Power meter своими руками
Цифровой ваттметр на МК.
Автор: LINKS_234 aka Шимко Андрей
Опубликовано 14.07.2009
Данная работа представляет собой небольшой приборчик на дешёвой элементной базе, который позволяет определить потребляемые нагрузкой мощности на переменном токе частотой 50Гц, т.е. от сети или трансформаторов. Причём определяет он именно потребляемые в данный момент мощности, и никоим образом не является счётчиком электроэнергии. Мощностей три — полная, активная и реактивная. О существовании других я не знаю. Так же в показаниях выводится значение косинуса угла сдвига фаз, благодаря которому и производятся расчёты полной и реактивной мощности .
Проектирование ваттметра было целью дипломной работы, поэтому ТЗ формировалось руководителем работы и хорошим преподом — Бобром А.И. В формировании ТЗ главным фактором было то, что этот препод должен проводить лабораторные работы и иметь в наличии множество приборов и стендов. Т.к. в стране бардак и денег как обычно ни у кого нету — многим приходится выезжать на учащихся. Посему множество стендов изготовлено руками учащихся на дипломном проектировании. Данную работу предполагается использовать для изучения КЗ и ХХ на трансформаторе, который подключён к сети через автотрансформатор, посему и ТЗ ограничилось такими параметрами как :
— максимальная измеряемая мощность — 650Вт (655,36 , если быть точным );
— шаг определения угла сдвига фаз — 1° (это же касается и таблицы косинусов);
— от максимальной мощности зависят измеряемый ток и напряжение — амплитуда напряжения до 256*1,41 (В), а тока — до 2,56*1,41 (А);
— погрешности были заданы на уровне не более 10% от Рном, хотя я думаю лучше сказать — 10% от Sмакс, однако по мере уменьшения измеряемой мощности погрешности будут расти из-за того, что напряжение делится на 141, а битность АЦП всего 10.
Исходя из этих основных параметров можно сказать что данный ваттметр может быть полезен начинающим и как пример для дальнейших разработок аналогичных приборов, потому как не всё ещё гладко в схеме и прошивке, но он работает.
Итак, схема:
Кое-какие комментарии по схеме:
— цепь питания стандартная, никаких излишеств кроме фильтрации питания на аналоговую часть МК (дроссель и конденсатор на лапах МК)
— R5 для подсветки, при таком номинале подсветка средняя и видна при недостатке света, так же она не сильно кочегарит линейный стабилизатор, посему у меня он без радиатора стоит.
— R4 необходим для регулировки контрастности ЖКИ.
— С7 — фильтрация помех, т.к. ИОН внутренний, а нога от него не отключается.
— С10 — фильтрация помех по питанию ЖКИ, частенько при дребезге контактов он сбивается и показывает ахинею . Этот кондёр немного исправляет ситуацию.
— С11 — та же самая фильтрация, только по измеряемой цепи, т.к. при подключении и отключении нагрузки помехи бывают очень страшные. Данный кондёр выдран из фильтра питания платы от копира. Такие же есть в комповских БП на входе, только не стоит с номиналом перебарщивать, т.к. реактивные элементы создают сдвиги фаз.
— R7 и SMBJ5.0A служат для ограничения напряжения при всплесках тока. SMBJ5.0A — это супрессор, трансил или защитный диод. Работает он как стабилитрон, с той лишь разницей что не рассчитан на долговременную стабилизацию и при превышении напряжения на которое рассчитан открывается и способен шунтировать большие токи на десятки микросекунд. Необходимость в нём и резисторе возникла после того, как спалил один МК из-за искрения вилки в розетке. Однако наряду с защитой появляется один нехороший баг — начинает скакать косинус и активная с реактивной мощности на ХХ из-за наводок, хоть при этом полная мощность нулевая и остальные расчёты не должны проходить.
— R1, R2, VD1 — делитель на 141, и диод выполняет роль ограничителя прохождения обратной полуволны на АЦП.
— R6, VD6 — токовый шунт и мощный диод для того, чтобы отрицательная полуволна шла через него.
— ЖКИ у меня SC1602BULT, т.к. других фирм найти проблематично, а этот сделан бравыми тайваньскими ребятами, у которых девиз как и у Америки — сделаем всё через одно место , чтобы весь мир завидовал. Посему у Америки дюймы вместо метров, а у тайваньцев подключение питания другое и таблица символов не соотвествует ни одной из стандартных. При этом контроллер совместим с HD44780.
Ну собственно и всё по элементам. Как и писал выше — ничего необычного и дефицитного.
Теперь краткий анализ вычислений и методики определения величин.
Тактовый генератор АЦП настроен на частоту 125кГц . Оцифровка идёт один период, т.е. 20мс. Одна оцифровка длится 13 тактов АЦП. АЦП всего один, поэтому его каналы надо оцифровывать последовательно. Оцифровка канала тока и напряжения ничем практически не отливается за исключение разных переменных и каналов. При оцифровке каждое измеренное значение сравнивается с предыдущим, и если новое больше — оно запоминается. Таким образом можно определить полную потребляемую мощность. Угол сдвига фаз определяется же путём программного определения перехода полуволны через ноль (или лучше сказать приближения синусоиды к нулю). При условиях соответствующих переходу полуволны синусоиды через ноль в возникает прерывание от таймера, внутри которого выполняются все арифметические действия с полученными значениями для вычисления мощностей и косинуса. Это основной код. Остальное всё не имеет большого значения и стандартно.
Здесь:
U — напряжение сети;
I — ток через нагрузку;
U * — амплитудное значение напряжения после резистивного делителя;
U ** — амплитудное значение напряжения на токоизмерительном резисторе;
UADC0 — оцифровываемое напряжение на входе ADC0 микроконтроллера;
UADC1 — оцифровываемое напряжение (соответствующее измерямому току) на входе ADС1 микроконтроллера;
а — область запоминания времени таймера , соответствующего переходу синусоиды через ноль;
b — погрешность запоминания времени таймера (определения перехода синусоиды через ноль).
Моя печатка, которая для дипломки сделана. Половина на ней не разведена, одна дорожка забыта и не совсем удачная разводка. Посему свою версию печатки не выкладываю и предлагаю всем заинтересованным развести её под себя и с учётом требований к хорошей помехозащищённости аналоговых цепей.
Вид сверху на печатку и транс в корпусе. Корпус покупался на рынке. Мастер из колледжа сказал что возят их из Польши. Стоит сие чудо около 3у.е.
Верхняя часть корпуса с розеткой, фильтрующим кондёром и ЖКИ модулем.
Вид сверху на это чудо собранное в корпус.
Вид спереди. Ничего кроме ЖКИ, за приклеенным оргстеклом, и выступающими болтами стоек не видно.
Итак, если кто-то ещё не заметил — гальванической развязки в приборе нету, посему трогать токоведущие части ваттметра опасно для жизни и рекомендуется избегать с ними контакта.
Именно поэтому я приклеил оргстекло, а за ним расположил ЖКИ. Стойки же железные, но они прикручены болтами к ЖКИ в тех местах, которые предусмотрены производителем и не касаются пайки и проводников ПП, а под одну, чтобы исключить контакт, подложена картонная шайба, которые используют при монтировании материнских плат в корпус.
Работаем на ХХ и ловим глюки (или наводки).
Работаем на лампу накаливания 60Вт и показываем вполне реальные значения. К слову — для определения потребляемой мощности и калибровки прибора пользовался мультиком Mastech MY-6. При этом напряжение в сети было 210В, а тока через лампу составил 0.22А Куда пропали 2Вт — не могу сказать, однако измерил делить напряжения, скорректировал формулу и по току также скорректировал формулу, потому как в идеале там должен был быть резистор 0.707 Ом.
Косинус по-моему вполне достоверный получился. Он соответствует углу в 2°. Конечно можно ввести поправку на угол при чисто активной нагрузке, но надо учитывать что провода, их изоляция и т.п. тоже вносят реактивную составляющую в мощность.
Так горит лампа. Полосы — рассинхронизация между фотиком и частотой мерцания лампы. На глаз этого конечно же не заметно и лампа светит так же как и от сети. От чего это на фотках заметно — не знаю. То ли сопротивление через диод ниже намного оказывается, то ли все лампы так будут мерцать .
Ещё одно замечание — косинус отличный от 1.000 следует читать как 0.XXXX . Знак угла сдвига фаз не указывается, т.к. не хватает места на ЖКИ и обычно преобладают индуктивные нагрузки.
Буду рад за любые комментарии, критику и предложения по данному устройству. Также есть желание привести прошивку и схему в более удачный вид, посему заинтересованных прошу высказываться, и со своей стороны обещаю помогать с любыми проблемами, возникшими при повторении.
Источник
Power meter своими руками
Измеритель КСВ и мощности передатчика с программируемым диапазоном измерения мощностей и сопротивления нагрузки.
Для измерения мощности передатчика и степени его согласования с нагрузкой — антенной предлагаю простое, но надёжное и полезное устройство разработанное Юрием (UT3MK) — это измеритель КСВ и мощности. Заходите к нему на сайт, там найдёте кучу всяких вкусностей и полезностей 🙂 ссылочка чуть ниже по тексту. На самом деле функционал устройства шире. Оно может: работать в качестве измерителя уровня принимаемого сигнала S-метра, измерять ток потребляемый усилителем передатчика, измерять температуру цифровым датчиком, управлять работой вентилятора, выдавать сигнал ALC для регулирования мощности раскачки выходного каскада. Но я в данной конструкции использовал только основные функции — это измерение КСВ и мощности. все остальные сигналы присутствуют на разъёмах и их можно использовать в Ваших самоделках 🙂 Единственное, нужно будет приобрести выносной датчик тока ACS712. На плате есть место для его установки, но на мой взгляд, рационально установить датчик в усилителе, а на плату контроллера измерителя SWR завести выходной сигнал от датчика, чтобы не тянуть толстые провода с понятными последствиями.
Полное описание конструкции, а также прошивки контроллера выложены у автора на сайте здесь >>>
Конструктивно устройство выполнено из скреплённых латунными монтажными стойками и винтами М2,5 передней панели, платы контроллера с ЖКИ дисплеем, разделительной экранирующей платы, платы датчиков прямой и отражённой волны на кольцах FT50-43 и задней панели. Платы можно разделить на части в зависимости от того, как всё это будет использоваться. Плату контроллера с ЖКИ можно вынести на переднюю панель усилителя или трансивера, а плату с датчиками ВЧ токов закрепить на задней стенке усилителя или трансивера. В общем у конструктора руки развязаны 🙂
Единственное условие — это предельные уровни исследуемых сигналов прямой и обратной волны. Максимальное его значение не должно превышать уровень 5 В. Этот предел будет равен максимальной мощности на соответствующем эквиваленте. В меню устройства есть два пункта настроек — ограничитель мощности и изменение сопротивления измерительного датчика антенны. Предположим, что у вас ламповый усилитель с мощностью 500W на 75 Ом нагрузку, то Вам придется изготовить датчик под 75 Ом. Это значение изменить кнопками Step+ и Step- c 50 Ом на желаемое. Так же в пункте меню выставить максимальную мощность в 500 Вт. При максимальной мощности усилителя с детекторного датчика должно приходить не более 5 В. Для выравнивания неравномерности диодов на датчике предусмотрены входные подстроечные резисторы. Для измерения тока выходного каскада применена модульная сборка на микросхеме ACS712 — 5A. Эти платы продаются уже готовые в тех же магазинах где и Arduino.
Все подробности по работе устройства в качестве S-метра, ключа для вентилятора, измерителя температуры я описывать не буду, всё это есть на сайте у Юрия, заходите к ему в гости и не пожалеете 🙂 При необходимости задавайте вопросы, я постараюсь ответить.
Мощность можно задавать ну хоть 5000 Вт, но тогда нужно соответствующим образом изготовить датчики тока.
По умолчанию я комплектую наборы для сборки колечками FT50-43, на них, я думаю, получится измеритель до 1000 Вт, по крайней мере при 500 Вт никаких проблем не обнаружено. На колечках намотано 24 витка, напряжение при максимальной мощности на подстроечных резисторах порядка 9,3В, мощность резистора прямой волны не менее 2 Вт, я кладу в комплект всего четыре резистора 1 Вт по 100 Ом, 1%.
Пока устройство без корпуса 🙁
Разъёмы для подключения передатчика и нагрузки типа BNC, то есть возможность укомплектовать набор переходниками BNC/SO-239 см. на фото.
Для установки параметров на передней панели устройства есть три кнопки. Питание подаётся через стандартный круглый разъём 5,5х2,1 расположенный на задней стенке устройства. Напряжение питания 7-12 В постоянного тока.
Схемы ниже по тексту и по ссылкам:
платы датчиков тока здесь >>> и контроллера здесь >>>
Для токовых трансформаторов можно использовать Амидоновские бинокли BN43-202 или ферритовые кольца FT50-43 и т.п.
Небольшое видео работы:
Вариант измерителя SWR с гнёздами SO-239:
Вариант крышек для сборки корпуса измерителя SWR — буквально немножко растачиваем пазы надфилем, чтобы плотно внатяг собралась конструкция, и получается вот такая коробка 🙂
Ардуинку предварительно программирую — прошивка 3.1
Прошу прощения у коллег земляков, виноват, каюсь, немного зарапортовался 🙂
Стоимость набора для самостоятельной сборки измерителя SWR (BNC) — 1000 грн. или 2500 руб.
Стоимость переходника BNC/SO-239 — 45 грн./шт. или 120 руб./шт.
Состав набора можно увидеть здесь >>>
Стоимость набора для самостоятельной сборки измерителя SWR (SO-239) — 1050 грн. или 2650 руб.
Стоимость четырёх крышек из стеклотекстолита для сборки корпуса — 250 грн./комплект или 650 руб./комплект
Заказы можно оформлять через форму обратной связи,
письмом на e-mail или по телефону указанному в разделе контакты, доставка и оплата
Всем мирного неба, удачи, добра, 73!
Источник