ES2324568A1 - "pinza amperimetrica de fugas con medida de armonicos y diagnostico de la causa de la fuga". - Google Patents
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Abstract
Pinza amperimétrica de fugas con medida de
armónicos y diagnóstico de la causa de la fuga, que dispone de
medios de visualización (12) de la información, medios de selección
(11) a través de los cuales el usuario selecciona el modo de
funcionamiento, un primer microcontrolador (5) con conversor
analógico digital ADC (6), un segundo microcontrolado (10) que
controla los medios de visualización (12) y de selección (11) y que
está comunicado con el primer microcontrolador (5), dos bornas de
entrada (1) para medida de tensión, dos bornas de entrada (2) para
maxilar de medida de corriente, medios de conversión y adaptación
(3, 4) de la corriente y la tensión de entrada a los niveles de
tensión compatibles con la entrada del ADC (6), estando dichos
medios (3, 4) controlados desde el primer microcontrolador (5)
mediante un conmutador analógico. La presente invención incluye
también un procedimiento para medir corriente de fugas utilizando
dicha pinza amperimétrica.
Description
Pinza amperimétrica de fugas con medida de
armónicos y diagnóstico de la causa de la fuga.
La presente invención se refiere a una pinza
amperimétrica digital de alta resolución para la medida tanto de la
corriente que circula por un determinado conductor como de la
diferencia de tensión entre dos puntos de un circuito eléctrico,
así como medidas de potencia asociadas a esa corriente y tensión.
Dicha invención permite medir con suficiente precisión las
corrientes que se fugan a tierra, incluyendo el estudio de los
armónicos de la señal, además de dar una idea acerca de la causa
que lo produce. Aunque aplicable a la medida de cualquier corriente
alterna que circule por un conductor, el instrumento está concebido
de modo especial para medir la corriente de fugas de una
instalación, esto es la diferencia entre la corriente saliente y
entrante de dicha instalación.
Una pinza amperimétrica es un dispositivo
destinado a la medida de corriente en un circuito sometido a ensayo
o medición sin necesidad de interrumpir dicho circuito. Esa es su
principal utilidad o ventaja frente a la alternativa de la medida
de la caída de tensión en "shunts" o resistencias que se deben
intercalar en serie dentro del propio circuito y en la rama en la
que se desee conocer la corriente circulante.
En una pinza amperimétrica, la medida de la
corriente se realiza de manera indirecta, mediante la valoración del
campo magnético que genera toda corriente en su entorno. Para
facilitar su valoración, las líneas del campo magnético generado se
"concentran" o circunscriben en un elemento de la pinza que
está constituido por un material de propiedades ferromagnéticas y
que se suele denominar "mordaza" o "maxilar". La
geometría de esa mordaza debe permanecer cerrada durante el proceso
de medida (para evitar que las líneas de campo magnético salten por
el aire) pero debe ser posible su apertura para rodear y abrazar al
conductor por el que circula la corriente a medir. Por otro lado,
no debería ser sensible a los campos magnéticos externos que
podrían distorsionar la medida.
Si la corriente a medir es únicamente alterna,
en la mordaza va arrollado un devanado que constituye el
secundario de un transformador de corriente y sobre el que va a
circular una corriente proporcional a la corriente a medir y que
será tratada y procesada por el resto del circuito de medida e
instrumentación. Si la corriente es continua, se debe incluir
dentro del circuito magnético unos sensores de efecto Hall que
generan una tensión proporcional al campo magnético que las
atraviesa, proporcional a su vez a la corriente a medir.
Las pinzas amperimétricas son instrumentos
ampliamente demandados dentro del sector eléctrico y se suelen
distinguir dos categorías o tipos. En primer lugar, las pinzas
amperimétricas convencionales, con capacidad de medir corrientes de
hasta miles de amperios en alterna o continua y que están dotadas
de mordazas de diámetros grandes ya que deben rodear a conductores
por los que circulan corrientes de esos órdenes de magnitud. En
segundo lugar, las pinzas de "fugas", que son simplemente
pinzas amperimétricas que tienen una alta resolución (del orden de
microamperios) para poder medir la pequeña corriente que se puede
"fugar" por el conductor de tierra, equivalente al
desequilibrio que puede aparecer entre la corriente "entrante"
y "saliente" en una instalación monofásica. En todos los
casos, la circulación de esa corriente es debida a defectos de
aislamiento presentes en las instalaciones eléctricas y pueden
ocasionar el disparo del interruptor diferencial de protección de
la instalación. La detección de esa corriente resulta fundamental
para poder subsanar potenciales problemas en las instalaciones.
En las pinzas amperimétricas se suele asociar el
valor máximo de corriente con el tamaño de la mordaza: corrientes
altas suponen mordazas grandes, corrientes bajas se miden con
mordazas pequeñas. Por tal motivo las pinzas de fugas siempre
tienen mordazas pequeñas y no se pueden utilizar en centros de
transformación, subestaciones, etc. que disponen de conductores de
gran tamaño.
La presente invención está orientada a la medida
de corrientes de fugas pero pretendiendo dar unas capacidades
añadidas a las de productos similares presentes en el mercado. Para
la medida de magnitudes en la mayor parte de las pinzas
amperimétricas y multímetros digitales actuales se utilizan
conversores A/D de doble o simple rampa con altos tiempos de
conversión que solo tienen la capacidad de convertir señales
continuas de su valor analógico a un valor digital. Por tanto en
este tipo de dispositivos cuando se pretende medir un señal
alterna es necesario la utilización de circuitos analógicos
promediadores o convertidores de verdadero valor eficaz, utilizados
para convertir una señal analógica en una señal continua cuyo valor
sea el eficaz de la alterna. Mediante este tipo de técnicas no se
puede obtener información adicional sobre la señal.
Las corrientes de fugas pueden estar causadas
por diversas causas pero a grandes rasgos pueden ser divididas en
dos conjuntos.
- \sqbullet
- Corrientes de fuga debido a defectos de aislamientos: Este tipo de fugas son debido a la circulación de corriente entre terminales en tensión y partes conectadas a tierra. Estas corrientes son de la misma frecuencia fundamental de la red (50 ó 60 Hz) y tienen una baja distorsión armónica.
\newpage
- \sqbullet
- Corrientes de fuga debido a cargas no lineales: Este otro tipo de fugas no son debidas a fallos de aislamiento sino que son corrientes derivadas a tierra por los condensadores que incorporan las fuentes de alimentación de los equipos electrónicos tales como ordenadores, televisores, etc. Debido a la no linealidad de este tipo de cargas, las corrientes consumidas por las mismas suelen presentar una gran distorsión armónica, lo que a su vez implica una mayor deriva de corriente en los armónicos superiores a través de dichos condensadores.
Con la presente invención se pretende no solo
poder medir con suficiente precisión las corrientes que se fugan a
tierra sino que también se pretende tener un idea de la causa que
lo produce. Para ello no es suficiente conocer el valor eficaz de
la corriente fugas, se debe de tener información acerca de su
contenido en armónicos. Dicho contenido en armónicos puede ser
obtenido mediante la utilización de la transformada rápida de
Fourier (FFT) o mediante la utilización de filtros analógicos. El 1
primer método es el utilizado en la presente invención y requiere
la realización de un muestreado y un posterior procesado matemático
de la señal mientras que el segundo método es totalmente analógico
y requiere la utilización de un número muy elevado de filtros por
lo que no tendría aplicabilidad para un instrumento portátil y de
dimensiones reducidas como éste, además de que por otro lado
implicaría un coste final del equipo mucho más elevado.
El procesado digital de señal es una técnica
relativamente reciente que se ha ido utilizando cada vez más en
equipos de uso cotidiano debido a que el tamaño y el coste de los
microprocesadores, conversores A/D y DSPs (procesadores digitales
de señal) se ha ido reduciendo a lo largo de los últimos años.
Inicialmente este tipo de 1 técnicas sólo se utilizaban en equipos
altamente costosos y sofisticados debido al coste de sus
componentes. Mediante un correcto procesado digital se pueden
obtener parámetros de las señales muestreadas utilizando la
capacidad de cálculo matemático de los referidos circuitos
microelectrónicos, lo que se traduce en la obtención de productos
con funcionalidades muy superiores a las de los equipos que
utilizan las técnicas convencionales de procesado analógico, y
donde además el conjunto de componentes del circuito se ve
sensiblemente reducido.
En el mercado existen pinzas amperimétricas de
alta gama y elevado coste que utilizan el procesado digital de señal
para obtener información acerca del contenido en armónicos de una
determinada señal pero ninguna de ellas tiene la precisión para
medir corrientes de fugas ni tiene la capacidad de dar un
diagnóstico sobre las posibles causas que producen una corriente de
fuga en una determinada instalación. Con la presente invención se
puede obtener la descomposición en armónicos así como el THD (tasa
total de distorsión armónica) y el CF (factor de cresta) de
corrientes de fuga de pocos miliamperios. Con estos parámetros se
puede ayudar a determinar la causa del fallo o fuga, pero además, el
equipo realiza un diagnostico utilizando un algoritmo matemático con
la información obtenida tras la descomposición en armónicos.
La presente invención se refiere a una pinza
amperimétrica de fugas con medida de armónicos y diagnóstico de la
causa de la fuga y a un procedimiento para medida de corrientes de
fuga, según la reivindicación 1 y la reivindicación 6,
respectivamente. Realizaciones preferidas de la pinza amperimétrica
y del procedimiento se definen en las reivindicaciones
dependientes.
La pinza amperimétrica, que funciona con al
menos una batería, dispone de:
- medios de visualización donde se muestra al
usuario la información, como por ejemplo una pantalla de cristal
líquido LCD;
- medios de selección a través de los cuales el
usuario selecciona el modo de funcionamiento de la pinza
amperimétrica, como por ejemplo una pluralidad de pulsadores y un
interruptor o selector rotatorio;
- primeros medios de procesamiento de datos,
especialmente un microcontrolador (como un procesador digital de
señal (DSP)) con conversor analógico digital (ADC);
- dos bornas de entrada para maxilar o mordaza
de medida de corriente;
- medios de conversión y adaptación de la
corriente de entrada a los niveles de tensión compatibles con la
entrada del conversor, estando dichos medios de conversión y
adaptación controlados mediante al menos un conmutador analógico
controlado a su vez desde los primeros medios de procesamiento de
datos; y
- segundos medios de procesamiento de datos,
especialmente un microcontrolador, que controlan los medios de
visualización y de selección, estando dichos medios comunicados con
los primeros medios de procesamiento de datos.
Los primeros medios de procesamiento de datos y
los segundos medios de procesamiento de datos pueden estar
contenidos en un microprocesador o, por el contrario, los primeros
medios de procesamiento de datos pueden consistir en un primer
microcontrolador y los segundos medios de procesamiento de datos
consistir en un segundo microcontrolador, el cual estaría
comunicado con el primer microcontrolador mediante un bus de
comunicaciones, siendo el segundo microcontrolador el dispositivo
maestro. La comunicación que se establece entre el primer
microcontrolador y el segundo microcontrolador (10) puede ser, por
ejemplo, serie bidireccional.
La pinza amperimétrica de fugas puede disponer
adicionalmente de dos bornas de entrada para medida de tensión, en
cuyo caso la pinza amperimétrica dispone a su vez de medios de
adaptación de dicha tensión de entrada a los niveles de tensión
compatibles con la entrada del ADC. Estos medios de adaptación
pueden consistir en un divisor resistivo, controlado desde los
primeros medios de procesamiento de datos mediante un conmutador
analógico.
Es también objeto de la presente invención un
procedimiento para medida de corrientes de fuga, con medida de
armónicos y diagnóstico de la causa de la fuga, que utiliza la
comentada pinza amperimétrica de fugas. El procedimiento comprende
las siguientes etapas:
a) selección por parte del usuario de la medida
a realizar por la pinza amperimétrica;
b) petición de medida de los segundos medios de
procesamiento de datos a los primeros medios de procesamiento de
datos;
c) selección de la escala, realizada por los
primeros medios de procesamiento de datos, que sea apropiada para
la medida;
d) captura de muestras, realizada por los
primeros medios de procesamiento de datos previa conversión
analógica-digital del ADC incluido en dichos medios,
de la señal de tensión, de corriente o de ambas simultáneamente,
en función de la petición de medida de los segundos medios de
procesamiento de datos;
e) cálculos matemáticos para la obtención de la
medida pedida, realizados por los primeros medios de procesamiento
de datos;
f) envío, de los primeros medios de
procesamiento de datos a los segundos medios de procesamiento de
datos del valor de la medida calculada (envío realizado a través
del bus de comunicación serie en el caso de que los primeros y
segundos medios de procesamiento de datos sean cada uno un
microcontrolador); y
g) presentación, realizada por los segundos
medios de procesamiento de datos, de la medida en los medios de
visualización.
En el caso de que se efectúe una medida de la
señal de corriente o de la señal de tensión, en la etapa a) la
selección se realiza de entre las siguientes medidas: valor eficaz,
valor máximo y mínimo, distorsión armónica total (THD), valor
eficaz de los distintos armónicos, factor de cresta y valor de
pico. En el caso de que se ha seleccionado la medida de valor
eficaz o la medida de THD, en la etapa g) se puede mostrar en los
medios de visualización de manera simultánea el valor eficaz y el
THD.
Para cuando se efectúa una medida de manera
simultánea tanto de la corriente que atraviesa un determinado
dispositivo como la tensión entre los extremos del mismo para
cualquier tipo de evolución periódica temporal en régimen
permanente, en la etapa a) la selección se realiza de entre las
siguientes medidas: potencia activa, potencia reactiva, potencia
aparente, factor de potencia y ángulo de desfase total. Si se ha
seleccionado la medida de potencia activa o reactiva o aparente, en
la etapa g) se puede mostrar en los medios de visualización de
manera simultánea el valor de la potencia seleccionada y el factor
de potencia, mostrando además si este factor de potencia es
capacitivo o inductivo.
En el caso de que se efectúe una medida de la
señal de corriente de fugas, en la etapa e) se puede analizar
además la causa que provoca la fuga, mediante el estudio del valor
eficaz de los distintos armónicos de la corriente de fugas medida y
su comparación con el valor eficaz de dicha corriente de fugas. La
causa de la fuga se estudia de entre las siguientes: provocada por
acumulación de cargas no lineales o provocada por defectos de
aislamiento. En la etapa g) se puede mostrar adicionalmente en los
medios de visualización una señal de aviso que indica al usuario la
causa de la fuga.
Para una mejor comprensión de la invención, a
continuación se pasa a describir de manera breve un modo de
realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no
limitativo de ésta. Para ello se hace referencia a los dibujos
adjuntos, en los cuales:
En la Figura 1 se muestra un esquema general de
la pinza amperimétrica con sus distintos componentes, en forma de
diagrama de bloques.
La Figura 2 muestra un esquema de los medios de
conversión y adaptación de la corriente de entrada en los niveles
de tensión compatibles con la entrada del ADC.
La Figura 3 muestra un esquema de los medios de
adaptación de la tensión de entrada a los niveles de tensión
compatibles con la entrada del ADC.
La Figura 4 muestra la etapa donde se crea una
masa virtual.
La Figura 5 muestra otra realización de la
presente invención, donde los primeros medios de procesamiento de
datos (5) y los segundos medios de procesamiento de datos (10)
están contenidos en un único microprocesador (31).
La invención presente consiste en una pinza
amperimétrica digital de alta resolución para la medida tanto de la
corriente que circula por un determinado conductor como de la
diferencia de tensión entre dos puntos de un circuito eléctrico. El
equipo tiene capacidad de descomponer la correspondiente magnitud
periódica en su contenido en armónicos senoidales de frecuencias
múltiplos de la frecuencia fundamental de la señal de partida. El
equipo dispone de una pantalla de cristal líquido (LCD) donde se
pueden mostrar valores diversos que cuantifican la calidad de la
señal eléctrica y su aproximación a una onda senoidal pura, así
resulta posible mostrar el verdadero valor eficaz total junto con
la tasa de distorsión armónica (THD), el valor eficaz de cada uno
de los armónicos, el valor relativo de un armónico respecto a la
componente fundamental, el factor de cresta y el valor de pico.
Como característica adicional y orientado a la medida de corrientes
de fugas, el equipo incorpora un algoritmo para el análisis de la
causa de una corriente de fugas, de tal forma que nos indica si la
causa de dicho defecto es debida a una alta acumulación de cargas
no lineales, tales como fuentes conmutadas empleadas en equipos
informáticos y equipos electrónicos, o debida a defectos de
aislamiento.
El aspecto externo del equipo es similar al de
una pinza amperimétrica para medida de corriente sin necesidad de
apertura en el circuito de medida, también puede disponer de dos
bornas de entrada adicionales para la medida de tensión, pudiendo
realizar la medida simultánea de ambas magnitudes y procesarlas
para mostrar las potencias activas, reactivas y aparentes
resultantes, además del factor de potencia y el ángulo de desfase
entre ambas magnitudes.
A nivel interno, el equipo dispone de unos
primeros medios de procesamiento de datos, normalmente un
procesador digital de señal (DSP), que realiza tanto la conversión
analógica-digital de la magnitud real, como los
cálculos matemáticos necesarios para obtener el resultado de la
medida que se requiere. El equipo se alimenta mediante baterías de
reducido tamaño.
En la Figura 1 se puede ver el esquema general
de la pinza en forma de diagrama de bloques. La señal de entrada
puede ser tanto de corriente como de tensión y por tanto puede
provenir de las puntas de prueba para medir la tensión, conectadas
a las bornas de entrada (1) para medida de tensión, como de la
bobina alojada en la mordaza o maxilar, que se conecta a la pinza a
través de las bornas de entrada (2) para maxilar de medida de
corriente.
La forma de onda de tensión proporcional a la
medida es muestreada por el conversor Analógico a Digital ADC (6)
integrado en unos primeros medios de procesamiento de datos (5), en
este caso un microcontrolador, siendo normalmente éste un
procesador digital de señal (DSP). El muestreo se realiza a una
frecuencia de muestreo proporcional a la frecuencia fundamental de
la red, de manera que siempre se recojan el mismo número de
muestras por periodo (ya sea con una frecuencia de red de 50 Hz ó
de 60 Hz que son las dos frecuencias fundamentales
consideradas).
Antes de poder ser muestreada por el ADC (6) que
incorpora el primer microcontrolador (5), se hace una adaptación a
los niveles de tensión compatibles con la entrada de dicho
conversor. En el caso de tratarse de una medida de corriente, la
bobina del maxilar genera una corriente en el secundario de ésta,
proporcional a la corriente que circula por el conductor que es
abrazado por el maxilar; dicha corriente se convierte en tensión
mediante medios de conversión y adaptación (4) basados en
conmutadores analógicos, controlados a su vez desde el primer
microcontrolador (5), para que pueda ser muestreada por el ADC (6).
Se dispone de varias escalas de corriente que se controlan de
manera automática utilizando dichos conmutadores analógicos
controlados digitalmente desde el propio primer microcontrolador
(5).
Cuando se trata de medida de tensión, las
escalas disponibles para ésta son siempre superiores a los
márgenes de entrada del ADC (6). Por esta razón la tensión de
entrada es reducida mediante medios de adaptación (3) de dicha
tensión de entrada a los niveles de tensión compatibles con la
entrada del ADC (6), como por ejemplo utilizando un divisor
resistivo configurable. Se dispone también de varias escalas de
tensión y por tanto varios divisores resistivos que se controlan
también de manera digital, mediante conmutadores analógicos
controlados desde el primer microcontrolador (5).
En este diseño el primer microcontrolador (5)
actúa como dispositivo esclavo de unos segundos medios de
procesamiento de datos (10), en este caso un microcontrolador, que
actúa como dispositivo maestro, comunicándose ambos circuitos
integrados mediante un bus de comunicaciones (9), normalmente una
comunicación serie bidireccional. El segundo microcontrolador (10)
es el encargado de gestionar el interfaz entre el usuario y el
equipo, es decir, tanto los medios de visualización (12), por
ejemplo una pantalla LCD, como los medios de selección (11) a
través de los cuales el usuario selecciona el modo de
funcionamiento de la pinza amperimétrica, como por ejemplo unos
pulsadores y un interruptor/selector rotatorio; por esta razón, se
trata de un microcontrolador específico que dispone del hardware
interno necesario para el manejo directo de los electrodos
presentes en los displays de cuarzo líquido (LCD) y para la
generación de las correspondientes señales de tensión de polaridad
alterna.
Teniendo en cuenta la medida que se quiera
realizar, el circuito integrado maestro, el segundo
microcontrolador (10), realiza una petición de medida y
procesamiento al circuito integrado esclavo, el primer
microcontrolador (5). La comunicación entre ambos, se puede
realizar mediante un interfaz de comunicación serie síncrona. El
primer microcontrolador (5) puede realizar una captura de la
muestras de la señal de tensión, de corriente, o de ambas
simultáneamente. En función del valor de las muestras capturadas el
propio dispositivo se encarga de seleccionar la escala apropiada
para la medida y repetirla en caso de que se haya sobrepasado el
margen actual seleccionado.
La alimentación del equipo se obtiene a partir
de baterías, en concreto dos pilas de 1,5 V. Dicha tensión de 3 V
puede resultar variable a lo largo del ciclo de uso de esas
baterías, por tal motivo la tensión se eleva y estabiliza mediante
un convertidor continua-continua conmutado hasta
3,3 V, ese valor de tensión permanecerá constante mientras la
tensión de entrada se mantenga por encima de 1 V, lo que garantiza
un funcionamiento correcto hasta que las pilas estén completamente
agotadas.
Con el fin de que las medidas sean lo más
precisas posibles es necesario tener una referencia estable en el
ADC (6), de modo que la medida se vea poco afectada por factores
externos y ambientales tales como temperatura y humedad. Por tal
motivo, a partir de la tensión de 3,3 V se genera una tensión
estable de 3 V mediante el uso de una referencia estable de tensión
(circuito integrado), que proporcionará la referencia para el ADC
(6) integrado en el primer microcontrolador (5). Dado que las
magnitudes a medir son alternas, es necesario crear una referencia
de tensión virtual para que el ADC (6) pueda leer también las
partes negativas de las ondas. Dicha masa virtual se genera a
partir de la referencia estable de tensión y se fija en un valor de
1,5 V, justo en el centro del margen de variación total de la señal
de entrada al conversor A/D.
La Figura 2 muestra un esquema de de los medios
de conversión y adaptación (4) de la corriente de entrada en los
niveles de tensión compatibles con la entrada del ADC (6), donde la
corriente (13) proveniente del maxilar de la pinza se convierte en
tensión haciéndola pasar por la resistencia (14). Dicha tensión,
que tiene un valor reducido, es amplificada utilizando una etapa
amplificadora basada en el empleo de un amplificador operacional
(15). La ganancia de la etapa es ajustable mediante la red de
resistencias (17) presente en la realimentación del amplificador
operacional (15). El conmutador analógico (16) es controlado por el
primer microcontrolador (5) digitalmente mediante la conexión (18)
y cumple la función de seleccionar la ganancia del amplificador
apropiada para el nivel de corriente de entrada conectando una de
las resistencias de la red de resistencias (17). La salida (19) del
amplificador operacional (15), que es una señal ya amplificada y
normalizada, se conecta a la entrada del ADC (6) del primer
microcontrolador (5).
La Figura 3 muestra un esquema de los medios de
adaptación (3) de la tensión de entrada a los niveles de tensión
compatibles con la entrada del ADC (6). La tensión medida a través
de las bornas (1) del equipo está representada por la fuente (20).
Dicha tensión se atenúa mediante un divisor resistivo compuesto de
la resistencia (24) y la red de resistencias (25). La selección del
nivel de atenuación adecuado se realiza mediante el switch o
conmutador analógico (21), controlado directamente por el primer
microcontrolador (5) a través de la conexión (22). La salida (23)
del atenuador va directamente a la entrada del ADC (6).
Tanto para la etapa mostrada en la Figura 2 como
para la de la Figura 3, la referencia de tensión utilizada no se
corresponde con la tensión del terminal negativo de las pilas de
alimentación, sino que se utiliza la denominada masa virtual (30).
Se trata pues de un nivel de tensión situado en el punto medio
entre la tensión máxima del ADC (6), 3 voltios, y la tensión más
baja de todo el equipo (terminal negativo de las baterías de
alimentación). La Figura 4 muestra la etapa donde se crea esta masa
virtual (30). A partir de la referencia estable de tensión (26)
proporcionada por el circuito integrado denominado referencia de
tensión, se crea una tensión con la mitad de valor utilizando un
divisor resistivo (27) con ambas resistencias iguales. Para que la
tensión de esta masa virtual sea estable, se utiliza un seguidor de
emisor basado en el empleo de un amplificador operacional (28) con
dos condensadores adicionales de estabilización (29). La salida de
esta etapa es la masa virtual (30) que se conecta al resto de
circuitos que necesiten de ella.
Para calcular la medida requerida desde el
segundo microcontrolador (10), el primer microcontrolador (5) toma
muestras de la señal a una frecuencia de muestreo determinada, la
cual varía en función de cuál sea la frecuencia fundamental de la
red, 50 Hz ó 60 Hz, de tal forma que se obtengan siempre el mismo
número de muestras en un periodo fundamental de frecuencia de red.
Por defecto el número de muestras es de 256 por periodo, valor que
resulta suficiente para la precisión requerida por el equipo. Una
vez realizada la captura de datos, se realizan los cálculos
matemáticos necesarios para la obtención de los resultados
requeridos, los cuales pueden ser los siguientes:
- Para las medidas de corriente o de tensión:
Valor eficaz, THD, valor eficaz de armónico, factor de cresta y
valor de pico
- Para las medidas de corriente y tensión
simultáneamente: potencia activa, potencia reactiva, potencia
aparente, factor de potencia y ángulo de desfase total.
Una vez obtenido el resultado de la medida, el
valor de dicha magnitud se envía a través del bus de
comunicaciones (9) de vuelta hacia el microcontrolador (10) maestro
que se encarga de mostrar la medida en la pantalla de cristal
líquido (12). El primer microcontrolador (5) tiene la capacidad de
realizar cualquiera de las medidas mencionadas anteriormente en un
tiempo menor a 100 ms, con lo que se pueden hacer hasta 10 medidas
de una determinada magnitud cada segundo lo que supone un refresco
de información en pantalla elevado. Para la obtención de algunos
tipos de medidas, tales como el THD y valores eficaces es necesario
realizar un procesamiento y el cálculo de la Transformada Rápida
de Fourier (FFT), por esta razón el número de muestras tomadas es de
256 ya que un requisito para la realización de la FFT es disponer de
2^{N} número de muestras, siendo N un número natural (en este
caso 8).
El diseño puede realizar en un mismo ciclo de
100 ms varias operaciones conjuntas pudiendo realizar el cálculo
simultáneo tanto de la tasa THD como del valor eficaz de la
magnitud, lo que le permite mostrar ambas medidas en la pantalla
LCD de forma simultánea.
Al equipo se le ha añadido un algoritmo para la
aplicación en la medida de corrientes de fugas. Con dicho algoritmo
se pretende tener información adicional sobre cual es la causa que
provoca dicha fuga, diferenciando entre dos tipos de fallos:
- -
- Fallos provocados por acumulación de cargas no lineales, como fuentes conmutadas de equipos electrónicos. Este tipo de cargas incluyen filtros para reducir la interferencia electromagnética (filtros EMI). Debido a la alta distorsión armónica que generan en la corriente que consumen este tipo de cargas no lineales derivan a tierra corriente con una componente armónica elevada.
- -
- Fallos provocados por defectos de aislamiento, que fugan corrientes principalmente a la frecuencia de red.
El algoritmo utilizado se basa en el estudio del
contenido de armónicos de la corriente de fugas medida. Dicho
algoritmo realiza un estudio del valor eficaz de la corriente a los
armónicos superiores y lo compara con el valor eficaz de corriente.
En función del resultado obtenido por dicha operación se emite un
juicio sobre la causa del fallo. Para mostrar el juicio en la
pantalla se dispone de dos iconos, un icono que indica que la fuga
es debida a fallo de aislamiento y otro icono que indica que la
fuga es debida a acumulación de cargas no lineales.
Otra realización de la presente invención se
muestra en la Figura 5, donde los primeros medios de procesamiento
de datos (5) y los segundos medios de procesamiento de datos (10)
están contenidos en un único microprocesador (31). El
funcionamiento para esta realización particular sería similar a la
explicada para la figura 1, con la particularidad de que ahora los
primeros (5) y los segundos (10) medios de procesamiento de datos
se comunican a nivel interno y no utilizando un bus de
comunicaciones externo, al estar contenidos en un mismo
encapsulado.
Claims (18)
1. Pinza amperimétrica de fugas con medida de
armónicos y diagnóstico de la causa de la fuga, que funciona con al
menos una batería y que dispone de medios de visualización (12)
donde se muestra al usuario la información, medios de selección
(11) a través de los cuales el usuario selecciona el modo de
funcionamiento de la pinza amperimétrica, primeros medios de
procesamiento de datos(5) con conversor analógico digital
ADC (6) y dos bornas de entrada (2) para maxilar de medida de
corriente, caracterizada porque dispone de medios de
conversión y adaptación (4) de dicha corriente de entrada a los
niveles de tensión compatibles con la entrada del ADC (6), estando
dichos medios de conversión y adaptación (4) controlados mediante
al menos un conmutador analógico (16) controlado a su vez desde los
primeros medios de procesamiento de datos (5), y porque dispone de
segundos medios de procesamiento de datos (10) que controlan los
medios de visualización (12) y de selección (11), estando dichos
medios (10) comunicados con los primeros medios de procesamiento de
datos (5).
2. Pinza amperimétrica de fugas según la
reivindicación 1, que dispone adicionalmente de dos bornas de
entrada (1) para medida de tensión, caracterizada porque
dispone de medios de adaptación (3) de dicha tensión de entrada a
los niveles de tensión compatibles con la entrada del ADC (6).
3. Pinza amperimétrica de fugas según la
reivindicación anterior, caracterizada porque los medios de
adaptación (3) consisten en un divisor resistivo, controlado desde
los primeros medios de procesamiento de datos (5) mediante un
conmutador analógico (21).
4. Pinza amperimétrica de fugas según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los
medios de visualización (12) son una pantalla de cristal líquido
LCD.
5. Pinza amperimétrica de fugas según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los
medios de selección (11) son una pluralidad de pulsadores y un
selector rotatorio.
6. Pinza amperimétrica de fugas según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los
primeros medios de procesamiento de datos (5) y los segundos medios
de procesamiento de datos (10) están contenidos en un
microprocesador (31).
7. Pinza amperimétrica de fugas según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los
primeros medios de procesamiento de datos (5) consisten en un
primer microcontrolador y los segundos medios de procesamiento de
datos (6) consisten en un segundo microcontrolador, el cual está
comunicado con el primer microcontrolador (5) mediante un bus de
comunicaciones (9), siendo el segundo microcontrolador (10) el
dispositivo maestro.
8. Pinza amperimétrica de fugas según la
reivindicación anterior, caracterizada porque la comunicación
que se establece entre el primer microcontrolador (5) y el segundo
microcontrolador (10) es serie bidireccional.
9. Pinza amperimétrica de fugas según cualquiera
de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizada porque el
primer microcontrolador (5) es un procesador digital de señal
DSP.
10. Procedimiento para medida de corrientes de
fuga, con medida de armónicos y diagnóstico de la causa de la
fuga, que utiliza la pinza amperimétrica de fugas según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque
comprende las siguientes etapas:
a- selección por parte del usuario de la medida
a realizar por la pinza amperimétrica;
b- petición de medida de los segundos medios de
procesamiento de datos (10) a los primeros medios de procesamiento
de datos (5);
c- selección de la escala, realizada por los
primeros medios de procesamiento de datos (5), que sea apropiada
para la medida;
d- captura de muestras, realizada por los
primeros medios de procesamiento de datos (5) previa conversión
analógica-digital del ADC (6) incluido en dichos
medios (5), de la señal de tensión, de corriente o de ambas
simultáneamente, en función de la petición de medida. (20) de los
segundos medios de procesamiento de datos (10);
e- cálculos matemáticos para la obtención de la
medida pedida, realizados por los primeros medios de procesamiento
de datos (5);
f- envío, de los primeros medios de
procesamiento de datos (5) a los segundos medios de procesamiento
de datos (10) del valor de la medida calculada; y
g- presentación, realizada por los segundos
medios de procesamiento de datos (10), de la medida en los medios
de visualización (12).
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en
el cual se efectúa una medida de la señal de corriente o de tensión,
caracterizado porque en la etapa a) la selección se realiza
de entre las siguientes medidas: valor eficaz, valor máximo y
mínimo, distorsión armónica total (THD), valor eficaz de los
distintos armónicos, factor de cresta y valor de pico.
12. Procedimiento según la reivindicación
anterior, en el cual se ha seleccionado la medida de valor eficaz o
la medida de THD, caracterizado porque en la etapa g) se
muestra en los medios de visualización (12) de manera simultánea el
valor eficaz y el THD.
13. Procedimiento según la reivindicación 10, en
el cual se efectúa una medida de manera simultánea tanto de la
corriente que atraviesa un determinado dispositivo como la tensión
entre los extremos del mismo para cualquier tipo de evolución
periódica temporal en régimen permanente, caracterizado
porque en la etapa a) la selección se realiza de entre las
siguientes medidas: potencia activa, potencia reactiva, potencia
aparente, factor de potencia y ángulo de desfase total.
14. Procedimiento según la reivindicación
anterior, en el cual se ha seleccionado la medida de potencia
activa o reactiva o aparente, caracterizado porque en la
etapa g) se muestra en los medios de visualización (12) de manera
simultánea el valor de la potencia seleccionada y el factor de
potencia, mostrando además si este factor de potencia es capacitivo
o inductivo.
15. Procedimiento según la reivindicación 10, en
el cual se efectúa una medida de la señal de corriente de fugas,
caracterizado porque en la etapa e) se analiza además la
causa que provoca la fuga, mediante el estudio del valor eficaz de
los distintos armónicos de la corriente de fugas medida y su
comparación con el valor eficaz de dicha corriente de fugas.
16. Procedimiento según la reivindicación
anterior, caracterizado porque la causa de la fuga se estudia
de entre las siguientes: provocada por acumulación de cargas no
lineales o provocada por defectos de aislamiento.
17. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 16, caracterizado porque en la etapa
g) se muestra adicionalmente en los medios de visualización (12)
una señal de aviso que indica al usuario la causa de la fuga.
18. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 17, en el que los primeros medios de
procesamiento de datos (5) de la pinza amperimétrica consisten en
un primer microcontrolador y los segundos medios de procesamiento
de datos (10) consisten en un segundo microcontrolador, comunicados
ambos mediante un bus de comunicaciones (9), caracterizado
porque en la etapa f) el envío del valor de la medida calculada de
los primeros medios de procesamiento de datos (5) a los segundos
medios de procesamiento de datos (10) se realiza a través del bus de
comunicación serie (9).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602395A ES2324568B1 (es) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | "pinza amperimetrica de fugas con medida de armonicos y diagnostico de la causa de la fuga". |
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| ES200602395A ES2324568B1 (es) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | "pinza amperimetrica de fugas con medida de armonicos y diagnostico de la causa de la fuga". |
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|---|---|
| ES2324568A1 true ES2324568A1 (es) | 2009-08-10 |
| ES2324568B1 ES2324568B1 (es) | 2010-05-24 |
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|---|---|
| ES (1) | ES2324568B1 (es) |
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| JPH09257848A (ja) * | 1996-03-25 | 1997-10-03 | Yokogawa Instr Kk | 電路の保守点検装置 |
| US6018700A (en) * | 1998-02-19 | 2000-01-25 | Edel; Thomas G. | Self-powered current monitor |
-
2006
- 2006-09-21 ES ES200602395A patent/ES2324568B1/es not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| [en línea] [recuperado el 15.07.2009]. Recuperado de: EPOQUE Database & JP 09257848 A (YOKOGAWA INSTR KK) 03.10.1997 (resumen; figuras) * |
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| ES2324568B1 (es) | 2010-05-24 |
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