Registrador de dades de control de corrent altern: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Hola a tothom, benvinguts al meu primer instructiu! De dia sóc enginyer de proves per a una empresa que subministra equips de calefacció industrial, de nit sóc un àvid aficionat a la tecnologia i bricolatge. Part del meu treball consisteix a provar el rendiment dels escalfadors, en aquesta ocasió volia poder controlar el consum actual de 8 dispositius RMS durant 1000 hores i registrar les dades per representar gràficament els resultats més endavant. Tinc accés a un registrador de dades, però ja estava compromès amb un altre projecte i necessitava un cost baix, així que vaig decidir agafar aquest datalogger bàsic.

El projecte utilitza un Arduino Uno per llegir els sensors analògics mitjançant convertidor analògic a digital (ADC) i registra les dades amb una marca de temps en una targeta SD. Hi ha molta teoria i càlcul implicats en el disseny dels circuits, així que en lloc d’explicar-ho absolutament tot, només us mostraré com fer-ho. Si esteu interessat en veure l’èxit FULL, feu-m’ho saber als comentaris i us explicaré més.

NOTA:

He tingut moltes preguntes sobre els càlculs True RMS. Aquest dispositiu utilitza un rectificador de mitja ona per capturar el pic de l'ona, que després es pot multiplicar per 0,707 per donar RMS. En conseqüència, només donarà un resultat precís amb càrregues lineals (és a dir, el corrent que es mesura és una ona sinusoïdal pura). Els subministraments o càrregues no lineals que donin formes d’ona triangulars, rectangulars o qualsevol altra forma no sinusal no donaran un veritable càlcul de RMS. Aquest dispositiu mesura el corrent altern només que no està dissenyat per mesurar la tensió, ja que no calcula ni mesura el factor de potència. Consulteu la meva altra instrucció sobre com crear un mesurador del factor de potència que es pugui fer per fer-ho. Molta gent també ha dit que un acoblament de corrent altern amb una línia central de 2,5 V és millor, però això comporta complicacions ja que implica tenir una freqüència de mostreig digital suficientment ràpida, una mitjana sòlida / suavitzat de dades, etc. i la incertesa que introdueix és molt més gran que la mesura el valor en brut. Personalment, prefereixo solucions de maquinari i un codi més senzill sempre que sigui possible, de manera que no m’interessa aquest mètode. Exactament, crec que és molt millor que aquest últim i veureu més endavant en els meus resultats que hi ha un coeficient de regressió proper a 1,0 després del calibratge.

Pas 1: Transformadors de corrent

Aquest projecte utilitza el transformador de corrent HMCT103C 5A / 5MA. Té una relació de 1: 1000 voltes, és a dir, per cada 5A de corrent que circula pel conductor, 5mA passaran pel CT. Cal connectar una resistència a través dels dos terminals del CT per permetre mesurar una tensió. En aquesta ocasió he utilitzat una resistència de 220 Ohm, per tant, utilitzant la llei d'Ohm V = IR, la sortida del CT serà d'1,1 volts CA, per cada 5mA de corrent CT (o cada 5A de corrent mesurat). Els CT es van soldar per retirar taulers amb la resistència i algun cable d’instrument per fer cables voladors. Vaig finalitzar els cables amb endolls de presa d’àudio masculins de 3,5 mm.

Aquí teniu el full de dades del transformador actual

Fitxa de dades

Pas 2: condicionament del senyal

El senyal del CT serà feble, de manera que cal amplificar-lo. Per a això vaig soldar junts un senzill circuit d'amplificador amb un amplificador operatiu dual rail uA741. En aquest cas, el guany s'estableix en 150 mitjançant la fórmula Rf / Rin (150k / 1k). Tanmateix, el senyal de sortida de l'amplificador continua sent CA, el díode de la sortida de l'amplificador operacional talla el mig cicle negatiu de la CA i passa la tensió positiva a un condensador de 0,1 uF per suavitzar l'ona en un senyal de corrent continu. A continuació es mostren les parts que componen el circuit:

• V1: això és arbitrari en aquest diagrama, simplement representa la tensió del senyal que s’alimenta a l’entrada no inversora de l’ampli operatiu.
• R1: es coneix com a resistència de retroalimentació (Rf) i està configurat a 150k
• R2: es coneix com a resistència d’entrada (Rin) i s’estableix en 1k
• 741 - Aquest és el circuit integrat uA741
• VCC - Carril d'alimentació positiu + 12V
• VEE: ferrocarril de subministrament negatiu -12V
• D1 - El diode de senyal 1N4001 és una rectificació de l'ona haf?
• C3: aquest capactor manté el senyal de CC durant un temps determinat

A la imatge 2 es pot veure que es va muntar amb Veroboard i filferro de coure estanyat. Es van perforar 4 forats per a separadors de PCB perquè es poguessin apilar (perquè hi ha vuit canals, hi ha d'haver vuit circuits d'amplificador en total.

Pas 3: font d'alimentació

Si no us ve de gust fer-ho des de zero, podeu comprar la placa pre-muntada de la Xina com la de la imatge anterior, però encara necessitareu el transformador de 3VA (baixeu de 240V a 12V). El de la imatge em va costar aproximadament 2,50 lliures esterlines

Per alimentar el projecte, vaig decidir fabricar la meva pròpia font d'alimentació de 12VDC de doble carril. Això era convenient, ja que els amplificadors operatius requereixen + 12V, 0V, -12V i l’Arduino Uno pot acceptar qualsevol subministrament de fins a 14 VDC. A continuació es mostren les parts que componen el circuit:

• V1: representa el subministrament de la presa de corrent 240V 50Hz
• T1: es tracta d’un petit transformador de 3VA que tenia estirat. És important que el transformador tingui un toc central a la secundària que estarà connectat a 0V, és a dir, a terra
• D1 a D4: es tracta d’un rectificador de pont d’ona completa que utilitza díodes 1N4007
• C1 i C2: condensadors electrolítics de 35V 2200uF (ha de ser de 35V ja que el potencial entre positiu i negatiu arribarà a 30V)
• U2 - LM7812, és un regulador de tensió positiu de 12V
• U3 - LM7912, és un regulador de voltatge negatiu de 12V (tingueu en compte les diferències de pin entre el 78xx i el 79xx IC!)
• C3 i C4 - 100nF Condensadors suavitzants de 25V electrolítics
• C5 i C6 - Condensadors de disc ceràmic de 10uF

Vaig soldar els components sobre un tauler de fusta i vaig unir les pistes verticals amb filferro de coure estanyat d’un sol nucli. La imatge 3 mostra la meva font d’alimentació de bricolatge, ho sento, hi ha molts ponts a la foto.

Pas 4: convertidors analògics a digitals

L'Arduino Uno ja té un ADC de 10 bits integrat, però només hi ha 6 entrades analògiques. Per tant, vaig optar per utilitzar dos brots ADC amb l'ADS1115 de 16 bits. Això permet que 2 ^ 15 = 32767 bits representin nivells de tensió de 0-4,096V (4,096V és el voltatge de funcionament de la ruptura), això significa que cada bit representa 0,000125V. A més, com que utilitza el bus I2C, significa que es poden dirigir fins a 4 ADC, cosa que permet controlar fins a 16 canals si es desitja.

He intentat il·lustrar les connexions mitjançant Fritzing, però, a causa de les limitacions, no hi ha parts personalitzades per il·lustrar un generador de senyals. El cable morat està connectat a la sortida del circuit amplificador, el fil negre que hi ha al costat il·lustra que tots els circuits amplificadors han de compartir terra comuna. Per tant, he utilitzat un tauler d’expressió per il·lustrar com he aconseguit els punts d’empat. Tanmateix, el meu projecte real té els brots asseguts en capçaleres femenines, soldats a Veroboard, i tots els punts d'empat es solden al veroboard.

Pas 5: Microcontrolador

Com es va esmentar anteriorment, el controlador que vaig escollir era un Arduino Uno, va ser una bona opció, ja que té una gran quantitat de funcions incorporades i incorporades que, en cas contrari, haurien de ser construïdes de forma independent. A més, és compatible amb molts "escuts" especialment construïts. En aquesta ocasió, he necessitat un rellotge en temps real per marcar tots els resultats i que un gravador de targetes SD enregistri els resultats en un fitxer.csv o.txt. Per sort, l'escut de registre de dades Arduino té tots dos en un escut que s'adapta a la placa Arduino original sense soldadura addicional. El blindatge és compatible amb les biblioteques de targetes RTClib i SD, de manera que no cal cap codi especialitzat.

Pas 6: Muntatge

He utilitzat PVC de 5 mm de densitat mitjana / baixa (de vegades conegut com foamboard) per cargolar la majoria dels meus components i tallar-los a una mida convenient amb un ganivet artesanal. Tots els components es van construir de manera modular per al prototip ja que permet eliminar les peces individuals si les coses van malament, però no és tan eficient ni ordenat com un PCB gravat (treball posterior), això també significa una gran quantitat de cables de pont entre els components.

Pas 7: càrrega de codi

Pengeu el codi a Arduino o obteniu el codi de la meva reposició de Github

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

Pas 8: calibració

Teòricament, el corrent mesurat serà el resultat de diverses coses combinades:

Amplificadors mesurats = (((a * 0,45) / 150) / (1,1 / 5000)) / 1000 on 'a' és la tensió del senyal de l'amplificador

0,45 és el valor eficaç del Vout del circuit amplificador, 150 és el guany de l'amplificador operacional (Rf / Rin = 150k / 1k), 1,1 és la sortida de tensió a escala completa del CT quan els amperes mesurats són 5A, 5000 són simplement 5A en mA, i 1000 és la quantitat de voltes del transformador. Això es pot simplificar per:

Ampers mesurats = (b * 9.216) / 5406555 on b és el valor reportat per ADC

Aquesta fórmula es va provar utilitzant l'ADC de 10 bits d'Arduino i es va observar una diferència entre els valors del multímetre i els valors generats per Arduino en un 11%, la qual cosa suposa una desviació inacceptable. El meu mètode preferit per al calibratge és registrar el valor ADC vs Corrent en un multímetre en un full de càlcul i representar un polinomi de tercer ordre. A partir d'això, es pot utilitzar la fórmula cúbica per obtenir millors resultats en calcular el corrent mesurat:

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

Els coeficients a, b, c i d es calculen en excel a partir d’una simple taula de dades, x és el vostre valor ADC.

Per obtenir les dades, he utilitzat una resistència variable 1k de ceràmica (reòstat) i un transformador de 12v per reduir la tensió de corrent altern de 240V, cosa que em generarà una font de corrent variable de 13mA a 100mA. Com més punts de dades es recopilin millor, no obstant això, suggeriria recopilar 10 punts de dades per obtenir una tendència precisa. La plantilla Excel adjunta calcularà els vostres coeficients, només és qüestió d’introduir-los al codi arduino

A la línia 69 del codi veureu on introduir els coeficients

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

que és la mateixa que la fórmula del full 1 del fitxer excel:

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

On x = adc0 del canal que vulgueu calibrar

Pas 9: finalitzeu

Poseu-lo en un recinte del projecte. Vaig acabar la font d'alimentació amb un interruptor alternatiu per encendre / apagar tot el subministrament i un connector IEC "figura 8" per a l'entrada de xarxa. Cargoleu-ho tot i estigueu a punt per provar-ho.

Treballs posteriors

Tot el projecte es va burlar bastant ràpidament, de manera que hi ha molt marge de millora, circuit gravat, millors components. L’ideal seria que tot quedés gravat o soldat a FR4 en lloc de muntar de ponts. Com he dit anteriorment, hi ha un munt de coses que no he esmentat, però si hi ha alguna cosa específica que voldríeu saber, feu-m'ho saber als comentaris i actualitzaré l'instrucable.

Actualització 2016-12-18

Ara he afegit una pantalla LCD de 16x2 amb la "motxilla" I2C per supervisar els primers quatre canals, i n'afegiré una altra per controlar els darrers quatre quan arribi a través del correu.

Crèdits

Aquest projecte va ser possible gràcies a tots els autors de les biblioteques utilitzades en el meu esbós Arduino, inclosa la biblioteca DS3231, la biblioteca Adafruit ADS1015 i la biblioteca Arduino SD.