资料采取 DAQ 基础知识-下集

1. 何谓电压、电流、电功率
什么是电力?电力的发生仍因在物质中所储存的电荷发生移动时产生。电压与电流为度量其大小的描述方式。电压代表单位电荷或电场所具有的能势大小，也称作电位差／电动势／电压降等名词，单位为伏特(voltage)。电流则为单位时间内流通的电荷量。而电功率则为电力作功所产出的能量大小，计算式为  P=V*I   (P单位为瓦特watt)
2. 何谓直流电／交流电
直流电(direct current)为电流方向变化不随时间改变的电力输出
反之，交流电(alternating current)则为电流方向与大小变化会随时间而改变的电力输出。

3. 交流电功率
电功率也就是电能计算己在第1节时提到，即 P=V*I 。在直流电回路的情况下非常单纯直接套用计算即可。在此我们将焦点放交流电功率。交流电考虑其不同电路特性会产生电流对电压相位落后或超前之故，分为视在功率 S = V*I 、平均功率 P =  V*I*cos(?)、虚功率 Q =V*I*sin(?)、以及功率因数 PF = P / S = cos(?)

4. 交流电力质量
在交流电力系统中，随着开启使用的电器类型不同，会有电流对电压相位落后或超前的现象，称为领先／滞后功率(Leading / Lagging Power)。观察相位变化适当地在回路投入电感或电容器以修正功率因数，以达成提升用电率效率目的。

再者随着电器的开启与关闭或电网供电状况等情况发生，可能会发生电压骤降 (Sag)、陡升 (Swell)，与中断 (Interruption) 的现象，此状况可由rms电压来观察，计算式Vrms=Vpeak / √2。另外理想交流电源波形应该是纯正的正弦波型，但现实情况是波型中常会带有N次基频的谐波的混合波型。通常发生于电网上有非线性电耗的电器设备象是交换式电源供应器，运作时产生的谐波会污染到所在电网上。或者其它波型缺陷的现象可由电压电流波型经FFT转换为频谱图来观察。

5. 电压/电流的量测方法
1. 电压量测方法
电压讯号是资料撷取作业最基本的量测，然而随着待测讯号的大小／交流或直流，会有数种方式可以使用
1. 直接交连：若待测信号己知大小不会超过撷取卡的量测范围，可以直接输入撷取卡进行量测，交／直流讯号皆可量测
2. 电容交连：当直接交连使用资料撷取卡的输入级电路可能会影响到待测讯号/电路的状态或工作状况时，可以采用电容交连量测来作出隔离避免上述影响，使用电容交连只能量测到交流讯号，无法测得直流讯号
3. 变压器交连：同上情况，除了使用电容器之外也可以使用变压器来达。同样只能测得交流讯号
4. 串联电阻分压：若待测信号己知大小可能超出撷取卡的量测范围，可使用此法。求算己知比例的两个大／小电阻，将其两个电阻串联后再并联于待测电压源两端。再量测小电阻上的电压，再乘上比例即可得知实际电压。直流电/交流电皆可使用，电路上与待测讯号为直接交连的状态。

5. 变压器降压：使用己知比例的变压器连结在待测电压源与撷取卡之间，直接量测变压器上的电压，再乘上比例即可得知实际电压。只能用在交流电，电气上与待测讯号为隔离连结的状态较为安全。
6. 隔离放大器：内部为光偶合器回路达成电气隔离的作用，可先经过电阻分压减压后再透过隔离放大器输入到资料撷取卡，比单纯只有电阻分压直接交连的电路来说更为安全
2. 电流量测方法
由于资料撷取卡接受的讯号为电压而不是电流，因此需要有方法将电流转为电压讯号才能给料撷取卡采样
1. 电阻法：使用一个大小己知的电阻接上待测讯号构成环路。利用欧姆定律 V=I *R，当电流通过时产生一对应大小的电压讯号供量测

2. CT电流变压器：也称比流器，利用电磁感应环路大电流输出为等比小电流，输出端挂上电阻即变换为电压供量测，电气上与待测讯号为隔离连结。

3. 霍尔元件电流传感器：利用霍尔效应所制成的传感器，需要外加电源驱动才能使用，原理是将电流大小产生相对磁场变化，再透过霍尔元件与放大器变换为线性电压输出供量测

6. 6V直流电源系统量测实务
以下就以一个干电池与灯泡构成的电路，并使用NI USB-6351资料撷取卡来做量测实例操作
1. 电路构成
1. 电路图
这是一个干电池与灯泡构成的简单直流回路，我们要使用资料撷取卡来量测点亮灯泡时电池电压与输出电流的变化。由于USB-6351没有直接量测电流的能力，所以在此我们使用一个ACS712的霍尔电流量测模块，来将电流大小转换成电压给资料撷取卡量测。这个模块需要5V电源驱动，我们可从资料撷取卡上的+5V脚位取得电源供应即可使用。而电池电压只有6V左右还在资料撷取卡的量测范围内（+/-10V）所以可以放心直接接入资料撷取卡的输入端。为求简单在此我们采用所谓单端输入型态接线。使用多工扫瞄取样的DAQ卡时，为了避免复数通道间的量测时因多工器切换放电不及发生干涉，在通道数与取样速度许可的情况下，可以考虑在每个量测的通道之间安插一个空的通道
将它接入AIGND 做为放电用来避免干涉。此例的配置为
AI0 : 电流讯号
AI1 : GND放电用
AI2 : 电压讯号
AI3: GND放电用

2. 程序图

如上图所示，这是一个由内建范例修改而来的量测程序。一个资料撷取的基本流程大致如下：建立任务／设定通道参数／设定取样参数／启动量测／取得量测资料后处理与显示（循环）／停止量测／清除任务。之后的范例大都与此例相似。资料处理与显示上我们将取回的量测波型片断一个一个接续起来，以方便看出长时间下的变化，将电流感测模块输出的量测值转换回真实物理量，并对每次量回的波型去计算直流成份大小以显示电压电流的数值并计算其功率输出。详细内容可直接察看范例VI。
3. 实测结果
可以发现在开关开启的时候，电流会瞬间升高然再回稳，另外只安装一个灯或两个灯也可以看出消费电流量的大小不同。经由这样的量测可以观察一个直流电源系统上电流电压与功率输出的变化情况

7. 110V交流市电系统量测实务
以下就以110V市电与帮浦马达构成的电路，并使用NI USB-9215资料撷取卡来做量测实例操作
1. 电路图
这是一个由110V市电供应帮浦马达运转的回路。在这里我们要量测的是110V市电，这个电压大小高出资料撷取卡量测范围很多。9215没有直接可对应高压的讯号调整电路，因此我们设计一个变压器降压的电路让110V下降到1V左右的大小。另外变压器具有电气隔离的作用可提供另一层保护避免市电直接输入不慎损坏资料撷取卡的输入端。电流方面这里使用容量较大的HX-15P霍尔电流传感器。以承载马达启动时产生的大电流输入。另外9215只有差动输入模式因此我们在输入端在线挂了下拉电阻接入到COM端并HX-15P的GND连结。由于这次的量测任务会考虑讯号相位差的问题，而9215 具备同步取样的能力可胜任这样的量测工作，而不必担心用多工扫描取样会发生的取样相位差与输入放电干涉的问题

下图为实体配线的样子

2. 程序图

程序方面与前面直流量测系统的步骤相似。不同的是输入通道的参数改为差动模式，以及为了正确描绘交流讯号的变化，将取样速率提高到了1000S/s。资料处理显示方面也有些不同，为了消除一些高频噪讯使用了软件滤波使波型看来较清晰，同样的要将电压与电流的量测值转换为真实物理量以便计算。另外使用了FRF分析电压电流的相位关系，取得相位差数据以便求算交流电功率的相关数值。接续波型以观察长时间的波型变化。

3. 实测结果
可以看出在马达启动瞬间因为消耗大量电流发生了电压骤降 (Sag)的现象。在启动时可消费到30A以上的电流，到常态运转时为4.6A左右。从测量到的电压电流大小计算视在功率／有效功率和虚功率，相位差及功率因数等相关参数