HA8KDA
A mérés első közelítésben egyszerűnek tűnik, azonban minden részlet bemutatásához az alapoknál kell kezdeni a bemutatást.
Hardver
Az áramot egy AC1010-es áramváltó transzformátorral mérjük.
Ez lényegében egy transzformátor, aminek a sok menetes részéhez 100 ohmot csatlakoztatunk, az egy menetes része pedig gyakorlatilag sorba kötődik a fogyasztóval. A 100 ohm a transzformátor áttétele miatt elenyésző soros impedanciára transzformálódik. Ha azonban nem zárjuk le a trafót, akkor az indukált feszültség a sokmenetes oldalt le tudja égetni, ezért sose kapcsoljunk be úgy áramváltós eszközt, hogy az nincs lezárva!
A jelet 100 ohmos UTP kábellel vezetjük tovább a NYÁK-ra, ahol a található a mérő. A mérő oldalán ahhoz, hogy ne vezéreljük túl vagy alul a műveleti erősítő bemenetét, középpotenciálra kell húzni a jelet. Ezt úgy tesszük meg, hogy a két sorba kötött 50 ohmos ellenállás középpontját földpotenciálra kapcsoljuk.
Azért középen földeljük a bejövő jelet, és nem aszimmetrikusan az egyik oldalt, mert egyrészről differenciális tápvonalat használunk, amit a jó zajvédelem érdekében szimmetrikusan kell terhelni, illetve így a két trafó között folyó áramok közös módusban jelennek meg, amit a későbbi fokozat el fog nyomni. Mi is a két trafó között folyó áram? Gyakorlatilag a kapacitívan több fázis is be van kötve a panelunkra, ezek között 400 V effektív feszültség mérhető. Ez a feszültség hibaáramokat kelt a NYÁK-on, amit el kell nyomnunk. Ehhez a NYÁK-ot úgy alakítottam ki, hogy a könnyen tudjon az áramváltók közös módusú árama folyni úgy, hogy nem folyik át semmilyen méréstechnika szempontjából zavaró szakaszon.
Ezt követő egy mérőerősítő, vagy angol nevén instrumental amplifier, ami csak a differenciális feszültséget erősíti fel a bemenetéről, a közös módust (ami mindkét bemeneti kapcsot egyszerre emeli felfele vagy tolja el lefele) elnyomja.
A mérőerősítők után minden csatornán található egy tesztpont (a fenti ábrán a TP13), amin egy oszcilloszkóppal lehet mérni az áramjelet, amit a mért fogyasztó felvesz.
Ezt a jelet már fel lehetne dolgozni digitálisan, azonban szerettem volna minél több dolgot hardverből megvalósítani, ezért beépítettem egy fázisméréshez és egy csúcsméréshez is használható részt.
Az ábrán egy meghajtó erősítő (angolul buffer) látható kis módosítással. Nem a kimenetet kapcsoljuk vissza, hanem egy diódán keresztül a történik meg a visszacsatolás, ekkor egy ideális diódát kapunk, mivel a sorba kötött dióda nyitófeszültségét visszakompenzálja az erősítő, visszirányba azonban továbbra se tud áram folyni. Az ideális dióda után 100 kohm-os terhelést helyeztem. Ezzel párhuzamban egy másik ugyan olyan diódát ugyan akkora terheléssel is elhelyeztem, azonban ennek jelét egy kondenzátorral hidegítettem, így egy csúcsérték-detektort kaptam. A csúcsértéket már be tudja mintavételezni az STM32 bemenete, amit az áramkörben fő processzorként használunk.
Egy komparátor az ideális diódán áteresztett félperiódust, illetve a csúcsértéket folyamatosan komparálja egymással. Ha van bemeneti jel, akkor a csúcsérték elemelkedik nullától, és egy adott fázisátmenetnél (amikor a szinusz értéke a csúcsérték épp fele), váltani fog a komparátor. A komparátor váltásának pillanatában tudjuk a jel fázisát, amit a mikrovezérlővel ismételten tudunk ellenőrizni, valamint ha mérjük a feszültség fázisát is, akkor a feszültséghez képest meg tudjuk mondani az áram fázisát, ezzel már komplex teljesítményt is tudunk számolni.
Terhelés esetén a kihelyezett LED-nek derengenie kell.
Itt is ügyeltem arra, hogy a lehető legtöbb mérési pontot helyezzem az áramkörre, beleértve az egyenirányított áramjelet, a csúcsértéket, valamint a komparátor kimenetét.
A bejövő táplálás fázisát egy nullátmenet-detektorral vizsgáltam, így ennek kimenetén élváltáskor a bejövő fázis nullátmenetét tudjuk regisztrálni a mikrovezérlőn.
Szoftver
Alább felvázolom a szoftver javasolt tervét.
A négy csúcsérték négy ADC csatornán került mérésre. Ezen túl még meg kell mérni a belső feszültségreferencia jelét is. A mérést lehet úgy csinálni, hogy egy DMA folyamatosan mérje a csatornákat, és belepakolja egy kitüntetett memóriacímre az eredményt.
A belső feszültségforrás értékéből meg lehet határozni az ADC léptékének pontos értékét, amiből meg lehet határozni az árammérő kimenetén mért csúcsérték pontos feszültségértékét, amiből kalibráció után az ehhez tartozó áramérték is következik. A kalibrációt elég lehet egy NYÁK egy csatornáján elvégezni, mivel az erősítő áramkör mindegyikben ugyan olyan lesz.
A fázisméréshez meg kell mérni a hálózat felfele mutató nullátmenete és a mért csatornákon mért felfutó élek közötti időkülönbséget. Ezt meg tudja csinálni a megfelelő Timer perifériája a mikrovezérlőnek. Az eredményeket szintén egy DMA ki tudja olvasni, és beírni a memória megfelelő szegmensébe. Az időkülönbséget át kell számolni fázisba a frekvencia (50 Hz) ismeretében, majd le kell vonni azt az eltérést, ami azért jön be, mert az áramnak nem a nullátmenetét vizsgáljuk, hanem azt, hogy a pillanatérték mikor haladja meg a csúcsérték felét.
Az áramok fázisa, illetve nagyságának ismeretében fel lehet rajzolni egy fazorábrát. A fazorábrán tudjuk ábrázolni a három fázis feszültségének az irányát. Ehhez képest körülbelül a fázisok egyenesében állnak majd az áramok ‒ lehet, hogy valamelyik mérőcsatornát fordítva kötötték be, ekkor annak a fázisához következetesen 180 fokot hozzá kell adni.
A kapott komplex áramértékeket megfelelő protokollon lehet továbbítani a hálózatra!