AC áramfelügyeleti adatgyűjtő: 9 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Sziasztok, üdvözlöm az első tanításomban! Nappal tesztmérnök vagyok egy ipari fűtőberendezéseket szállító cégnél, éjjel lelkes technológiai hobbi és barkácsoló vagyok. Munkám egy része a fűtőberendezések teljesítményének tesztelését foglalja magában, ebből az alkalomból szerettem volna, ha képes vagyok nyomon követni 8 eszköz RMS áramfelvételét 1000 óra alatt, és naplózni az adatokat, hogy később grafikussá tegyem az eredményeket. Hozzáférésem van egy adatgyűjtőhöz, de az már elkötelezett egy másik projekt mellett, és szükségem volt valami olcsóra, ezért úgy döntöttem, hogy összerakom ezt az alapvető adatgyűjtőt.

A projekt egy Arduino Uno -t használ az analóg érzékelők olvasására analóg -digitális átalakítón (ADC) keresztül, és az adatokat időbélyeggel rögzíti az SD -kártyára. Sok elmélet és számítás vesz részt az áramkörök tervezésében, ezért ahelyett, hogy teljesen mindent elmagyaráznék, csak megmutatom, hogyan kell elkészíteni. Ha érdekli a TELJES találat megtekintése, akkor jelezze nekem megjegyzésekben, és elmagyarázom tovább.

JEGYZET:

Sok kérdésem volt a True RMS számításokkal kapcsolatban. Ez az eszköz félhullámú egyenirányítót használ a hullám csúcsának rögzítésére, amelyet ezután 0,707 -gyel megszorozva RMS -t kaphatunk. Következésképpen csak lineáris terhelések esetén ad pontos eredményt (azaz a mért áram tiszta szinuszhullám). Azok a nemlineáris kellékek vagy terhelések, amelyek háromszög, téglalap vagy bármely más, nem szinuszos hullámformát adnak, nem adnak valódi RMS-számítást. Ez a készülék csak váltakozó áramot méri, nem feszültségmérésre tervezték, következésképpen nem számítja ki vagy méri a teljesítménytényezőt. Kérjük, tekintse meg a másik utasításomat arról, hogyan lehet létrehozni egy teljesítménytényező -mérőt, amely erre használható. Sokan azt is mondták, hogy jobb a 2,5 V -os középvonalú egyenes váltakozó áramú csatolás, ez azonban komplikációkat okoz, mivel magában foglalja a kellően gyors digitális mintavételi gyakoriságot, a robusztus átlagolást/adatok simítását stb., És az ezzel járó bizonytalanság sokkal nagyobb, mint a mérés a nyers érték. Személy szerint én a hardveres megoldásokat és az egyszerűbb kódot részesítem előnyben, ahol lehetséges, így nem érdekel ez a módszer. Pontossággal bízom benne, hogy ez sokkal jobb, mint az utóbbi, és később az eredményeimben látni fogja, hogy a kalibrálás után 1,0 -hez közeli regressziós együttható van.

1. lépés: Áramátalakítók

Ez a projekt HMCT103C 5A/5MA áramváltót használ. 1: 1000 fordulatszámú, ami azt jelenti, hogy minden 5A áramon átáramlik a vezető, 5mA áramlik át a CT -n. Egy ellenállást kell csatlakoztatni a CT két kivezetésére, hogy feszültséget lehessen mérni rajta. Ebből az alkalomból 220 ohmos ellenállást használtam, ezért az Ohm törvény V = IR alapján a CT kimenete 1,1 volt AC lesz, minden 5 mA CT áramra (vagy minden 5A mért áramra). A CT -ket az ellenállással és némi műszervezetékkel forrasztották le a táblára, hogy repülő vezetékeket készítsenek. A vezetékeket 3,5 mm -es férfi audio jack dugókkal szüntettem meg.

Itt található az áramváltó adatlapja

Adatlap

2. lépés: A jel kondicionálása

A CT jele gyenge lesz, ezért erősíteni kell. Ehhez forrasztottam össze egy egyszerű erősítő áramkört egy uA741 dual rail op erősítő segítségével. Ebben az esetben tehát a nyereség 150 -re van állítva az Rf / Rin (150k / 1k) képlet segítségével. Azonban az erősítő kimeneti jele továbbra is váltakozó áramú, az op-erősítő kimenetén lévő dióda lekapcsolja az AC negatív félciklusát, és átadja a pozitív feszültséget egy 0,1uF kondenzátornak, hogy a hullámot hullámzó egyenáramú jellé simítsa. Az alábbiakban az áramkört alkotó részek találhatók:

• V1-Ez a diagram tetszőleges, egyszerűen azt a jelfeszültséget jelöli, amelyet az op-erősítő nem invertáló bemenetébe táplálnak.
• R1 - Ezt visszacsatoló ellenállásnak (Rf) nevezik, és 150k -ra van állítva
• R2 - Ezt bemeneti ellenállásnak (Rin) nevezik, és 1k -ra van állítva
• 741 - Ez az uA741 integrált áramkör
• VCC - Pozitív tápegység +12V
• VEE - Negatív tápegység -12V
• D1 - A haf hullám egyenirányító jel diódája 1N4001
• C3 - Ez a kondenzátor egy ideig tartja az egyenáramú jelet

A 2. képen látható, hogy Veroboard és ónozott rézhuzal segítségével szerelték össze. Négy lyukat fúrtak a NYÁK -állványokhoz, hogy egymásra lehessen rakni őket (mivel nyolc csatorna van, összesen nyolc erősítő áramkörre van szükség.

3. lépés: Tápegység

Ha nem szeretné a nulláról elkészíteni, akkor megvásárolhatja a táblát előre összeszerelve Kínából, mint a fenti képen, de akkor is szüksége lesz a 3VA transzformátorra (lépjen le 240V-ról 12V-ra). A képen látható ára körülbelül 2,50 font

A projekt áramellátása érdekében úgy döntöttem, hogy saját kettős sínű 12VDC tápegységet készítek. Ez kényelmes volt, mivel az op -erősítők +12V, 0V, -12V feszültséget igényelnek, és az Arduino Uno bármilyen 14 VDC tápfeszültséget képes fogadni. Az alábbiakban az áramkört alkotó részek találhatók:

• V1 - Ez a tápellátást jelenti a 240V 50Hz hálózati aljzatból
• T1 - Ez egy kicsi 3VA transzformátor, amiről hazudtam. Fontos, hogy a transzformátornak legyen egy központi csapja a másodlagoson, amely 0 V -ra, azaz földre lesz csatlakoztatva
• D1 - D4 - Ez egy teljes hullámú híd egyenirányító 1N4007 diódákkal
• C1 és C2 - 35V elektrolit kondenzátorok 2200uF (35V -nak kell lennie, mivel a pozitív és negatív közötti potenciál eléri a 30V -ot)
• Az U2 - LM7812 egy 12 V -os pozitív feszültségszabályozó
• Az U3 - LM7912 egy 12 V -os negatív feszültségszabályozó (ügyeljen a 78xx és 79xx IC tűk közötti különbségekre!)
• C3 és C4 - 100nF Kiegyenlítő kondenzátorok 25V elektrolitikus
• C5 és C6 - 10uF kerámia tárcsás kondenzátorok

Az alkatrészeket szalaglapra forrasztottam, és a függőleges sínekhez csupasz egymagos ónozott rézhuzallal csatlakoztattam. A fenti 3. képen a DIY tápegységem látható, sajnálom, hogy sok jumper van a fotón!

4. lépés: analóg -digitális konverterek

Az Arduino Uno már rendelkezik beépített 10 bites ADC-vel, azonban csak 6 analóg bemenet van. Ezért úgy döntöttem, hogy két ADC kitörést használok az ADS1115 16 bites verzióval. Ez lehetővé teszi, hogy 2^15 = 32767 bit képviseli a 0-4,096V közötti feszültségi szinteket (4,096V a kitörés üzemi feszültsége), ez azt jelenti, hogy minden bit 0,000125V! Továbbá, mivel az I2C buszt használja, ez azt jelenti, hogy akár 4 ADC -t is lehet címezni, ami lehetővé teszi akár 16 csatorna figyelését, ha szükséges.

Megpróbáltam a kapcsolatokat a Fritzing segítségével szemléltetni, azonban a korlátozások miatt nincsenek egyedi alkatrészek a jelgenerátor illusztrálására. A lila vezeték az erősítő áramkör kimenetéhez van csatlakoztatva, a mellette lévő fekete vezeték azt mutatja, hogy minden erősítő áramkörnek meg kell osztania a közös földet. Tehát egy kenyérlapot használtam annak szemléltetésére, hogyan hoztam létre a kötési pontokat. Azonban a tényleges projektemben a kitörések női fejlécekben ülnek, Veroboard -ra forrasztva, és az összes kötési pont a veroboardra van forrasztva.

5. lépés: Mikrokontroller

Amint fentebb említettük, az Arduino Uno vezérlőt választottam, ez jó választás volt, mivel sok fedélzetet tartalmaz és olyan beépített funkciókat tartalmaz, amelyeket különben külön kell megépíteni. Ezenkívül kompatibilis sok speciálisan épített „pajzzsal”. Ebből az alkalomból valós idejű órára volt szükségem az összes időbélyegzéshez, és egy SD -kártya íróra, hogy az eredményeket.csv vagy.txt fájlba rögzítsem. Szerencsére az Arduino adatnaplózó pajzsban mindkettő olyan pajzsban van, amely további forrasztás nélkül illeszkedik az eredeti Arduino táblára. A pajzs kompatibilis az RTClib és az SD kártya könyvtárakkal, így nincs szükség speciális kódokra.

6. lépés: Összeszerelés

5 mm -es ridgid közepes/kis sűrűségű PVC -t (néha hablapot) használtam, hogy lecsavarjam a legtöbb alkatrészemet, és kézműves késsel megfelelő méretre vágjam. Az összes alkatrészt modulárisan építették fel a prototípushoz, mivel lehetővé teszi az egyes alkatrészek eltávolítását, ha baj történik, de nem olyan hatékony vagy rendezett, mint a maratott NYÁK (további munka), ami sok jumper vezetéket is jelent az alkatrészeket.

7. lépés: A kód feltöltése

Töltse fel a kódot az Arduino -ba, vagy szerezze be a kódot a Github repóból

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

8. lépés: Kalibrálás

Elméletileg a mért áram több dolog együttes eredménye:

Mért erősítők = ((((a *0,45)/150)/(1,1/5000))/1000 ahol 'a' az erősítő jelfeszültsége

0,45 az erősítő áramkör Vout effektív értéke, 150 az op-amp erősítés (Rf / Rin = 150k / 1k), 1,1 a CT teljes skálájú feszültségkimenete, amikor mért erősítők 5A, 5000 egyszerűen 5A in mA, és 1000 a fordulatszám a transzformátorban. Ezt le lehet egyszerűsíteni:

Mért erősítők = (b * 9,216) / 5406555 ahol b az ADC jelentett értéke

Ezt a képletet az Arduino 10 bites ADC használatával tesztelték, és a multiméter értékei és az Arduino által generált értékek között 11% -os különbséget figyeltek meg, ami elfogadhatatlan eltérés. Az előnyben részesített módszerem a kalibráláshoz, hogy az ADC -értéket és az áramot multiméteren rögzítem egy táblázatba, és egy harmadik rendű polinomot rajzolok. Ebből a köbös képlet segítségével jobb eredményeket lehet elérni a mért áram kiszámításakor:

(ax^3) + (bx^2) + (cx^1) + d

Az a, b, c és d együtthatókat excelben számítják ki egy egyszerű adattáblából, x az ADC értéke.

Az adatok beszerzéséhez kerámia 1k változó ellenállást (reosztátot) és 12V -os transzformátort használtam a hálózati váltakozó feszültség 240 V -ról történő lecsökkentésére, ami 13mA és 100mA közötti változó áramforrást generál. Minél több adatpontot gyűjtöttek össze, annál jobb, de azt javaslom, hogy 10 adatpontot gyűjtsön össze a pontos trend elérése érdekében. A mellékelt Excel sablon kiszámítja az együtthatók számát, akkor csak be kell írnia őket az arduino kódba

A kód 69. sorában látni fogja, hová írja be az együtthatókat

float chn0 = ((7.30315 * pow (10, -13)) * pow (adc0, 3) + (-3.72889 * pow (10, -8) * pow (adc0, 2) + (0.003985811 * adc0) + (0.663064521)));

amely megegyezik az Excel fájl 1. lapjának képletével:

y = 7E-13x3-4E-08x2 + 0,004x + 0,663

Ahol x = az Ön által kalibrált csatorna adc0

9. lépés: Fejezze be

Tegye a projektházba. Az áramellátást egy kapcsolóval fejeztem be, hogy az egészet ki/be kapcsoljam a tápegységnél, és egy IEC "8. ábra" csatlakozóval a hálózati bemenethez. Csavarja össze az egészet, és készen áll a tesztelésre.

További munka

Az egész projektet meglehetősen gyorsan felmérték, így rengeteg fejlesztési lehetőség van, maratott áramkör, jobb alkatrészek. Ideális esetben az egészet az FR4 -re maratják vagy forrasztják, nem pedig sok jumpert. Mint korábban említettem, rengeteg olyan dolog van, amit nem említettem, de ha valami konkrétat szeretne tudni, jelezze nekem megjegyzésekben, és frissítem az oktathatót!

Frissítés 2016.12.18

Most hozzáadtam egy 16x2 méretű LCD -t az I2C "hátizsák" segítségével az első négy csatorna figyelésére, és hozzáadok egy újabbat az utolsó négy monitorozásához, amikor megérkezik a bejegyzésen keresztül.

Hitelek

Ezt a projektet az Arduino vázlatomban használt könyvtárak összes szerzője tette lehetővé, beleértve a DS3231 könyvtárat, az Adafruit ADS1015 könyvtárat és az Arduino SD könyvtárat