Registrador de dados de monitoramento de corrente AC: 9 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Olá a todos, bem-vindos ao meu primeiro instrutível! De dia, sou engenheiro de teste para uma empresa que fornece equipamentos de aquecimento industrial; à noite, sou um entusiasta de tecnologia e DIY'er. Parte do meu trabalho envolve testar o desempenho de aquecedores. Nesta ocasião, eu queria ser capaz de monitorar o consumo de corrente RMS de 8 dispositivos ao longo de 1000 horas e registrar os dados para representar os resultados posteriormente. Eu tenho acesso a um data logger, mas ele já estava comprometido com outro projeto e eu precisava de algo de baixo custo, então decidi remendar este datalogger básico.

O projeto usa um Arduino Uno para ler sensores analógicos via conversor analógico para digital (ADC) e grava os dados com um carimbo de data / hora em um cartão SD. Há muita teoria e cálculo envolvidos no projeto dos circuitos, então, em vez de explicar absolutamente tudo, vou apenas mostrar a você como fazê-lo. Se você está interessado em ver o hit COMPLETO, deixe-me saber nos comentários e irei explicar melhor.

NOTA:

Eu tive muitas perguntas sobre cálculos True RMS. Este dispositivo usa um retificador de meia onda para capturar o pico da onda, que pode então ser multiplicado por 0,707 para dar RMS. Conseqüentemente, ele só dará um resultado preciso com cargas lineares (ou seja, a corrente que está sendo medida é uma onda senoidal pura). Fontes ou cargas não lineares que fornecem formas de onda triangulares, retangulares ou quaisquer outras formas de onda não sinusais não fornecerão um cálculo RMS verdadeiro. Este dispositivo mede a corrente AC apenas, não foi projetado para medir tensão, conseqüentemente não calcula ou mede o fator de potência. Por favor, veja meu outro instrutível sobre como criar um medidor de fator de potência que pode ser usado para fazer isso. Muitas pessoas também disseram que um acoplamento CA direto com uma linha central de 2,5 V é melhor, no entanto, isso apresenta complicações, pois envolve uma taxa de amostragem digital suficientemente rápida, média robusta / suavização de dados, etc. e a incerteza que isso introduz é muito maior do que a medição o valor bruto. Pessoalmente, prefiro soluções de hardware e código mais simples sempre que possível, então não estou interessado nesse método. Em termos de precisão, acredito que isso seja muito melhor do que o último e você verá mais tarde em meus resultados que há um coeficiente de regressão próximo a 1,0 após a calibração.

Etapa 1: transformadores de corrente

Este projeto usa o transformador de corrente HMCT103C 5A / 5MA. Ele tem uma relação de 1: 1000 espiras, o que significa que para cada 5 A de corrente fluindo pelo condutor, 5 mA fluirão pelo TC. Um resistor precisa ser conectado aos dois terminais do TC para permitir que uma tensão seja medida através dele. Nesta ocasião usei um resistor de 220 Ohm, portanto, usando a lei de Ohm V = IR, a saída do TC será 1,1 Volts AC, para cada 5mA de corrente do TC (ou a cada 5A de corrente medida). Os TCs foram soldados a uma placa de tiras com o resistor e alguns fios de instrumento para fazer fios soltos. Eu terminei os cabos com plugues de áudio macho de 3,5 mm.

Aqui está a ficha técnica do transformador de corrente

Ficha de dados

Etapa 2: Condicionamento de Sinal

O sinal do CT será fraco, portanto, precisa ser amplificado. Para isso, soldei um circuito amplificador simples usando um amplificador operacional dual rail uA741. Nesse caso, o ganho é, portanto, definido como 150 usando a fórmula Rf / Rin (150k / 1k). No entanto, o sinal de saída do amplificador ainda é AC, o diodo na saída do op-amp corta o meio ciclo negativo do AC e passa a tensão positiva para um capacitor de 0,1uF para suavizar a onda em um sinal DC ondulado. Abaixo estão as peças que compõem o circuito:

• V1 - Isso é arbitrário neste diagrama, ele simplesmente representa a tensão do sinal que é alimentada na entrada não inversora do amplificador operacional.
• R1 - Isso é conhecido como o resistor de feedback (Rf) e é definido como 150k
• R2 - Isso é conhecido como o resistor de entrada (Rin) e é definido como 1k
• 741 - Este é o circuito integrado uA741
• VCC - Trilho de alimentação positivo + 12V
• VEE - Trilho de alimentação negativo -12V
• D1 - É o diodo do sinal de retificação de onda haf 1N4001
• C3 - Este capator mantém o sinal DC por um tempo definido

Na foto 2 você pode ver que foi montado em Veroboard e fio de cobre estanhado. 4 orifícios foram perfurados para espaçadores de PCB para que pudessem ser empilhados (porque há oito canais, é necessário haver oito circuitos de amplificador no total.

Etapa 3: Fonte de alimentação

Se você não quiser fazer do zero, pode comprar a placa pré-montada da China como a da foto acima, mas ainda precisará do transformador 3VA (reduza 240V para 12V). O da foto me custou cerca de £ 2,50

Para alimentar o projeto, decidi fazer minha própria fonte de alimentação de 12 VCC com barramento duplo. Isso foi conveniente porque os amplificadores operacionais requerem + 12V, 0V, -12V e o Arduino Uno pode aceitar qualquer fonte de até 14 VCC. Abaixo estão as peças que compõem o circuito:

• V1 - Representa a alimentação da tomada elétrica 240V 50Hz
• T1 - Este é um pequeno transformador 3VA que eu estava mentindo. É importante que o transformador tenha uma derivação central no secundário que será conectada a 0V, ou seja, aterramento
• D1 a D4 - Este é um retificador de ponte de onda completa usando diodos 1N4007
• C1 e C2 - capacitores eletrolíticos de 35V 2200uF (deve ser 35V, pois o potencial entre positivo e negativo alcançará 30V)
• U2 - LM7812, é um regulador de tensão positiva de 12 V
• U3 - LM7912, é um regulador de tensão negativa de 12 V (tome cuidado para observar as diferenças de pino entre o IC 78xx e 79xx!)
• C3 e C4 - capacitores de suavização 100nF eletrolíticos de 25V
• C5 e C6 - capacitores de disco de cerâmica de 10uF

Soldei os componentes em stripboard e juntei as trilhas verticais com fio de cobre estanhado de núcleo único. A foto 3 acima mostra minha fonte de alimentação DIY, desculpe, há muitos jumpers na foto!

Etapa 4: conversores analógico para digital

O Arduino Uno já possui um ADC embutido de 10 bits, no entanto, existem apenas 6 entradas analógicas. Portanto, optei por usar dois breakouts ADC com o ADS1115 de 16 bits. Isso permite que 2 ^ 15 = 32767 bits representem níveis de tensão de 0 a 4,096 V (4,096 V é a tensão de operação do breakout), o que significa que cada bit representa 0,000125 V! Além disso, por usar o barramento I2C, isso significa que até 4 ADCs podem ser endereçados, permitindo que até 16 canais sejam monitorados, se desejado.

Tentei ilustrar as conexões usando o Fritzing, no entanto, devido às limitações, não há peças personalizadas para ilustrar um Gerador de Sinal. O fio roxo é conectado à saída do circuito do amplificador, o fio preto próximo a ele ilustra que todos os circuitos do amplificador devem compartilhar um aterramento comum. Usei uma placa de ensaio para ilustrar como fiz os pontos de empate. No entanto, meu projeto real tem os breakouts localizados em cabeçalhos femininos, soldados ao Veroboard, e todos os pontos de amarração são soldados ao veroboard.

Etapa 5: Microcontrolador

Como mencionei acima, o controlador que escolhi foi um Arduino Uno, essa foi uma boa escolha, pois tem muitas funcionalidades integradas e integradas que, de outra forma, precisariam ser construídas separadamente. Além disso, é compatível com muitos 'escudos' especialmente construídos. Nesta ocasião, solicitei um relógio em tempo real para registrar a data e hora de todos os resultados e um gravador de cartão SD para registrar os resultados em um arquivo.csv ou.txt. Felizmente, o escudo de registro de dados do Arduino tem ambos em um escudo que se encaixa na placa Arduino original sem solda adicional. O escudo é compatível com as bibliotecas de cartões RTClib e SD, portanto, não há necessidade de nenhum código especializado.

Etapa 6: Montagem

Usei PVC de densidade média / baixa 5mm ridgid (às vezes conhecido como foamboard) para aparafusar a maioria dos meus componentes e cortá-los em um tamanho conveniente com uma faca artesanal. Todos os componentes foram construídos de forma modular para o protótipo, pois permite a remoção de peças individuais se as coisas derem errado, no entanto, não é tão eficiente ou organizado como um PCB gravado (trabalho posterior), isso também significa muitos fios de ligação entre os componentes.

Etapa 7: Carregando o código

Faça upload do código para o Arduino ou obtenha o código do meu repositório Github

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

Etapa 8: Calibração

Teoricamente, a corrente medida será o resultado de várias coisas combinadas:

Amperagem medida = (((a * 0,45) / 150) / (1,1 / 5000)) / 1000 onde 'a' é a tensão do sinal do amplificador

0,45 é o valor rms da Vout do circuito do amplificador, 150 é o ganho do amp op (Rf / Rin = 150k / 1k), 1,1 é a saída de tensão de escala completa do CT quando a amperagem medida é 5A, 5000 é simplesmente 5A em mA e 1000 é a quantidade de voltas no transformador. Isso pode ser simplificado para:

Amperagem medida = (b * 9,216) / 5406555 onde b é o valor relatado de ADC

Esta fórmula foi testada usando o ADC de 10 bits do Arduino e uma diferença entre os valores do multímetro e os valores gerados pelo Arduino foi observada em 11%, o que é um desvio inaceitável. Meu método preferido para calibração é registrar o valor ADC vs Atual em um multímetro em uma planilha e plotar um polinômio de terceira ordem. A partir disso, a fórmula cúbica pode ser usada para dar melhores resultados ao calcular a corrente medida:

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

Os coeficientes a, b, c e d são calculados no Excel a partir de uma tabela de dados simples, x é o seu valor ADC.

Para obter os dados, usei um resistor variável de cerâmica de 1k (reostato) e um transformador de 12 V para diminuir a tensão CA da rede de 240 V, o que me deu a geração de uma fonte de corrente variável de 13mA a 100mA. Quanto mais pontos de dados coletados, melhor; no entanto, sugiro coletar 10 pontos de dados para obter uma tendência precisa. O modelo do Excel anexado irá calcular os coeficientes para você, é só uma questão de inseri-los no código do Arduino

Na linha 69 do código, você verá onde inserir os coeficientes

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

que é a mesma que a fórmula na planilha 1 do arquivo excel:

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

Onde x = adc0 de qualquer canal que você está calibrando

Etapa 9: Concluir

Coloque-o em um gabinete de projeto. Terminei o fornecimento de energia com uma chave seletora para ligar / desligar tudo na fonte e um conector IEC "figura 8" para a entrada da rede elétrica. Aperte tudo junto e você está pronto para testá-lo.

Trabalho posterior

Todo o projeto foi simulado rapidamente, então há muito espaço para melhorias, circuitos gravados e componentes melhores. O ideal é que tudo seja gravado ou soldado no FR4, em vez de um monte de jumpers. Como eu disse antes, há um monte de coisas que não mencionei, mas se houver algo específico que você gostaria de saber, deixe-me saber nos comentários e eu irei atualizar o instrutivo!

Atualização 2016-12-18

Agora adicionei um LCD 16x2 usando a "mochila" I2C para monitorar os primeiros quatro canais, estarei adicionando outro para monitorar os últimos quatro quando chegar pelo posto.

Créditos

Este projeto foi possível por todos os autores das Bibliotecas usadas em meu esboço do Arduino, incluindo a biblioteca DS3231, a biblioteca Adafruit ADS1015 e a biblioteca Arduino SD