Molti ingegneri sono piuttosto riservati riguardo al proprio lavoro, probabilmente perché non vogliono che gli altri sappiano quanto si divertano. Tuttavia, il nostro lavoro ha anche un aspetto molto serio: migliorare l'ambiente e la vita delle persone. Riduciamo il consumo energetico, minimizziamo gli sprechi di produzione e prolunghiamo la durata delle apparecchiature attraverso strategie di manutenzione più precise. Pertanto, è fondamentale avere accesso ad apparecchiature in grado di misurare sia segnali di grande che di piccola entità, in modo da poter prendere decisioni informate durante lo sviluppo e il perfezionamento dei sistemi, l'esecuzione di test di fine linea di produzione e l'installazione delle apparecchiature.

Precisione del consumo energetico:
le interfacce utente delle apparecchiature industriali non sono generalmente note per la loro estetica o la cura dei dettagli. Tuttavia, questo cambia con la gamma di analizzatori di energia bifase e trifase di Carlo Gavazzi¹) mantengono il tipico display LCD retroilluminato di questi dispositivi, ma il team si è impegnato a fondo per renderli facili da usare, dall'installazione al funzionamento quotidiano. Ad esempio, le cifre decimali sul display della misurazione dell'energia sono più piccole delle altre cifre. Questo facilita la lettura dei numeri sullo schermo anche per chi ha qualche anno in più. È presente anche una funzione "presentazione" per visualizzare le misurazioni desiderate in sequenza senza alcun input manuale. I dispositivi sono inoltre dotati di un sistema di menu intuitivo, controllato da tre pulsanti fisici.
Si raggiunge un elevato livello di precisione: risoluzione di frequenza di 0,001 Hz e risoluzione energetica di 0,001 kWh. I modelli EM540 e EM530 offrono anche un tempo di risposta di 100 ms per tensione, corrente, potenza e altre variabili monofase e di sistema. Ciò è utile per gli impianti fotovoltaici che richiedono la gestione dell'autoconsumo netto zero (ovvero, garantire che l'energia in eccesso generata non possa essere reimmessa nella rete), rispetto ad altri modelli che sono troppo lenti per svolgere questo compito.

Figura 1: Nelle applicazioni di monitoraggio energetico, i modelli Carlo Gavazzi EM530 e EM540 offrono accesso remoto ai dati, un'interfaccia intuitiva, misurazione bifase o trifase e certificazione MID.

Gli analizzatori di energia possono anche fornire un registro di funzionamento accurato, utile per la manutenzione predittiva. Definendo una soglia superiore al consumo in standby delle apparecchiature collegate, le unità possono misurare le ore di funzionamento. Il tempo di standby può essere determinato anche sottraendo le ore di funzionamento effettivo dal tempo di funzionamento totale. I dati sono disponibili ai sistemi di monitoraggio tramite Modbus RTU. In combinazione con una piattaforma web universale (UWP), i team di supporto possono utilizzare questa trasmissione automatica dei dati per rilevare guasti al cablaggio e suggerire soluzioni da remoto.
L'EM530 può essere utilizzato nei quadri elettrici di bassa tensione, insieme a trasformatori di corrente con una corrente secondaria di 5 A. Ciò consente il funzionamento in sistemi con una corrente nominale di 10 kA. L'EM540 misura nominalmente correnti fino a 65 A. Entrambe le unità sono alloggiate in un contenitore montabile su guida DIN a tre vie e sono disponibili anche come MID opzionale con punto di bloccaggio, che ne consente l'utilizzo in applicazioni di misurazione ausiliaria residenziale.

Efficienza nei controllori di motori:
gli enti regolatori monitorano da decenni l'efficienza energetica dei motori elettrici. All'inizio di questo secolo, il consumo energetico dei motori rappresentava il 69% del consumo energetico industriale totale^IEA). Attualmente, le classi di efficienza energetica per le macchine elettriche rotanti sono definite nella norma IEC 60024. Questa definizione va dal livello 1 (IE1) al livello 4, sebbene i motori IE1 siano stati successivamente vietati in molti paesi^,inclusa l'Unione Europea.
L'efficienza di un motore industriale può essere valutata utilizzando apparecchiature come il B&K Precision 5335C^,un misuratore di potenza AC/DC monofase compatto (Figura 2). Può misurare potenze fino a 600 Vrms e 20 Arms e offre una larghezza di banda fino a 100 kHz. L'oscilloscopio incluso visualizza le forme d'onda di tensione e corrente, eliminando la necessità di ulteriori apparecchiature di misura.

Immagine 2: Con il misuratore di potenza B&K Precision 5335C, possiamo ottenere misurazioni accurate dell'efficienza di motori, dispositivi CC e test di fine linea di produzione.

Trasduttori esterni (max. 10 A/2 V) possono essere inclusi quando si misurano correnti superiori ai 20 A specificati. Per il controllo della velocità PWM nei motori, le misurazioni possono essere effettuate nell'intervallo da 0,5 Hz a 100 kHz (Figura 3). La connettività, le connessioni di test e il trigger esterno sono chiaramente posizionati sul retro dell'unità.
Dotata di un display TFT da 4,3 pollici, l'unità è configurata con nove pulsanti virtuali. È possibile visualizzare simultaneamente fino a dodici parametri di misura, inclusi la corrente di spunto di picco e la sovratensione. Il pre-test per la conformità EMC secondo IEC 62000-3-2/4-7 è possibile grazie alle misurazioni armoniche fino al 50° ordine. L'unità offre interfacce USB (compatibile con USBTMC), RS232 e LAN per coloro che desiderano configurare test automatizzati. Nell'analisi di sistemi connessi alla rete, la funzione di integrazione fornisce misurazioni complete di corrente e potenza attiva (Wh) con commutazione automatica della gamma.

Figura 3: Il misuratore di potenza 5335C è in grado di determinare l'efficienza di un motore a velocità controllata tramite PWM con tensioni di ingresso fino a 600 V; è possibile utilizzare trasduttori di corrente esterni.

Raccolta dati elettronica:
i progetti elettronici nuovi ed efficaci si basano su una profonda comprensione dei dati raccolti dal sensore e, quando ci addentriamo nel mondo dell'apprendimento automatico (ML), ci troveremo sempre di fronte a dati mancanti. Gli algoritmi di ML consentono agli ingegneri del software embedded di affrontare sfide estremamente complesse con la programmazione basata su regole. Rilevare problemi a lungo termine, come il degrado delle prestazioni di un motore o di un alimentatore, richiede la comprensione della temperatura locale e ambientale, dell'assorbimento di corrente, delle variazioni di carico e delle tensioni di ingresso/uscita in condizioni operative dinamiche.

Gli strumenti "imposta e dimentica", come i dispositivi DAQ Digilent MCC USB-230 [footnoteRef:6], rappresentano la soluzione ideale per ottenere i dati necessari con una spesa minima. Sono disponibili in due opzioni di frequenza di campionamento, 50 kS/s (USB-231) e 100 kS/s (USB-234), e si collegano facilmente a un computer tramite un connettore micro-USB di tipo B (Figura 4). Sono presenti quattro ingressi differenziali a 16 bit o otto ingressi sbilanciati a ±10 V (con protezione da sovratensione a ±30 V), con una larghezza di banda di 300 kHz per le misurazioni analogiche. L'uscita analogica funziona anche fino a ±10 V, con una frequenza di aggiornamento massima di 5 kS/s per canale. Otto I/O funzionano fino a 5 V e ±4 mA. Il set di funzionalità è completato da un contatore a 32 bit per le transizioni di stato da basso ad alto.

Figura 4: Acquisizione dati professionale con Digilent MCC USB-230 DAQ, uno strumento basato su USB; le strisce di connessione facilitano il collegamento dei segnali all'unità DAQ.

Come di consueto, i sistemi di acquisizione dati USB-230 sono forniti con un set di strumenti software adeguato^DAQamiè uno strumento visivo per l'acquisizione dati e la generazione di segnali. Presenta una semplice interfaccia drag-and-drop che visualizza i dati in modo chiaro e consente l'utilizzo di più dispositivi USB-230 collegati allo stesso computer. È disponibile anche una libreria universale MCC^per coloro che desiderano sviluppare software di acquisizione dati personalizzato in base alle proprie esigenze specifiche, con supporto di programmazione per Python su Windows. Anche gli sviluppatori Linux possono beneficiare del supporto di uldaq^.I sistemi di acquisizione dati sono inoltre compatibili con LabVIEW e MATLAB.

Analisi dell'interfaccia seriale:
una delle maggiori difficoltà quando si cambia fornitore di microcontrollori è capire come funzionano le periferiche. Registri, funzionalità e descrizioni dei datasheet sono sempre diversi. Di conseguenza, l'utilizzo delle interfacce seriali può essere piuttosto complesso e spesso gli sviluppatori non sanno se hanno compreso e configurato correttamente elementi come la velocità di trasmissione (baud rate). Pertanto, se non ne possedete già uno, acquistare un analizzatore logico è un'ottima idea.
Inoltre, al giorno d'oggi non ci sono scuse. Unità come l'analizzatore logico SparkFun USB⁹ offrono una frequenza di campionamento di 24 MHz con otto canali a un prezzo accessibile a tutti (Figura 5). L'unità utilizza il progetto software open-source sigrok¹⁰ e sono disponibili decodificatori per ogni tipo di situazione. Oltre a quelli classici (seriale, SPI e I2C), è possibile decodificare protocolli utilizzati per EEPROM, display a 7 segmenti, DALI, LIN, CAN e varie interfacce di debug per processori Arm (Figura 6).

Immagine 5: Come strumento per il debug rapido di interfacce seriali di qualsiasi tipo, è difficile trovare qualcosa di meglio dell'analizzatore logico USB SparkFun a 8 canali e 24 MHz.

L'hardware può gestire segnali fino a 5,25 V ed è alimentato tramite una porta USB. I jumper femmina-femmina con codice colore semplificano i collegamenti al sistema di destinazione, quindi alcune schede, come Arduino, richiedono un connettore maschio aggiuntivo. Iniziare è facile, grazie a un eccellente tutorial di SparkFun^che illustra sia l'interfaccia grafica utente (GUI) che l'interfaccia a riga di comando (CLI) di sigrok.

Tutti i segnali misurati, grandi e piccoli.
Gli ingegneri si sono sempre affidati a dati di alta qualità per prendere decisioni progettuali valide, sia che si tratti di lavorare su un sistema esistente, sia di svilupparlo. L'efficienza energetica è forse una delle questioni più urgenti al giorno d'oggi, quindi è probabile che i team di sviluppo siano sempre più interessati ad acquisire analizzatori di potenza con un'ampia gamma di opzioni. Inoltre, sta diventando sempre più comune che le applicazioni vengano migliorate solo impiegando tecniche di apprendimento automatico. Per un apprendimento efficace è necessaria un'enorme quantità di dati, anche per una semplice rete neurale, ed è qui che entra in gioco l'acquisizione dati (DAQ). Sebbene i microcontrollori e le interfacce seriali siano fantastici, spesso ci sono aspetti che rimangono poco chiari. Grazie all'hardware a basso costo e all'impegno della comunità open source, non ci sono più scuse per non avere un analizzatore logico che spieghi cosa sta succedendo dietro quei fili.

VOTI

^[1] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/carlo-gavazzi-em5x0-energy-analyzers/n-5gf3Z2opfnb

^[2] https://iea.blob.core.windows.net/assets/d69b2a76-feb9-4a74-a921-2490a8fefcdf/EE_for_ElectricSystems.pdf

^[3] https://biconconsultants.com/difference-between-ie2-and-ie3-motors/

^[4] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/bk-precision-5335c/n-5gf3Z22te6a

^[5] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/digilent-mcc-usb-230-daq-devices/n-5gf3Z31isz5

^[6] https://www.mccdaq.com/software-downloads.aspx

^[7] https://pypi.org/project/mcculw/

^[8] https://github.com/mccdaq/uldaq

^[9] https://eu.mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-usb-logic-analyzer/

^[10] https://sigrok.org/wiki/Main_Page

^[11] https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-usb-logic-analyzer-with-sigrok-pulseview

AUTORE:  Stuart Cording (per Mouser Electronics)