Сетевой мультиметр












Сетевой мультиметр

Основные теоретические положения
Проектирование и разработка устройства
Инструкция пользователя
Тестирование и применение на практике



















Саранск 2013

Содержание

Введение...3
Обоснование необходимости создания «Сетевого мультиметра», его возможности и применение....4
Теоретические основы создания «Сетевого мультиметра», измерение переменных токов и напряжений, представление их в цифровой форме....8
Расчет и проектирование устройства. Блок-схема..11
Процесс создания образца готового к использованию «Сетевого мультиметра»..14
Программное обеспечение устройства и возможности ПО...........16
Готовое устройство. Внешний вид и параметры.18
Инструкция пользователя..20
Заключение..23
Список литературы24




























Введение


В данном документе будут рассмотрены все этапы изготовления готового устройства «Сетевого мультиметра» от возникновения, развития и обоснования идеи до создания устройства и его применения.
Под названием «Сетевой мультиметр» можно понимать широкий спектр устройств различного назначения, связанных с измерением и исследованием как параметров переменного напряжения сети 220 В, так и параметров сетей беспроводной связи. Текущее устройство будет предназначено для измерения сетевого напряжения и тока, мониторинга потребления энергии во времени, наблюдения за состоянием сети 220 В, подсчета потребленной мощности. Предполагается конструктивное исполнение устройства как фильтра-посредника между сетью 220 В и приборами-потребителями электроэнергии.



















Обоснование необходимости создания «Сетевого мультиметра», его возможности и применение

Проблема качества напряжения сети электропитания

Работоспособность и долговечность бытовой электротехники зависят от качества получаемой электроэнергии. Как правило, к выходу из строя электронной техники, будь то холодильники, телевизоры или стиральные машины, приводит повышение напряжения выше допустимых пределов. Наиболее опасно длительное повышение напряжения выше допустимой отметки. При этом выходят из строя блоки питания электронной техники, перегреваются обмотки электродвигателей, нередко происходит возгорание.
Как правило импортная техника более чувствительна к броскам напряжения в сети, нежели российская. Это объясняется тем, что импортные приборы рассчитаны на эксплуатацию при отклонениях питающего напряжения от 198 до 242 В (220В +/-10 %), а отечественные - по российскому стандарту от 187 до 253 В (220В +/-15 %).
Наибольшей опасности при бросках напряжения подвержены электронная техника. Электроника выходит из строя быстрее, чем электродвигатель стиральной машины или компрессора. К примеру, для гарантированного выхода из строя современного импульсного блока питания достаточно времени действия одной полуволны запредельного напряжения, т.е. менее сотой доли секунды.
Кратковременные скачки напряжения представляют меньшую угрозу, чем длительное повышение, поскольку действуют весьма короткое время. Речь идёт о скачках, вызванных ударами молнии или коммутационными процессами. К тому-же защиту именно от таких неприятностей как правило имеет вся современная электроника. При длительном повышении напряжения такая защита бессильна. В сетях, где напряжение часто не соответствует номинальному, отклонения превышают допустимые значения и поэтому вероятность отказов техники значительно выше.
Для защиты компьютеров, аудио- и видео-аппаратуры часто применяют т.н. сетевые фильтры. «Пилоты» сглаживают небольшие по продолжительности колебания напряжения (например, от грозы), но не спасают от более продолжительных бросков.


Проблема экономии электроэнергии

Количество приборов, потребляющих электроэнергию, в наших квартирах растет. От электроплит и стиральных машин - до зарядных устройств мобильных телефонов. Электроэнергия же дорожает примерно на 15% в год. И все больше людей начинают задумываться о ее экономии.
Первый шаг к экономии это замена уже устаревших ламп накаливания. Заменять их можно на люминесцентные, их срок службы и световая отдача значительно выше и если вы не любитель выключать за собой свет, то при большей (чем у ламп накаливания) стоимости окупятся они достаточно быстро. Люминесцентные лампы, прежде всего, стоит устанавливать в места, где свет горит постоянно или достаточно часто.
В тех же участках вашего дома, где свет используется не так часто лучше устанавливать энергосберегающие лампы. Они также стоят дороже ламп накаливания, но, имея сравнимую с ними световую отдачу, служат до 8 раз дольше и потребляют значительно меньше энергии. Галогеновые лампы также можно использовать как альтернативу традиционным лампам накаливания, но окупятся они не так скоро. Это связано с тем, что по своей сути в галогеновых лампах используется тот же принцип получения световой энергии, что и в лампах накаливания.
Стоит заметить, что люминесцентные и энергосберегающие лампы экономят приблизительно одинаковое количество энергии равно почти 60 процентам (по сравнению с лампами накаливания).
Так же не стоит использовать лампы большой мощности. Во-первых, они потребляют большое количество энергии. Во-вторых, использование таких ламп может привести к короткому замыканию и вам придётся потратится ещё и на замену сгоревшей проводки.
При покупке бытовых приборов стоит обращать внимание на потребляемую ими мощность. Так два практически идентичных по цене и характеристикам телевизора могут значительно (до 100-150 Вт) отличаться по потребляемой мощности.


Варианты решения обозначенных проблем

Проблема качества сетевой электроэнергии – соответствие параметров стандартным – зачастую мало зависит от конечного пользователя. Однако, не стоит забывать, что включение большого числа приборов с различными видами электрической нагрузки на сеть 220 В может вызывать проблемы даже при образцовом напряжении сети. Устройства с некачественными блоками питания и сетевыми фильтрами вносят существенные помехи в сеть 220 В. А включение мощных приборов, например сварочного аппарата, совместно («в одну розетку») с точными и чувствительными приборами (телевизором, компьютером) может привести к выходу из строя последних.
На рисунках 1 – 3 представлены осциллограммы сетевого напряжения 220 В, идеальная, при подключении нескольких компьютеров без сетевого фильтра, при подключении разнородных нагрузок в сеть. Несложно понять, что бездумное включение устройств сокращает срок службы последних и приводит к сбоям в сети.
Но часто конечный потребитель даже не подозревает о помехах, вносимых прибором в сеть. Ведь на приборе максимум указывается потребляемая мощность и ток, и, зачастую, никаких иных предупреждений. Было бы неплохо, подключив такой прибор к какому-либо анализатору,

Рис.1. Образцовое сетевое напряжение 220 В 50 Гц


Рис.2. Сетевое напряжение при подключении нескольких
компьютеров без фильтров. Искажения формы.


Рис.3. Сетевое напряжение при подключении разнообразных
потребителей электроэнергии. Измененная форма, падения и скачки.


посмотреть в реальном времени на искажения, вносимые им в сеть, скачки напряжения, им вызываемые. Соответственно решить о необходимости включения в цепь питания прибора сетевого фильтра, или иного корректирующего устройства.
«Сетевой мультиметр» способен решить данную проблему, ведь он имеет мощную розетку для подключения любого устройства мощностью до 4500 Вт. Сам мультиметр включается в сеть переменного тока 220 В и имеет USB интерфейс для подключения к компьютеру и наблюдения из программы-клиента за графиками напряжения и тока.

Далее следует отметить, что даже надпись «max 500 Вт» на только что приобретенной музыкальной системе не говорит конкретно пользователю, сколько электроэнергии будет потреблять прибор. Здесь видно, что максимальная потребляемая мощность – 500 Вт. А сколько на деле будет «съедено» кВт*ч электроэнергии? Ведь именно за это платит пользователь. Но на деле потребляемая мощность такого прибора в зависимости от режима работы может варьироваться от 50 до 450 Вт. А такие устройства, как компьютер, вопреки суждениям многих, 80% рабочего времени потребляют из сети мощность не более 150 Вт, в то время как холодильник может круглосуточно «съедать» 400 Вт, лишь периодически, во время пауз, выключаясь до питания 20 Вт.
«Сетевой мультиметр» эффектно решает подобную проблему. Он не только отображает на ЖК-дисплее текущие напряжения и ток (действующие значения сетевого напряжения и тока), но и показывает мощность, а также потребленную энергию. А по графикам в приложении-клиенте можно проследить, сколько энергии было потреблено устройством в том или ином режиме работы.


















Теоретические основы создания «Сетевого мультиметра», измерение переменных токов и напряжений, представление их в цифровой форме

Способы измерения переменных напряжения/тока, мощностей и частоты

Перед тем, как рассматривать конструкцию самого прибора необходимо остановиться на некоторых теоретических аспектах измерения переменных напряжения, тока и прочих параметров электросети.
Сразу отметим, что мы будем измерять среднеквадратические значения напряжения и тока, как наиболее точно соответствующие привычным действующим значениям.
Любой сигнал перед измерением необходимо нормировать – т.е. привести его к допустимому диапазону и прочим параметрам используемого измерительного узла. В нашей схеме измерительный узел – интегрированный в микроконтроллер (МК) AVR АЦП, способный измерять напряжение в диапазоне 0-5в. Подача на него других напряжений (отрицательных либо больших 5в) приведёт к выходу из строя в лучшем случае только АЦП, в худшем – всего МК.
Измерение сетевого переменного напряжения заключается в 2-х пунктах:
«Куда-то деть» отрицательную полуволну синусоиды, т.к. она не попадает в диапазон АЦП.
Сделать так, чтобы максимальное (амплитудное) значение положительной полуволны не превышало 5в.
В простейшем случае оба пункта решаются последовательно включёнными диодом и делителем напряжения (можно использовать обычные резисторы плюс многооборотный потенциометр для облегчения настройки).
Правильно включённый диод играет роль однополупериодного выпрямителя и срезает отрицательную полуволну, не пропуская её в дальнейшую схему.
Делитель уменьшает (масштабирует) напряжение до требуемого диапазона. Коэффициент деления следует подбирать исходя не из стандартных 220в, а хотя бы из 260в, т.к. напряжение в сети крайне редко бывает 220в, оно чаще колеблется в каких-то пределах и, кроме того, часто бывают кратковременные «выбросы» (высокое напряжение) и «провалы» (низкое напряжение).
Такая схема проста, дёшева, надёжна и обладает достаточной точностью, вследствие чего именно на ней основано подавляющее большинство вольтметров переменного тока, как цифровых, так и аналоговых. По такому принципу будет работать и «Сетевой мультиметр».
В завершение приведём формулу для расчёта среднеквадратического значения напряжения:
, где N – кол-во замеров за период (частота выборки), ui- мгновенные замеры напряжения. К – коэффициент, учитывающий делитель и трансформатор.
Замеры можно проводить как за период так и за несколько периодов с последующим усреднением. Если речь не идёт о построении конструкций типа осциллографа, то усреднение предпочтительнее, т.к. обычно интересны именно средние значения, а не мгновенные.

Измерение тока.

Ни один АЦП сам по себе ток как таковой измерять не может. АЦП измеряет только напряжение. Значит, необходимо преобразовать ток в напряжение, измерить это напряжение, и пересчитать его обратно в ток.
Самый простой способ преобразования тока в напряжение – шунт, по сути – мощный низкоомный резистор Rш. Протекающий ток нагрузки Iн создаёт на резисторе падение напряжения Uш, прямо пропорциональное величине Iн. Зная сопротивление шунта, по закону Ома мы можем вычислить ток нагрузки: Iн=Uш/Rш. На базе шунта устроено подавляющее большинство амперметров, как стрелочных, так и цифровых.
Такой способ очень прост, понятен и дёшев. Кроме того такой узел полностью линеен (равенство Iн=Uш/Rш соблюдается на всём диапазоне рабочих токов) и не имеет никаких реактивных составляющих, т.к. резистор – 100% активный элемент.
Но, наряду с простотой и дешевизной, у схем на базе шунта есть ряд недостатков:
Нагрузка получает напряжение Uн = Uсети - Uш. Чем больший ток потребляет нагрузка, тем выше Uш и тем большее напряжение она «недополучит». Т.е. шунт вносит искажения в измеряемую им цепь. Для бытовых электроприборов этот недостаток не очень существенен.
Т.к. шунт это резистор, то рассеиваемая на нём мощность составляет . Мощность самого шунта должна быть больше рассеиваемой, как минимум, в два раза, иначе шунт сгорит. Вследствие большой рассеиваемой мощности шунты часто сильно разогреваются, могут расплавить изоляцию касающихся их проводов, пластмассу корпуса и это необходимо учитывать при физическом размещении его в корпусе устройства. Можно предусматривать и пассивное/активное охлаждение.
Обрыв (перегорание) шунта приводит к тому, что ток нагрузки начинает течь через ту часть схемы, которая подключена к шунту. Это чревато выгоранием если не всего прибора, то его части. Тогда необходимо ставить в схему различные предохранители (как во многих цифровых мультиметрах), супрессоры и прочие средства защиты.
Шунты не обеспечивают гальваническую развязку схемы прибора от сети.

В «Сетевом мультиметре» для измерения тока будет использован шунт сопротивлением 0.01428 Ом и максимальной рассеиваемой мощностью 35 Вт. Этого достаточно для измерения токов вплоть до 40 А без выделения значительного тепла на шунте. Реальный ток будет ограничен предохранителем 20 А.

Измерение активной и реактивной мощностей.

Известно, что активная мощность нагрузки вычисляется как интеграл произведения мгновенных напряжения и тока за один период частоты: . В цифровых измерительных устройствах интегралы не вычисляются, поэтому данная формула приобретает вид: , где u, i – мгновенные значения тока и напряжения, замеренные с помощью АЦП, N – кол-во замеров тока и напряжения за период. Аналогично напряжению и току, активную мощность можно измерять и за несколько периодов и соответствующей корректировкой N.
Полная (S), активная (P) и реактивная (Q) мощности связаны равенством . Поэтому, зная S и P, можно легко вычислить .

Измерение коэффициента мощности сети и угла сдвига фаз.

Эти два параметра строго однозначно взаимосвязаны, ибо коэффициент мощности – не что иное, как косинус угла сдвига фаз (
·) между напряжением и током. Поэтому измерять можно любой из них, а второй вычисляется путём простейших преобразований.
Первый способ (м.б. наиболее очевидный и простой) – засечь время между началом периода синусоиды напряжения и началом синусоиды тока, пересчитать его в
· и далее определить косинус. Однако у него есть один и очень серьёзный недостаток – этот способ чётко работает лишь на идеальных и «чистых», без помех синусоидах, которые в реальной жизни встречаются крайне редко. По факту же в электросетях полно различных наводок, помех и прочих «артефактов», из-за которых точно определить «настоящее» начало периода непросто.
Второй способ вытекает из соотношения . Т.е., зная напряжение, ток и активную мощность можно легко определить коэффициент мощности. Далее, .
Понятно, что вычислять все три мощности, угол и косинус следует только тогда, когда U<>0 и I<>0. В противном случае их можно просто обнулить без проведения каких-либо вычислений.

Расчет и проектирование устройства. Блок-схема

Учитывая все вышеприведённые положения, создана блок-схема подключения «Сетевого мультиметра» в сеть, рис.4.


Рис.4. Блок-схема применения устройства

Также была создана блок-схема для воплощения устройства в жизнь, рис.5.

Рис.5. Блок-схема «Сетевого мультиметра»
В качестве схемы измерения напряжения сети применяется делитель напряжения в 101 раз с резисторами 1 МОм и 10 кОм. Отсечение отрицательной части периода напряжения производится диодом, а ограничение выходного напряжения стабилитроном 5.1 В.
В схеме измерения тока применяется каскад из семи параллельно включенных керамических резисторов 0.1 Ом 5 Вт. Общее сопротивление каскада
· 0.01428 Ом. В цепи измерения тока включены предохранители 0.1 А.
Для обеспечения питания самого устройства применяется импульсный блок питания 5 В 800 мА.

Электрическая принципиальная схема основной платы представлена на рис.6.



































Рис.6. Электрическая принципиальная схема «Сетевого мультиметра»





Процесс создания образца готового к использованию «Сетевого мультиметра»


Основная печатная плата была разведена согласно рисункам 7 и 8.


Рис.7. Печатная плата «Сетевого мультиметра», слой 1

Рис.8. Печатная плата «Сетевого мультиметра», слой 2

Все платы «Сетевого мультиметра» размещены и закреплены в пластиковом демонстрационном корпусе размерами 140х140х40 мм. Смонтированы розетка для устройства – потребителя и разъем питания «Сетевого мультиметра». С внешним видом устройства можно ознакомиться в п.7 текущего документа.







Рис.9. 3D – модель печатной платы
























Программное обеспечение устройства и возможности ПО
Важную роль в «Сетевом мультиметре» играет наблюдение за параметрами с программы-клиента на компьютере. Цифровая связь и обработка всех данных обеспечивается микроконтроллером Atmega32 устройства. Вывод информации также производится на 32-символьный ЖК-дисплей. Таким образом, широкий спектр возможностей прибора обеспечивается прежде всего внутренней программой микроконтроллера.
Внутренняя программа микроконтроллера написана на языке программирования C в собственной IDE среде компании Atmel – производителя микроконтроллера – Atmel Studio 6.0. Фрагмент программы приведен на рис.10.


Рис.10. Фрагмент внутренней программы микроконтроллера в Atmel Studio 6.0

Для наблюдения за параметрами с компьютера разработана программа-клиент, связывающаяся с микроконтроллером через USB порт по стандарту LowSpeed и протоколу HID. Таким образом, «Сетевой мультиметр» готов к работе сразу после подключения к компьютеру и не требует установки драйверов. Программа на компьютере предназначается для операционных систем семейства Windows и разрабатывается в IDE Borland Delphi 7 (рис.11, 12).


Рис.11. Разработка приложения в среде Delphi 7


Рис.12. Разработка приложения в среде Delphi 7. Часть кода на Object Pascal.

Готовое устройство. Внешний вид и параметры

Подготовленное устройство представляет собой демонстрационный стендовый макет. Высоковольтная часть изолирована от низковольтной. Устройство находится в безопасном пластмассовом корпусе (рис.13, 14). Конфигурация, размеры и внешний вид устройства в целом могут быть изменены для удобства конечного пользователя.
Нагрузка прибора ограничена предохранителем 20 А и составляет таким образом 0 – 300 В при токе 0 – 20 А.
Погрешность измерения напряжения и тока в данной модификации составляет 5%. Точность измерения напряжения 0.1 В. Тока в диапазоне 0 – 2 А – 0.01 А. В диапазоне 2 – 20 А – 0.1 А.


Рис.13. Готовое устройство «Сетевой мультиметр»


Рис.14. Готовое устройство «Сетевой мультиметр»



















Инструкция пользователя

Для запуска устройства подключите его в сеть согласно схеме рис.15.


Рис.15. Базовая схема включения «Сетевого мультиметра»

После включения устройства в сеть наблюдайте за показаниями на ЖК-дисплее. По-умолчанию отображаются таймер времени в формате ЧЧ-ММ-СС, вольтметр и амперметр. Используйте клавиши «» и «» для переключения дисплея на отображение мощности, энергии за сеанс, а также полной энергии в кВт*ч.
Через 60 секунд простоя отключается подсветка дисплея. Нажмите любую клавишу для включения подсветки.
Яркие светодиоды на передней панели являются индикаторами потребляемой мощности, а также служат для обнаружения «Сетевого мультиметра» в темное время суток. Зеленый светодиод включается при нагрузке менее 10 А. Красный – при нагрузке более 10 А.
Внимание! Одновременно зажигающиеся зеленый и красный светодиоды во время запуска устройства обозначают режим самотестирования прибора. Отсутствие индикации светодиодами означает неисправность прибора. Одновременно зажигающиеся и мигающие зеленый и красный светодиоды обозначают неисправность прибора, которая была обнаружена самим прибором во время работы и может быть устранена перезапуском.

После подключения компьютера к «Сетевому мультиметру» через USB-порт запустите приложение EnergyController.exe с диска в комплекте (рис.16). Возможно, прийдется подождать 5-10 секунд, прежде чем программа подключит «Сетевой мультиметр». При отсутствии или обрыве подключения нажмите клавишу «» на лицевой панели прибора.


Рис.16. Приложение Energy Controller «Сетевого мультиметра»

Приложение отображает все показатели онлайн. Наблюдайте за показателями, или переключитесь в режим «Графики показателей» и «Осциллограф online».
Графики показателей (рис.17) позволяют производить мониторинг сетевого напряжения и нагрузки.
Осциллограф online (рис.18) загружает более 1000 раз в секунду показания с «Сетевого мультиметра» и строит по ним графики активных сигналов сетевого напряжения и тока. Внимание! Устройство не отображает отрицательные полуволны сигналов. В данном режиме отключены подсчет времени и мощностей нагрузок.
Изменяя параметры в правой колонке, добейтесь нужного масштабирования сигналов на графиках. Кнопка «Пауза» служит для «заморозки» процесса отрисовки графиков с целью их дальнейшего сохранения.





Рис.16. Режим «Графики показателей»


Рис.17. Режим «Осциллограф online»



Заключение

В данном документе были рассмотрены основные аспекты создания сложного устройства с высокоинтеллектуальной цифровой частью, одновременно простого в повседневном использовании. «Сетевой мультиметр», базируясь на элементарных законах физики, позволяет просматривать много важных параметров и быть дешевым устройством, полезным в повседневном применении.
Увеличивая себестоимость устройства, можно добиться идеальных измерений напряжения и тока сети 220 В 50 Гц, а также вычислять с большей точностью фазовый сдвиг между переменными напряжением и током.
Установив дополнительные стабилизирующие схемы, можно расширить функционал «Сетевого мультиметра», добавив возможность фильтровать и корректировать сетевое напряжение.
Применив более производительный процессор, можно использовать «Сетевой мультиметр» для детальной обработки осциллограмм тока и напряжения.
Налаженное взаимодействие с компьютером позволяет использовать «Сетевой мультиметр» в системах «умного дома», позволяя наблюдать и контролировать потребление электроэнергии, создавать график потребления по часам и т.п.
Тем не менее, в данной модификации были уже предусмотрены и реализованы основные возможности и положения. Устройство является неприхотливым в работе, использует только открытые и доступные технологии. USB подключение к компьютеру не требует установки драйверов. А включение «Сетевого мультиметра» выполняется на «раз-два».








Список литературы

Интернет-источники:
«Википедия – свободная энциклопедия», ru.wikipedia.org, Wikimedia Foundation, Inc.
«Радиокот» – свободный радиолюбительский портал, radiokot.ru
«Atmel» – производство электронных компонент, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], Atmel Corporation
Печатная литература:
«Схемотехника аналоговых электронных устройств» – Павлов В.Н., Ногин В.Н.
«Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL» – Евстифеев А.В. – 5-е издание, Москва Издательский дом «Додэка XXI», 2008
«Аналоговые измерительные устройства» – Гусев В.Г., Мулик А.В. – Уфимск. гос. авиац. техн. ун–т. Уфа, 1996.
«Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые)» – Орнатский П.П. – Киев; Высшая школа, Главное издательство, 1986.
«Языки программирования C и C++» – Сабуров С. – М.: Бук-пресс, 2006.
«Delphi 7. Справочное пособие» – Архангельский А.Я. – М.: ООО "Бином-Пресс", 2004.
















HYPER13PAGE \* MERGEFORMATHYPER141HYPER15





Приложенные файлы

  • doc file30
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий