ВведениеВсем привет! По окончании завершения цикла по датчикам были вопросы разного замысла по измерению параметров потребления бытовых и не весьма электроприборов. Кто сколько потребляет, как что подключать дабы измерить, какие конкретно бывают тонкости и без того потом.

Пришло время открыть все карты в данной области.В этом цикле статей мы разглядим тему измерения параметров электричества. Этих параметров в действительности весьма кроме того много, о которых я попытаюсь неспешно поведать маленькими сериями. До тех пор пока в замыслах три серии:

• Измерение электричества.
• Уровень качества электричества.
• Устройства измерения параметров электричества.

В ходе разбора будем решать те либо иные практические задачи на микроконтроллерах до успехи результата. Очевидно, большинство данного цикла будет посвящена измерению переменного напряжения и может понадобиться всем любителям осуществлять контроль электроприборы собственного умного дома.По результатам всего цикла мы изготовим некоторый умный электросчетчик с доступом в интернет. Совсем отъявленные любители осуществлять контроль электроприборы собственного умного дома смогут внести свою лепту в реализации коммуникационной части на базе, к примеру MajorDomo. Сделаем OpenSource умный дом лучше, так сообщить.В данной серии в двух частях мы разберем следующие вопросы:

• напряжения датчиков и Подключение тока в устройствах постоянного тока, и однофазных и трехфазных цепей переменного тока;
• Измерение действующих напряжения и значений тока;
• Измерение коэффициента мощности;
• Полная, активная и реактивная мощность;
• Электропотребление;

Подкатом вы отыщете ответы на первые два вопроса данного перечня. Я намеренно не затрагиваю вопросы точности измерения показателей и с данной серии только радуюсь взятым итогам с точностью плюс-минус лапоть. Этому вопросу я в обязательном порядке посвящу отдельную статью в третьей серии.
Смотрите кроме этого: Трекер Fitti Guard скажет об страшном уровне загрязнения воздуха

Носимая электроника — сфера, которая лишь начинает как следует изменяться. Пару дней назад германская компания Active представила новую разработку — фитнес-трекер Fitti Guard. Не считая стандартных функций, наподобие отслеживания шагов, мониторинга и калорий качества сна, устройство может предложить собственному обладателю кое-что еще.

И нет, это не пульсометр и не GPS — такие функции также имеется у Fitti Guard, и они уже также являются стандартом. Новое, о чем идет обращение — это измерение уровня гамма-излучения, измерение уровня УФ излучения, качества уровня воздуха и определение шума.

1. Подключение датчиков

В прошлом цикле про тока и датчики напряжения я поведал о видах датчиков, но не поведал о том как ими пользоваться и куда их ставить. Пришло время это исправитьПодключение датчиков постоянного токаПонятно что целый цикл будет посвящён совокупностям переменного тока, но скоро пробежимся и по цепям постоянного тока, поскольку это может нам понадобиться при разработке источников питания постоянного тока.

Заберём к примеру хороший понижающий преобразователь с ШИМ:Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМНашей задачей есть обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Помимо этого, на основании информации с датчика тока вероятно осуществлять контроль режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, и реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков очень и нет.

Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, что единственный способен трудиться на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. В большинстве случаев специальная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия чтобы на этом входе (3) был определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. К примеру 1,25В.

В случае если отечественное выходное напряжение с этим уровнем сходится — все прекрасно — мы напрямую подаем выходное напряжение на данный вход. В случае если нет, то устанавливаем делитель. В случае если нам нужно обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель обязан снабжать коэффициент деления 4, т. е. К примеру R1 = 30к, R2 = 10к.

Датчик тока в большинстве случаев устанавливается между преобразователем и источником питания и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs вероятно выяснить текущее значение тока отечественного дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая мысль, поскольку конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов.

Установка резистора в разрыв неспециализированного провода также нге сулит ничего хорошего — будет два земляных уровня с которыми копаться то еще наслаждение.Неприятности падения напряжения возможно избежать методом применения бесконтактных датчиков тока — к примеру датчиков холла:Рис 2. Бесконтактный датчик токаОднако имеется более умный метод измерения тока. Так как на транзисторе совершенно верно кроме этого падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность.

Следовательно, по падению напряжения на нем возможно кроме этого выяснить текущее значение тока. Честно говоря, в случае если взглянуть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, к примеру, от Texas Instruments — то таковой метод видится так же довольно часто как и прошлые.

Точность для того чтобы метода само собой разумеется не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого достаточно.Рис 3. Транзистор в качестве датчика токаАналогично поступаем в других схемах аналогичных преобразователей, будь то повышающий либо инвертирующий.Но нужно раздельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователяхВ них совершенно верно кроме этого может употребляться или внешнее сопротивление, или транзистор в его роли.На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. В случае если у вас имеется предложения по вторым вариантам — с наслаждением дополню ими статью.1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного токаВ цепях переменного тока у нас намного больший выбор вероятных датчиков.

Разглядим пара вариантов.Самый простой — применение резистивного токового шунта и делителя напряжения. Рис 5.Подключение резисторных датчиковОднако, у нее усть пара значительных недочётов:Во-первых, или мы обеспечим большую амплитуду сигнала с токового шунта, выделив много мощности на нем, или будем ограничиваться малой амплитудой сигнала и потом усиливать его.

А во-вторых, резистор формирует разность потенциалов между нейтралью прибора и нейтралью сети. В случае если прибор изолирован — то это не имеет значения, в случае если же у прибора имеется вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, поскольку закоротим его. Пожалуй стоит попытаться датчики, трудящиеся на вторых правилах.К примеру, воспользуемся трансформаторами напряжения и тока, или датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения.

Тут значительно больше шансов по работе с оборудованием, поскольку нулевой провод не имеет утрат, а основное — и в том и другом случае присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что довольно часто может понадобиться. Но, нужно учитывать, что напряжения и трансформаторные датчики тока имеют ограниченную частотную чёрта и в случае если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных напряжения и датчиков тока1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного токаВ многофазных сетях отечественные возможности по подключению датчиков тока меньше.

Связано это с тем, что токовый шунт применять совсем не окажется, поскольку разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер неспециализированного применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство. Один метод применять токовые шунты само собой разумеется имеется — для каждого канала нужно сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но значительно несложнее и надежнее применять другие датчики.В собственном анализаторе качества я использую резистивные выносные датчики и делители напряжения тока на эффекте холла.Рис 7.Датчики тока в трехфазной сетиКак видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Очевидно вместо датчиков тока на эффекте холла возможно забрать трансформаторы тока либо петли Роговского.Вместо резистивных делителей возможно применять трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной совокупности.В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, неспециализированная точка которых есть неспециализированной точкой измерительной цепиРис 8.Применение трансформаторов напряжения в трехфазной сети2 напряжения и Действующее значение тока

Пришло время решить задачу измерения отечественных сигналов. Практическую значимость для нас воображает прежде всего напряжения и действующее значение тока.Напомню матчасть из цикла по датчикам. Посредством АЦП отечественного микроконтроллера через равные промежутки времени мы будем фиксировать мгновенное значение напряжения.

Так, за период измерения у нас будет массив данных уровня мгновенного значения напряжения (для тока все подобно).Рис 9. Серия мгновенных значений напряженияНаша задача — произвести подсчет действующего значения. Для начала воспользуемся формулой интеграла:(1)В цифровой совокупности приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме: (2)Где— период дискретизации отечественного сигнала, а— число отсчетов за период измерения.

Где-то тут я в видео начинаю втирать дичь про равенство площадей. Нужно было выспаться в тот сутки. =)В микроконтроллерах MSP430FE4252, каковые используются в однофазных электросчетчиках Меркурий, за период измерения равный 1, 2 либо 4 секунд производится 4096 отсчетов. На T=1с и N=4096 мы и будем опираться в дальшейнем. Более того, 4096 точек в секунду разрешат нам применять методы стремительного преобразования фурье для определения гармонического спектра впредь до 40 гармоники, как того требует ГОСТ.

Но об этом в следующей серии.Набросаем метод для отечественной программы. Нам требуется обеспечить стабильный запуск АЦП каждую 1/8192 секунды, поскольку у нас два канал и измерять мы будем эти сведенья попеременно. Для этого настроим сигнал и таймер прерывания будет машинально перезапускать АЦП. Все АЦП так могут. Писать будущую программу будем на arduino, поскольку она у большинства под рукой.

У нас до тех пор пока чисто отвлечённый интерес.Имея частоту системного кварца 16МГц и 8-разрядный таймер (дабы жизнь медом не казалась) нам нужно обеспечить частоту срабатывания хоть какого именно прерывания таймера с частотой 8192Гц.Печалимся по поводу того что 16МГц цело не делится как нам нужно и итоговая частота работы таймера 8198Гц. Закрываем глаза на погрешность в 0,04% и все равно считываем по 4096 выборок на канал.Печалимся по поводу того, что прерывание по переполнению в arduino занято расчетом времени (несёт ответственность за millis и delay, так что это трудиться нормально прекратит), так что пользуемся прерыванием по сравнению.

И вдобавок неожиданно понимаем, что сигнал к нам приходит биполярный, и что msp430fe4252 с ним замечательно справляется. Мы же ограничиваемся униполярным АЦП, исходя из этого на операционном усилителе собираем несложный преобразователь биполярного сигнала в униполярный:Рис 10.Преобразователь биполярного сигнала в униполярныйПричем отечественная задача обеспечить колебание отечественной синусоиды относительно половины опорного напряжения — тогда мы или заберём половину диапазона или активируем опцию в настройках АЦП и возьмём знаковые значения.В Arduino 10-разрядный АЦП, исходя из этого из беззнакового результата в пределах 0-1023 будем вычитать половину и возьмём -512- 511.Контролируем модель, собранную в LTSpiceIV и убеждаемся, что все трудится как нужно.

В материале дополнительно убеждаемся экспериментально.Рис 11.итог моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим — выходнойСкетч для Arduino для одного каналаvoid setup() { autoadcsetup(); DDRD |=(1Программа написана в среде Arduino IDE для микроконтроллера ATmega1280. На моей отладочной плате первые 8 каналов разведены для внутренних потребностей платы исходя из этого употребляется канал ADC8.

Вероятно применять этот скетч и для платы с ATmega168, но нужно выбрать верный канал.В прерываний передергиваем несколько служебных пинов дабы наглядно видеть рабочую частоту оцифровки.Несколько слов о том, откуда взялся коэффициент 102. При первом запуске с генератора подавался сигнал разной амплитуды, с осциллографа считывалось показание действующего значения напряжения, а из консоли забиралось вычисленное значение в безотносительных единицах АЦП.

Поделив значения третьего столбца на значения второго приобретаем в среднем 102. Это и будет отечественный «калибровочный» коэффициент. Но возможно подметить, что при понижении напряжения точность быстро падает.

Это происходит из-за низкой чувствительности отечественного АЦП. Практически 10 разрядов для точных расчётов катастрофически мало и в случае если напряжение в розетке измерить так в полной мере окажется, то поставить 10-разрядный АЦП на измерение потребляемого нагрузкой тока будет правонарушением против метрологии.На данном моменте мы прервемся.

В следующей части разглядим другие три вопроса данной серии и будем медлено переходить к созданию конкретно самого устройства.Представленную прошивку, и другие firmware для данной серии (так как материалы я снимаю стремительнее чем подготавливаю статьи) вы отыщете в репозитории на GitHub: github.com/radiolok/arduino_rms_countЧто касается разработки электросчетчика, за базу будет забран референс от TI SimpleLink WiFi CC3200 SmartPlug, новость о котором практически пару дней назад прилетела мне на почту. Мне весьма нравится микроконтроллер CC3200, исходя из этого мы создадим бустерпак для существующего ланчпада и реализуем все интересующие нас возможности. Не забудем сделать и без того, что это сносно трудилось и на вторых микроконтроллерах.В комментарии приглашаетсяprogchip666, для дополнений и замечаний по материалу, а такжеsmart_alex как ранее интересовавшийся вопросом напряжения и измерения тока как раз посредством Arduino.

Случайная статья:

• Tp-link archer c2600 и c3200 — маршрутизаторы стандарта 802.11ac второго поколения
• Coolrf: diy-диммер и led-лампы, есть ли дружба?

Сварочный инвертор KAISER NBC-250 PROFI. Измерение параметров напряжения и тока

Похожие статьи:

• Точность измерений

  Я столкнулся с фактом, что поразил меня и вероятнее поразит и вас. Выясняется, измерить напряжение в сети с точностью хотя бы до одного вольта —…

• Снижаем напряжение питания amd radeon r9 fury с целью повышения эффективности

  Снижаем питание AMD Radeon R9 Fury | Параметры напряжения, температуры и энергопотребления Из-за чего мы не можем снизить напряжение в действительности А…

• Тестирование со2 детектора. измерение когнитивной атмосферы в цеху 3d-принтеров, в космолагере, в коворкинге, в хакспейсе

  Мои приключения за месяц вместе с детектором CO2 от компании «МастерКит».Про датчик углекислого газа и про то, как принципиально важно проветривание…