Záznamník údajov monitorovania prúdu AC: 9 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Ahoj všetci, vitajte pri mojom prvom návode! Cez deň som testovací inžinier pre spoločnosť, ktorá dodáva priemyselné vykurovacie zariadenia, v noci som zanietený technologický nadšenec a kutil. Časť mojej práce zahŕňa testovanie výkonu ohrievačov. Pri tejto príležitosti som chcel mať možnosť monitorovať súčasný odber RMS 8 zariadení počas 1 000 hodín a zaznamenávať údaje a neskôr vykresliť výsledky. Mám prístup k záznamníku údajov, ale už bol zapojený do iného projektu a potreboval som niečo s nízkymi nákladmi, preto som sa rozhodol spojiť tento základný záznamník údajov.

Projekt používa Arduino Uno na čítanie analógových senzorov prostredníctvom analógovo -digitálneho prevodníka (ADC) a zaznamenáva údaje s časovou pečiatkou na kartu SD. Pri navrhovaní obvodov je zapojených veľa teórie a výpočtu, takže namiesto toho, aby som vysvetlil úplne všetko, ukážem vám, ako to urobiť. Ak máte záujem vidieť ÚPLNÝ hit, dajte mi vedieť v komentároch a ja to vysvetlím ďalej.

POZNÁMKA:

Mám veľa otázok o výpočtoch True RMS. Toto zariadenie používa polovičný usmerňovač na zachytenie vrcholu vlny, ktorý potom môže byť vynásobený 0,707, aby sa získali RMS. Následne poskytne iba presný výsledok s lineárnym zaťažením (t. J. Meraný prúd je čistá sínusová vlna). Nelineárne zásoby alebo záťaže, ktoré poskytujú trojuholníkové, obdĺžnikové alebo akékoľvek iné nesínusové priebehy, neposkytnú skutočný výpočet RMS. Toto zariadenie meria iba striedavý prúd, nie je určené na meranie napätia, a preto nevypočítava ani nemeria účinník. Pozrite si môj ďalší návod na to, ako vytvoriť merač účinníka, ktorý je možné na to použiť. Mnoho ľudí tiež uviedlo, že priama striedavá väzba so stredovou osou 2,5 V je lepšia, čo však prináša komplikácie, pretože zahŕňa dostatočne vysokú rýchlosť digitálneho vzorkovania, robustné priemerovanie/vyhladzovanie údajov atď. A neistota, ktorú prináša, je oveľa vyššia ako meranie. surovú hodnotu. Osobne preferujem hardvérové riešenia a jednoduchší kód, kde je to možné, takže ma táto metóda nezaujíma. Presnosť je presvedčená, že je to oveľa lepšie ako to druhé a neskôr v mojich výsledkoch uvidíte, že po kalibrácii je regresný koeficient blízky 1,0.

Krok 1: Prúdové transformátory

Tento projekt používa prúdový transformátor HMCT103C 5A/5MA. Má pomer otáčok 1: 1000, čo znamená, že každých 5 A prúdu pretekajúceho vodičom bude 5 mA prúdiť cez CT. Na dva svorky CT je potrebné pripojiť odpor, aby bolo možné na ňom merať napätie. Pri tejto príležitosti som použil odpor 220 Ohm, preto pomocou Ohmovho zákona V = IR bude výstup CT 1,1 voltu AC na každých 5 mA prúdu CT (alebo každých 5 A nameraného prúdu). CT boli spájkované na pásovú dosku s odporom a nejakým prístrojovým drôtom, aby sa vyrobili lietajúce vodiče. Káble som zakončil 3,5 mm konektormi mužského zvukového konektora.

Tu je technický list aktuálneho transformátora

Dátový hárok

Krok 2: Kondicionovanie signálu

Signál z CT bude slabý, preto je potrebné ho zosilniť. Za týmto účelom som spájkoval jednoduchý obvod zosilňovača pomocou dvojitého koľajnicového operačného zosilňovača uA741. V tomto prípade je teda zisk nastavený na 150 pomocou vzorca Rf / Rin (150k / 1k). Avšak výstupný signál zo zosilňovača je stále striedavý, dióda na výstupe operačného zosilňovača preruší negatívny polovičný cyklus striedavého prúdu a prenesie kladné napätie na kondenzátor 0,1 uF, aby sa vlna vyhladila na zvlnený jednosmerný signál. Nasledujú časti, ktoré tvoria obvod:

• V1-Toto je v tomto diagrame ľubovoľné, jednoducho predstavuje signálne napätie, ktoré sa privádza do neinvertujúceho vstupu operačného zosilňovača.
• R1 - Toto je známe ako spätnoväzbový odpor (Rf) a je nastavené na 150 k
• R2 - Toto je známe ako vstupný odpor (Rin) a je nastavené na 1 k
• 741 - Toto je integrovaný obvod uA741
• VCC - kladná napájacia lišta +12V
• VEE - Záporná napájacia lišta -12V
• D1 - Je dióda usmerňovacieho signálu vlny haf 1N4001
• C3 - Tento kondenzátor udržuje DC signál po nastavenú dobu

Na obrázku 2 vidíte, že bol zostavený pomocou Veroboard a pocínovaného medeného drôtu. Boli vyvŕtané 4 otvory pre stojany na dosky plošných spojov, aby ich bolo možné skladať na seba (pretože existuje osem kanálov, musí existovať celkom osem obvodov zosilňovača.

Krok 3: Napájanie

Ak vás nebaví vyrábať od nuly, môžete si kúpiť dosku predmontovanú z Číny ako na obrázku vyššie, ale stále budete potrebovať transformátor 3VA (znížte napätie 240 V na 12 V). Ten na obrázku ma stál okolo 2,50 libry

Na napájanie projektu som sa rozhodol vytvoriť vlastný dvojitý koľajnicový zdroj 12VDC. To bolo výhodné, pretože operačné zosilňovače vyžadujú +12V, 0V, -12V a Arduino Uno môže akceptovať akékoľvek napájanie až 14 VDC. Nasledujú časti, ktoré tvoria obvod:

• V1 - Predstavuje napájanie zo sieťovej zásuvky 240 V 50 Hz
• T1 - Toto je malý transformátor 3VA, o ktorom som ležal. Je dôležité, aby transformátor mal centrálny kohútik na sekundárnom kábli, ktorý bude pripojený k 0 V, tj. K zemi
• D1 až D4 - Jedná sa o usmerňovač s plným vlnovým mostom s diódami 1N4007
• C1 & C2 - 35V elektrolytické kondenzátory 2200uF (musí byť 35V, pretože potenciál medzi kladným a záporným pólom dosiahne 30V)
• U2 - LM7812, je 12 V regulátor napätia
• U3 - LM7912, je regulátor záporného napätia 12V (dávajte pozor na rozdiely v kolíkoch medzi integrovanými obvodmi 78xx a 79xx!)
• C3 a C4 - 100nF Vyhladzovacie kondenzátory 25V elektrolytické
• Keramické diskové kondenzátory C5 a C6 - 10uF

Komponenty som spájkoval na pásovú dosku a zvislé dráhy som spájal holým jednožilovým pocínovaným medeným drôtom. Obrázok 3 vyššie ukazuje môj DIY zdroj, ľutujem, že na fotografii je veľa prepojok!

Krok 4: Analógovo -digitálne prevodníky

Arduino Uno už má vstavaný 10-bitový ADC, existuje však iba 6 analógových vstupov. Preto som sa rozhodol použiť dve prerušenia ADC so 16-bitovým ADS1115. To umožňuje 2^15 = 32767 bitov reprezentovať úrovne napätia od 0 do 4,096 V (4,096 V je prevádzkové napätie prelomenia), to znamená, že každý bit predstavuje 0,000125 V! Pretože používa zbernicu I2C, znamená to, že je možné adresovať až 4 ADC, čo v prípade potreby umožňuje monitorovať až 16 kanálov.

Pokúsil som sa ilustrovať spojenia pomocou Fritzing, ale kvôli obmedzeniam neexistujú žiadne vlastné časti na ilustráciu generátora signálu. Fialový vodič je pripojený k výstupu obvodu zosilňovača, čierny vodič vedľa neho ukazuje, že všetky obvody zosilňovača musia mať spoločnú zem. Na ilustrácii toho, ako som dosiahol remízu, som teda použil nepájivú tabuľu. Môj skutočný projekt však má prestávky umiestnené v ženských hlavičkách, spájkované na Veroboard a všetky body viazania sú spájkované na veroboard.

Krok 5: Mikrokontrolér

Ako som už uviedol vyššie, ovládač, ktorý som si vybral, bol Arduino Uno, bola to dobrá voľba, pretože má veľa integrovaných a vstavaných funkcií, ktoré by inak bolo potrebné stavať samostatne. Navyše je kompatibilný s mnohými špeciálne vyrobenými „štítmi“. Pri tejto príležitosti som vyžadoval hodiny v reálnom čase na časové pečiatkovanie všetkých výsledkov a zapisovač SD kariet na zaznamenanie výsledkov do súboru.csv alebo.txt. Našťastie štít na zaznamenávanie údajov Arduino má oba štíty, ktoré sa dajú zasunúť na pôvodnú dosku Arduino bez dodatočného spájkovania. Štít je kompatibilný s knižnicami kariet RTClib a SD, takže nie je potrebný žiadny špeciálny kód.

Krok 6: Zostavenie

Na zoskrutkovanie väčšiny svojich súčiastok som použil 5 mm hrubý PVC strednej/nízkej hustoty (niekedy známy ako penová doska) a remeselným nožom som ho narezal na vhodnú veľkosť. Všetky komponenty boli pre prototyp postavené modulárnym spôsobom, pretože umožňuje odstránenie jednotlivých častí, ak sa niečo pokazí, ale nie je také účinné ani upratané ako leptaná doska plošných spojov (ďalšia práca), čo tiež znamená veľa prepojovacích káblov medzi komponenty.

Krok 7: Odovzdanie kódu

Nahrajte kód do Arduina alebo ho získajte z môjho repo centra Github

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

Krok 8: Kalibrácia

Meraný prúd bude teoreticky výsledkom niekoľkých kombinovaných vecí:

Namerané ampéry = ((((a *0,45)/150)/(1,1/5000))/1000, kde „a“je signálne napätie zo zosilňovača

0,45 je efektívna hodnota Vout obvodu zosilňovača, 150 je zisk operačného zosilňovača (Rf / Rin = 150k / 1k), 1,1 je výstup napätia CT v plnom rozsahu, keď sú namerané zosilňovače 5A, 5 000 je jednoducho 5A v mA a 1000 je počet závitov v transformátore. Dá sa to zjednodušiť na:

Namerané zosilňovače = (b * 9,216) / 5406555, kde b je hodnota hlásená ADC

Tento vzorec bol testovaný pomocou 10-bitového ADC Arduino a rozdiel medzi hodnotami multimetra a hodnotami generovanými Arduino bol pozorovaný o 11%, čo je neprijateľná odchýlka. Mojou preferovanou metódou kalibrácie je zaznamenať hodnotu ADC vs prúd na multimeter do tabuľky a vykresliť polynóm tretieho rádu. Z toho možno kubický vzorec použiť na poskytnutie lepších výsledkov pri výpočte meraného prúdu:

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

Koeficienty a, b, c a d sú vypočítané v Exceli z jednoduchej dátovej tabuľky, x je vaša hodnota ADC.

Na získanie údajov som použil keramický 1k variabilný odpor (reostat) a 12v transformátor na zníženie striedavého napätia v sieti z 240 V, čo mi poskytlo generovanie premenlivého zdroja prúdu od 13 mA do 100 mA. Čím viac dátových bodov sa zhromaždí, tým lepšie, na dosiahnutie presného trendu však navrhujem zozbierať 10 dátových bodov. Priložená šablóna Excelu vám vypočíta koeficienty, potom ich už len stačí zadať do arduino kódu

Na riadku 69 kódu uvidíte, kam zadať koeficienty

float chn0 = ((7,30315 * pow (10, -13)) * pow (adc0, 3) + (-3,72889 * pow (10, -8) * pow (adc0, 2) + (0,003985811 * adc0) + (0,663064521)));

čo je rovnaké ako vzorec v hárku 1 súboru Excel:

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

Kde x = adc0 akéhokoľvek kanála, ktorý kalibrujete

Krok 9: Dokončite

Vložte ho do projektovej skrinky. Skončil som napájanie prepínačom, aby som to celé zapol/vypol na zdroji, a konektorom IEC „obrázok 8“pre sieťový vstup. Skrutkujte to všetko dohromady a ste pripravení to vyskúšať.

Dalsia praca

Celý projekt sa vysmieval pomerne rýchlo, takže je tu veľa priestoru na zlepšenie, leptaný obvod a lepšie komponenty. V ideálnom prípade by bola celá vec leptaná alebo spájkovaná na FR4 a nie na veľa prepojok. Ako som už povedal, je tu veľa vecí, ktoré som nespomenul, ale ak je niečo konkrétne, chceli by ste vedieť, dajte mi vedieť v komentároch a ja aktualizujem pokyny!

Aktualizácia 2016-12-18

Teraz som pridal LCD monitor 16x2 pomocou „batohu“I2C na monitorovanie prvých štyroch kanálov a pridám ďalší na monitorovanie posledných štyroch kanálov, keď príde cez stĺp.

Kredity

Tento projekt umožnili všetci autori knižníc použitých v mojom náčrte Arduino vrátane knižnice DS3231, knižnice Adafruit ADS1015 a knižnice Arduino SD