Utilizzo di un analizzatore di rete vettoriale per risolvere problemi di ascensori difficili

Il dispositivo può aiutare a scoprire incompatibilità nelle apparecchiature degli ascensori che potrebbero causare interruzioni croniche del controller di movimento.

Gli ascensori dell'inizio del XIX secolo, che rendevano fattibili gli edifici a più piani, precorrevano i sistemi di distribuzione elettrica. Questi ascensori erano alimentati a vapore e ampiamente utilizzati negli impianti industriali. Richiedevano ingegneri del vapore, operatori di ascensori e fuochisti di carbone, per non parlare della necessità di pulire e smaltire le ceneri. Il motore a corrente continua nel contesto dell'ascensore a fune è stato un grande miglioramento. Con pochi semplici controlli elettrici, la rotazione del motore poteva essere invertita e la sua velocità regolata, cosa che non era possibile in un motore CA prima dell'introduzione dell'azionamento a frequenza variabile (VFD) negli anni '19.

Gradualmente, per tutto il XX secolo e oltre, i sistemi di ascensori, come le automobili, sono diventati più complessi, con molti miglioramenti che hanno portato a una maggiore sicurezza ed efficienza. Prima vennero i controlli automatici, che sostituirono l'operatore umano dell'ascensore. Quindi, all'inizio degli anni '20, il VFD poteva controllare la velocità, la direzione e la coppia di un motore a induzione CA. Questi motori erano più duraturi, richiedevano meno manutenzione e causavano meno interferenze elettromagnetiche grazie alla loro natura senza spazzole. Nello stesso periodo, il controller di movimento dell'ascensore si è evoluto nella sua forma moderna: un computer digitale completamente programmabile collegato ai sistemi antincendio e antincendio centrali dell'edificio con la capacità (attraverso due linee telefoniche ridondanti di autodiagnosi) di chiamare automaticamente il fuoco più vicino stazione o altra posizione specificata se è stato rilevato fumo nel vano corsa, nella sala macchine o nelle vicinanze.

Se il sistema dell'ascensore rilevasse un problema con la portiera della cabina, o se una delle porte del corridoio non si chiudesse saldamente, l'alimentazione al motore verrebbe interrotta e il freno verrebbe applicato. Tutto ciò ha permesso di aumentare notevolmente la sicurezza e l'affidabilità, supervisionate da un intricato sistema di sensori, controlli e attuatori elettrici. La linea di fondo è che quando qualcosa è andato storto, il controller di movimento computerizzato si è spento. Spesso, il servizio potrebbe essere ripristinato semplicemente resettando il controller, ma questa non è sempre la soluzione preferita, perché lo stesso problema potrebbe ripresentarsi. È meglio scoprire cosa è andato storto prima di ripristinare il controller di movimento, anche se questo non è sempre fattibile. Ad esempio, quando un aereo precipita, la scatola nera può essere distrutta; allo stesso modo, i dati che potrebbero indicare un percorso in avanti potrebbero non sopravvivere all'interruzione del controller di movimento.

Un approccio ragionevole, quindi, prevede, per cominciare, l'esame visivo di cablaggi e componenti. È possibile aprire l'armadio del controller di movimento e verificare la presenza di resistori carbonizzati, condensatori fusi, terminazioni allentate, ecc. A volte, questo isolerà il guasto. Tuttavia, se un componente si è surriscaldato fino al punto di guasto, rimane una domanda: "Il guasto era intrinseco al componente o è stata applicata una tensione o un carico eccessivi a causa di un guasto esterno?" Inoltre, non trascurare le cause esterne come il calore ambientale, le vibrazioni o le richieste eccessive del sistema.

Questo tipo di esame può dare risultati rapidi, ma, più spesso, non porta da nessuna parte ed è necessario un approccio più mirato. L'uso della strumentazione elettronica è generalmente d'obbligo. Questo può variare da una semplice luce di prova al neon o multimetro, oscilloscopio, analizzatore di spettro e oltre, incluso l'analizzatore di rete vettoriale (VNA).

Secondo il sito web di Rohde & Schwarz (rohde-schwarz. com), il VNA è uno degli approcci a radiofrequenza (RF) e microonde più essenziali. L'azienda offre un'ampia gamma di analizzatori di rete versatili e ad alte prestazioni fino a 500 GHz con un massimo di 48 porte. Questi strumenti sono adatti per analizzare componenti passivi e attivi come filtri, amplificatori, mixer e moduli multiporta.

Tektronix TTR500 VNA consente all'utente di effettuare misurazioni di precisione di tutti i sistemi di ascensori, linee di trasmissione e singoli componenti. È progettato per misurare coefficienti di riflessione, impedenza, ammettenza, perdita di ritorno, perdita di inserzione, guadagno o isolamento. Lo strumento è adatto anche per misurazioni di filtri, adattamento e sintonizzazione dell'antenna, misurazioni di amplificatori e misurazioni di cavi e connettori RF, tra molte altre.

Keysight (precedentemente Agilent e, prima ancora, Hewlett-Packard) produce analizzatori di rete fino a 120 GHz, che possono essere estesi a 1.5 THz con estensori di frequenza. Inoltre, offrono un VNA portatile fino a 50 GHz. Il suo VNA integrato più avanzato opera da 10 MHz a 70 GHz (estendibile a 1.5 THz). Incorpora tre sorgenti del servizio di distribuzione dati con basse emissioni spurie e bassissimo rumore di fase. I ponticelli commutabili sul pannello posteriore abilitano l'hardware di condizionamento del segnale o indirizzano apparecchiature di test aggiuntive al dispositivo in prova senza la necessità di spostare i cavi.

L'analizzatore di rete vettoriale è uno strumento costoso, più costoso di un oscilloscopio a memoria digitale di fascia alta o di un analizzatore di spettro. Tuttavia, Picotech offre un VNA basato su PC, che consiste in un modulo robusto che si collega tramite cavo USB al PC dell'utente. Con il software dell'azienda, lo strumento utilizza le prodigiose capacità di elaborazione e visualizzazione del PC per caratterizzare dispositivi, componenti e linee di trasmissione in-circuit. Ciò è utile per scoprire incompatibilità nelle apparecchiature degli ascensori che potrebbero causare interruzioni croniche del controller di movimento.

Calibrazione

La calibrazione del dispositivo differisce dalla calibrazione di fabbrica più completa, eseguita su strumenti sensibili come l'oscilloscopio, l'analizzatore di spettro e il VNA. Le calibrazioni di fabbrica vengono in genere eseguite prima dell'acquisto iniziale e successivamente una volta all'anno o secondo necessità. Consistono nel rimandare lo strumento al produttore, dove i tecnici aprono la custodia e fanno tutto il necessario per certificare che l'apparecchiatura è conforme alle specifiche originali.

La calibrazione del campo VNA, invece, viene eseguita dall'utente prima di ogni nuova serie di misurazioni. Viene eseguito interamente a livello di software senza aprire il contenitore e richiede solo pochi minuti. Viene spesso eseguito più volte al giorno (ogni volta che sono necessarie misurazioni accurate). Il manuale fornisce istruzioni complete.

Dopo aver installato il software su un PC, è necessario completare i collegamenti elettrici. Se sono necessarie misurazioni accurate, sia il PC che il modulo VNA devono essere riscaldati per circa 30 min.

Entrambi i modelli Pico VNA (6 e 8.5 GHz) si collegano tramite cavo USB al PC fornito dall'utente. Per eseguire la calibrazione, i cavi forniti dal produttore vengono fatti passare dalla porta 1 e dalla porta 2 nel modulo al dispositivo in prova. Pico fornisce due tipi di connettori, chiamati "kit", che si collegano ai cavi. Se il dispositivo inseribile in prova ha uno o due connettori maschio, utilizzare un connettore femmina con un kit di calibrazione maschio. Se il dispositivo in prova ha due connettori maschi, utilizzare cavi femmina e kit maschi identici per entrambe le porte.

Quindi, apri il software Pico VNA. Nel menu principale sullo schermo del PC, seleziona "Strumenti e kit di calibrazione". Fare clic su "Kit porta 1", inserire i dati relativi e fare clic su "Applica". Allo stesso modo, fai clic su "Carica kit porta 2", seleziona i dati relativi e fai clic su "Applica". Il passaggio successivo consiste nello scegliere i kit di calibrazione appropriati per il dispositivo in prova. Ad esempio, se si esegue il test di un dispositivo non inseribile con connettori femmina, utilizzare un unico kit femmina per entrambe le porte nel modulo VNA.

La fase successiva della procedura di calibrazione sul campo è l'impostazione dei parametri di calibrazione. Nella finestra principale, fai clic su "Calibrazione". Quindi, eseguire i seguenti passaggi:

1. Imposta i parametri di scansione. È come impostare un analizzatore di spettro.
2. Applicare i valori.
3. Seleziona la misura richiesta.
4. Eseguire i passaggi di calibrazione.
5. Fare clic su Applica calibrazione.

L'impostazione della larghezza di banda utilizzata durante la calibrazione determina in gran parte la gamma dinamica disponibile durante la misurazione. Per la massima velocità, scegli 10 kHz. Imposta la potenza di calibrazione a +0 dBm. Imposta la larghezza di banda a 140 kHz. Per la massima precisione e circa 100 dB nella gamma dinamica, impostare la larghezza di banda di calibrazione su 100 Hz. Impostare la potenza di calibrazione su -3 dBm. Lasciare la larghezza di banda impostata su 100 kHz durante la misurazione.

Per uso generale, velocità elevata, gamma dinamica di circa 90 dB, impostare la larghezza di banda di calibrazione su 1 kHz. Impostare la potenza di calibrazione su 0 dBm. Lasciare la larghezza di banda impostata su 10 Hz durante la misurazione. Per la migliore gamma dinamica, impostare la larghezza di banda di calibrazione su 10 Hz. Imposta la potenza di calibrazione a +6 dBm. Lasciare la larghezza di banda impostata su 10 Hz durante la misurazione.

In tutti i casi, la media di calibrazione deve essere impostata su "Nessuno". Il VNA non si occupa direttamente delle reti di computer. Il termine precede i computer. Lo strumento è stato utilizzato nei laboratori di elettronica avanzata quando i computer erano macchine a tubi sottovuoto che occupavano file di involucri dal pavimento al soffitto. All'epoca per “reti” si intendevano le reti elettriche: generalmente dispositivi, componenti e linee di trasmissione.

Il moderno VNA

Il VNA, come viene utilizzato oggi, è uno strumento generico che caratterizza dispositivi e componenti sia lineari che non lineari, inclusi tipi diversi come filtri, ponti, attenuatori, cavi, guide d'onda, antenne, diodi, ricetrasmettitori, oscillatori, amplificatori e transistor. A differenza di molti strumenti elettronici, il VNA non misura solo i parametri del dispositivo. Fornisce invece un segnale, solitamente ad alta frequenza, tramite un cavo all'ingresso del dispositivo in prova (DUT). Quindi cerca e cronometra qualsiasi riflesso attraverso lo stesso cavo, in modo molto simile a un radar o a un riflettometro nel dominio del tempo. Un riflettometro nel dominio del tempo è uno strumento elettronico utilizzato per determinare le caratteristiche delle linee elettriche osservando le forme d'onda riflesse. Può essere utilizzato per caratterizzare e localizzare guasti in cavi metallici (ad esempio, doppino intrecciato o cavo coassiale) o per individuare discontinuità in un connettore, circuito stampato o qualsiasi altro percorso elettrico.

Il VNA si collega anche all'uscita del DUT e caratterizza ogni risposta che riceve. Inoltre, premendo un interruttore, l'utente può fare in modo che lo strumento applichi lo stimolo all'uscita del DUT, temporizzi e caratterizzi le riflessioni e controlli l'ingresso.

I primi VNA utilizzavano uno o più AFG esterni separati, ma la crescente miniaturizzazione ha consentito ai produttori di includere tutto in un unico contenitore. Soprattutto, il VNA esegue misurazioni estremamente accurate dei rapporti tra segnale riflesso e segnale totale e segnale trasmesso rispetto al totale.

Esistono due tipi distinti di analizzatori di rete. L'analizzatore di rete scalare (SNA) misura e caratterizza solo l'ampiezza, mentre il VNA misura e caratterizza l'ampiezza e la fase. Attualmente, i VNA sono molto più comuni degli SNA, perché, nell'elettronica ad alta frequenza di oggi, è più probabile che si verifichi uno sfasamento. Può essere intenzionale (implementato per raggiungere uno scopo definito) o non intenzionale e richiedere una mitigazione. In entrambi i casi, l'idea è quella di rilevare, misurare e categorizzare con precisione lo sfasamento.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 108 di questo fascicolo.

• Come sono collegati Pico VNA e PC?
• Quali dispositivi può caratterizzare il VNA?
• In che modo il VNA fornisce i segnali al DUT?
• Qual è la differenza tra un VNA e un SNA?
• Come possono essere mappati i componenti VNA senza un diagramma schematico?

L'alta frequenza (al di sopra dei 60 Hz forniti dall'utenza) e lo sfasamento giocano un ruolo nell'elettronica degli ascensori in due modi importanti per il tecnico di riparazione e il progettista. Questi hanno a che fare con quanto segue:

• Il circuito di controllo per un motore di azionamento dell'ascensore CA alimentato da un VFD
• L'onnipresente Controller Area Network (CAN bus).

Il VFD è un dispositivo separato che, in risposta ai comandi di un controller di movimento dell'ascensore, consente a un motore a induzione trifase standard di funzionare a una velocità superiore o inferiore a quella nominale e di invertire la direzione. Varia anche la coppia del motore e riporta lo stato operativo, inclusa la temperatura e altri parametri, al controller di movimento. Tutto ciò avviene tramite un singolo circuito Ethernet o altro circuito a bassa tensione distinto dalla linea di alimentazione principale. Questa linea di controllo va dal controller di movimento al VFD, che è un'unità autonoma che può o meno essere situata all'interno dell'armadio del controller di movimento. Se non è disponibile uno schema elettrico, si può iniziare a mappare le parti dei componenti seguendo le linee di alimentazione pesanti dal sezionatore nella sala macchine, attraverso il VFD e il motore di azionamento trifase.

A differenza di molti strumenti elettronici, il VNA non misura solo i parametri del dispositivo. Fornisce invece un segnale, solitamente ad alta frequenza, tramite un cavo all'ingresso del dispositivo in prova.

Il CAN bus è un bus seriale di cui si è parlato nel precedente articolo del tuo autore "CAN Bus for Elevators" (ELEVATOR WORLD, giugno 2017). È stato sviluppato a partire dal 1983 da Bosch, un grande produttore internazionale di sistemi e componenti elettronici, e originariamente destinato ad applicazioni automobilistiche, ma in seguito alla sua implementazione nella Mercedes-Benz W1991 del 140, è stato ampiamente utilizzato in camion, attrezzature edili, aeromobili, navi e ascensori. La trasmissione seriale dei dati tramite CAN bus è altamente affidabile, conveniente e tollerante al rumore elettrico proveniente da fonti esterne. Nella più recente tecnologia degli ascensori, il CAN bus consente la comunicazione seriale tra i numerosi sensori distribuiti in un'installazione di ascensore, terminando al controller di movimento.

Tutti i sensori e gli attuatori, noti come nodi, sono collegati al controller di movimento mediante conduttori a doppino intrecciato con impedenza caratteristica di 120 ohm. I segnali CAN high e CAN low sono portati a uno stato dominante o tirati da resistori a uno stato recessivo. Lo stato dominante è codificato dalla logica 0 e lo stato recessivo dalla logica 1. I nodi con numeri identificativi (ID) inferiori hanno priorità sul bus.

Alle basse frequenze, la lunghezza d'onda del segnale convogliato attraverso i conduttori è invariabilmente molto maggiore della lunghezza del circuito. Pertanto, i conduttori convenzionali in rame o alluminio sono adeguati per trasportare l'energia. Il filo è dimensionato per avere una portata sufficiente in modo che la corrente e la tensione non varino tra trasmettitore e ricevitore.

Alle alte frequenze, le lunghezze d'onda del segnale sono uguali o inferiori alla lunghezza del conduttore. In questa situazione i conduttori non sono più una coppia di fili; invece, diventano una linea di trasmissione. Il materiale che separa i fili non è semplicemente un isolamento elettrico, ma uno strato dielettrico, come in un condensatore. Piuttosto che un flusso di elettroni, il segnale di interesse ora consiste in una successione di onde che viaggiano. Ciò richiede una strumentazione di misura completamente diversa.

Alle alte frequenze, la caratterizzazione delle reti che includono dispositivi, componenti e linee di trasmissione richiede la misurazione di fase e magnitudo. La misurazione dell'ampiezza, eseguita da un SNA, non è adeguata.

La distorsione di fase visualizzata nel VNA rivela il ritardo di gruppo, una misura del tempo di transito di un segnale attraverso il DUT, giustapposto rispetto alla frequenza. Si calcola confrontando la fase del segnale in ingresso con quella in uscita. Qualsiasi variazione nel ritardo di gruppo dà luogo a distorsione ed è probabile che si manifesti come scarse prestazioni di un determinato componente o circuito. La deviazione dalla fase lineare e il ritardo di gruppo vengono misurati e visualizzati nell'analisi VNA. Il ritardo di gruppo è un modo semplice per rilevare la presenza e quantificare la distorsione di fase.

Un'importante capacità del VNA è quella di caratterizzare le reti ad alta frequenza. Le semplici misurazioni di tensione e corrente alle porte del dispositivo non sono sufficienti. Ciò è dovuto all'impedenza della sonda, tra le altre ragioni. Inoltre, i dispositivi attivi possono oscillare o essere distrutti quando vengono collegati cortocircuiti e aperture.

Una soluzione è stata trovata nello sviluppo dei parametri di scattering (parametri S). Questo si riferisce a guadagno, perdita e riflessione presenti nelle onde che viaggiano. Questi possono essere facilmente misurati. Non è necessario compromettere un DUT attivo esponendolo a un carico dannoso. Inoltre, i parametri S di più dispositivi possono essere testati in cascata. Se lo si desidera, altri parametri possono essere derivati ​​dai parametri S. Questi includono:

• Parametri di ammissione (parametri Y) per reti elettriche lineari
• Parametri ibridi (parametri h) per l'uso con un amplificatore di corrente
• Parametri di impedenza (parametri Z) per descrivere il comportamento elettrico delle reti elettriche lineari

Il VNA utilizza quattro sezioni per misurare i segnali incidenti, riflessi e trasmessi. Sono the source per stimoli, dispositivi di separazione del segnale, ricevitori che convertono e rilevano i segnali e processore e display per interpretare l'output.

The source fornisce lo stimolo per il sistema in prova. Questo spesso consiste in una frequenza spazzata. I moderni VNA hanno sorgenti interne sintetizzate all'interno dello strumento. La separazione del segnale viene eseguita nel set di prova. Questo blocco svolge due funzioni:

1. Misurare parte del segnale incidente per riferimento
2. Separazione delle onde incidenti e riflesse all'ingresso del DUT

Il blocco di rilevamento del segnale può essere costituito da un rilevatore a diodi che converte il livello del segnale RF in un livello CC proporzionale. I rilevatori di diodi, più economici dei ricevitori sintonizzati, forniscono una risposta a banda larga. La loro risposta a banda larga, tuttavia, limita la sensibilità e li rende inclini a segnali spuri, comprese le armoniche. Misurazioni più accurate si ottengono con il rilevamento della corrente alternata.

I ricevitori sintonizzati utilizzano la tecnologia eterodina, mescolando la RF fino a una frequenza intermedia (IF) più intuitiva. L'oscillatore locale è agganciato al segnale RF o IF in modo che i ricevitori siano costantemente sintonizzati sul segnale RF. La conversione da analogico a digitale e l'elaborazione digitale estraggono informazioni su ampiezza e fase dal segnale IF.

La sezione display-processore del VNA è dove i dati di riflessione e trasmissione vengono presentati all'utente. Le caratteristiche importanti sono i marcatori; linee limite; indicatori pass/fail; formati lineari e log; e carte a griglia, polari e di Smith. La maggior parte di questo è auto-esplicativo, ma discuteremo della carta di Smith ampiamente utilizzata, che occupa un posto di rilievo nel display VNA. Il diagramma di Smith è un calcolatore grafico polare che consente agli ingegneri RF di risolvere problemi relativi alla linea di trasmissione e al circuito di abbinamento.

Il grafico, ideato da Phillip H. Smith (1905-1987) e T. Mizuhashi, viene utilizzato per visualizzare parametri elettronici come impedenze, ammettenze, coefficienti di riflessione, parametri S, cerchi di figure di rumore, contorni a guadagno costante e regioni di stabilità incondizionata . Oggi i metodi basati su software hanno sostituito in larga misura la carta fisica, ma essa appare ancora sul display del VNA ed è utile per organizzare le informazioni fornite dallo strumento. I coefficienti di riflessione possono essere letti direttamente dal grafico.

Intorno alla sua circonferenza c'è una scala graduata in lunghezze d'onda e gradi. Rappresenta la distanza lungo una linea di trasmissione tra sorgente e carico. Il grafico di Smith utilizza la formula del coefficiente di riflessione standard per sviluppare equazioni per cerchi con vari raggi. Il grafico di Smith è una serie di cerchi, ciascuno situato in un punto diverso rispetto al grafico e ciascuno rappresenta una resistenza costante o una reattanza costante, i parametri che comprendono l'impedenza costante.