Automazione nei laboratori UL europei

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"L'analisi, elaborazione e visualizzazione tipica di LabVIEW ne ha definito uno standard (sia dal punto di vista grafico che di interfaccia con l’utente) per i diversi strumenti di misura"

- D. Rivoltella, SICUR CONTROL (DIVISIONE UL ITALIA)

The Challenge:
Nell’ambito delle prove per l’accertamento della sicurezza elettrica ai fini della certificazione internazionale, creare un sistema di strumenti virtuali personalizzati interconnessi via ethernet e accessibili via Web come alternativa e miglioramento agli strumenti tradizionali attualmente in commercio. Adottare questo nuovo approccio alle misure come standard, oltre che in Europa, anche nei laboratori UL nel resto del mondo.

The Solution:
Un sistema di condizionamento dei segnali sviluppato nel Laboratorio UL Italia 15 anni fa e migliorato nel corso degli anni, unitamente a schede di acquisizione, DMM e SWITCHES basate su bus PXI, ha consentito l’acquisizione e la misura di molteplici grandezze elettriche, meccaniche, termiche ed ottiche. La successiva analisi, elaborazione e visualizzazione tipica di LabVIEW ne ha definito uno standard (sia dal punto di vista grafico che di interfaccia con l’utente) per i diversi strumenti di misura.

Author(s):
D. Rivoltella - SICUR CONTROL (DIVISIONE UL ITALIA)

Il nuovo sistema di misura, denominato SC-LAB (LABboratorio Sicur Control, ora divisione di UL), nato 15 anni fa con lo scopo di migliorare l’efficienza del Laboratorio, è ormai diventato un punto di forza in Europa dal punto di vista della qualità dei risultati di prova, dei rapporti di prova generati automaticamente e della facilità ed economicità di calibrazione.
Un sintetico elenco delle applicazioni può essere:
- Three phase Wattmeter & Energy counter (range da 100mA a 50A, da 3Va 1kV)
- Temperatur Data Logger (96 canali)
- Hot Coil Resistance Meter (8 canali 20A)
- Programmable Timer
- Three phase Harmonics Analyzer
- Profile detector (microscopio 1μm di risoluzione)
- Tracking and Glow Wire Analyzer (con misura altezza fiamma)
Oltre agli strumenti, fanno parte del sistema SC-LAB numerosi drivers per strumenti campione, Report Editor, programmi e utilities di vario genere. Il tutto contenuto in un armadio denominato RACK (foto 1).

Articolo
Tra le più significative applicazioni che di seguito verranno descritte, le più importanti dal punto di vista dei vantaggi ottenuti rispetto agli stumenti tradizionali sono il Three Phase Wattmeter & Energy Counter ad il Temperature Data Logger.
Tra le prove di sicurezza elettrica, la misura della potenza (e/o della corrente) assorbita e delle temperature interne di un prodotto rappresentano le più comuni e frequenti verifiche di laboratorio applicabili a praticamente tutte le categorie di prodotti elettrici. Per questo motivo, tali due strumenti sono stati i primi ad essere ideati e realizzati e quindi perfettamente adattati per l’impiego in laboratori di certificazione.

Il Three Phase Wattmeter & Energy Counter (foto 2) è uno strumento virtuale composto da una scheda di acquisizione dati, tre moduli di condizionamento dei segnali di tensione (3-30-300-1000V) e corrente (0,1-1-10-50A) ed un modulo di potenza per la connessione diretta all’apparecchio in prova. Sulla base delle 6 forme d’onda acquisite, lo strumento calcola poi i valori di tensione e corrente efficaci, le potenze (attiva, reattiva ed apparente) sulle singole fasi e sul sistema multifase, la frequenza, il fattore di potenza e l’energia consumata.
Rispetto agli strumenti tradizionali i vantaggi sono molteplici.
Primo fra tutti la semplicità d’uso: indipendentemente dal tipo di alimentazione dell’apparecchio, monofase, bifase, trifase, con o senza neutro, la misura viene condotta semplicemente inserendo la spina nel modulo di potenza senza preoccuparsi di realizzare nessun ulteriore collegamento esterno.
La schermata principale, che visualizza sia i dati numerici delle misure che le forme d’onda delle tensioni e delle correnti, fornisce una chiara situazione elettrica generale del prodotto in prova.
La possibilità di salvare su file ogni misura e forma d’onda consente di registrare l’andamento nel tempo delle varie grandezze misurate. Le applicazioni sono innumerevoli: dalla misura della potenza e corrente assorbita da apparecchi frigoriferi, alla monitorizzazione di tensioni e frequenze in protezioni di interfaccia per il collegamente degli inverter alla rete di distribuzione pubblica dell’energia.
Lo strumento include molteplici altre funzioni sicuramente non presenti in strumenti stradizionali quali:

- Un sistema di controllo delle tensioni (trifase) che, mediante variac motorizzati, consente di impostare e mantenere in modo indipendente le tre tensioni di alimentazione;
- La possibilità di acquisire ed analizzare, oltre alle tensioni e correnti, ulteriori 8 segnali analogici provenienti da trasduttori di vario tipo;
- La misura e visualizzazione vettoriale della terna trifase delle tensioni e delle correnti, con la misura delle fasi di ciascun vettore ed il calcolo della corrente di neutro nei sistemi multifase sbilanciati;
- La verifica della qualità della sorgente di alimentazione (tensione, frequenza e distorsione armonica totale) prevista dalla norma EN17025;
- la possibilità di interagire direttamente con i trasduttori interni di tensione e corrente per eseguire in modo semiautomatico una calibrazione contemporanea dei tre wattmetri.

Il Temperature Data Logger è basato su un DMM a 18 bit che misura la tensione ai capi delle termocoppie multiplexate in 96 canali. L’isolamento tra i canali e verso massa è di 300V.
Lo strumento è molto semplice, ma sicuramente è quello che offre il più alto grado di automazione dal punto di vista del risultato finale: il test report.
Pensare di eseguire misure di temperatura in 96 punti interni di un apparecchio di cottura (cosa assai frequente) e in 10 modalità di funzionamento diverse con un tradizionale registratore a carta è ormai impensabile. Pur utilizzando strumenti in grado di salvare i dati su file, rimane comunque il problema di riportare i valori massimi misurati nei test report.
Il Temperature Data Logger permette sia di selezionare manualmente, come gli strumenti tradizionali, i diversi canali di misura, oppure, interfacciandosi con WORD, di importare tutto il set up della misura, cioà una tabella contenente i canali di misura e la descrizione del posizionamento dei vari punti di misura. Le ulteriori tre colonne, in bianco nel set up, vengono compilate dal programma al termine della misura con la massima temperatura misurata, la massima sovratemperatura misurara ed il risultato del confronto con il limite (OK o NOK).
La tabella così compilata viene in seguito inserita con un semplice copia ed incolla nel test report.
L’andamento delle temperature dei vari canali viene registrato su file e successivamente analizzato, stampato su carta o convertito in jpg.
Sono in fase di ultimazione due nuove funzionalità da integrare nello strumento:

- La possibilità di utilizzare i 96 canali in diversi strumenti in esecuzione contemporanea in grado di testare più prodotti nello stesso tempo;
- Un Hot Line Coil Meter multicanale (8 canali da 40A) in grado di misurare la temperatura degli avvolgimenti (motori, trasformatori, bobine, ecc) sotto tensione. Il metodo di misura, l’interfaccia utente ed il report generato saranno trasparenti rispetto al metodo di misura utilizzato: termocoppie o variazione di resistenza.

Al di là delle caratteristiche dei singoli strumenti di misura, ulteriori vantaggi scaturiscono dall’interconnettività tra i diversi strumenti: tutte le misure degli strumenti in esecuzione sulla stessa macchina ed, in generale in esecuzione su tutte le macchine connesse in rete, possono essere condivise e scambiate.
É proprio su questa funzionalità che si basano molti test particolari per i quali è necessaria la misura e l’elaborazione di grandezze di varia natura (ad esempio elettriche e termiche) che difficilmente si trovano inserite in un unico strumento tradizionale.
Una tipica applicazione è la misura del consumo energetico di un forno domestico per il mercato Canadese. Sulla base dell’andamento della temperatura di un cilindro di prova in alluminio posto all’interno del forno e dell’andamento dell’energia consumata dal forno, la norma definisce un algoritmo di calcolo per la determinazione del consumo medio annuo del forno. La combinazione delle funzionalità del Three Phase Wattmeter & Energy Counter e del Temperature Data Logger permette di costruire un grafico dell’andamento della temperatura del cilindro di alluminio in funzione dell’energia consumata.

Non ultima, ma sicuramente importante per laboratori distribuiti (foto 3) in tutti i continenti, la possibilità di connessione remota con visione e controllo a distanza della misura in corso.

Conclusione
Nato per passione personale, aggiornato e migliorato grazie al contributo di tutti gli ingegneri che l’hanno utilizzato, modificato nel tempo in accordo all’evoluzione delle normative (sia di prodotto che di qualità), ma soprattutto tecnologicamente sempre al passo con i tempi grazie al supporto e consiglio di NI, contiamo sulla fattiva ed usuale collaborazione da parte di tutti per le future sfide che SC-LAB dovrà ancora affrontare.

Author Information:
D. Rivoltella
SICUR CONTROL (DIVISIONE UL ITALIA)
Dario.Rivoltella@it.ul.com

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