Logger Data Pemantauan Arus AC: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Hai Semuanya, selamat datang di instruksi pertama saya! Pada siang hari saya adalah seorang insinyur penguji untuk sebuah perusahaan yang memasok peralatan pemanas industri, pada malam hari saya adalah seorang penghobi teknologi dan pembuat DIY. Bagian dari pekerjaan saya melibatkan pengujian kinerja pemanas, pada kesempatan ini saya ingin dapat memantau penarikan arus RMS dari 8 perangkat selama 1000 jam dan mencatat data untuk membuat grafik hasilnya nanti. Saya memiliki akses ke data logger tetapi sudah berkomitmen untuk proyek lain dan saya membutuhkan sesuatu yang berbiaya rendah, jadi saya memutuskan untuk menggabungkan datalogger dasar ini.

Proyek ini menggunakan Arduino Uno untuk membaca sensor analog melalui konverter analog ke digital (ADC) dan merekam data dengan cap waktu pada kartu SD. Ada banyak teori dan perhitungan yang terlibat dalam merancang sirkuit, jadi alih-alih menjelaskan semuanya, saya hanya akan menunjukkan cara membuatnya. Jika Anda tertarik untuk melihat FULL hit, beri tahu saya di komentar dan saya akan menjelaskan lebih lanjut.

CATATAN:

Saya memiliki banyak pertanyaan tentang perhitungan True RMS. Perangkat ini menggunakan penyearah setengah gelombang untuk menangkap puncak gelombang, yang kemudian dapat dikalikan dengan 0,707 untuk menghasilkan RMS. Akibatnya hanya akan memberikan hasil yang akurat dengan beban linier (yaitu arus yang diukur adalah gelombang sinus murni). Pasokan atau beban non-linier yang memberikan bentuk gelombang segitiga, persegi panjang atau non-sinus lainnya tidak akan memberikan perhitungan RMS yang sebenarnya. Perangkat ini hanya mengukur arus AC. Perangkat ini tidak dirancang untuk mengukur tegangan, sehingga tidak menghitung atau mengukur faktor daya. Silakan lihat instruksi saya yang lain tentang cara membuat pengukur faktor daya yang dapat digunakan untuk melakukan ini. Banyak orang juga mengatakan bahwa kopling AC lurus dengan garis tengah 2.5V lebih baik, namun ini menimbulkan komplikasi karena melibatkan tingkat pengambilan sampel digital yang cukup cepat, rata-rata/penghalusan data yang kuat, dll dan ketidakpastian yang ditimbulkannya jauh lebih tinggi daripada pengukuran. nilai mentahnya. Secara pribadi, saya lebih suka solusi perangkat keras dan kode yang lebih sederhana jika memungkinkan, jadi saya tidak tertarik dengan metode itu. Akurasi bijaksana saya percaya ini jauh lebih baik daripada yang terakhir dan Anda akan melihat nanti dalam hasil saya ada koefisien regresi mendekati 1,0 kalibrasi berikut.

Langkah 1: Transformer Saat Ini

Proyek ini menggunakan trafo arus HMCT103C 5A/5MA. Ini memiliki rasio putaran 1:1000 yang berarti untuk setiap 5A arus yang mengalir melalui konduktor, 5mA akan mengalir melalui CT. Sebuah resistor perlu dihubungkan di dua terminal CT untuk memungkinkan tegangan diukur di atasnya. Pada kesempatan kali ini saya menggunakan resistor 220 Ohm, oleh karena itu dengan menggunakan hukum Ohm V=IR, keluaran CT akan menjadi 1,1 Volt AC, untuk setiap 5mA arus CT (atau setiap 5A arus terukur). CT disolder ke papan strip dengan resistor dan beberapa kawat instrumen untuk membuat lead terbang. Saya mengakhiri lead dengan colokan jack audio laki-laki 3.5mm.

Berikut adalah datasheet untuk trafo arus

Lembaran data

Langkah 2: Pengkondisian Sinyal

Sinyal dari CT akan lemah sehingga perlu diperkuat. Untuk ini saya menyolder rangkaian penguat sederhana menggunakan op amp rel ganda uA741. Dalam hal ini gain diatur ke 150 menggunakan rumus Rf / Rin (150k / 1k). Namun sinyal output dari amplifier masih AC, dioda pada output op-amp memotong setengah siklus negatif AC dan meneruskan tegangan positif ke kapasitor 0,1uF untuk menghaluskan gelombang menjadi sinyal DC yang beriak. Di bawah ini adalah bagian-bagian yang membentuk sirkuit:

• V1 - Ini sewenang-wenang dalam diagram ini, itu hanya mewakili tegangan sinyal yang diumpankan ke input non-pembalik dari op-amp.
• R1 - Ini dikenal sebagai resistor umpan balik (Rf) dan diatur ke 150k
• R2 - Ini dikenal sebagai resistor input (Rin) dan diatur ke 1k
• 741 - Ini adalah sirkuit terintegrasi uA741
• VCC - Rel suplai positif +12V
• VEE - Rel suplai negatif -12V
• D1 - Apakah dioda sinyal penyearah gelombang haf 1N4001
• C3 - Kapasitor ini menahan sinyal DC untuk waktu yang ditentukan

Pada gambar 2 Anda dapat melihatnya dirakit menggunakan Veroboard dan kawat tembaga kaleng. 4 lubang dibor untuk stand off PCB sehingga bisa ditumpuk (karena ada delapan saluran harus ada delapan rangkaian penguat sekaligus.

Langkah 3: Catu Daya

Jika Anda tidak suka membuatnya dari awal, Anda dapat membeli papan yang sudah dirakit dari China seperti yang digambarkan di atas, tetapi Anda masih memerlukan trafo 3VA (turun 240V ke 12V). Yang difoto harganya sekitar £2,50

Untuk memberi daya pada proyek, saya memutuskan untuk membuat catu daya 12VDC rel ganda saya sendiri. Ini nyaman karena op-amp membutuhkan +12V, 0V, -12V, dan Arduino Uno dapat menerima suplai apa pun hingga 14 VDC. Di bawah ini adalah bagian-bagian yang membentuk sirkuit:

• V1 - Ini mewakili pasokan dari soket listrik 240V 50Hz
• T1 - Ini adalah transformator 3VA kecil yang saya bohongi. Sangat penting bahwa transformator memiliki keran pusat pada sekunder yang akan dihubungkan ke 0V yaitu ground
• D1 ke D4 - Ini adalah penyearah jembatan gelombang penuh menggunakan dioda 1N4007
• C1 & C2 - kapasitor elektrolit 35V 2200uF (harus 35V karena potensi antara positif dan negatif akan mencapai 30V)
• U2 - LM7812, adalah regulator tegangan positif 12V
• U3 - LM7912, adalah regulator tegangan negatif 12V (hati-hati perhatikan perbedaan pin antara IC 78xx dan 79xx!)
• C3 & C4 - 100nF Kapasitor penghalus elektrolit 25V
• C5 & C6 - kapasitor cakram keramik 10uF

Saya menyolder komponen ke stripboard, dan bergabung dengan trek vertikal dengan kawat tembaga kaleng inti tunggal. Gambar 3 di atas menunjukkan catu daya DIY saya, maaf ada banyak jumper di foto!

Langkah 4: Pengonversi Analog ke Digital

Arduino Uno sudah memiliki ADC 10-bit bawaan, namun hanya ada 6 input Analog. Oleh karena itu saya memilih untuk menggunakan dua breakout ADC dengan ADS1115 16-bit. Hal ini memungkinkan 2^15 = 32767 bit untuk mewakili level tegangan dari 0-4.096V (4.096V adalah tegangan operasi breakout), ini berarti setiap bit mewakili 0.000125V ! Juga, karena menggunakan bus I2C itu berarti bahwa hingga 4 ADC dapat dialamatkan, memungkinkan hingga 16 saluran untuk dipantau jika diinginkan.

Saya telah mencoba untuk menggambarkan koneksi menggunakan Fritzing, namun karena keterbatasan tidak ada bagian khusus untuk menggambarkan Generator Sinyal. Kabel ungu terhubung ke output rangkaian amplifier, kabel hitam di sebelahnya menggambarkan bahwa semua sirkuit amplifier harus memiliki kesamaan. Jadi saya telah menggunakan papan tempat memotong roti untuk mengilustrasikan bagaimana saya membuat poin dasi. Namun proyek saya yang sebenarnya memiliki jerawat yang duduk di header wanita, disolder ke Veroboard, dan semua titik dasi disolder ke veroboard.

Langkah 5: Mikrokontroler

Seperti disebutkan di atas pengontrol yang saya pilih adalah Arduino Uno, ini adalah pilihan yang baik karena memiliki banyak fungsi bawaan dan bawaan yang jika tidak perlu dibangun secara terpisah. Plus itu kompatibel dengan banyak 'perisai' yang dibuat khusus. Pada kesempatan ini saya membutuhkan jam waktu nyata untuk mencap semua hasil dan penulis kartu SD untuk merekam hasilnya ke file.csv atau.txt. Untungnya, pelindung pencatatan data Arduino memiliki keduanya dalam pelindung yang mendorong pas ke papan Arduino asli tanpa penyolderan tambahan. Perisai ini kompatibel dengan perpustakaan kartu RTClib dan SD sehingga tidak perlu kode khusus apa pun.

Langkah 6: Perakitan

Saya menggunakan PVC dengan kepadatan sedang/rendah 5mm (kadang-kadang dikenal sebagai papan busa) untuk mengencangkan sebagian besar komponen saya dan memotongnya ke ukuran yang nyaman dengan pisau kerajinan. Semua komponen dibangun secara modular untuk prototipe karena memungkinkan untuk menghilangkan bagian-bagian individu jika ada yang salah, namun tidak seefisien atau serapi PCB tergores (pekerjaan lebih lanjut) ini juga berarti banyak kabel jumper antara komponen.

Langkah 7: Mengunggah Kode

Unggah kode ke Arduino, atau dapatkan kode dari repo Github saya

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

Langkah 8: Kalibrasi

Secara teoritis arus yang diukur akan menjadi hasil dari beberapa hal yang digabungkan:

Ampere terukur = (((a *0.45)/150)/(1.1/5000))/1000 di mana 'a' adalah tegangan sinyal dari amplifier

0,45 adalah nilai rms dari Vout rangkaian penguat, 150 adalah penguatan op-amp (Rf/Rin = 150k / 1k), 1.1 adalah output tegangan skala penuh dari CT ketika ampli yang diukur adalah 5A, 5000 hanyalah 5A dalam mA, dan 1000 adalah jumlah lilitan pada trafo. Ini dapat disederhanakan menjadi:

Ampere terukur = (b * 9.216) / 5406555 di mana b adalah nilai yang dilaporkan ADC

Rumus ini diuji menggunakan Arduino 10-bit ADC dan perbedaan antara nilai multimeter dan nilai yang dihasilkan Arduino diamati sebesar 11% yang merupakan penyimpangan yang tidak dapat diterima. Metode yang saya sukai untuk kalibrasi adalah mencatat nilai ADC vs Arus pada multimeter dalam spreadsheet dan memplot polinomial orde ketiga. Dari sini rumus kubik dapat digunakan untuk memberikan hasil yang lebih baik saat menghitung arus terukur:

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

Koefisien a, b, c, dan d dihitung dalam excel dari tabel data sederhana, x adalah nilai ADC Anda.

Untuk mendapatkan data saya menggunakan resistor variabel 1k keramik (rheostat), dan transformator 12v untuk menurunkan tegangan AC utama dari 240V, yang akan memberi saya menghasilkan sumber arus variabel dari 13mA ke 100mA. Semakin banyak titik data yang dikumpulkan semakin baik, namun saya sarankan mengumpulkan 10 titik data untuk mendapatkan tren yang akurat. Template Excel terlampir akan menghitung koefisien untuk Anda, tinggal memasukkannya ke dalam kode arduino

Pada baris 69 kode Anda akan melihat di mana memasukkan koefisien

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

yang sama dengan rumus di sheet1 dari file excel:

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

Di mana x = adc0 saluran apa pun yang Anda kalibrasi

Langkah 9: Selesai

Taruh di kandang proyek. Saya menyelesaikan catu daya dengan sakelar sakelar untuk menghidupkan/mematikan semuanya pada catu daya, dan konektor "gambar 8" IEC untuk input listrik. Sekrup semuanya dan Anda siap untuk mengujinya.

Pekerjaan selanjutnya

Seluruh proyek diejek agak cepat sehingga ada banyak ruang untuk perbaikan, sirkuit tergores, komponen yang lebih baik. Idealnya semuanya akan terukir atau disolder ke FR4 daripada banyak jumper. Seperti yang saya katakan sebelumnya, ada banyak hal yang belum saya sebutkan tetapi jika ada sesuatu yang spesifik yang ingin Anda ketahui, beri tahu saya di komentar dan saya akan memperbarui instruksinya!

Pembaruan 2016-12-18

Saya sekarang telah menambahkan LCD 16x2 menggunakan "ransel" I2C untuk memantau empat saluran pertama, akan menambahkan yang lain untuk memantau empat saluran terakhir ketika tiba melalui pos.

Kredit

Proyek ini dimungkinkan oleh semua penulis Perpustakaan yang digunakan dalam sketsa Arduino saya termasuk perpustakaan DS3231, perpustakaan Adafruit ADS1015 dan perpustakaan Arduino SD