This article proposes a concept of new method for supporting the identification of solids and their thermal parameters. This concept is based on the idea of implementation of metrological methods and solutions known from hot-wire anemometry in applications for supporting the thermal identification of solids. The idea of the method is based on the fact that measuring head of the probe, comprising a resistance – temperature transducer heated by electric current, is continuously maintained in a stable thermal contact with the tested material, while the temperature of the resistance – temperature transducer is controlled by the constant – temperature controlled system. The characteristic parameters of the head – material system are determined based on measurement of the flux of heat transferred from the head in its various states of heating. These parameters are compared to parameters obtained for different materials used as standards during the system calibration process, which allows for a measured parameters to be correlated with calibration ones, classifying ultimately the tested material into specific class of materials. Selected methods of artificial intelligence can be applied here. In complex solutions it is possible to use measuring heads comprising higher number of resistance – temperature transducers, both passive and active ones, an array of measuring heads, complex algorithms of thermal excitations and interpretation of measured signals or the analysis of thermal waves propagation in a tested material.
PL
Autor pracy proponuje nową koncepcję metody wspomagania identyfikacji ciał stałych oraz ich parametrów cieplnych. Koncepcja ta oparta jest o ideę implementacji metod i rozwiązań metrologicznych znanych z termoanemometrii w zastosowaniach do wspomagania identyfikacji termicznej ciał stałych. Podstawowa idea proponowanej metody pomiarowej polega na tym, że głowica pomiarowa zawierająca nagrzewany prądem elektrycznym rezystancyjny przetwornik temperatury utrzymywana jest w stabilnym kontakcie termicznym z badaną substancją, a poziom temperatury rezystancyjnego przetwornika temperatury zadawany jest poprzez sterowany układ stałotemperaturowy. Na podstawie pomiaru strumienia ciepła odbieranego z głowicy w różnych stanach nagrzania wyznaczane są parametry charakterystyczne układu głowica – substancja. Parametry te porównywane są z parametrami uzyskanymi dla różnych substancji w procesie wzorcowania układu, co pozwala na określenie korelacji parametrów wzorcowych i mierzonych, a tym samym na zaklasyfikowanie badanej substancji do danej klasy materiałów. Korzystne może tu być zastosowanie metod sztucznej inteligencji. W rozbudowanych rozwiązaniach możliwe jest zastosowanie w głowicy większej ilości rezystancyjnych przetworników temperatury, zarówno pasywnych jak i aktywnych, stosowanie matrycy głowic, zastosowanie złożonych algorytmów wymuszeń termicznych i interpretacji sygnałów mierzonych, jak również badanie propagacji fal termicznych w badanej substancji.
2
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiona koncepcja nowej metody badawczej dotyczy opracowania struktur systemów i algorytmów pomiarowych termicznej metody wspomagania identyfikacji ciał stałych oraz ich parametrów cieplnych. Generalnie proces identyfikacji substancji polega na pomiarze i interpretacji wybranych, mierzalnych parametrów fizycznych, przy czym może to być proces pasywny, lub aktywny – związany z zastosowaniem sztucznie wprowadzonych oddziaływań zewnętrznych. Znaczna grupa z dotychczas stosowanych metod wymaga pobrania próbki substancji do wyznaczenia jej parametrów i identyfi kacji. Ponadto w celu prawidłowej identyfikacji substancji korzystne jest zastosowanie kilku uzupełniających się metod. Autor proponuje nową koncepcję metody wspomagania identyfikacji ciał stałych oraz ich parametrów cieplnych. Idea proponowanej metody pomiarowej polega na tym, że głowica pomiarowa zawierająca nagrzewany prądem elektrycznym rezystancyjny przetwornik temperatury utrzymywana jest w stabilnym kontakcie termicznym z badaną substancją, a poziom temperatury rezystancyjnego przetwornika temperatury zadawany jest poprzez sterowany układ stałotemperaturowy. Na podstawie pomiaru strumienia ciepła odbieranego z głowicy w różnych stanach nagrzania wyznaczane są parametry charakterystyczne układu głowica – substancja. Parametry te porównywane są z parametrami uzyskanymi dla różnych substancji w procesie wzorcowania układu, co pozwala na określenie korelacji parametrów wzorcowych i mierzonych, a tym samym na zaklasyfikowanie badanej substancji do danej klasy materiałów.
EN
The presented idea of new method concerns the development of structures of systems and measurement algorithms of new thermal method for supporting the identification of solids and their thermal parameters. In general, the research process of identification of materials is based on measurement and interpretation of selected measurable physical parameters. This process can either be passive or an active one, associated with employment of artificially introduced external influences. A large group of the methods of identification require a sample of the substance to be collected in order to determine its parameters and perform the identification. Finally, in order to correctly identify the substances it is preferable to use several mutually complementary methods. The authors of this project propose a concept of new method for supporting the identification of solids and their thermal parameters. The idea of the method is based on the fact that measuring head of the probe, comprising a resistance temperature converter heated by electric current, is continuously maintained in a stable thermal contact with the tested substance, while the temperature of the resistance temperature converter is controlled by the constant-current/temperature controlled system. The parameters characteristic of the head – substance system are determined based on measurement of the flux of heat transferred from the head in its various states of heating. These parameters are compared to parameters obtained for different substances used as standards during the system calibration process, which allows for a measured parameters to be correlated with calibration ones, classifying ultimately the tested substance into specific class of materials.
W artykule przedstawiono ocenę niepewności aparaturowej pomiaru modułu i kąta fazowego impedancji za pomocą algorytmu dopasowania do sinusoidy oraz dwóch wersji algorytmu dopasowania do elipsy - klasycznej i zmodyfikowanej o algorytm analizy składowych głównych. Metodą Monte Carlo wyznaczono budżety niepewności dla badanych algorytmów oraz macierze niepewności. Wykazano, że podstawowym źródłem niepewności aparaturowej jest błąd wzmocnienia - dla modułu impedancji i szum wejściowy - dla kąta fazowego.
EN
An estimation of the instrument uncertainty of magnitude and phase angle measurement of impedance by using sine fitting algorithm, and the two versions of ellipse-fitting algorithm – the classical and the modified by algorithm of principal component analysis (PCA) is presented in the paper. In the sine fitting algorithm, based on LMS method, the values of orthogonal components of voltage and current (3) are used to calculate the impedance components |Z| and , from Eq. (4). In the classical ellipse fitting algorithm, based on the determined value of the parameter vector a (Eq. (6)), the impedance components are calculated from Eq. (7). In the modified ellipse fitting algorithm, the measuring system is supplemented by an additional acquisition channel of the generator signal. The classical ellipse fitting algorithm is then preceded by a fitting to the plane algorithm, using the method of principal components analysis [7]. Histograms in Figs. 1 and 2 show relative measurement errors impedance components obtained by the Monte Carlo method. Uncertainty budgets were determined for the tested algorithms as well as the uncertainty matrices. In the Tabs. 2 and 3 are shown the contributions to the standard uncertainty of the various uncertainty sources. It has been shown that the basic source of the uncertainty is the gain error - for the magnitude of impedance, and the input noise - for the phase angle. Components values of the combined standard uncertainty of impedance values estimation and the shape of probability distribution depend on the form of a processing algorithm.
Przedstawiono opis metod pomiaru przesunięcia fazowego i analizę ich efektywności pod kątem niepewności pomiaru.
EN
The paper presents a description of methods used for measurement of phase shift. Analysis of their effectiveness pays special attention to measurement uncertainty.
W pracy przedstawiono dwa sposoby realizacji bezstykowych pomiarów konduktywności elektrycznej materiałów z wykorzystaniem przetwornika indukcyjnościowego o strukturze jednocewkowej. Pierwszy sposób oparty jest na metodzie algorytmicznej pomiaru impedancji, w drugim natomiast impedancja określana jest za pomocą cyfrowego sytemu pomiarowego opartego na porównaniu napięć.
EN
In this paper two ways of implementing contactless measurements of electrical conductivity of materials with use of an inductive sensor of one-coil structure are presented. The first method is based on algorithmic approach to the impedance measurement, while in the second method the impedance is determined in a measurement system by comparing the voltages. The starting point for determining the conductivity value from formula (2) is determination of the parameter δ value based on the conversion characteristic (Fig. 1) and calculation of the absolute value of the impedance ratio (1). There are presented some algorithms based on the digital signal processing for evaluation of the impedance components in a measurement circuit with a two-channel acquisition card. The two methods adapt algorithms fit to a sine or fit to ellipse. The third one uses the algorithm of a digital lock-in amplifier to determine the impedance components. Furthermore, a system for measuring the impedance components in a one coil transducer based on a technical method - the method of three voltmeters is presented (Fig. 2).
W artykule przedstawiono algorytm do estymacji składowych impedancji, wyznaczonych na podstawie spróbkowanych wartości napięć związanych z tą impedancją oraz napięcia generatora zasilającego układ pomiarowy. W celu wykorzystania algorytmu dopasowania do elipsy, do zredukowania wymiaru macierzy danych wejściowych, zastosowano analizę głównych składowych. Uzyskane wyniki porównano z algorytmem dopasowania do elipsy dla danych pierwotnych, nie uwzględniających ograniczenia wynikającego z pomiaru napięcia generatora.
EN
The paper presents an algorithm for estimating impedance components that were determined on the basis of sampled voltages associated with this impedance as well as a voltage of the signal generator feeding the measuring system. Since all signal processing circuit elements introduce errors, a set of N points described by equations (5) does not lie on the plane but it creates a cloud in the 3-D space. To determine the parameters of the plane (5b) on which the measurement results should be located, the principal component analysis can be used [10]. In this method the data dimension is reduced by searching for a plane which maximizes the variance of the data collected in X. For sequences of the sampled signal values, the covariance matrix of a sample (6) can be calculated. Then there are determined eigenvalues λ and eigenvectors aj of the covariance matrix C. A base of the plane which is the best 2-D approximation of the data contained in X is defined by the eigenvectors a1 and a22. For the determined base of the plane, the data can be transformed to the coordinate system defined by the vectors a1 and a2 (8). The adjusted coordinate values of points in the coordinate system Oxyz, are obtained after transformation (9). The first two columns of this matrix are the input data for the ellipse-fit algorithm. The results obtained with use of the principal component analysis were compared with those from the ellipse-fit algorithm for raw data, without taking into account constraints of the generator voltage measurement. Properties of the proposed algorithm and particularly the influence of incoherent sampling were examined with the Monte Carlo method. The influence of incoherent sampling on the random characteristics of the relative measurement error of impedance components is shown in Fig. 3 in the form of histograms of error values of the module δ|Z| and the phase angle δφ of the impedance Z.
Przedstawiono nowoczesne algorytmy cyfrowej zmiany szybkości próbkowania w dziedzinie cyfrowej wykorzystywane do celów zabezpieczeniowych oraz wyznaczania mierników jakości energii elektrycznej.
EN
The paper presents modern algorithms of sampling rate changing, used for protection purposes and determination of criteria of electric energy quality.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Założenia wstępne formułujące ideę nieinwazyjnego algorytmu przerywanego przepływu powietrza, dedykowanego do pomiaru mechaniki oddychania, prowadzą do istotnych przeszacowań indeksu diagnostycznego (Rint) w bazowej wersji metody. Zasadniczym źródłem ograniczenia są prosta (jednoelementowa) fizyko-matematyczna reprezentacja systemu oraz stosowany algorytm (ekstrapolacji wstecznej) przetwarzania danych eksperymentalnych. W artykule, najpierw w sposób analityczny a następnie w drodze symulacji komputerowych, wykazano możliwość separacji składowych odpowiedzi z tkanek płuc i dróg oddechowych. Ponadto, w sposób ilościowy pokazano udział oporu klatki piersiowej w całkowitej odpowiedzi systemu na quasi-skokowe pobudzenie zaworem przerwaniowym. Uzyskane wyniki są elementem pośredniczącym w przejściu pomiędzy klasyczną i wzbogaconą wersją algorytmu okluzyjnego.
EN
Preliminary assumptions postulated for the idea of the airflow interrupter technique, dedicated for respiratory mechanics measurement, lead to significant overestimation of the diagnostic index (Rjnt) in a basal version of the method. Essential sources of that limitation are simple (one-element) physical-mathematical representation of the system and the back-extrapolative algorithm used for experimental data processing. Analytic considerations have been firstly provided in the paper and next the possibility to separate airway and tissue component in the pressure-flow outpul has been shown during airflow interruption using computer simulation. Moreover, quantitative assessment of thoracic loading in the resistive response of the system on quasi-step excitation by valve closing has been documented. Results can be perceived as a linkage between the classical and enhanced version of the occlusional algorithm.
W artykule przedstawiono porównawczą ocenę niepewności pomiaru impedancji, wyznaczonej za pomocą algorytmu dopasowania do elipsy oraz algorytmu DFT z oknem Hanninga. Wykorzystując metodę Monte Carlo, przeanalizowano wpływ niekoherentnego próbkowania na rozkład prawdopodobieństwa błędu składowych impedancji w układzie współrzędnych biegunowych.
EN
In this paper there is presented comparative evaluation of the result uncertainty of impedance component measurement with use of the ellipse-fitting algorithm and DFT algorithm with Hanning's window under the non-coherent sampling conditions. Impedance compo-nents in both cases are determined on the grounds of pairs of signal samples collected simultaneously, in accordance with the model described by equation (1). After elimination of time, it can be presented as conic curve equation (2). Under asynchronous sampling conditions, the dependence between sampling period Ts and unknown signal period T can be described as (5), in which is a window desinchronisation factor. Then, in order to decrease the influence of the spectral leakage effect, time window w(n) should be used and the values of complex spectrum components should be determined from equation (7), while the unknown impedance components from equation (4). The ellipse-fitting algorithm determines the values of ellipse equation coefficients (8) with use of the least squares method, calculating the eigenvector a corresponding to the least positive eigenvalue . On the basis of the known values of vector a elements, the impedance component values are calculated from equation (12). Characteristics of the compared algorithms have been examined with use of the Monte Carlo method, analysing the influence of non-coherent sampling on the probability distribution of the impedance component error, for two impedances Z1 and Z2 with different values of phase angle. The results of this experiment in the form of bivariate histograms of the resultant relative measurement error of impedance components ?|Z| and ? are presented in Figs. 2-4. The influence of the desinchronisation factor value on random characteristics of the impedance relative measurement error in the form of empirical distribution curves are shown in Figs. 5 and 6.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule przedstawione zostaną wybrane zagadnienia związane z oceną dokładności przetwarzania sygnałów przez elementy i układy toru DSP zabezpieczeń cyfrowych. W pierwszej części zaprezentowane zostaną przykładowe wyniki badań dokładności elementów separująco-dopasowujących. Druga część obejmuje opis metrologiczny oceny błędów przetwarzania.
EN
The paper discuses issues concerning the quality of the digital signal processing in the power system protection devices. Selected results of tests of the isolating-conditioning elements in the processing path will be presented in the first part. The second one presents metrological description of the measurement errors.
W artykule przedstawiono algorytm estymacji składowych impedancji na podstawie trzech spróbkowanych wartości napięcia i prądu związanych z mierzoną impedancją. Do realizacji algorytmu zaproponowano wykorzystanie iloczynu skalarnego wektorów. Algorytm uzupełniono o procedurę eliminacji wpływu składowej stałej oraz trzeciej harmonicznej na wynik estymacji. Właściwości zaproponowanego algorytmu, a w szczególności wpływ niekoherentnego próbkowania oraz rozdzielczości przetworników a/c, zbadano metodą Monte Carlo.
EN
In the paper a simple algorithm for impedance component estimation on the basis of three successive signal samples connected with the measured impedance measured at 1/3 period interval of the given sinusoidal signal is presented. To realise this algorithm, use of scalar product of vectors (7) is proposed. In order to eliminate the influence of errors related to the dc offset in data acquisition systems and the third harmonic, the obtained algorithms were properly modified, and finally presented as (12). The proposed algorithm properties and, particularly, the influence of incoherent sampling and A/D converter resolution were examined with use of the Monte Carlo method. Simulations were carried out for two impedances Z1 and Z2 of different phase angle values. The influence of the A/D converter resolution equal to 8, 12 and 16 bits was examined. It was assumed that the instant when the sampling of the input waveforms begins varies randomly in the range from 0 to T, and the desinchronisation factor value - in the limited range to š1% of the full range. The experiment results experiment in the form of bivariate histograms of the resultant absolute measurement error of impedance components ?R and ?X, for 12-bit A/D converters are shown in Figs. 1 and 2, for impedance Z1 and Z2 respectively. The influence of the A/D converter resolution on the random characteristics of the absolute measurement error of the impedance components is shown in Figs. 4-6, in the form of histograms and empirical cumulative distribution curves.
Przedstawiono sposoby stałej kontroli izolacji w sieciach napięcia gwarantowanego, z użyciem izometrów wykorzystujących adaptacyjne algorytmy pomiaru rezystancji izolacji do lokalizacji doziemień.
EN
The paper presents methods for permanent control of insulation in guaranteed voltage networks that use isometers with adaptive algorithms for measurement of insulation resistance to locate earth faults.
W artykule przedstawiono ocenę niepewności pomiaru impedancji, wyznaczonej w układzie pomiarowym z dwukanałowym przetwornikiem próbkującym. Wykorzystując metodę Monte Carlo, przeanalizowano wpływ błędu dynamicznego oraz błędu kwantowania na rozkład prawdopodobieństwa błędu składowych impedancji. Porównano propagację tych błędów dla trzech algorytmów wykorzystujących ciągi próbek napięcia i prądu, pobranych w czasie trwania okna pomiarowego równego okresowi napięcia wymuszającego. Na podstawie otrzymanego rozkładu prawdopodobieństwa wyznaczono wartość rozszerzonej niepewności pomiaru składowych impedancji.
EN
The article presents estimation of the impedance measurement uncertainty determined in the measurement circuit with two-channel sampling sensor. Using Monte Carlo method, influence of dynamic error and quantisation error on the probability distribution of impedance components error has been analysed. Comparison has been made of these errors propagation for three algorithms using sequences of voltage and current samples taken during the measurement window equal to the period of sinusoidal forcing voltage. On the basis of the obtained probability distribution, the value of the expanded uncertainty of impedance components has been determined.
14
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The article presents an estimation of the impedance measurement uncertainty determined in the measurement circuit with a two-channel sampling transducer. Using the Monte Carlo method, the influence of dynamic error and quantization error on the probability distribution of the impedance components error has been analysed. Comparison of these errors propagation has been made for three structures of conditioning circuits of voltage and current signals on measured impedance. On the basis of the obtained probability distribution, the value of the expanded uncertainty of impedance components has been determined.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule zostaną zaprezentowane algorytmy pomiaru składowej podstawowej napięć i prądów umożliwiające prawidłową pracę cyfrowych układów automatyki zabezpieczeniowej w przypadku, gdy sygnały napływające z obiektu są silnie zakłócone a ich częstotliwość może ulegać zmianie w szerokim zakresie.
EN
In the paper the measurement algorithms of the first current and voltage component will be presented. This gives the ability of proper digital protection devices functioning when there is a possibility of strong distorted signals flowing from the protected object, and its frequency can change in the wide range.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.