Záznamník dat monitorování střídavého proudu: 9 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Ahoj všichni, vítejte u mého prvního pokynu! Přes den jsem testovací inženýr pro společnost dodávající průmyslová topná zařízení, v noci jsem vášnivý technologický fanda a kutil. Část mé práce zahrnuje testování výkonu ohřívačů, při této příležitosti jsem chtěl mít možnost sledovat aktuální odběr RMS 8 zařízení po dobu 1000 hodin a zaznamenávat data a později graficky znázornit výsledky. Mám přístup k záznamníku dat, ale ten už byl zapojen do jiného projektu a potřeboval jsem něco s nízkými náklady, a tak jsem se rozhodl dát dohromady tento základní datalogger.

Projekt využívá Arduino Uno ke čtení analogových senzorů pomocí analogového převodníku (ADC) a zaznamenává data s časovým razítkem na SD kartu. Při navrhování obvodů je zahrnuto mnoho teorie a výpočtu, takže místo abych vysvětlil úplně všechno, ukážu vám, jak to udělat. Pokud máte zájem vidět FULL hit, dejte mi vědět v komentářích a vysvětlím dále.

POZNÁMKA:

Měl jsem spoustu otázek ohledně výpočtů True RMS. Toto zařízení používá poloviční usměrňovač k zachycení vrcholu vlny, který pak může být vynásoben 0,707, čímž se získá RMS. Následně poskytne pouze přesný výsledek s lineárním zatížením (tj. Měřený proud je čistá sinusová vlna). Nelineární dodávky nebo zátěže, které poskytují trojúhelníkové, obdélníkové nebo jiné nesinusové průběhy, neposkytnou skutečný výpočet efektivní hodnoty. Toto zařízení měří pouze střídavý proud, není určeno k měření napětí, následně nevypočítává ani neměří účiník. Podívejte se prosím na můj další návod, jak vytvořit měřič účiníku, který lze k tomu použít. Mnoho lidí také uvedlo, že lepší je přímá střídavá vazba se středovou osou 2,5 V, což však přináší komplikace, protože zahrnuje dostatečně rychlou digitální vzorkovací frekvenci, robustní průměrování/vyhlazování dat atd. A nejistota, kterou tato metoda přináší, je mnohem vyšší než měření surovou hodnotu. Osobně preferuji hardwarová řešení a jednodušší kód, kde je to možné, takže mě tato metoda nezajímá. Přesnost věřím, že je to mnohem lepší než to druhé, a později uvidíte v mých výsledcích, že po kalibraci je regresní koeficient blízký 1,0.

Krok 1: Proudové transformátory

Tento projekt používá proudový transformátor HMCT103C 5A/5MA. Má poměr otáček 1: 1000, což znamená, že každých 5 A proudu protékajícího vodičem bude 5 mA protékat CT. Přes dva svorky CT musí být připojen odpor, aby bylo možné na něm měřit napětí. Při této příležitosti jsem použil rezistor 220 Ohm, takže při použití Ohmova zákona V = IR bude výstup CT 1,1 V AC, na každých 5 mA proudu CT (nebo každých 5 A měřeného proudu). CT byly připájeny na pásovou desku s odporem a nějakým nástrojovým drátem, aby se vytvořily létající vodiče. Vývody jsem zakončil zástrčkami 3,5 mm audio jacku.

Zde je datový list aktuálního transformátoru

Datový list

Krok 2: Kondicionování signálu

Signál z CT bude slabý, takže je třeba jej zesílit. Za tímto účelem jsem spojil jednoduchý zesilovací obvod pomocí dvojitého kolejového operačního zesilovače uA741. V tomto případě je tedy zisk nastaven na 150 pomocí vzorce Rf / Rin (150k / 1k). Nicméně výstupní signál ze zesilovače je stále AC, dioda na výstupu operačního zesilovače přeruší záporný poloviční cyklus střídavého proudu a přenese kladné napětí na kondenzátor 0,1 uF, aby vyhladila vlnu do zvlněného stejnosměrného signálu. Níže jsou uvedeny části, které tvoří obvod:

• V1-Toto je v tomto diagramu libovolné, jednoduše představuje signální napětí, které je přiváděno do neinvertujícího vstupu operačního zesilovače.
• R1 - Toto je známé jako odpor zpětné vazby (Rf) a je nastaveno na 150 k
• R2 - Toto je známé jako vstupní odpor (Rin) a je nastaveno na 1 k
• 741 - Toto je integrovaný obvod uA741
• VCC - kladná napájecí lišta +12V
• VEE - Záporná napájecí lišta -12V
• D1 - Je dioda usměrňovací vlny haf vlny 1N4001
• C3 - Tento kondenzátor udržuje DC signál po nastavenou dobu

Na obrázku 2 vidíte, že byl sestaven pomocí Veroboard a pocínovaného měděného drátu. Byly vyvrtány 4 otvory pro stojany desek plošných spojů, aby je bylo možné stohovat (protože existuje osm kanálů, musí být celkem osm obvodů zesilovače.

Krok 3: Napájení

Pokud vás nebaví vyrábět od nuly, můžete si koupit desku předem sestavenou z Číny jako na obrázku výše, ale stále budete potřebovat transformátor 3VA (snižte napětí 240 V na 12 V). Ten na obrázku mě stál kolem 2,50 libry

Pro napájení projektu jsem se rozhodl vytvořit vlastní dvoukolejný napájecí zdroj 12 V DC. To bylo výhodné, protože operační zesilovače vyžadují +12V, 0V, -12V a Arduino Uno může přijímat jakékoli napájení až do 14 VDC. Níže jsou uvedeny části, které tvoří obvod:

• V1 - Toto představuje napájení ze zásuvky 240 V 50 Hz
• T1 - Toto je malý 3VA transformátor, o kterém jsem ležel. Je důležité, aby transformátor měl centrální odbočku na sekundární, která bude připojena k 0V, tj. Zemi
• D1 až D4 - Jedná se o usměrňovač s plným vlnovým můstkem využívající diody 1N4007
• C1 & C2 - 35V elektrolytické kondenzátory 2200uF (musí být 35V, protože potenciál mezi kladným a záporným dosáhne 30V)
• U2 - LM7812, je 12V pozitivní regulátor napětí
• U3 - LM7912, je regulátor záporného napětí 12V (pozor na rozdíly v pinech mezi integrovanými obvody 78xx a 79xx!)
• C3 a C4 - 100nF Vyhlazovací kondenzátory 25V elektrolytické
• Keramické diskové kondenzátory C5 a C6 - 10uF

Připájel jsem součásti na pásovou desku a svislé dráhy spojil holým jednožilovým pocínovaným měděným drátem. Obrázek 3 výše ukazuje můj DIY napájecí zdroj, omlouvám se, že na fotce je spousta propojek!

Krok 4: Analogově digitální převodníky

Arduino Uno již má vestavěný 10bitový ADC, existuje však pouze 6 analogových vstupů. Proto jsem se rozhodl použít dva ADC breakouty s ADS1115 16-bit. To umožňuje 2^15 = 32767 bitů reprezentovat úrovně napětí od 0-4,096V (4,096V je provozní napětí breakoutu), to znamená, že každý bit představuje 0,000125V! Protože také používá sběrnici I2C, znamená to, že lze adresovat až 4 ADC, což v případě potřeby umožňuje sledovat až 16 kanálů.

Pokusil jsem se ilustrovat připojení pomocí Fritzing, ale vzhledem k omezením neexistují žádné vlastní části pro ilustraci generátoru signálu. Fialový vodič je připojen k výstupu obvodu zesilovače, černý vodič vedle něj ukazuje, že všechny obvody zesilovače musí sdílet společnou zem. Použil jsem tedy prkénko pro ilustraci, jak jsem vytvořil tie tie. Nicméně můj skutečný projekt má výpadky sedící v ženských hlavičkách, připájené k Veroboardu a všechny spojovací body jsou připájeny na veroboard.

Krok 5: Mikrokontrolér

Jak již bylo uvedeno výše, ovladač, který jsem vybral, byl Arduino Uno, byla to dobrá volba, protože má spoustu integrovaných funkcí a vestavěných funkcí, které by jinak bylo nutné stavět samostatně. Navíc je kompatibilní s mnoha speciálně vytvořenými „štíty“. Při této příležitosti jsem potřeboval hodiny v reálném čase k časovému označení všech výsledků a zapisovač SD karet k zaznamenání výsledků do souboru.csv nebo.txt. Naštěstí má štít pro protokolování dat Arduino oba ve štítu, který se hodí na původní desku Arduino bez dalšího pájení. Štít je kompatibilní s knihovnami karet RTClib a SD, takže není potřeba žádný speciální kód.

Krok 6: Sestavení

Použil jsem 5 mm ridgid střední/nízké hustoty PVC (někdy známé jako pěnová deska), abych zašrouboval většinu svých komponent a rozřezal je na vhodnou velikost pomocí řemeslného nože. Všechny komponenty byly pro prototyp postaveny modulárním způsobem, protože umožňují odstranění jednotlivých částí, pokud se něco pokazí, ale není to tak efektivní ani uklizené jako leptaná deska plošných spojů (další práce), což také znamená spoustu propojovacích vodičů mezi součásti.

Krok 7: Nahrání kódu

Nahrajte kód do Arduina nebo získejte kód z mého úložiště Github

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

Krok 8: Kalibrace

Teoreticky bude měřený proud výsledkem několika věcí dohromady:

Naměřené ampéry = ((((a *0,45)/150)/(1,1/5000))/1000, kde 'a' je signální napětí ze zesilovače

0,45 je efektivní hodnota Vout obvodu zesilovače, 150 je zisk operačního zesilovače (Rf / Rin = 150k / 1k), 1,1 je napěťový výstup CT v plném rozsahu, když je měřený zesilovač 5A, 5000 je jednoduše 5A v mA a 1000 je množství závitů v transformátoru. To lze zjednodušit na:

Naměřené ampéry = (b * 9,216) / 5406555, kde b je hodnota hlášená ADC

Tento vzorec byl testován pomocí 10bitového ADC Arduino a rozdíl mezi hodnotami multimetru a hodnotami generovanými Arduino byl pozorován o 11%, což je nepřijatelná odchylka. Moje preferovaná metoda kalibrace je zaznamenat hodnotu ADC vs proud na multimetr do tabulky a vykreslit polynom třetího řádu. Z toho lze kubický vzorec použít k získání lepších výsledků při výpočtu měřeného proudu:

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

Koeficienty a, b, c a d se v Excelu počítají z jednoduché datové tabulky, x je vaše hodnota ADC.

K získání dat jsem použil keramický 1k proměnný odpor (reostat) a 12v transformátor, abych snížil střídavé napětí v síti z 240 V, což mi dalo generovat zdroj proměnného proudu od 13 mA do 100 mA. Čím více datových bodů nasbíráte, tím lépe, nicméně doporučuji shromáždit 10 datových bodů, abyste získali přesný trend. Přiložená šablona Excelu vám vypočítá koeficienty, pak už stačí jen zadat je do arduino kódu

Na řádku 69 kódu uvidíte, kam zadat koeficienty

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

což je stejné jako vzorec v listu1 souboru aplikace Excel:

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

Kde x = adc0 jakéhokoli kanálu, který kalibrujete

Krok 9: Dokončete

Vložte jej do projektové přílohy. Napájení jsem dokončil přepínacím spínačem, který celou věc zapne/vypne na napájecím zdroji, a konektorem IEC „obrázek 8“pro síťový vstup. Zašroubujte to všechno dohromady a jste připraveni to vyzkoušet.

Další práce

Celý projekt byl zesměšněn poměrně rychle, takže je zde velký prostor pro zlepšení, leptaný obvod, lepší komponenty. V ideálním případě by celá věc byla vyleptána nebo připájena na FR4 spíše než na spoustu propojek. Jak jsem již řekl, existuje spousta věcí, které jsem nezmínil, ale pokud je něco konkrétního, co byste chtěli vědět, dejte mi vědět v komentářích a já aktualizuji instrukční!

Aktualizace 2016-12-18

Nyní jsem přidal 16x2 LCD pomocí „batohu“I2C ke sledování prvních čtyř kanálů, přidám další, abych monitoroval poslední čtyři, když dorazí skrz sloupek.

Kredity

Tento projekt umožnili všichni autoři knihoven použitých v mém náčrtu Arduino včetně knihovny DS3231, knihovny Adafruit ADS1015 a knihovny Arduino SD