Zapisnik podataka o nadzoru izmjenične struje: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Bok svima, dobrodošli u moju prvu instrukciju! Po danu sam inženjer za testiranje u tvrtki koja isporučuje industrijsku opremu za grijanje, noću sam strastveni ljubitelj tehnologije i DIY'er. Dio mog rada uključuje testiranje performansi grijača. Ovom prilikom htio sam moći nadzirati RMS trenutnu potrošnju 8 uređaja tijekom 1000 sati i zapisati podatke za kasnije iscrtavanje rezultata. Imam pristup zapisniku podataka, ali on je već bio predan drugom projektu i trebalo mi je nešto jeftino, pa sam odlučio spojiti ovaj osnovni zapisnik podataka.

Projekt koristi Arduino Uno za čitanje analognih senzora putem analogno -digitalnog pretvarača (ADC) i zapisuje podatke vremenskom oznakom na SD karticu. U projektiranje sklopova uključeno je mnogo teorije i proračuna, pa ću vam umjesto objašnjenja apsolutno svega pokazati samo kako se to izrađuje. Ako vas zanima vidjeti CIJELI hit, javite mi se u komentarima, a ja ću vam dodatno objasniti.

BILJEŠKA:

Imao sam mnogo pitanja o izračunima True RMS -a. Ovaj uređaj koristi poluvalni ispravljač za snimanje vrha vala, koji se tada može pomnožiti s 0,707 kako bi se dobio RMS. Posljedično će točan rezultat dati samo s linearnim opterećenjima (tj. Mjerena struja je čisti sinusni val). Nelinearne zalihe ili opterećenja koja daju trokutaste, pravokutne ili bilo koje druge oblike bez sinusa neće dati pravi RMS izračun. Ovaj uređaj mjeri izmjeničnu struju samo što nije dizajniran za mjerenje napona, stoga ne izračunava niti mjeri faktor snage. Molimo pogledajte moje druge upute o tome kako stvoriti mjerač faktora snage koji se može koristiti za to. Mnogi su ljudi također rekli da je ravno spajanje izmjeničnom strujom s središnjom linijom od 2,5 V bolje, međutim to unosi komplikacije jer uključuje dovoljno brzu brzinu digitalnog uzorkovanja, robusno usrednjavanje/uglađivanje podataka itd., A nesigurnost koju ovo uvodi znatno je veća od mjerenja sirova vrijednost. Osobno preferiram hardverska rješenja i jednostavniji kod gdje je to moguće pa me ta metoda ne zanima. Što se tiče točnosti, vjerujem da je ovo daleko bolje od ovog drugog, a kasnije ćete vidjeti u mojim rezultatima da nakon kalibracije postoji regresijski koeficijent blizu 1,0.

Korak 1: Strujni transformatori

Ovaj projekt koristi HMCT103C 5A/5MA strujni transformator. Ima omjer zavoja 1: 1000 što znači da za svakih 5A struje koja prolazi kroz vodič, 5mA će teći kroz CT. Otpornik mora biti spojen na dva priključka CT -a kako bi se na njemu mogao izmjeriti napon. Ovom sam prilikom upotrijebio otpornik od 220 Ohma, pa prema Ohmovom zakonu V = IR, izlaz CT -a bit će 1,1 V AC, za svakih 5mA CT struje (ili svakih 5A izmjerene struje). CT -ovi su lemljeni na ploču s otpornikom i nekom žicom instrumenta za izradu letećih vodova. Završio sam provodnike sa utičnicama za muški audio priključak od 3,5 mm.

Evo podatkovnog lista za trenutni transformator

Tehnički list

Korak 2: Kondicioniranje signala

Signal iz CT -a bit će slab pa ga je potrebno pojačati. Za to sam lemio jednostavno kolo pojačala pomoću uA741 dual rail op pojačala. U tom slučaju dobitak se stoga postavlja na 150 pomoću formule Rf / Rin (150k / 1k). Međutim, izlazni signal pojačala je još uvijek naizmjenični, dioda na izlazu op-pojačala prekida negativni poluciklus izmjeničnog napona i prenosi pozitivni napon na kondenzator od 0,1 uF kako bi izgladio val u valoviti istosmjerni signal. Ispod su dijelovi koji čine krug:

• V1-Ovo je proizvoljno na ovom dijagramu, jednostavno predstavlja napon signala koji se dovodi na neinvertirajući ulaz op-pojačala.
• R1 - To je poznato kao povratni otpornik (Rf) i postavljeno je na 150k
• R2 - To je poznato kao ulazni otpornik (Rin) i postavljeno je na 1k
• 741 - Ovo je integrirano kolo uA741
• VCC - Pozitivna opskrbna šina +12V
• VEE - Negativna opskrbna šina -12V
• D1 - Je li signalna dioda za ispravljanje haf valova 1N4001
• C3 - Ovaj kondenzator zadržava istosmjerni signal određeno vrijeme

Na slici 2 možete vidjeti da je sastavljen pomoću Veroboarda i kalajisane bakrene žice. Izbušene su 4 rupe za izdvojene tiskane ploče kako bi se mogle složiti (jer postoji osam kanala, potrebno je ukupno osam krugova pojačala.

Korak 3: Napajanje

Ako vam se ne sviđa izrada od nule, ploču možete kupiti već montiranu iz Kine, poput one na gornjoj slici, ali i dalje će vam trebati 3VA transformator (korak dolje 240V na 12V). Ovaj na slici koštao me oko 2,50 funti

Za pokretanje projekta odlučio sam napraviti vlastito napajanje s dvije šine 12VDC. To je bilo prikladno jer op -pojačala zahtijevaju +12V, 0V, -12V, a Arduino Uno može prihvatiti bilo kakvo napajanje do 14 VDC. Ispod su dijelovi koji čine krug:

• V1 - Ovo predstavlja napajanje iz mrežne utičnice 240V 50Hz
• T1 - Ovo je mali 3VA transformator oko kojeg sam ležao. Važno je da transformator ima središnju slavinu na sekundaru koja će biti spojena na 0V, tj. Uzemljenje
• D1 do D4 - Ovo je puno valni ispravljač koji koristi 1N4007 diode
• C1 & C2 - 35V elektrolitički kondenzatori 2200uF (mora biti 35V jer će potencijal između pozitivnog i negativnog doseći 30V)
• U2 - LM7812, je regulator pozitivnog napona od 12V
• U3 - LM7912, regulator negativnog napona od 12 V (pripazite na razlike u pinovima između IC -a 78xx i 79xx!)
• C3 & C4 - 100nF Glatki kondenzatori 25V elektrolitički
• C5 & C6 - 10uF keramički disk kondenzatori

Lemio sam komponente na stripboard i spojio okomite tračnice golom jednožilne kalajisane bakrene žice. Slika 3 gore prikazuje moje DIY napajanje, žao mi je što na fotografiji ima puno skakača!

Korak 4: Analogno -digitalni pretvarači

Arduino Uno već ima ugrađen 10-bitni ADC, međutim postoji samo 6 analognih ulaza. Stoga sam odlučio koristiti dva ADC prekida s ADS1115 16-bitnim. To omogućuje 2^15 = 32767 bita da predstavljaju razine napona od 0-4.096V (4.096V je radni napon prekida), to znači da svaki bit predstavlja 0.000125V! Također, budući da koristi sabirnicu I2C, to znači da se mogu adresirati do 4 ADC -a, što omogućuje praćenje do 16 kanala po želji.

Pokušao sam ilustrirati veze pomoću Fritzinga, međutim zbog ograničenja ne postoje prilagođeni dijelovi za ilustraciju generatora signala. Ljubičasta žica spojena je na izlaz kruga pojačala, crna žica pokraj nje pokazuje da svi krugovi pojačala moraju imati zajedničko uzemljenje. Stoga sam upotrijebio ploču za ilustraciju kako sam napravio točke povezivanja. Međutim, moj stvarni projekt ima prekide koji sjede u ženskim zaglavljima, lemljeni na Veroboardu, a sve spojne točke lemljene su na veroboard.

Korak 5: Mikrokontroler

Kao što je gore spomenuto, kontroler koji sam odabrao bio je Arduino Uno, ovo je bio dobar izbor jer ima puno ugrađenih i ugrađenih funkcija koje bi inače trebale biti izgrađene zasebno. Osim toga, kompatibilan je s mnoštvom posebno izgrađenih 'štitova'. Ovom prigodom trebao sam sat u stvarnom vremenu za vremensku oznaku svih rezultata i pisač SD kartice za snimanje rezultata u.csv ili.txt datoteku. Srećom, Arduino štitnik za bilježenje podataka ima oba u štitu koji guraju pristajanja na originalnu Arduino ploču bez dodatnog lemljenja. Štit je kompatibilan s knjižnicama RTClib i SD kartica pa nema potrebe za bilo kakvim specijalnim kodom.

Korak 6: Montaža

Koristio sam 5 mm ridgid PVC srednje/niske gustoće PVC -a (ponekad poznat i kao foamboard) da zašrafim većinu svojih dijelova i izrežem ga na prikladnu veličinu nožem za zanate. Sve su komponente izrađene na modularni način za prototip jer omogućuju uklanjanje pojedinih dijelova ako stvari krenu po zlu, međutim nije tako učinkovito niti uredno kao jetkana PCB (daljnji rad), to također znači puno kratkospojnika između komponente.

Korak 7: Prijenos koda

Prenesite kôd na Arduino ili ga preuzmite iz mog Github repoa

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

Korak 8: Kalibracija

Teoretski, izmjerena struja bit će rezultat nekoliko stvari zajedno:

Mjerena pojačala = (((a *0,45)/150)/(1,1/5000))/1000 gdje je 'a' napon signala iz pojačala

0,45 je efektivna vrijednost Vout kruga pojačala, 150 je pojačanje op-pojačala (Rf / Rin = 150k / 1k), 1,1 je napon punog opsega napona CT-a kada su izmjerena pojačala 5A, 5000 je jednostavno 5A u mA, a 1000 je broj zavoja u transformatoru. To se može pojednostaviti na:

Izmjerena pojačala = (b * 9.216) / 5406555 gdje je b prijavljena vrijednost ADC -a

Ova je formula testirana pomoću Arduino 10-bitnog ADC-a, a razlika između vrijednosti multimetra i arduino generiranih vrijednosti uočena je za 11%, što je neprihvatljivo odstupanje. Moja omiljena metoda kalibracije je snimiti vrijednost ADC -a prema struji na multimetru u proračunskoj tablici i iscrtati polinom trećeg reda. Iz toga se kubična formula može koristiti za bolje rezultate pri izračunavanju izmjerene struje:

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

Koeficijenti a, b, c i d izračunati su u excelu iz jednostavne tablice podataka, x je vaša ADC vrijednost.

Za dobivanje podataka upotrijebio sam keramički 1k promjenjivi otpornik (reostat) i 12v transformator za smanjenje mrežnog napona s 240V, što će mi omogućiti generiranje izvora promjenjive struje od 13mA do 100mA. Što je više podatkovnih točaka prikupljeno, to je bolje, međutim predlažem da prikupite 10 podatkovnih točaka kako biste dobili točan trend. Priloženi predložak Excel izračunat će koeficijente umjesto vas, samo je potrebno unijeti ih u arduino kôd

U retku 69 koda vidjet ćete gdje unijeti koeficijente

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

koja je ista kao formula u listu 1 excel datoteke:

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

Gdje je x = adc0 bilo kojeg kanala koji kalibrirate

Korak 9: Završite

Stavite ga u okvir projekta. Završio sam napajanje prekidačem za uključivanje/isključivanje cijele stvari na napajanju, te IEC konektorom "slika 8" za mrežni ulaz. Zašrafite sve zajedno i spremni ste za testiranje.

Daljnji rad

Cijeli je projekt prilično brzo izmijenjen pa ima puno prostora za poboljšanja, urezano kolo, bolje komponente. Idealno bi bilo da se cijela stvar utisne ili zalijepi na FR4, a ne na hrpu skakača. Kao što sam već rekao, ima mnogo stvari koje nisam spomenuo, ali ako želite nešto posebno, javite mi u komentarima, a ja ću ažurirati uputstva!

Ažurirano 18.12.2016

Sada sam dodao LCD zaslon veličine 16x2 koristeći I2C "ruksak" za praćenje prva četiri kanala, dodat ću još jedan za praćenje posljednja četiri kada stigne kroz post.

Zasluge

Ovaj su projekt omogućili svi autori knjižnica korištenih u mojoj Arduino skici, uključujući knjižnicu DS3231, knjižnicu Adafruit ADS1015 i knjižnicu Arduino SD