Датчики і мікроконтролери. Частина 3. Вимірюємо струм і напруга


Ми переходимо до завершальної частини оглядового циклу датчиків, в якій розглянемо датчики постійного і змінного струму і напруги. По всім іншим датчикам, які не потрапили в основну серію ми зробимо додаткові огляди коли вони раптом знадобляться в майбутніх статтях.
Ця стаття відкриває новий цикл матеріалів про вимірювання параметрів якості електроенергії, куди увійдуть питання підключення датчиків струму і напруги до мікроконтролеру, розгляд алгоритмів роботи аналізаторів якості електроенергії, зміст тих чи інших показників якості електроенергії і що вони означають. Крім того, ми торкнемося хвилює багатьох тему точності оцифровки і обробки даних, згадану в коментарях до першої частини статті.

Зміст

Частина 1. Мат. частина. В ній розглядається датчик, не прив'язаний до якогось конкретного вимірюваного параметру. Розглядаються статичні і динамічні характеристики датчика.
Частина 2. Датчики клімат-контролю. У ній розглядаються особливості роботи з датчиками температури, вологості, тиску та газового складу
Частина 3. Датчики електричних величин. В цій частині я розгляну датчики струму і напруги

УВАГА: Не вставляйте спиці в розеткуНе лізьте в мережу 220В без необхідних на те навичок!
Буває постійний струм, буває змінний. Буває все і відразу, що іноді приносить багато проблем. Але про це пізніше. Для початку, розберемося з термінологією.

Малюнок 1: напруга в ланцюгах змінного струму
При вимірюванні змінного струму ми маємо 4 різних величини, якими будемо керуватися при проведенні вимірювань. Всі наведені нижче формули та терміни застосовні і до вимірювача струму.
1. Миттєве значення напруги — це різниця потенціалів між двома точками. Виміряна в певний момент часу. Це значення є базовим у всіх інших обчисленнях. Фактично, наше завдання полягатиме в зчитуванні послідовного набору миттєвих значень напруги через рівні проміжки часу, щоб згодом з їх допомогою отримати якісь інші дані.
u = u(t) (1)
Вийде приблизно наступний графік:

Малюнок 2: Вимірювання серії миттєвих значень напруги
При виборі частоти опитування датчиків ми керуємося теоремою Котельникова-Шеннона, коли для того, щоб відновити сигнал з частотою f необхідно проводити зчитування з частотою Більше ніж 2f. Зазначу необхідність суворого нерівності, тобто якщо нам треба оцифрувати сигнал з частотою 50Гц, то зчитування необхідно проводити з частотою не менше 101 Гц. Але, ясна річ, чим більше тим краще.
Якщо згадати ГОСТ на показники якості електроенергії в розділ Гармонік, то там ми знайдемо, що цікавими для нашого вимірювання є гармоніки аж до 40, тобто до 2кГц. І мікросхеми лічильників електроенергії виробляють зчитування з частотою 4096 разів в секунду. Ступінь двійки обрана для того, щоб можна було застосовувати швидкі алгоритми перетворення Фур'є.
Маючи цей великий набір даних, зібраний за одиницю часу, наприклад, 1с переходимо до наступних:
2. Амплітудне значення напруги — яке визначається як максимальне за модулем значення з нашої вибірки:
(2)
де [u(t)] – масив з даними.
Для гармонійних коливань це значення використовується в наступній формулою:
(3)
3. Середнє значення напруги, тобто Середнє арифметичне, тобто постійна складова змінної напруги.
(4)
Де — період дискретизації аналогового сигналу. Я навмисно пишу суму замість інтеграла. До промислової мережі змінного струму середнє значення має бути одно нулю. Якщо ця умова не виконується, можуть бути певні проблеми, так як постійний струм подмагничивает трансформатори, вводячи їх в насичення, або підігріває живить лінію. Останнє речі може бути корисно для вирішення проблеми намерзлого льоду на проводах — провід підігрівають і лід відвалюється.
У слабкострумових аналогових ланцюгах постійна складова присутня часто-густо і може бути дуже корисна. А якщо вона нам буде заважати, то ми від неї швидко позбудемося, але про це пізніше.
4. Середньоквадратичне значення напруги. — відоме також як діюче значення напруги — на лінійній активної навантаженні воно здійснює ту ж саму роботу, що і постійне напруження аналогічного рівня. Визначається за такою формулою:
(5)
При вимірі напруги в розетці нас, як правило, цікавить саме це саме чинне напруга, яке становить 230/380В.
Амплітудне та діюче значення синусоїдальної напруги пов'язані між собою. Під час проектування вимірювальної системи нас буде цікавити в першу чергу саме амплітудне значення напруги і струму.
Під час вимірювань будемо керуватися одній з наступних схем:

Малюнок 3: Підключення вимірювальних приладів
Загадка для розуму — обидві схеми підключення правильні, але за жодних обставин важливо правильно вибрати одну з них? Відповіді в коментарях.

Датчики напруги

Насамперед проведемо вимірювання напруги. Все нижче сказане відноситься до напруги не менше напруги живлення АЦП нашого контролера. Таким чином, нам необхідно виміряти напругу з амплітудою більшою, ніж АЦП здатний прожувати. Отже, рівень напруги необхідно знизити — тобто зробити ослаблення сигналу.
Для малих напруг (наприклад, термоерс термопари з минулої статті) потрібна зворотна завдання — посилення сигналу. Це більш складне завдання і ми обов'язково до неї повернемося в наступних статтях.
Поставимо умову для розрахунку наших датчиків:
Вимірювана напруга: змінний, 0-1000В, частота 50/60Гц. Для трифазного напруги 380В амплітудне становить майже 600В, адже є мережі і на 660В. Так що хай буде. Насправді цей розрахунок я взяв зі своєї залізяки і переробляти його мені лінь.
Вихідна напруга ± 1,65 В — половина від напруги +3,3 В
Дільник напруги
Найпростішим способом буде дільник напруги.

Малюнок 4: Дільник напруги
Напруга на нашому вимірювальному приладі буде визначатися як вхідна напруга, помножене на коефіцієнт дільника:
(6)
При виборі опору резисторів необхідно визначитися з наступними вимогами:
1. Струм через ланцюг резисторів повинен бути на 1-2 порядки більше, ніж струм нашого вимірювального приладу для того, щоб цей струм не впливав на свідчення. Вимірювач має кінцеве значення опору і виходить, що до резистору R2 підключено ще один резистор. Ніж внутрішній опір більше, чим ближче загальний опір до опору R2. Опір внутрішніх ланцюгів АЦП ATmega, приміром, 100 МОм.
2. Потужність, що виділяється на нашому дільнику не повинна бути занадто великою
3. Прикладена вхідна напруга повинна бути менше напруги пробою резистора.
Нехай струм через наш делатель складе 1мА. Тоді загальний опір резисторів буде дорівнює:
(7)
Визначимо необхідний коефіцієнт передачі нашого дільника:
(8)
По ряду номіналів резисторів E24 виберемо найближчим значення, яке дає близько 1МОм:
R1 = 990 кОм (три резистори на 330 кОм)
тоді резистор R2 = K·R1 = 1,63 кОм
З ряду Е24 вибираємо другий резистор R2 = 1,6 кОм
Перевіримо коефіцієнт:
(9)
Похибка з раніше розрахунковим 2,3%, що нас цілком влаштує. Взагалі-то можна точно підібрати резистори з ряду Е192, але це не обов'язково.
Виглядати вимірювальна ланцюг буде наступним чином(шматок з робочої схеми):

Малюнок 5: Ланцюг вимірювача напруги
На базі ланцюжка R17-C22 зібраний фільтр низьких частот, щоб ніякі перешкоди нам не були страшні. Можемо до речі швиденько подивитися що робить цей фільтр:

Малюнок 6: Частотна характеристика фільтра
Як видно з графіка ЛАЧХ, для робочого діапазону частот від 0 до 2000Гц фільтр практично не псує амплітуду і фазу сигналу. А ось перешкоди на частотах порядку 100кГц і вище, що виходять від ВЧ перетворювачів, надійно давляться. Так що все супер.
Переваги:
  • широкий діапазон напруг і частот, що визначається номіналами резисторів;
  • висока точність, знову таки визначається точністю та термостабільність резисторів;
  • вимірює постійну і змінну напругу.
Недоліки:
  • відсутня гальванічна розв'язка — при взаємодії з промисловою мережею необхідно передбачити захист користувача від електричних ланцюгів, або використовувати гальванічну розв'язку;
  • низький ККД — весь струм дільника йде в тепло;
Трансформатор напруги

Малюнок 7: Трансформатор напруги
Для випадків, коли потрібно виміряти дуже високі напруги, 6/10кВ і вище, використовується трансформатор напруги Фактично, він являє собою звичайний трансформатор, основним режимом роботи якого є режим холостого ходу.
Клас точності такого трансформатора залежить від робочої ділянки характеристики намагнічування. Адже нам треба пропустити через нього не просто сигнал з певною амплітудою, але і не зіпсувати її форму. Тут якраз проблема — трансформатор практично не пропускає гармоніки зважаючи великих індуктивностей. Так що для вимірювання гармонійних спотворень більшість трансформаторів напруги не підійде.
Звичайний клас точності трансформатора — 0,5, 1, 3
Переваги:
  • величезний діапазон робочих напруг — до сотень кіловольт і вище;
  • така необхідна гальванічна розв'язка.
Недоліки:
  • працює на певній смузі частот;
  • працює тільки зі змінним напругою;
Останній недолік злегка надуманий, так як якщо треба, можна скористатися вимірювальним трансформатором постійного струму. Так, трансформатори постійного струму існують, але правильна назва пристрою — магнітний підсилювач. Точність і лінійність таких приладів залишає бажати кращого — робота відбувається на ділянці насичення сердечника підмагнічуванням.
Виглядає це ось так:

Малюнок 8: Вимірювання постійного струму за допомогою магнітного підсилювача
Почитати про це диво техніки можна тут: analogiu.ru/6/6-2-2.html
Якщо тема буде цікава, то запилю огляд цих старовинних регуляторів.
Електронний ізольований датчик
Недоліків і тієї й іншої схеми позбавлений електронний ізольований датчик. Фактично, він являє собою закінчений пристрій. Усередині якого є і дільник напруги, і операційні підсилювачі, і блок гальванічної розв'язки і схема автономного живлення всього цього неподобства.

Малюнок 9: Структурна схема електронного ізольованого датчика
Мені попадалися на очі тільки промислові датчики з виходом по напрузі 0-10В або по струму 0-10мА. На відміну від попередніх датчиків видає однополярний сигнал. В принципі, таку схему можна розробити самостійно.
Переваги:
гальванічна розв'язка;
висока точність;
широкий діапазон напруг і частот;
вимірює постійну і змінну напругу.

Недоліки:
дорого;
складна схемотехніка.

посилання
www.power-e.ua/2006_03_56.php
www.sensorica.ua/pdf/LEM.pdf
Вимірювачі электроэнергиии STMP32 www.compel.ru/lib/ne/2015/4/2-dlya-odnofaznyih-i-mnogofaznyih-schetchikov-novyie-izmeritelnyie-mikroshemyi-ot-st
ru.wikipedia.org/wiki/Электрическое_напряжение

Датчики струму

шунт Вимірювальний
Найпростіший і найточніший спосіб вимірювання струму. Як відомо, при протіканні струму через активний опір, на ньому відбувається падіння напруги, пропорційний вимірюваного струму. Відмінно, беремо резистор і поміщаємо його в розрив вимірюваної ланцюга:

Малюнок 10: Датчик струму струмовий шунт
Падіння напруги на шунті пропорційно пропускає струму:
(10)
Відповідно в залежності від необхідного напруги на виході датчика підбираємо потрібний опір шунта. Але! Падіння напруги на шунті призведе до втрат і тепла, відповідно при великих струмах ми змушені задовольнятися малими значеннями вхідної напруги, щоб обмежити втрати. Ось ці випускаються промисловістю хлопці забезпечують стандартне вихідна напруга в 75мВ:

Малюнок 11: Струмовий шунт типу ШСМ
На напругу в 75мВ відкалібровано більшість вимірювальних головок для шунтів. Зверніть увагу на другу пару гвинтів — вони призначені спеціально для підключення до вимірювального приладу для зниження втрат.
Для вимірювання струму за допомогою таких шунтів потрібно використовувати операційні підсилювачі. При цьому, середній коефіцієнт підсилення становить 20-40, що під силу широко-поширеним операційних підсилювачів. В принципі, такий можна зварганити на базі одного біполярного транзистора.
Отримаємо наступну схему:

Малюнок 12: Використання ОУ в якості підсилювача
Слід враховувати, що при вимірюванні змінного струму, вихідний сигнал буде біполярний і операційний підсилювач потрібно живити від двополярної джерела живлення.
Глянемо на всякий випадок, як працює наша схема:

Малюнок 13: Моделювання підсилювача датчика струму
На вхід подаємо 75мВ, множимо на 20, на виході маємо сигнал з амплітудою 1,5 для струму 10А. У наступному матеріалі ми розберемося чим поганий біполярний сигнал.
Переваги:
  • висока точність;
  • широкий діапазон напруг і частот;
  • вимірює постійний і змінний струм.
Недоліки:
  • гальванічна розв'язка відсутня;
  • низький ККД.
Вимірювальний трансформатор струму
Вимірювальний трансформатор струму являє собою трансформатор, первинна обмотка якого підключається до джерела струму, а вторинна замикається на вимірювальні прилади або пристрої захисної автоматики.
Трансформатори струму використовуються для вимірювання струмів в потужнострумових ланцюгах, я часто високим потенціалом. Наприклад, нам захотілося виміряти струм в мережі 10кВ. Або, ми хочемо отримати простий і дешевий спосіб гальванічної розв'язки вимірюваної ланцюга струму нашого пристрою на 220В. Основна проблема трансформаторів струму полягає в тому, що вони вміють вимірювати тільки змінну напругу.
Трансформатор струму завжди навантажується. Якщо вторинна обмотка трансформатора струму виявиться розімкнутої, то на ній виникне потенціал у пару тисяч кіловольт, який покалічить персонал і виведе з ладу прилад, пробивши його ізоляцію.
Трансформатори бувають з вбудованою первинною обмоткою. Наприклад такі:

Малюнок 14: Трансформатор струму серії CS2106L від Coilcraft
Або ось такі слоники, мають подібність первинної обмотки у вигляді величезної шини, або зовсім вікно для пропускання через нього дроти

Малюнок 15: Промисловий трансформатор струму на багато ампер
Основний недолік трансформатора струму — це робота тільки на певній частоті. Крок вліво-крок вправо — розстріл. Виною всьому металевий сердечник.
А от якщо ми його видалимо, то отримаємо повітряний трансформатор, або, т. зв. Котушку Роговського:

Малюнок 16: Схема підключення котушки роговського
На відміну від інших датчиків, які потребують взаємодії з вимірюваної ланцюгом, котушку роговського можна встановити поверх проводів вимірюваної ланцюга як поясок.
Деякі вимірювальні прилади комплектуються такими датчиками:

Малюнок 17: Датчик котушка роговського
Діапазон вимірюваних струмів — від десятків до тисяч ампер, але вони страждають від невисокої точності.
Переваги:
  • гальванічна розв'язка;
  • робота з великими струмами в тисячі Ампер;
Недоліки:
  • вимірює тільки змінний струм в певному діапазоні частот(крім котушки Роговського);
  • змінює фазу сигналу і вимагає компенсації
Датчики струму на ефекті Холу
Датчики цього типу використовують ефект виникнення різниці потенціалів при приміщенні провідника з струмом в магнітне поле.

Малюнок 18: Ефект Холла
При створенні датчика ми беремо магнітопровід, пропускаємо через нього провід вимірюваної ланцюга і в розріз магнітопровода поміщаємо датчик Холла, отримуючи датчик струму відкритого типу:

Малюнок 19: Датчик струму на ефекті Холу відкритого типу
Перевагою такого датчика є простота. Недоліком — наявність підмагнічування осердя, отже, підвищення нелінійності показань.
Додамо на сердечник обмотку і пустимо по ній струм, пропорційний вимірюваного струму:

Малюнок 20: Датчик струму на ефекті Холу компенсаційного типу
З нульовим підмагнічуванням сердечника ми підвищуємо лінійність датчика і його клас точності. Однак за своєю конструкцією такий датчик наближається до трансформаторів струму, відповідно його вартість підвищується в рази.
Як і трансформатори, бувають різновиди датчиків, що дозволяють пропустити через себе силовий провід:

Малюнок 22: Датчик струму на ефекті Холу
Існують датчики з поділяється серцевиною — проте їх вартість просто зашкалює.
Датчики з інтегрованою силовий ланцюгом на базі ефекту Холла з гальванічною розв'язкою 2,1 кВ і 3кВ випускаються компанією Allegro. Зважаючи своїх малих розмірів вони не забезпечують високої точності, але зате компактні і прості у використанні.

Малюнок 23: датчик струму Allegro ACS754
  • Датчик ACS712 – вимірювання постійного і змінного струму до 30А з точністю ± 1,5%
  • Датчик ACS713 – оптимізований для вимірювання постійного струму до 30А. Має вдвічі більшу чутливість, ніж його універсальний побратим.
  • Датчик ACS754 – вимірювання постійного і змінного струму до 200А з точністю ± 1,5%
  • Датчик ACS755 – оптимізований для вимірювання постійного струму.
  • Датчик ACS756 – датчик для вимірювання постійного і змінного струму до 100А з напругою живлення 3-5В.

Малюнок 24: Залежність вихідного напруги датчика від струму
Переваги:
  • широкий діапазон вимірюваних струмів з частотою до 50-100кГц і вище;
  • вимірює постійний і змінний струм.
  • гальванічна розв'язка
Недоліки:
  • Дорого
посилання:
Вимірювальні трансформатори постійного струму analogiu.ru/6/6-2-2.html
Котушки Роговського www.russianelectronics.ua/leader-r/review/2193/doc/54046
Ефект Холла в вікіпедії: ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
Датчики Холу robocraft.ru/blog/electronics/594.html
Данилов А. Сучасні промислові датчики струму www.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf
Проектування схем на базі аналогового підсилювача HCPL-7851 www.kit-e.ua/assets/files/pdf/2010_04_26.pdf

Висновок



Я поставив перед собою завдання зробити оглядовий матеріал по датчикам, найбільш часто використовуваним співтовариством при розробці різних пристроїв. Більшість датчиків не увійшли в цикл лише з тієї причини, що в найближчому майбутньому для моїх матеріалів вони не знадобляться, але деякі з них в планах. Обов'язково зроблю окремий матеріал з датчиками прискорення, кутових швидкостей, компасом і прикладами, так що стежте за новими статтями!

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.