vos bemenetéhez csatlakoztatott jel. A mérési csatornához tartozó mértékegység: Milyen mértékegységben értjük a teljes skálához tartozó értéket. 6.2 Adatfeldolgozó szoftver 6.2.1 A szoftver bemutatása A feldolgozó szoftver feladata az alapvető hálózatdiagnosztikai mennyiségek számítása az adatgyűjtő program által előállított bináris fájlok felhasználásával. Az adatok feldolgozásának alapja az adatgyűjtő program által létrehozott paraméterfájl. Miután a felhasználó megadta az adatfájlok helyét, a feldolgozó szoftver a paraméterfájlt visszafejtve, meghatározza a mérés során használt beállításokat. A feldolgozó program főablaka látható az 40. ábrán. A szoftver az egyes adatfájlokat egyenként dolgozza fel. Egy adatfájl egy percnyi mérési adatot tartalmaz. A feldolgozó másodpercenként átlagol, tehát egy másodpernyi mért értékből ciklikusan határozza meg az előbb felsorolt jellemzőket. A szoftver betölti a fájlt, majd a tárolt adatokat egy tömbbe menti. A másodpercenkénti átlagolásnak megfelelően az adott másodpercben mért adatok mérési csatornánként szétválogatva kerülnek egy újabb tömbbe. Ennek a tömbnek a felhasználásával lehetséges az adott másodpercet jellemző RMS, THD és teljesítmény értékek számítása, majd tárolása, valamint a feszültségletörés vizsgálat. A szoftver a számolt paramétereket többdimenziós tömbökben tárolja. A tömbök sorai a mérési csatornák, míg oszlopai a másodpercek a grafikus kijelzés megkönnyítése érdekében. Egy adatfájl feldolgozásának folyamatát szemlélteti az 42. ábrán látható folyamatábra. A mérés adatfájljainak feldolgozását követően elérhetővé válik az eredményeket megjelenítő ablak. Kijelzésre kerülnek a mérési csatornánként kiszámított RMS, THD értékek, a megfelelő áram és feszültség párokból számított látszólagos, hatásos, és meddő 47

teljesítmények, és cosφ értékek. A program az előbb felsorolt jellemzőket egy másodperces átlagolással számolja, az értékeket a mérés teljes időtartamára vonatkozóan grafikusan ábrázolja. Megtekinthető a kiválasztott RMS értékhez tartozó jelalak és amplitúdó-fázis spektrum is. A program feszültségletörés vizsgálatot is végez. A mérés alatt bekövetkező letörések időpontja és nagysága táblázatos formában kerül kijelzésre. A szoftver kirajzolja a kiválasztott letöréshez tartozó jelalakot. A feldolgozó szoftver kezelőfelülete látható az 41. ábrán. 40.ábra A feldolgozó szoftver főablaka 41. ábra A feldolgozó szoftver kezelőfelülete 48

Feldolgozás indítása Adatfájl megnyitása. A tárolt adatok tömbbe írása. k=0 k. másodperc adatainak tömbbe írása. k. másodperhez tartozó RMS érték meghatározása, igaz tömbbe írása. k. másodperhez tartozó THD érték meghatározása, tömbbe írása. Feszültségletörés vizsgálat. A másodpercben letörés volt. hamis k. másodperhez tartozó P, S, Q, cosφ értékek meghatározása, tömbbe írása. igaz Letörés nagyságának és időpontjának meghatározása. k++ hamis k == 60 igaz 42. ábra Egy adatfájl feldolgozását szemléltető folyamatábra. 49

6.2.2 RMS értékek számítása és ábrázolása A szoftver az egy másodperc alatt vett mintákból határozza meg az RMS értékeket a CVI beépített RMS függvényét alkalmazva. A szoftverben lehetséges az egyes fázisok feszültségeinek és áramainak tetszőleges kombinációban történő megjelenítése, ahogy azt a 43., 44. és 45. ábra szemlélteti. 43. ábra Az R fázis feszültségének és áramának egy grafikonban történő megjelenítése 44. ábra A három fázis feszültségének egy grafikonban történő megjelenítése 45. ábra A három fázis áramának egy grafikonban történő megjelenítése A grafikonon levő kurzor segítségével lehetséges egy kijelölt ponthoz tartozó pontos RMS érték leolvasása, illetve a kurzor által kijelölt másodpercben mért jelalak megtekintése. Ezt szemlélteti a 46. és 47. ábra az R fázis feszültsége és árama esetén. A jelalakok kirajzoltatásával megfigyelhető az egyes fázisok közötti szögeltolás. A 48. ábra szemlélteti a három fázisfeszültség jelalakját. 50

46. ábra Az R fázis feszültségének jelalakja 47. ábra Az R fázis áramának jelalakja 48. ábra A három fázisfeszültség jelalakja 6.2.3 THD értékek számítása és ábrázolása A szoftver a THD értékeket az RMS számításhoz hasonlóan egy másodperces átlagolással határozza meg. A számítások során a program az interharmonikusokat is figyelembe veszi. A THD értékek meghatározásánál az első lépés az amplitúdó spektrum előállítása, a CVI AmpPhaseSpectrum függvényével. A szoftver az amplitúdó értékekből határozza meg a harmonikus négyzeteket, a követezőekben leírtak szerint. Mivel a szoftver másodperces átlagolással végzi a számításokat, a mintavételi frekvencia és a mintaszám megegyezik, így a frekvencia analizálásnál és a THD számításnál a spektrum alapharmonikusának frekvenciája 1Hz. Mivel a legújabb szabvány a THD számításnál az interharmonikusok figyelembevételét is előírja, a számításhoz az alábbi képletet alkalmaztuk: 1 1 (19) k= 1 k= 24 2 2 2 2 2 2 A n = Cn 25 + Cn+ k + Cn + Cn+ k + Cn+ 25 2 k= 24 k= 1 2 ahol n a hálózati feszültség n-edik felharmonikusa k az n-edik felharmonikus k-adik oldalharmonikusa. Esetünkben a felharmonikusok közötti interharmonikusok száma páros. Így az n. és n+1. harmonikus között található interharmonikusok első fele az n. harmonikus, a második fele az n+1. harmonikus négyzetösszege lesz. Ha az interharmonikusok száma páratlan 51

lenne, az előbbi eljárás után a középső interharmonikus négyzetének felét is hozzá kellene adni az n. és az n+1. harmonikusnégyzetekhez. A számítás utolsó lépése a felharmonikusok négyzetösszegéből vont négyzetgyök osztása az alapharmonikussal. A másodpercenkénti THD értékek százalékos alakban kerülnek kijelzésre. A 49. ábra szemlélteti az R fázisáram RMS és THD értékeit. 49. ábra Az R fázis RMS és THD értékei 50. ábra Az R fázisfeszültség amplitúdó-frekvencia spektruma 6.2.4 Teljesítmények és cosφ számítása és ábrázolása A szoftver a meghatározott áram és feszültség párokból kiszámítja a látszólagos, hatásos és meddő teljesítményt, valamint a cosφ-t. A látszólagos teljesítmény a megfelelően párosított áram és feszültség csatornák RMS értékeinek szorzata: 52

Ui Ii i= 1 i= 1 S = URMS IRMS = n n (20) A hatásos teljesítmény számítása a mérési adatokat tartalmazó tömb megfelelően párosított értékeiből történik. A kapott értékek szorzatösszegét a mintaszámmal osztva adódik a hatásos teljesítmény: k n = Uk Ik k = 0 P = (21) n A 51. ábrán látható az R fázis feszültségének és áramának RMS értékei, illetve az UR-IR pár látszólagos és hatásos teljesítményei a mérés teljes időtartamára. n 2 n 2 51. ábra Az R fázis feszültségének és áramának RMS értékei, illetve az UR-IR pár látszólagos és hatásos teljesítményei a mérés teljes időtartamára A cosφ a legpontosabban a hatásos és látszólagos teljesítmény értékek hányadosaként határozható meg: P cos(ϕ ) = (22) S Az UR-IR pár cosφ értékeinek grafikonja látható a 52. ábrán. 52. ábra A UR-IR pár cosφ értékeinek grafikonja 53

A fázisszög ismeretében a meddő teljesítmény abszolút értéke a P Q = S sin arccos (23) S képlet alapján határozható meg. A meddő teljesítmény előjelének meghatározása, vagyis az, hogy induktív vagy kapacitív, a következőképpen történik. A feszültség és áramerősség nullátmeneteit minden periódusban vizsgálja a szoftver. Az 50 Hz-es szinuszos jel 50 periódusára elvégezve ezt a vizsgálatot, az eredmények összegzése alapján meghatározható, hogy adott másodpercben kapacitív vagy induktív volt a meddő teljesítmény. A UR-IR pár meddő teljesítmény értékeinek grafikonja látható az 53. ábrán. 53. ábra A UR-IR pár meddő teljesítmény értékeinek grafikonja 6.2.5 Feszültségletörés vizsgálat A feldolgozó szoftver a mérési eredmények kiértékelése során vizsgálja a feszültségletöréseket is. A szoftver a letöréseket fázisonként vizsgálja, a korábbiakban megfogalmazott kritériumoknak megfelelően. Táblázatos formában kijelzésre kerül a fázis, ahol a letörés előfordult, az időpont, valamint a letörés nagysága. A felhasználónak lehetősége van bármely letörés körül mért jelalak megtekintésére. A szoftver feszültségletörést elemző részét szemlélteti az 54. ábra. 54. ábra Feszültségletörés vizsgálat 54

7. ADATKOMMUNIKÁCIÓ Az információtovábbítást napjainkban többnyire az internet-szolgáltatás biztosítja. A kommunikációs rendszer megtervezésekor az internetre való kapcsolódás lehetősége volt az elsőszámú szempont. Terveink szerint a mérési adatokból meghatározott időközönként információt küldünk interneten keresztül egy tároló helyre. A tárhelyet a Miskolci Egyetem biztosította számunkra. Első lépésként megvizsgáltuk a kommunikációs lehetőségeket, ezek előnyeit, hátrányait, valamint számos paraméterét. A kommunikációs vonal kiválasztása után azt a megfelelő készüléket határoztuk meg, amely biztosítja a megbízható adatkapcsolatot. Nehézséget okozott, hogy a mérőműszer külső háza érintésvédett, ami zavarhatja az adatkommunikációt. Ezért a kommunikáló berendezés adó vevő pontját a műszer külső házán kívül kellett elhelyezni. A megvalósítását egy előerősített antennával oldottuk meg. A tervezési fázisban egy olyan célt is megfogalmaztunk, amely megfelelő mérési hibák esetén automatikus hibaüzenetet küld a mérést végző személynek. A legegyszerűbb és legmegbízhatóbb megoldásnak az SMS szolgáltatás bizonyult. Minden ipari hálózatanalizáló mérés egyedi mutatókkal rendelkezik. A műszer széleskörű felhasználhatóságát biztosítva, a hibaüzenet küldés okát minden mérés előtt előre definiálhatja a mérésvezető. Szoftveresen beállíthatja, hogy milyen paraméterek nagymértékű ingadozását kívánja hibaüzenetként azonnal megtekinteni. A műszer kommunikációs tulajdonsága kiváltja a több napos mérés esetén történő személyes ellenőrzési funkciót. Hiba esetén azonnal információt lehet szerezni a jelenségről, és azonnal be lehet avatkozni. A kommunikáció kiválasztásánál több szempontot is figyelembe kellett vennünk. A mérődoboz nagy lefedettségi tartományból információt tudjon küldeni a mérésről Az információküldést biztosító berendezésnek mobilnak kell lennie Sokszor kis mennyiségű adatot tudjak küldeni A továbbított információt értelmezni, tárolni tudjuk Felhasználói beavatkozás nélkül történjen az adatforgalom A berendezés költséghatékony legyen A továbbiakban a kommunikációs csatornák ismertetése következik. 7.1 A műszerben alkalmazott protokoll kiválasztása 7.1.1 GPRS adatkapcsolat A GPRS (General Packet Radio Service), a GSM rendszerek adatátviteli protokollja. Egyik legnagyobb előnye, hogy csomagkapcsolat alapú átvitelt valósít meg. Ezzel szemben a hasonló adatátviteli kapcsolatok időalapúak. A küldő az IP-protokollhoz hasonlóan az információt csomagokra darabolja, majd minden csomagot ellát a címzettet azonosító fejléccel és végül a csomagot útnak indítja. A csatornát csak a továbbítás idejére foglalja le. Így a GPRS használatánál nem a hálózaton eltöltött időért, hanem az átvitt adatmennyiségért kell fizetni. A GPRS a vonalkapcsolt adatátvitel egycsatornás üzemmódjával ellentétben képes egy adott rádiócsatornán belül több beszédcsatorna párhuzamos használatára. Ezzel a vonalkapcsolt technológia 9,6 kbps sebessége helyett, elvileg 115 kbps sebesség is elérhető. Ennek a sebességnek a feltétele, hogy rendelkezésre 55

kell állnia megfelelő számú szabad beszédcsatornának. Hátránya ennek a megoldásnak, hogy a GPRS összeköttetés sebessége nem állandó, hanem az éppen szabad beszédcsatornák számától függ. Szabad csatorna hiányában az átvitel leáll. A rendszer használatához GPRS-képes készülékre, és szolgáltatótól függően esetlegesen GPRS díjcsomag előfizetésére van szükség. GPRS hálózat logikai felépítése: A GPRS hálózat a következő alapösszetevőkből áll: SGSN (Serving GPRS Support Node): Feladata a szolgáltatási területén található mobil készülékektől, illetve mobil készülékekhez az adatcsomagok kézbesítése. GGSN (Gateway GPRS Support Node): Funkciója, hogy az SGSN-től jövő adatcsomagok megfelelő formátumra alakítása és kiküldése a megfelelő adathálózat felé. Másrészről pedig a bejövő adatcsomagok címzését alakítja át a célállomás GSM címévé. PCU (Packet Controll Unit): Feladata, hogy a csomagkapcsolt adatokat szétválassza a csomagkapcsolt adattól és hangtól. 55. ábra A GPRS hálózat logikai felépítése A GPRS kommunikációval való kivitelezés előnye a költséghatékony kialakítás, mert csomagalapú és nem időalapú számlázást biztosít. A GPRS szolgáltatás elérése napjainkban a mobiltelefonok hálózati lefedettségével azonos. Mobilszolgáltatói térerő hiányában az internetezés nem lehetséges. Magyarország területén 99,97%-os lefedettséget biztosítanak a mobil szolgáltatók. Hátránya, hogy lassú adatkapcsolatot biztosít. A GSM készüléknek hálózati lefedettségen belül kell lennie a csatlakozás érdekében. Az adatátviteli sebesség a hálózati terheltségtől függ. 56

7.1.2 EDGE adatkapcsolat Az EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) a jelenlegi elterjedt GPRS (General Packet Radio Service) technológiát kiegészítő, annak átviteli képességeinél gyakorlatban akár háromszor gyorsabb letöltési sebességet kínáló megoldás. A valós használat során akár pillanatnyilag 118 kbps adatátviteli sebességet biztosít. Az EDGE szolgáltatást külön díj nélkül, a GPRS szolgáltatásokkal azonos számlázás mellett vehetik igénybe a felhasználók. Az EDGE rendszer lényege, hogy megőrizve a GSM rádiócsatornák alapvető tulajdonságait olyan modulációt használ, amely a bázisállomás és a végfelhasználó készüléke között azonos időtartam alatt akár háromszor annyi információt képes átvinni. Ennek segítségével GPRS hálózat átviteli kapacitását növeli átlagosan kb. a 3- szorosára, ez függ a hálózattól, valamint a készülék képességeitől, ami az előfizető szemszögéből két dolgot jelent: azonos területen több WAP, internet, stb. felhasználó kiszolgálása válik lehetővé, vagy az egyéni felhasználó magasabb átviteli sebességgel csatlakozhat a hálózathoz. Amennyiben a felhasználó EDGE képes készülékkel olyan területen tartózkodik, ahol van EDGE lefedettség, akkor a rendszer kapacitása és a pillanatnyi csatornakiosztás függvényében EDGE átvitellel szolgálja ki az ügyfelet. Amennyiben EDGE feltételei nem adottak, a kiszolgálás a már megszokott GPRS-kódolás szerint történik. 7.1.3 HSDPA adatkapcsolat A HSDPA mozaikszó az angol High-Speed Downlink Packet Access kifejezésből, tükörfordításban: nagysebességű csomagletöltési hozzáférésből ered. Harmadik generációs fejlesztés, de mivel a 3g-n alapul, ezért csak kettő és feledik mobilkommunikációs protokoll, melyet előszeretettel használnak világszerte mobil internet illetve egyéb nagy sávszélességet igénylő szolgáltatások kiszolgálására. Feltöltésbeli megfelelője a HSUPA. A HSDPA a használt eszközöktől függően 1,8-3,6-7,2-14,4 Mbit/s maximális letöltési sebességű adatátvitelre képes. A maximális letöltési sebesség több mint az alkalmazás által elérhető sebesség, tehát amit a végfelhasználó érzékel. A szemléltetés kedvéért: a 7,2 Mbps-es sebességet a felhasználó FTP szinten körülbelül 6 Mbps-os sebességként fogja érzékelni, ha közel ideális a rádiós környezet. 7.1.4 A kiválasztott adatkommunikáció A műszer adatkommunikációjának megvalósítására a GPRS szolgáltatást választottuk, mert az adatküldés megvalósításához számunkra nem szükséges a mai csúcstechnológiai mobilinternet. A 3G teljesen más technológiai adatkommunikációt tartalmaz, mint a GPRS kommunikáció. Figyelembe véve a harmadik Generációs berendezéseket, számottevően drágább a megvalósítása és a hálózati lefedettsége is sokkal alacsonyabb, mint a GPRS szolgáltatásnak. A műszer adatkommunikáció megvalósítása nem követeli meg a csúcstechnológiai berendezések használatát. A műszerdoboz felhasználása közben az adatkommunikációval ellenőrizzük a berendezés működését, ezért elengedhetetlen, hogy az adatforgalom megbízható legyen. A műszer mobilitásának megőrzése céljából fontos, hogy az ország egész területéről képes legyen kommunikálni. A költséghatékonyság megvalósítása érdekében csomagalapú kapcsolatot létesítettünk, mert sok esetben kevés adatot kell továbbítani a kommunikáció során. 57

7.2 GSM/GPRS modul kiválasztása A SIM 900 modul a SIMCOM 2009 modellje, amely tartalmazza a gyártó legújabb fejlesztéseit. Elődjeihez képest számos változtatáson ment keresztül. A termék egy ARM923EJ-S magos processzorral van ellátva, amely 2x nagyobb teljesítményt jelent, mint az elődjében, a SIM 300-ban. A chip a GSM modul központi egysége. Minden vezérlési, irányítási feladatot a központi egység irányít. Leírása a 7. mellékletben olvasható. A SIMCOM SIM 900 EVB KIT, a központi egység kezelőfelülete. Lehetővé teszi a készülékkel való kommunikálást, programozást és egyéb tartozékok csatlakoztatását. A központi modul egy megfelelő interface-en keresztül csatlakoztatható a kezelőfelülethez. Részletes ismertetés a 8. mellékletben. 7.3 GSM modul összeállítva 56. ábra GSM modul A GSM/GPRS modul összeállítva látható az 56. ábrán. Minden tartozék csatlakoztatva van. A soros port vezetékét egy vezérlő számítógéphez csatlakoztattuk, amely a műszerben kapott helyet. A megfelelő működéshez biztosítani kell a mobilhálózat megfelelő lefedettségét. A Magyarországon működő hálózatok a GPRS lefedettséget országos viszonylatban 99,97%- ra becsülik. A berendezés antennáját a műszer hátoldalán található csatlakozópontra szerelve megfelelő lefedettségi szintet lehet elérni. A modul DC 5V tápforrással üzemel. A műszerben a számítógép tápegységről biztosítjuk a készüléknek a tápforrást. A működés lényeges eleme a SIM kártya. A berendezés kártya független. Vezérlése és programozása AT parancsokkal lehetséges. Windows-os környezetben a HYPRE TERMINÁL segítségével programozható, mobiltelefonként is használható. Az automatikus működést más magas szintű programozási nyelven megírt soros port kommunikációs programmal is lehet vezérelni. A készüléket arra a célra használjuk, hogy előre meghatározott időközönként egy FTP szerverre mérési adatokat töltsön fel GPRS adatkommunikációval. Bekapcsolás után, AT parancsokkal felépítünk egy internetkapcsolatot, majd mérési adatokat továbbítunk egy FTP szerverre, utána bontjuk a kapcsolatot, és alaphelyzetbe állítjuk a készüléket. Ezt a folyamatot óránként megismételjük. A berendezés alkalmas még előre definiált mérési hiba esetén azonnali ALARM hibajelzésre SMS szolgáltatásban. A mérési hibát minden mérés előtt, a mérés típusához lehet alakítani, és definiálni. A berendezés biztonságosabbá teszi a méréseket és helyettesíti a felügyelő személyt. 58

7.4 Soros porti kommunikáció A GSM modul felépítésénél már részleteztük, hogy a készülék egy programozható mobiltelefon. A modulnak számos, szoftveres úton elérhető tulajdonsága van. A készülék kommunikálása a vezérlő számítógéppel soros porton keresztül történik. A modul soros porti csatlakozópontját kötöttük össze a vezérlő számítógép COM csatlakozópontjával. A készülék programozása kétféleképpen valósítható meg: Windows alatt HYPER TERMINÁLLAL Más, egyéb soros porti kommunikációs programmal. A programozás úgynevezett AT parancsokkal történik. Az AT parancs a GSM készülékek programozási nyelve. A készüléke programozásának meghatározott sorrendben kell történnie, mert ha felborul a sorrend, a készülék hibát jelez. 7.5 GSM modul programozása AT parancsokkal A mérőszoftver a National Instruments LabWindows/CVI magas szintű programozási nyelven írtuk meg. A mérésadatgyűjtő csak meghatározott programnyelveket támogat. Igazodni kellett a mérőkártya tulajdonságaihoz, a tanszéken elérhető programnyelvekhez, és az egyszerű kivitelezéshez. Ezeket a feltételeket megvizsgálva döntöttünk a CVI programnyelv mellett. A kommunikációs program elkészítésében nagy előnyt jelentett számunkra, hogy a mérő és feldolgozó szoftver szintén CVI programnyelven íródott, ezért csak egy beépíthető függvényt kellett írnunk, egy teljes program helyett. A CVI számos előnye közül számunkra talán a legfontosabb, hogy beépített soros port kommunikációs függvényekkel rendelkezik. A program felépítésében az első feladatunk a soros kommunikáció kialakítása volt. A következőkben két fő egységre osztottuk a szoftverfejlesztést. Külön foglalkoztunk az SMS szolgáltatással és külön az FTP kapcsolat kiépítésével és adatküldésével. Végül beépíthető függvénnyé alakítottuk a programot, hogy a mérőszoftver mellékprogramjaként működjön. 7.5.1 FTP adatkapcsolat felépítése A GSM modul programozása megfelelő lépések egymás utáni futtatásával történik. Esetünkben a végső cél az, hogy internetkapcsolatot építsünk fel a GSM modullal, majd egy pufferből adatokat küldjünk egy tárhelyre, végül zárjuk a kapcsolatot és alaphelyzetbe állítsuk a modult. Az internetkapcsolatnak számos előfeltétele van. A készülék alap beállításai nem a csomagküldésre vannak definiálva, hanem a hanghívásra és szövegküldésre, mint egy normál mobiltelefonnál. A berendezés programozását megkönnyíti az, hogy minden elküldött parancs után azonnali visszajelzést küld a készülék. Hiba esetén ERROR, bekövetkező változás esetén OK válaszüzenetet. Minden állapotról és minden funkcióról információt lehet lekérni a készülékről. Az információ lekérést az internetkapcsolat felépítése és lezárása után ellenőrzésre használjuk. Az egymás utáni lépésekben bármi hiba történik újra meg kell ismételni azt a lépést, amelyik hibát jelzett. Az automatizálásban nagy figyelmet kellett fordítanunk a hibaellenőrzésre. Minden lépés után figyelni kell a készülék válaszüzenetét, és annak megfelelően irányítani a következő lépést. Normál, hibamentes állapotban az internet elérési folyamat a következő lépésekből áll: 59

GSM/GPRS modul bekapcsolás GPRS szolgáltatás aktiválása AT+CGATT=1 Adatcsomag funkció aktiválása AT+CGDCONT=1,"IP","net" A szolgáltató GPRS átjárójának aktiválása AT+CSTT="net","","" WIRELESS átjáró aktiválása AT+CIICR Az eszköz IP címének lekérdezése AT+CIICR DNS server konfigurálása AT+CDNSCFG ="0.0.0.0","0.0.0.0" Kapcsolódás IP-vel vagy HTTP-vel AT+CDNSORIP=0 Kapcsolat indítása AT+CIPSTART="TCP","tárhely ip","21" 57. ábra FTP kapcsolat lépései 60

Az internetelérés sikeresen végbement, a berendezés válasza Connect OK, akkor a kapcsolat felépült és hibátlanul működik. Az internetes tárhely, amelyet a Miskolci Egyetem biztosított számunkra, felhasználónév és jelszó függő. A csatlakozás érdekében és az időkorláton belül el kell küldenünk a felhasználónevet és a hozzá tartozó jelszót. Az internetelérés aktiválása után, ha elküldünk valamit a modulnak vezérlő parancsnak érzékeli. Ahhoz, hogy egy üzenetet vagy felhasználónevet elküldendő adatként érzékelje, aktiválni kell a karakterküldési parancsot. AT+CIPSEND parancs után a beírt karakterek a CRTL^Z lezáró karakter megelőzően küldésre kerülnek. Ezt a folyamatot minden küldés előtt meg kell ismételni. A felhasználónév és a jelszó megadása után beléptünk az internetes tárhelyre. Az FTP vezérlési parancsoknak megfelelően lehetőség nyílik a következőkre: mappa létrehozása mappa megnyitása és bezárása fájlok létrehozása, törölése könyvtárak létrehozása, törölése A feltöltött adat azonosítsa érdekében minden feltöltési folyamat első lépése, hogy létrehozunk egy mappát a pillanatnyi dátummal és idővel. A mappa létrehozása után megnyitjuk azt, majd egy.txt kiterjesztésű fájlba beleírjuk az elküldött adatokat. A küldést követően lezárjuk az internetkapcsolatot és alaphelyzetbe állítjuk a készüléket. A következő kapcsolat indítása ugyan ilyen algoritmus alapján történik. A GPRS kapcsolattal történő adatküldésnél nehézséget okozott az, hogy az internetkapcsolat kiépítése után több egymással azonos időbeli kommunikációs csatornát kellett kialakítanunk. A több csatornára azért volt szükség, mert a modul és a GPRS szolgáltatás külön választja a parancs csatornát és az adatcsatornát. Adatcsatorna nélkül adatküldésre nincs lehetőség. Az adatcsatorna kiépítésének több feltétele is van. Multiplex üzemmódra képes készülék Két, vagy több kommunikációs csatorna kiépítésének lefedettségi feltétele Az adatcsatorna portjának kiszámítási algoritmusa A SIM 900 modul multiplex IP üzemmóddal is rendelkezik. A Multiplex üzemmód lényege, hogy egyszerre több kommunikációs csatornát lehet kiépíteni, a többitől függetlenül. A készülék összesen 9 db csatorna kiépítését engedélyezi. Az első csatorna mindig a parancs csatorna, a többi pedig adatcsatornaként funkcionál. A parancscsatornával kiépítettük az internet szolgáltatást, beléptünk az FTP serverre, lekérdeztük az FTP ről, hogy milyen port számmal csatlakozhatok az adatcsatornára, végül aktiváltuk az adatcsatornát. Az 58. ábra szemlélteti az internetkapcsolat felépítése utáni adatküldés lépéseit. 61

Multiplex üzemmód aktiválása AT+CIPMUX=1 Internetelérés lépései előzőekben taglaltak alapján Belépés a tárhelyre AT+CIPSEND=0 > user: 331 User infolog OK. Password required AT+CIPSEND=0 > pass: Másodlagos adatcsatorna portjának lekérdezése AT+CIPSEND=0 > pasv 227 Entering Passive Mode (tárhely ip,145,83) Adatcsatorna indítása AT+CIPSTART=1,"TCP","tárhely ip",p1*256+p2 File létrehozása AT+CIPSEND=0 > stor proba.txt Adat küldése AT+CIPSEND=1 > Ez egy próba üzenet! 58. ábra Adatküldés lépései A kommunikációs csatornák lezárására külön - külön kerül sor. Elsőként a második számú adatkapcsolatot szüntetjük meg, majd utána az elsődleges csatornát. A kapcsolat megszüntető parancs az AT+CIPCLOSE=1, AT+CIPCLOSE=0 parancsok. A számozás attól függ, éppen melyik csatornát szeretnénk bezárni. A csatornák zárása után az adatkapcsolatot is megszüntetjük, valamit alaphelyzetbe állítjuk a készüléket az AT+CIPSHUT paranccsal. 62

Az internetkapcsolat és az adatküldés működését ismertettük az előzőekben. Az adatküldés a jelenlegi beállítás szerint óránként egyszer lép működésbe a műszerdoboz használata közben. Minden órában automatikusan végrehajtja a fent leírt algoritmust. 7.5.2 SMS szolgáltatás felépítése Az SMS szolgáltatás kivitelezésénél könnyebb dolgunk volt, mint az internetkapcsolat kialakításánál. A modul tulajdonképpen egy programozható mobiltelefon. A mobiltelefonok alap beállításai szöveges formátumú üzenetküldésre vannak beállítva. Az SMS küldés algoritmusa: Szöveges mód aktiválása AT+CMGF=1 Telefonszám és a szöveg megadása AT+CMGS="+36***********" > Az SMS szövege CTRL^Z 59. ábra SMS szolgáltatás algoritmusa Az üzenet küldésének nincs külön parancsa, egy beépített karakter végzi a küldés műveletet, amely a billentyűzeten enter parancs. Az ASCII kódolásban az enternek megfelelő karakter a CTRL^Z. Az SMS küldés korlátai, megegyeznek a mobiltelefonok és a szolgáltatók határaival. Az ASCII kódolás miatt ékezetes betűket nem használunk. Maximális szöveghosszúság 160 karakter. Az SMS küldés tulajdonságai teljes mértékben megegyeznek a mobiltelefon SMS rendszerének tulajdonságaival. 7.6 Kommunikációs CVI program A CVI program felépítésében legtöbbet a ComWrt, COMread beépített függvényeket használtuk. A ComWrt függvény bitenként küld adatokat a modulnak, soros porton keresztül. A COMread pedig bitenként olvassa ki a modultól érkező válaszokat. A program felépítése egyszerű, és teljesen automatikusan hajtja végre a feladatát. Kezelőfelületre és egyéb opciókra nem volt szükség, mert az adatküldési programrész a mérőszoftveren belül egy függvényként működik, amelyet a mérőszoftver hív meg az adatküldés idején. A biztonságos működés érdekében a mérőszoftver külön futási szálat biztosít az adatküldésnek. A program két fő egységre bontható: 1. adatküldési programrész 2. SMS küldési programrész A két programrészlet egyszerre soha nem futhat le, mert a modul nem képes internet kapcsolat alatt szöveges üzenet küldésére. A feltétel megvalósítása érdekében mind az adatküldést, mind az SMS küldést külön függvényként építettük fel. 63

7.6.1 Adatküldési programrész A CVI program megírására azért volt szükség, mert a Hyper Terminál automatizálására, önálló működésére nem volt lehetőség. Számunkra a legfontosabb tényező az volt, hogy emberi beavatkozás nélkül, önállóan működjön az adatkommunikáció. A mérőszoftver CVI programozási felülettel készült, ezért a kompatibilitást szem előtt tartva a kommunikációs szoftver is CVI környezetben valósult meg. A beépített könyvtárak tartalmazzák az RS232 Soros Port kommunikációs függvényeket is, amelyek megkönnyítették számunkra a programírást. Soros port beállításai: Elsőként a kapcsolat nevét, a COM portot kell megadni a konfigurálásnál A COM port beállításait kell elvégezni, melyek a következők: Bit/ másodperc Adatbit Paritás Stopbit Átvitelvezérlés A Hyper Terminál használatával a legnagyobb problémánk, az automatizálási lehetőség hiánya volt. A programnak az elsődleges feladata a kommunikálás soros porton keresztül, valamint az önműködő programfutás. A program felépítése: Elsőként megvizsgáljuk, hogy a készülék bekapcsolt állapotban van-e és a SIM kártya csatlakozott-e a megfelelő hálózat. A következő lépésként kiolvassuk a soros portról a készülék által küldött bekapcsolást jelző válaszüzenetet. Amennyiben az előző feltételek megvalósultak, akkor a soros port konfigurációja következik. Minden beállítási lehetőséget a modul tulajdonságai alapján állítottunk be, az adatátvitel optimalizálása érdekében. A modullal való kommunikálás első utasítása mindig az AT parancsnak kell lennie, mert a készülék ezt tekinti START utasításnak. A modul hálózat független, ezért mindenféleképpen figyelmet kellett fordítani a SIM kártya hálózatának helyes csatlakozására. Amennyiben a kapcsolódás automatikus módon történne, akkor például előfordulhat az országhatár mentén, hogy külföldi hálózatra váltaná át magát és hibásan üzemelne. Ezen lehetőség megakadályozása érdekében manuális hálózatválasztást állítottunk be a modulon, amely azt eredményezi, hogy csak a saját, általunk meghatározott hálózathoz csatlakozhat. Az állapotlekérdezés volt a következő feladatunk. Ellenőrizzük a modul állapotát, hogy megfelelő-e az internetelérés felépítésére. Amennyiben a válasz kiolvasásakor STATE: IP INITIAL üzenet érkezik a modultól, a program továbbfut, ellenben a program végére ugrik és alaphelyzetbe állítja a készüléket, majd a program kezdődik előröl. A program a hálózatlekérdezéssel folytatódik. A hálózatvizsgálat nagyon fontos, mert a készülék semmilyen műveletet nem tud végrehajtani hálózati lefedettség nélkül. Amennyiben a modul nem talált hálózatot tárolja a 64

winchesteren a hibát és periodikusan keresi a kapcsolódási lehetőséget, ellenkező esetben a program továbbfut. A biztonságos működés érdekében térerő vizsgálatot végzünk az internetelérés megkezdése előtt. A modul válaszüzenetét szintén tárolom a winchesteren. A program első része a modul vizsgálatáról szólt. Az ellenőrzések minden programfutáskor végrehajtódnak és feltérképezik a modul állapotát. Amennyiben minden rendben van, a program elkezdi az internet szolgáltatás felépítését. Az AT parancsokat külön külön definiáltuk és tároltuk a szoftverben. A parancsok megadása úgy történik, hogy bitekre bontjuk a parancsokat és bitenként küldjük a soros portra. Minden parancs megadása után kiolvassuk a modul válaszüzenetét és a választól függően engedélyezzük a továbblépést vagy az alaphelyzetbe állítást. Az internetelérés lépéseit az FTP kapcsolat leírásában már taglaltuk. Az internetkapcsolat felépítése után, az FTP serverhez csatlakozás következik, majd a felhasználónév és jelszó magadása. A belépés után azonnal egy új könyvtárat hozunk létre, amelyet a pillanatnyi dátum és idő mappanévvel látunk el. Amennyiben minden lépés sikeres volt megteremtettük az adatfeltöltés feltételét. Passzív módba váltás parancs megadás követi a mappalétrehozást. A PASV parancs után a modul egy IP címet és 2 darab port számot küld válaszként. Az üzenetből egy matematikai algoritmus segítségével számoltuk ki a valós adatcsatorna port számát. Az algoritmus a következő: P 1 256 + P2 (24) A P1 az első port számot, a P2 pedig a második port számot jelenti. A számoláshoz a modul válaszüzenetét eltároltuk egy pufferbe, majd karakterenként kiolvastuk. A kiolvasás bitenként történt. Az IP címet nem vettük figyelembe csak az utána következő számokat. A két számot letároltuk szintén egy P1 és P2 nevet viselő pufferbe. A matematikai művelet eredményét szintén rögzítettük egy változóba, amelyet a másodlagos adatcsatorna aktiválásánál használtuk fel. A helyes számolás ellenőrzése érdekében a kiszámolt értéket megvizsgáltuk, és ha egyenlő nullával, akkor lezártuk a kapcsolatot és alaphelyzetbe állítottuk a modult. Amennyiben a program rendben kiszámolta a port számot, csatlakozunk a másodlagos csatornához. A küldeni kívánt adatot a mérőszoftver belehelyezi egy pufferbe, amelyet a GPRS szoftver kiolvas. Megvizsgálja az adat hosszát, mert egyszerre maximálisan 1024 bit-et lehet elküldeni. Amennyiben a maximális bit mennyiségen belül van a küldendő adat, a STOR parancs után küldésre kerül. Az 1024 bit-es korlátot meghaladja az adat nagysága, a program automatikusan elválasztja a legutolsó sortörésnél, és először az első részt, majd a második részt továbbítja. A küldés ellenőrzése érdekében kiolvassuk a modul válaszüzenetét. Amennyiben minden feltétel megvalósult, lezárjuk az adatkapcsolatot, valamint az elsődleges parancskapcsolatot és alaphelyzetbe állítjuk a modult. 65

60. ábra Adatküldés folyamatábrája 66

7.6.2 SMS küldési programrész Az SMS szolgáltatás felépítése jelentősen egyszerűbb, mint az internetkapcsolat kiépítése. Az üzenet elküldéséhez 1 beállítási lehetőség és 1 telefonszám megadása szükséges. Az SMS üzenet küldésének folyamata: Az első utasítások megegyeznek az internetelérés lépéseivel, ezért nem részletezzük azokat. Hálózatvizsgálat, manuális hálózat beállítás, térerő vizsgálat. Ezek után megvizsgáljuk, hogy az üzenetváltozó milyen méretű adatot tartalmaz. Amennyiben a változó nullával egyenlő az üzenetküldési folyamat nem fut végig, mert nincs mit elküldeni. Az üzenetváltozó mérete 160 karakternél kevesebb, akkor egyszer építi fel a program a kapcsolatot és továbbítja az üzenetet, ha 160 karaktert meghaladja, akkor az utolsó sortörésnél szétválasztja a küldendő adatot és külön üzenetben továbbítja azt. A modul programozása szintén az AT paranccsal kezdődik, mert a készülék ezt tekinti START jelnek. Az első beállítási pont a szöveges üzemmódba váltás. AT+CMGF=1 utasítással aktiváltuk a szöveges üzemmódot. A következő lépés a telefonszám megadása. AT+CMGS= +36********* paranccsal adjuk meg a telefonszámot, ahova a szöveges üzenetet szeretnénk elküldeni. A telefonszám megadása után, a modul válaszüzenetét kiolvassuk és megvizsgáljuk, hogy a telefonszám megadás rendben zajlott-e le. Amennyiben minden rendben van, már csak az SMS szövegét kell megadni. Az üzenet elküldése után a modul válaszüzenetét kiolvassuk és amennyiben hibát észlel a folyamat közben, alaphelyzetbe állítja önmagát, és kezdődik előröl a folyamat. Az üzenetküldés után a modul alaphelyzetbe állítja magát és várja a következő parancsot. 67

A modul bekapcsolása a bekapcsolás válaszüzenete a modultól soros port konfigurációs beállításai AT parancs manuális hálózatválasztás A következő három lépés részletezése a 7.5.2 SMS szolgáltatás felépítése pontban szöveges üzemmód aktiválása telefonszám megadása üzenet szövegének megadása küldés kapcsolatok bontása, a modul alaphelyzetbe állítása 61. ábra Üzenetküldés folyamatábrája 68

8. TESZTELÉS IPARI KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT A kialakított mérőrendszer egyik jelentős előnye a kereskedelemben megvásárolt műszerekkel szemben éppen az, hogy a vezérlő és feldolgozó szoftvert a kutatásaink aktuális igényei szerint alakíthatjuk, módosíthatjuk, vagy fejleszthetünk egészen új alkalmazást. Ebből következik, hogy a rendszer nem csak egyféle szoftverrel üzemeltethető. A műszer laboratóriumi teszteléséhez ugyan kifejlesztettünk egy saját tesztprogramot, de következőkben bemutatott ipari méréshez a tanszék egyik doktorandusz hallgatója által létrehozott szoftvert használtuk. A program képes a műszerben található fiókok automatikus felismerésére, így a mérés során használt szorzók és váltók értékeinek beállítására. A szoftver több szálon hajtja végre a feladatokat. Egy szál feladata a folyamatos adatgyűjtés, három szál végzi a teljesítmény illetve frekvenciaszámítást, valamint a feszültségletörés vizsgálatot. A felhasználó felületen kijelzésre kerülnek a csatornánként meghatározott RMS és THD értékek, a fiókonként meghatározott aszimmetria, valamint a megfelelően összepárosított áram és feszültség csatornák által mért értékekből számított teljesítmények. A szoftver folyamatosan végez mentéseket, hogy a mérési eredmények később is feldolgozhatóak legyenek, így ellátja az adatgyűjtő program szerepét. A szoftver online feldolgozásra képes, valamint kezeli a műszerbe beépített GMS/GPRS modult is, ami a 7. Adatkommunikáció című fejezetben kerül ismertetésre. Az ipari mérések ellenőrzésére a 10 percre vonatkoztatott THD értékeket továbbítottuk csatornánként az FTP serverre, amelyet óránként ellenőriztünk. A hibajelző SMS szolgáltatást, a feszültség és az áram RMS értékeinek ± 20%-os változása indította el. Az ipari mérés során nem került sor hibajelző SMS-re. Az ipari üzemek többsége felismerte, hogy a villamos berendezések és a villamos energia minőségének rendszeresen ellenőrzése jelentős költségmegtakarítást eredményez. Ennek a programnak keretében a Miskolci Egyetem 2010. évben mérésekkel támogatott, átfogó hálózati vizsgálatokat végzett a Creaton Hungary Kft., Lenti üzemeinek hálózatán. A vizsgálatok célja, hogy az ipari üzemeket ellátó középfeszültségű hálózatokon a 20/0,4kV-os transzformátorok 0,4kV-os oldalán érkező energia felhasználását és minőségét ellenőrizze, különféle zavarok mértékét, gyakoriságát, milyenségét és a zavarforrás irányát (szolgáltatói illetve fogyasztói oldal) megállapítsa. A méréseinkből kiderült, hogy a feszültség jelszintje minimális mértékben magasabb a szükségesnél, de a jel a 24 óra alatt megfelelően zavarmentes. 62. ábra A fázisfeszültségek effektív értékeinek és a feszültség torzításának idődiagramjai 69

A rendszeren jelentős számú rövid idejű tranziens mérhető, különösen azokban az időszakokban, amikor a fogyasztás átlagértéke minimális. Az áramlökések értéke elérheti az 500A-t, amelyek kismértékben visszahatnak a feszültségszintre is, de ennek semmi káros hatása nincs. A tranziensek tipikusan az 63. ábrán látható lefutást mutatnak. 63. ábra Áramlökés a hálózaton 64. ábrából látható, hogy a három fázis között minimális, nem jelentős aszimmetria jelentkezett. 64. ábra A feszültség effektív értékeinek fázisonkénti eloszlás hisztogramja A 65. ábrán látható, hogy 7-én kb. 21 órától 8-án kb. 7 óráig csökkent a rendszeren az áramfelvétel. Megvizsgáltuk, hogy melyik leágazáson jelenik meg hasonló fogyasztáscsökkenés, mert ott az éjszakai időszak vizsgálata nem indokolt, sőt, bizonyos paraméterek esetén (torzítás) hamis eredményeket adhat. 70

65. ábra Áramfelvétel a teljes mérési időszakban Az egyik üzem hálózatán az áramok jelentős mértékű felharmonikusokat tartalmaznak. A frekvenciaspektrum alapján megállapítható, hogy a 250 Hz-es és a 350 Hz-es zavarok a legjelentősebbek. A 250 Hz-es összetevő 36%-a, a 350 Hz-es összetevő 15%-a az alapharmonikusnak. 66. ábra Formázás üzem hálózat áramjeleinek vizsgálata Az Elektrotechnikai- Elektronikai Tanszéken kifejlesztett mérőműszert 30 napig ipari körülmények között teszteltük, ezekből az egyik legösszetettebb mérés (Creaton Hungary Kft., Lenti üzemeinek hálózata) néhány jelenségét mutattuk be az előzőekben. 71