Метод повышения разрешения результатов измерений силы тока для мониторинга параметров электросети

Автор: Кузнецов Д.Н., Захарченко И.А.

Источник: Автоматизация тех­нологических объектов и процессов. Поиск мо­лодых : сборник науч­ных трудов ХХIII международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 23-25 мая 2023 г. - Донецк : ДОННТУ, 2023. – С. 121-124.

Аннотация.

Кузнецов Д.Н., Захарченко И.А. - Метод повышения разрешения результатов измерений силы тока для мониторинга параметров электросети

В работе исследован метод увеличения разрешения результатов измерений, основанный на использовании дополнительных каскадов усиления на входе низкоразрядного АЦП. Предложена методика расчета количества усилителей и их коэффициентов усиления. Для проверки правильности теоретических расчетов и выбранных схемных решений выполнено имитационное моделирование работы схемы и программы в пакете Proteus.

Актуальность.

Актуальность данной работы заключается в необходимости повышения эффективности и безопасности использования бытовой 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 [1].

В работе рассмотрен метод повышения разрешения результатов измерений силы тока при использовании низкоразрядного АЦП, встроенного в микроконтроллер. Низкоразрядные АЦП дешевле в производстве, что снижает стоимость конечной продукции.

Цель работы:

Исследовать метод повышения разрешения разрешения результатов измерений силы тока для мониторинга параметров бытовой электросети при использовании низкоразрядного АЦП, встроенного в микроконтроллер.

Методы повышения разрешения результатов измерений.

1. Использовать усиление сигнала: увеличение амплитуды сигнала до уровня, при котором он может быть точно измерен низкоразрядным АЦП.
2. Оверсэмплинг: увеличение частоты дискретизации с последующим фильтрованием может привести к улучшению разрешения за счет снижения шума квантования.
3. Дизеринг: добавление случайного шума (дизеринга) к сигналу перед его оцифровкой может помочь "размыть" квантование и улучшить разрешение при последующей обработке сигнала.

Исследование первого, из перечисленных выше, метода, основанного на усилении сигнала перед подачей на АЦП.

На рисунке 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 2.

Рассмотрим предложенную методику расчета количества усилительных каскадов и их коэффициентов усиления.

Исходные данные к расчету:

1. максимальное напряжение на входе АЦП UmaxADC, В;
2. максимальное напряжение на входе схемы Umax, В;
3. динамический диапазон входного сигнала D;
4. разрядность АЦП n;
5. допустимая относительная погрешность квантования.

Разрешение по входу

Разрешение АЦП

Суммарный коэффициент усиления всех усилителей

Минимальное (пороговое) значение кода АЦП

Максимальный коэффициент усиления одного усилителя

Количество усилителей

Рекомендованный коэффициент усиления усилителя

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.3). Результаты моделирования подтвердили правильность теоретических расчетов и предложенных схемных решений.

Выводы

Предложенная методика позволяет рассчитать количество усилителей и их коэффициенты усиления для обеспечения высокого разрешения результатов измерений при использовании низкоразрядного АЦП.

Список использованной литературы

1. Сосницкий Е.Д., Кузнецов Д.Н. WEB-монитор параметров электросети 220 вольт. Время науки. Материалы V научно-практической конференции «Фестиваль науки», 7-8 декабря 2022 года, г. Луганск, факультет приборостроения, электротехнических и биотехнических систем, ЛГУ им. В. Даля. – Луганск: Изд-во «ЛГУ им. В. Даля», 2022. – С. 116-119.
2. 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.