MĚŘENÍ AC PROUDU S ARDUINO UNO

Vágner Vlastimil

Kamarád mi donesl hotový modul digitálního voltmetru / ampérmetru určeného pro montáž do panelu kde chtěl tento použít pro orientační měření napětí a proudu v bytovém rozvaděči, modul na měření využívá na snímání proudu měřící transformátor v rozsahu 0 – 100AAC. Z uvedeného záměru sešlo z důvodu s tím že měřené napětí modul zobrazuje o pět volt menší než je skutečnost a měřený proud zobrazuje až při větším odběru jak 0.5AAC (odzkoušeno). Pro odzkoušení uvedeného měřícího proudového transformátoru před montáží do bytového rozvaděče jsem využil již napsané programy využívané s převodníkem pro měřící transformátor na měření proudu v rozsahu 0 – 20AAC. Jeden program zobrazuje hodnotu na LCD displeji a druhý program pak zobrazuje naměřený proud na monitoru PC v sériovém terminálu kde umožňuje uložení naměřených hodnot. V tomto případě je modul k PC připojen redukcí USB/COM TTL s převodníkem CH340. Zapojení může posloužit při podobných měřeních AC proudu a zároveň doplňuje články s Arduino Uno uveřejněné v [1].

Celkový popis

Převodník pro měření proudu využívá měřící proudový transformátor od hotového modulu, převodník pro snímání napětí z měřícího transformátoru je vyrobený na univerzální vrtané destičce. Při výrobě snímače je velice důležité aby použité rezistory v odporovém děliči měli naprosto shodné hodnoty, stejně tak i použitý rezistor pro snímání napětí na sekundárním výstupu z měřícího proudového transformátoru. Hodnota rezistorů v děliči je důležitá pro správné rozdělení napětí 5VDC na hodnotu 2.5VDC, snímací rezistor ovlivňuje přesnost měření i když je možné jeho hodnotu upravit v programu. Zobrazovaná hodnota proudu je v RMS v programu je současně vypočítaná fiktivní hodnota spotřeby ve Wattech, tato se počítá v programu z konstanty AC napětí sítě 230VAC tato hodnota je násobena vypočítaným RMS proudem a je pouze orientační. Pro správnou hodnotu spotřeby by bylo nutno použít i snímač napětí 230VAC, pro zobrazení na LCD displeji je použit displej 2 x 16 znaků nebo 4 x 20 znaků se sériovým řadičem zakoupeným v [2] . Pro připojení LCD displeje s Arduino Uno je použito tří vodičů +5V, -5V a výstupního signálu TXD z desky Arduino Uno na PINU 2, na řadiči je nastavena komunikační rychlost 2400 Bd tato rychlost musí být nastavena i v programu a klidová úroveň T. V případě programu pro využití PC jsou využity signály desky Arduino Uno TXD, GND s převodníkem USB/COM TTL CH340 u kterého není připojen k desce Arduino Uno vyvedený kladný napájecí pól (+5V) ani signálový vodič RXD. Při této komunikaci po nahrání programu není použit programovací kabel a počítač byl při testech umístěný 10m od celkového přípravku s Arduino Uno a propojen dvou žilovým kabelem. Napájení převodníku i LCD displeje je z desky Arduino Uno napájené ze vstupního konektoru pro připojení napájení 8 – 12VDC. Na obrázku č.01 je schéma zapojení převodníku pro měření napětí z měřícího proudového transformátoru proudu, na obrázku č.02 je schéma připojení převodníku k desce Arduino Uno pro zobrazování na LCD displeji a na obrázku č.03 je schéma zapojení převodníku s deskou Arduino Uno pro zobrazování hodnot na monitoru PC. Pro zobrazování hodnot na monitoru PC používám terminál pro sériovou komunikaci Arduino.exe je možné použít i jiný sériový terminál. U uvedeného měřícího proudového transformátoru byly po testech na stole před montáží do rozvaděče prodlouženy vývody sekundárního vinutí na hodnotu 120cm stíněným kabelem „ jehož izolace musí odpovídat napětí 500VAC “, bez znatelného snížení měřených hodnot kdy je transformátor osazen v rozvaděči. Výhoda používání těchto měřících transformátorů AC proudu je v galvanickém oddělení primárního vinutí od sekundárního vynutí. Měřící transformátor snímá AC proud v síti 230VAC to znamená že všechny pokusy dělá každý na vlastní zodpovědnost, v žádném případě nenesu žádnou zodpovědnost za škody způsobené nevhodným používáním ani za úraz elektrickým proudem.

Popis převodníku pro měřící transformátor proudu

Připojení sekundárního vynutí proudového transformátoru se snímacím rezistorem přímo na vstupy A/D převodníku není zrovna vhodné řešení. Protože proudový transformátor pouze poskytuje plovoucí napětí přes snímací rezistor, z tohoto důvodu jsem si vyrobil převodník aby bylo možné načítat surové napětí který poskytne DC offset k AC napětí tak aby byl použitelný. Tento převodník na Obr.č.01 poskytuje DC offset (~ 2.5V) k průběhu střídavého proudu místo toho, aby byl udržován v rozsahu ADC. Popsaný převodník je vlastně obyčejný rezistorový dělič napětí z napájecího napětí 5VDC na napětí 2.5VDC ke kterému je připojen jeden vývod z měřícího transformátoru proudu se snímacím rezistorem a druhý vývod z měřícího transformátoru proudu je připojen na vstup A/D převodníku. Převodník je vyrobený na univerzální vrtané destičce a umožňuje nejjednodušším způsobem měřit AC proud pomocí měřícího proudového transformátoru.

Popis měřícího transformátoru proudu 100A AC

Vzhledem k tomu že jde o měřící transformátor proudu z hotového modulu u kterého nejsou žádné informace pouze na transformátoru je údaj 0 -100A. Pro výpočet převodního poměru měřícího transformátoru proudu který je nutný při výpočtech v programech jsem vycházel pouze z hodnot 100AAC a poměrového rezistoru pro načítání hodnoty napětí z proudového transformátoru. Který mám osazený v přípravku s hodnotou 100R, který je také nutný při výpočtech v programech. Tak mi po výpočtu vyšel převodový poměr 10000:1 což při proudu 100AAC, dává protékající proud rezistorem 0.01AAC a výstupní napětí 1VAC. Pokud by byl použit například poměrový rezistor s hodnotou 220R pak výpočtem vychází převodní poměr 22000:1, 100AAC x 220R = 22000, proud protékající rezistorem při 100AAC / 22000 = 0.004545454AAC, napětí na snímacím rezistoru bude při proudu 100AAC, 220R x 0.004545454AAC = 1VAC. V případě že máme na měřícím transformátoru pro měření AC proudu uvedené například hodnoty 100A/0.05A pak je převodní poměr 2000:1, 100A x 0.05A = 2000. V tomto případě pak výpočtem volíme hodnotu poměrového rezistoru tak aby výstupní napětí na tomto rezistoru nepřesáhlo referenční hodnotu 2.5V převodníku. 0.05A x 20R = 1V při proudu 100AAC, (POZOR TOTO JE JIŽ ŠPATNÁ HODNOTA ZVOLENÉHO REZISTORU 0.05A x 100R = 5V COŽ JE VYŠŠÍ NAPĚTÍ NEŽ REFRENČNÍ NAPĚTÍ PŘEVODNÍKU KTERÉ JE 2.5V). NIKDY SE NESMÍ OSADIT MĚŘÍCÍ TRANSFORMÁTOR PROUDU DO EL. OKRUHU BEZ TOHO ABY BYLI VÝVODY NA SEKUNDÁRNÍ STRANĚ ROZPOJENY!. POKUD NENÍ PŘIPOJEN NA SEKUNDÁRNÍ VINUTÍ ŽÁDNÝ SNÍMACÍ PRVEK TYTO VÝVODY SE MUSÍ ZKRATOVAT!.

Popis programů

Programy pro načítání hodnot z měřícího proudového transformátoru pro Arduino jsou v adresáři KE STAŽENÍ v podadresáři ARDUINO a mají názvy LCD_MĚŘÍCÍ_TRAFO_100A_AC.INO a PC_ MĚŘÍCÍ_TRAFO_100A_AC.INO. Program pro načítání hodnot a zobrazování na monitoru PC je uložený v podadresáři POČÍTAČ a má název ARDUINO.EXE jde o terminálový program pro sériovou komunikaci napsaný ve VB6. Popis používání programu je součástí uvedeného adresáře POČÍTAČ je zde i knihovna která musí být uložena ve stejném adresáři jako program ARDUINO.EXE. Programy pro Arduino Uno společně s převodníkem je možné používat i pro jiné proudové transformátory s jiným měřicím proudem (10A, 20A, 30A, 50A AC atd.) než zde použitý, pouze se vždy musí zadat v programu převodní poměr použitého proudového transformátoru a pokud je ve snímači osazen jiný snímací rezistor tak se musí zadat i jeho hodnota v programu.