Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
- 3. Обзор методов и средств измерения параметров бытовой электросети
- 4. Понятие истинного среднеквадратичного значения (TrueRMS)
- 5. Метод повышения разрешения результатов измерений силы тока для мониторинга параметров электросети
- Выводы
- Список источников
Введение
Веб-монитор однофазной электросети — это компактное устройство, устанавливаемое в электрощитке дома или квартиры и пригодное как для личного, так и для коммерческого использования. Он позволяет оптимизировать энергопотребление, отслеживать просадки и скачки напряжения и силы тока. За пять лет своего присутствия на рынке веб-мониторы зарекомендовали себя как незаменимый элемент систем «умного дома», решая широкий спектр бытовых задач. Устройство обеспечивает круглосуточный дистанционный мониторинг потребления электроэнергии с отображением данных о напряжении, мощности и их характере на смартфоне пользователя. Благодаря Wi-Fi и облачному хранилищу доступ к этой информации возможен из любой точки мира с возможностью последующего анализа данных.
1. Актуальность темы
В современном мире постоянный доступ к информации и контроль за расходом ресурсов становятся всё более важными. Система мониторинга энергопотребления в однофазной бытовой сети обеспечивает удобство и простоту контроля за расходом электроэнергии, а также позволяет своевременно выявлять неисправности.Удаленный интернет-мониторинг обеспечивает удобство контроля энергопотребления независимо от местоположения владельца.
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
Цель работы: разработать монитор основных параметров бытовой однофазной электросети с сохранением измерительных данных в облачном сервере с возможностью удаленного доступа через глобальную сеть Интернет.
Задачи работы:
- выполнить обзор методов и технических средств измерения действующих значений токов и напряжений в сети 230 вольт;
- сформулировать технические требования и разработать структурную схему и алгоритм работы измерительного устройства;
- исследовать и реализовать на микроконтроллере косвенный метод измерений истинного действующего значения напряжения;
- повысить быстродействие канала измерения напряжения путем оптимизации цифрового фильтра;
- обеспечить широкий диапазон измерений силы тока и мощности, потребляемых домовладением, при использовании АЦП низкого разрешения;
- разработать принципиальные схемы и программное обеспечение;
- выполнить проверку адекватности предложенных программно-аппаратных средств путем имитационного моделирования;
- проработать вопросы метрологического обеспечения разрабатываемого измерительного устройства.
3. Обзор исследований и разработок
3.1 Методы измерения напряжения
Делитель напряжения
Делитель напряжения – это электротехническое устройство, позволяющее снимать (использовать) только часть имеющегося постоянного или переменного напряжения посредством элементов электрических цепей, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности (см.рисунок 3.1).
Делитель напряжения устройство в котором входное и выходное напряжение связаны коэффициентом передачи. Делитель напряжения можно представить как два последовательных участка цепи, называемые плечами, сумма напряжений на которых равна входному напряжению [1]. Плечо между нулевым потенциалом и средней точкой называют нижним (с него обычно снимается выходное напряжение делителя), а другое верхним. Различают линейные и нелинейные делители напряжения. В линейное выходное напряжение изменяется по линейному закону в зависимости от входного. Такие делители используются для задания потенциалов и рабочих напряжений в различных точках электронных схем. В нелинейных делителях выходное напряжение зависит от коэффициента нелинейно. Нелинейные делители напряжения применяются в функциональных потенциометрах. Сопротивление может быть как активным, так и реактивным, а таже и вовсе нелинейным, как, например, в параметрическом стабилизаторе напряжения.
Достоинства:
- широкий диапазон напряжений и частот, определяемый номиналами резисторов;
- высокая точность, опять-таки определяемая точностью и термостабильностью резисторов;
- измеряет постоянное и переменное напряжение.
Недостатки:
- отсутствует гальваническая развязка;
- низкий КПД — весь ток делителя уходит в тепло.
Трансформатор напряжения
Для случаев, когда нужно измерить очень высокие напряжения, используется трансформатор напряжения, он представляет собой обычный трансформатор, основным режимом работы которого является режим холостого хода [2].
Класс точности такого трансформатора зависит от рабочего участка характеристики намагничивания [3]. Ведь нам надо пропустить через него не просто сигнал с определенной амплитудой, но и не испортить ее форму. Здесь как раз проблема — большинство трансформаторов напряжения практически не пропускает гармоники. Все дело в металлическом сердечнике и потерях на перемагничивание. При этом, чем тоньше пластины сердечника, тем лучше его частотные характеристики (см.рисунок 3.2).
Достоинства:
- огромный диапазон рабочих напряжений — до сотен киловольт и выше;
- столь необходимая гальваническая развязка.
Недостатки:
- работает на определенной полосе частот;
- работает только с переменным напряжением;
- большие габариты.
3.2 Методы измерения тока
Рассмотрим три метода измерения тока, такие как измерения с пошью шунта, измерения трансформатора тока и метод основанный на эффекте Холла.
Измерительный шунт
Самый простой и самый точный способ измерения тока. Как известно, при протекании тока через активное сопротивление, на нем происходит падение напряжения, пропорциональное измеряемому току. Берем резистор и помещаем его в разрыв измеряемой цепи (см.рисунок 3.3):
Падение напряжения на шунте пропорционально пропускаемому току Соответственно в зависимости от требуемого напряжения на выходе датчика подбираем нужное сопротивление шунта. Но есть проблема это падение напряжения на шунте приведет к потерям мощности, выделяемым в тепло, соответственно при больших токах мы вынуждены довольствоваться малыми значениями напряжения с датчика, дабы ограничить потери. Выпускаемые промышленностью шунты типа ШСМ (см.рисунок 3.4) обеспечивают стандартное выходное напряжение в 75мВ при номинальном токе:
На напряжение в 75мВ откалибровано большинство измерительных головок для шунтов. Обратите внимание на вторую пару винтов — они предназначены специально для подключения к измерительному прибору для повышения точности измерений за счет разделения токов силовой и измерительной цепи. Для измерения тока с помощью таких шунтов требуется использовать операционные усилители.
Достоинства:
- высокая точность;
- широкий диапазон напряжений и частот;
- измеряет постоянный и переменный ток.
Недостатки:
- отсутствует гальваническая развязка;
- низкий КПД.
Измерительный трансформатор тока
Измерительный трансформатор тока представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная замыкается на измерительные приборы или устройства защитной автоматики. Трансформаторы тока используются для измерения токов в сильноточных цепях, зачастую в высоком потенциале [4]. Например, мы хотим получить простой и относительно дешевый способ гальванической развязки измеряемой цепи тока нашего устройства на 220В. Основная проблема трансформаторов тока заключается в том, что они умеют измерять только переменное напряжение. Трансформатор тока всегда нагружается. Если вторичная обмотка трансформатора тока окажется разомкнутой, то на ней возникнет потенциал в пару тысяч киловольт, который покалечит персонал и выведет из строя прибор, пробив его изоляцию. Трансформаторы бывают со встроенной первичной обмоткой (см.рисунок 3.5).
Достоинства:
- гальваническая развязка;
- работа с большими токами в тысячи Ампер;
Недостатки:
- измеряет только переменный ток в определенном диапазоне частот;
- изменяет фазу сигнала и требует компенсации;
- большие габариты.
Датчики тока на эффекте Холла
Датчики этого типа используют эффект возникновения разности потенциалов при помещении проводника с током в магнитное поле (см.рисунок 3.6).
При создании датчика мы берем магнитопровод, пропускаем через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещаем датчик Холла, получая датчик тока открытого типа (см.рисунок 3.7):
Достоинством такого датчика является простота. Недостатком — наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний. Добавим на сердечник обмотку и пустим по ней ток, пропорциональный измеряемому току (см.рисунок 3.8):
С нулевым подмагничиванием сердечника мы повышаем линейность датчика и его класс точности.[5] Однако по своей конструкции такой датчик приближается к трансформаторам тока, соответственно его стоимость повышается в разы. Как и трансформаторы, бывают разновидности датчиков, позволяющие пропустить через себя силовой провод (см.рисунок 3.9):
Существуют датчики с разделяемым сердечником — однако их стоимость просто зашкаливает. Датчики с интегрированной силовой цепью на базе эффекта Холла с гальванической развязкой 2,1кВ и 3кВ выпускаются компанией Allegro (см.рисунок 3.10). Ввиду своих малых размеров они не обеспечивают высокой точности, но зато компактны и просты в использовании.
Виды датчика тока ACS:
- Датчик ACS712 – измерение постоянного и переменного тока до 30А с точностью ± 1,5%
- Датчик ACS713 – оптимизирован для измерения постоянного тока до 30А. Имеет вдвое большую чувствительность чем его универсальный собрат.
- Датчик ACS754 – измерение постоянного и переменного тока до 200А с точностью ± 1,5%
- Датчик ACS755 – оптимизирован для измерения постоянного тока.
- Датчик ACS756 – датчик для измерения постоянного и переменного тока до 100А с напряжением питания 3-5В.
Достоинства:
- широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50-100кГц и выше;
- измеряет постоянный и переменный ток;
- гальваническая развязка;
Недостатки:
- дорого.
4. Понятие истинного среднеквадратичного значения (TrueRMS)
RMS означает среднеквадратичное значение, а TRMS (True RMS) - истинное среднеквадратичное значение. Инструменты TRMS намного более точны, чем RMS при измерении переменного напряжения и тока. Поэтому все профессиональные мультиметры имеют возможности измерения True RMS.
Самый распространенный способ измерения такого среднеквадратического значения напряжения при помощи измерительного прибора заключается в выпрямлении переменного тока, определении среднего значения выпрямленного сигнала и умножении результата на коэффициент 1,1 (соотношение между средним и среднеквадратическим значениями идеальной синусоиды). Однако, при отклонении синусоидальной кривой от идеальной формы данный коэффициент перестает действовать. По этой причине измерители с усреднением показаний зачастую дают неверные результаты при измерении токов в современных силовых сетях.
Таким образом, RMS измерения нельзя считать надежными, потому что в любой установке в реальных условиях имеется множество источников шума, из-за которых форма волны переменного напряжения никогда не бывает идеальной, что приводит к большим погрешностям измерений.
При измерении True RMS используется более сложный математический аппарат определения реального эффективного значения переменного напряжения, не зависимо от формы его кривой, что позволяет приблизить значение к реальности и существенно повысить точность измерений.
4.1 Простой метод измерений TrueRMS
Измерение True RMS переменного напряжения - задача не совсем простая. Как известно действующее значение переменного напряжения определяется выражением [6]
При аппаратной реализации для вычисления подинтегрального выражения необходимо проквантовать сигнал с некоторой частотой, заведомо превосходящей не менее чем в 10 раз частоту квазисинусоиды.
Также необходимо учесть, что все стандартные микроконтроллеры имеют однополярное питание. Поэтому измерить мгновенное переменное напряжение в момент отрицательной полуволны не представляется возможным.
В работе [7] предложено простое решение, как внести постоянную составляющую в сигнал. Вместе с тем в том решении определение момента, когда стоит начать или закончить процесс вычисления True RMS представляется довольно громоздким.
В данной работе предлагается метод преодоления этого недостатка, а также вычисление интеграла с большей точностью, что позволяет снизить программно-аппаратные затраты на реализацию данного способа до минимума.
Рассмотрим структурную схему процесса вычисления True RMS, представленную на рисунке 4.1 [8]. Данная схема обеспечивает преобразование среднеквадратичного значения переменного напряжения произвольной формы в постоянное напряжение.
В первом блоке выполняется операция возведения входного сигнала UВХ в квадрат с последующим делением на выходной сигнал UВЫХ. Полученный результат пропускается через фильтр низких частот (ФНЧ), который выделяет постоянную составляющую и формирует выходной сигнал преобразователя, равный True RMS входного сигнала. Рассмотрим математический аппарат,
4.2 Проверка теории путем имитационного моделирования
С целью проверки предложенного метода вычисления True RMS переменного напряжения выполним моделирование структурной схемы в программе Proteus ISIS (см.рисунок 4.2.) [9].
Модель содержит блок умножения аналоговых сигналов S1, блок деления аналоговых сигналов S2 и фильтр низких частот первого порядка LP1 с частотой среза 1 Гц. В результате моделирования при подаче на вход схемы синусоидального напряжения амплитудой 1 вольт и частотой 50 Гц на выходе получено напряжение постоянного тока 0,706 В, что в точности соответствует расчетному значению.
4.3 Реализация измерителя True RMS с фильтром «Бегущее среднее
На рисунке 4.3. приведена модель принципиальной схемы измерителя True RMS переменного напряжения, выполненная на базе 8-разрядного микроконтроллера ATmega328[10]. На элементах R1, R2 и С1 собрана схема смещения измерительного сигнала ровно на половину напряжения питания микроконтроллера VCC. Это же напряжение подано на вход AVCC и является опорным для встроенного 10-разрядного аналогоцифрового преобразователя АЦП. Для визуализации результатов работы используется виртуальный терминал, подключенный к выходу СОМ-порта микроконтроллера TxD.
На рисунке 4.4. приведен алгоритм программной реализации рассмотренного выше алгоритма работы микроконтроллера, реализующего принцип преобразования True RMS в постоянный сигнал.
Частота дискретизации при моделировании была принята равной FC=500 Гц, коэффициент фильтра F_COEF=0,002.
В результате моделирования получили кривую изменения выходного напряжения схемы при подаче на вход синусоидального напряжения амплитудой 1 В с частотой 50 Гц (см.рисунок 4.5). Из результатов следует, что переходной процесс установления результатов измерений длиться порядка 3 секунд. После чего среднее значение выходного напряжения равно 0,706 В, а уровень пульсаций не превышает 1 мВ.
Для уменьшения длительности переходного процесса можно увеличить коэффициент фильтра F_COEF, при этом, однако, возрастет уровень пульсаций выходного напряжения.
4.4 Проектирование цифрового БИХ-фильтра
Недостатком простого фильтра типа «Бегущее среднее», реализованного в предыдущем параграфе является его малое быстродействие. С целью увеличения быстродействия выполним проектирование эффективного цифрового ФНЧ.
Все цифровые фильтры делятся на две категории: фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры) и фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). В работе будем исследовать БИХ-фильтр, так как при равных вычислительных затратах реализацию фильтров БИХ-фильтр будет обладать лучшими частотными характеристиками. На рисунке 4.5 представлена структурная схема БИХ-фильтра с прямой формой реализации, выбранная для исследований.
Зададимся исходными данными для расчета цифрового фильтра нижних частот:
- частота дискретизации Fs, Гц 500;
- частота среза Fpass, Гц 5;
- нижняя частота полосы подавления Fstop, Гц 50;
- подавление в полосе заграждения, дБ 40;
Расчет коэффициентов цифрового фильтра выполним в программе «Filter Design & Analysis Tool (FDAToll)», входящей в пакет MatLab (см.рисунок 4.7.). Полученные массивы коэффициентов фильтра представлены на рисунке 4.8. Результаты расчета амплитудно-частотной и переходной характеристики БИХ-фильтра нижних частот 3-го порядка приведены на рисунках 4.9. и 4.10. соответственно. В приложении А приведен листинг программы на языке Си, реализующий алгоритм вычислений разработанного БИХ ФНЧ.
4.5 Сборка макета и натурные испытания, измерителя true rms
Структурная схема и фото собранного макета для выполнения натурных испытаний разработанного измерителя True RMS переменного напряжения приведены на рисунках 4.11 и 4.12 соответственно.
В качестве источника сигнала использовался генератор с размахом синусоидального сигнала 2 В и частотой 50 Гц. В результате получили действующее значение 0.693 В. Пульсации не превышали 1 мВ. Относительная погрешность измерений составила 0,6%, что является приемлемым. На рисунке 4.13 приведены результаты исследований амплитудно-частотной характеристики спроектированного БИХ фильтра. С генератора подаем синусоиду амплитудой 1 В и смешенную на 2,5 В на половину диапазона АЦП [11]. Устанавливаем разные частоты от 10 до 100 Гц. Видно, что с ростом частоты коэффициент подавления фильтра растет. Путем трассировки было определено, что действительно подавление на частоте 50 Гц составляет 40дБ (в 100раз). Таким образом, результаты экспериментальных исследований подтвердили результаты теоретических расчетов.
На рисунке 4.14 приведены результаты исследований переходных характеристик измерителя True RMS для двух типов фильтров:
- ФНЧ «Скользящее среднее».
- Цифровой БИХ ФНЧ третьего порядка.
Из результатов следует, что использование более эффективного цифрового БИХ фильтра позволяет на порядок увеличить быстродействие измерителя True RMS[12]
5. Метод повышения разрешения результатов измерений силы тока для мониторинга параметров электросети
Измерение силы тока является ключевым параметром для мониторинга качества электропитания и обеспечения нормальной работы электрооборудования. Важно иметь точные и надежные данные об использовании электроэнергии в доме. Высокое разрешение результатов измерений силы тока необходимо для обеспечения заданной точности измерений в широком динамическом диапазоне. Кроме того, высокая чувствительность позволяет отслеживать потенциальные перегрузки и неисправности в электрической системе, своевременно выявлять утечки тока при нарушении изоляции, что помогает предотвращать возможные аварии и пожары. Рассмотрим метод повышения разрешения результатов измерений силы тока при использовании низкоразрядного АЦП, встроенного в микроконтроллер. Низкоразрядные АЦП дешевле в производстве, что снижает стоимость конечной продукции.
Для повышения разрешения результатов измерений при использовании низкоразрядного АЦП можно применить следующие основные методы:
- Использовать усиление сигнала: увеличение амплитуды сигнала до уровня, при котором он может быть точно измерен низкоразрядным АЦП.
- Оверсэмплинг: увеличение частоты дискретизации с последующим фильтрованием может привести к улучшению разрешения за счет снижения шума квантования.
- Дизеринг: добавление случайного шума (дизеринга) к сигналу перед его оцифровкой может помочь "размыть" квантование и улучшить разрешение при последующей обработке сигнала.
Выполним исследование первого, из перечисленных выше, метода, основанного на усилении сигнала перед подачей на АЦП. На рисунке 5.1 приведена структурная схема измерительного канала силы тока, реализующая метод повышения разрешения результатов измерений с использованием дополнительных усилителей на входе многоканального АЦП. Все усилители имеют одинаковый коэффициент усиления KU. Схема работает следующим образом: если уровень сигнала не требует усиления, то АЦ-преобразование выполняется по входу А0 АЦП; чем ниже уровень сигнала, тем больше усилителей будет задействовано для его усиления. Выбор номера входа АЦП осуществляется программно, в соответствии с алгоритмом, приведенном на рисунке 5.2.
Рассмотрим предложенную методику расчета количества усилительных каскадов и их коэффициентов усиления.
Исходные данные к расчету:
- максимальное напряжение на входе АЦП UmaxADC, В;
- максимальное напряжение на входе схемы Umax, В;
- динамический диапазон входного сигнала D;
- разрядность АЦП n;
- допустимая относительная погрешность квантования.
В качестве примера выполним расчет по следующим исходным данным: UmaxADC =5 В; Umax =2 В; D =20000; n = 10; ? = 0,01.
В результате получили: N = 2; KU = 7.
Для проверки выполним имитационное моделирование в программе Proteus (см.рис.5.3). Результаты моделирования подтвердили правильность теоретических расчетов и предложенных схемных решений.
Предложенная методика позволяет рассчитать количество усилителей и их коэффициенты усиления для обеспечения высокого разрешения результатов измерений при использовании низкоразрядного АЦП
Выводы
В ходе магистерской работы был разработан и исследован WEB-монитор параметров бытовой однофазной электросети, удовлетворяющий поставленной цели.
- Были исследованы методы измерения тока и напряжения в сети 230 В, сформулированы технические требования, разработана структурная схема и алгоритм работы устройства.
- На микроконтроллере реализован косвенный метод измерения истинного действующего значения напряжения, оптимизирован цифровой фильтр для повышения скорости измерения, обеспечен широкий диапазон измерений тока и мощности при использовании АЦП низкого разрешения.
- Разработаны принципиальные схемы и программное обеспечение, проведена проверка работоспособности системы методом имитационного моделирования и проработаны вопросы метрологического обеспечения.
- Разработанное устройство позволяет сохранять измерительные данные на облачном сервере и обеспечивает удаленный доступ к ним через Интернет.
Таким образом, цели и задачи магистерской работы были успешно достигнуты. Выполненная работа подтверждает необходимость и актуальность данной темы.
Список источников
- Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово устройств. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2005 – 528 c.
- Аверченков О.Е. Основы схемотехники аналого-цифровых устройств. – Изд-во ДМК Пресс, 2012. – 86с.:ил, табл.
- Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.– 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 304 с.: ил.
- Кузнецов Д.Н. Современные микроконтроллеры в системах измере-ния, управления, обработки и отображения информации.: учеб. пособие для обучающихся образоват. учереждений высш. проф. Образования / Д.Н. Кузнецов; ГОУВПО «ДОННТУ». – Донецк: ДОННТУ, 2020. – 400 с.:ил., табл.
- Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск моло-дых: сборник научных трудов ХХII международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 24-26 мая 2022 г. - До-нецк: ДОННТУ, 2022. – 351 с.
- Хартов В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих: учеб. пособие / В.Я. Хартов. -2-е изд., испр. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 280 с.: ил.
- Р.Болл С. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. – Перевод С.В. Щербинин, - ДМК Пресс, 2017. – 356 с.
- Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. – СПб.: БВХ-Петербург, 2012. – 256 с.: ил.
- Бюджетный вариант измерения TrueRMS.
- LTC1966 Linear Precision Micropower, RMS-to-DC Converter.
- Структуры цифровых фильтров и их характеристики.
- MatLab для DSP. Расчет цифровых фильтров с учетом эффектов кван-тования.