Pøesný elektromìr s impulsním výstupem Ivo Strašil Èlánek popisuje pøesný elektromìr tøídy pøesnosti 0,2 S pro prùmyslové použití, vybavený impulsním výstupem s možností rozšíøení o komunikaèní modul pro bìžné prùmyslové sbìrnice. Elektromìr v uvedeném provedení pracuje s jmenovitým napìtím sítì 230 V a s proudy do 4 A (920 VA). Technické parametry Jmenovité napìtí: 230 V. Maximální proud: 4 A. Jmenovitá frekvence sítì: 50 Hz. Provozní teplota: 0 až 50 C, jmen. 25 C. Tøída pøesnosti: TP 0,2 S. Výstupní signál: opticky oddìlený impulsní výstup 30 ma/50 V. Rozmìry: 35 x 108 x 123 mm. Hmotnost: 320 g. Dnešní elektromìry a wattmetry pro sí ová zaøízení jsou vyrábìny prakticky výhradnì jako statické pøístroje, které vzorkují hodnoty napìtí a proudu zátìží a z výsledkù digitálnì odvozují èinný výkon, odebranou energii a pøípadnì další údaje, napøíklad úèiník nebo jalový výkon. Princip mìøení Èinný výkon mùžeme urèit z efektivní hodnoty napìtí a proudu zátìží známým vzorcem takto: P = U.I.cos ϕ [W; V, A, -] (1), kde ϕ je fázový posun mezi proudem a napìtím. Odebraná energie je rovna souèinu èinného výkonu a èasu mìøení t: W = P.t [J; W, s] (2), Místo mìøení z efektivních hodnot a fázového posunu mùžeme urèit èinný výkon obecnì pro každý (i neharmonický) prùbìh napìtí a proudu integrálem souèinu okamžitých hodnot napìtí a proudu v jedné periodì T: [W; s, V, A] (3) Nebo pracujeme se vzorkovanými hodnotami, nahradíme integrál souètem n vzorkù signálu: [W; -, V, A] (4) Ze vzorcù (2) a (4) nakonec odvodíme výpoèet odebrané energie pro èas mìøení t a vzorkovací periodu T vz, pøièemž pøedpokládáme, že platí t = n.t vz : [W; -, V, A] (5) Ze vzorcù je zøejmé, že pro digitální výpoèet odebrané energie potøebujeme znát kromì okamžitých napìtí a proudù i pøesnou hodnotu vzorkovací periody. Souèasnì musíme dodržet vzorkovací teorém i pro nejvyšší uvažované harmonické frekvence a použít pøevodníky s dostateèným rozlišením, abychom eliminovali kvantizaèní chyby. Rozbor chyb Z literatury, napøíklad [2], je známý princip výpoètu chyby nepøímého mìøení, tedy mìøení, kdy výslednou Obr. 1. Blokové schéma obvodu MCP3909 (pøevzato z [1]) hodnotu získáváme matematicky výpoètem z více pøímo mìøených hodnot. Pro náš pøípad - násobení hodnot platí, že relativní chyba výsledku se rovná souètu relativních chyb všech vstupních velièin. Celková relativní chyba mìøení tedy bude maximálnì (tedy pøi shodném smìru všech odchylek) rovna souètu relativních odchylek mìøení napìtí, proudu a èasu: [%; %, %, %] (6). Použité obvody V konstrukci je použito nìkolik ménì známých zajímavých integrovaných obvodù, které si nyní struènì popíšeme. MCP3909 je speciální obvod firmy Microchip pro elektronické elektromìry a wattmetry. Obvod v pouzdru SSOP24 sdružuje analogovu i digitální èást elektromìru. Z blokového schématu na obr. 1 je zøejmé, že obvod obsahuje dva šestnáctibitové sigma-delta pøevodníky A/D pro mìøení napìtí a proudu s programovatelnými zesilovaèi (PGA), zdroj referenèního napìtí 2,4 V, krystalový oscilátor a blok digitálního zpracování dat. Ten nejprve odstraní horními propustmi stejnosmìrnou složku (tedy ofsety pøevodníkù, PGA a termoelektrická napìtí) z namìøených hodnot a následnì vypoèítá aktuální výkon. Data je možné pøeèíst rozhraním SPI, užít impulsní výstupy Fout0 a Fout1 pro pøipojení elektromagnetického poèítadla nebo dále zpracovat výstupní signál z vývodu HFout. Na nìm je k dispozici vysokofrekvenèní impulsní výstup, jehož frekvence se pohybuje v jednotkách khz pro plný rozsah výkonu. Vzorkovací frekvence pøevodníkù obvodu je 28 khz. LT1019ACS8-2.5 je pøesný zdroj referenèního napìtí 2,5 V firmy Linear Technology. Teplotní závislost výstupního napìtí obvodu je typicky 3 ppm/ C a maximálnì 5 ppm/ C 11

v rozsahu 0 až 70 C. Obvod se dodává v pouzdøe DIL 8 nebo SO 8. LPC2138 je 32bitový mikrokontrolér s jádrem ARM7TDMI, dodávaný firmou NXP (bývalou souèástkovou divizí firmy Philips). Obvod pracuje s napájecím napìtím 3,3 V, hodinovou frekvencí do 60 MHz a disponuje 512 kb pamìti Flash a 32 kb pamìti RAM. Obr. 2. Schéma zapojení Popis zapojení Obvody napájení Elektromìr je napájen z rozvodné sítì 230 V/50 Hz samostatnými svorkami X1-1, X1-2 (viz schéma na obr. 2). Napájecí zdroj je øešen klasicky s transformátorem 3 VA TR1, Graetzovým mùstkem B1 a lineárními low-drop stabilizátory IC4 pro napájení digitálních obvodù napìtím 3,3 V a IC1 pro napájení obvodu MCP3909 napìtím 5 V. Zem (vodiè GND) obvodù elektromìru je spojena pomocí propájené spojky SJ1 se sí ovým napìtím na svorce X1-3. Analogové obvody elektromìru Mìøený obvod se pøipojuje tøíbodovì: vstup proudového okruhu ( fáze od zdroje) na svorku X1-3, výstup proudového okruhu (tedy fáze ke spotøebièi) na svorku X1-4 a støední vodiè sítì na svorku X1-6. Proudový okruh od svorky X1-3 je po ochranì miniaturní pojistkou F2 veden na výstupní svorku X1-4 pøes pøesný boèník Welvyn OAR3 (R1). Úbytek napìtí na boèníku je mìøen kanálem 0 obvodu MCP3909 (IC6). Pro pøípad vážné poruchy jsou do pøívodù od boèníku k IC6 zaøazeny pojistky F3 a F4. Mìøení napìtí umožòuje odporový dìliè R2/R3/R4, který pøevádí napìtí sítì na signál s rozkmitem napìtí kolem 550 mv, mìøený kanálem 1 IC6. Pro úplnost dodáme, že vstupy IC6 jsou plnì diferenciální a dovolují pøipojení vstupních napìtí v rozsahu až ±1 V ve vztahu k vývodu AGND IC6. Svorka X1-5 umožòuje mìøení na sítích o napìtí 48 až 60 V bez další specifikace pøesnosti. Analogové obvody pøístroje jsou oddìleny od digitálních jednoduchým filtrem s tlumivkami L1 a L2. Obvod MCP3909 umožòuje mìøení na stejnosmìrných sítích s relativnì velkou chybou (1 až 5 % podle podmínek), zpùsobenou termoelektrickými napìtími a ofsety pøevodníkù A/D, které se pøi mìøení na støídavé síti neuplatní. Tento režim je nutné povolit pøíslušným spínaèem DIP. IC6 je vybaven vnitøním zdrojem referenèního napìtí s pomìrnì malým koeficientem teplotní závislosti 12

Tab. 1. Limity chyb pro TP typicky 15 ppm/ C. Tento zdroj však již svou tepelnou závislostní nevyhovuje pro mìøení v uvedené tøídì pøesnosti 0,2 S (viz níže) a byl tedy nahrazen vnìjším zdrojem referenèního napìtí LT1019, u nìhož je tento koeficient pìtkrát nižší. Zpracování signálu V základní verzi firmwaru pøístroje, která je dostupná na www stránkách autora a na www.aradio.cz, je využit vnitøní výpoèet èinného výkonu obvodem IC6. Mikrokontrolér IC2 zpracovává impulsy z výstupu HFOUT IC6, dìlí jejich poèet nastavenou kalibraèní konstantou, øídí ètyøi kontrolní diody LED a impulsní výstup pøístroje. Parametry pøístroje je možné nastavit spínaèi DIP S1, jejichž stav ète mikrokontrolér pomocí vodièù SE- TUP1 až SETUP6. Ladìní a nahrávání programu do mikrokontroléru IC2 je možné prostøednictvím sériového rozhraní v úrovních TTL na konektoru SV3, které dovoluje kontakt s bootloaderem IC2, nebo pomocí JTAG rozhraní na konektoru SV2. Integrovaný obvod IC5 zajiš uje spolehlivý reset mikrokontroléru po zapnutí napájecího napìtí nebo pøi jeho poklesu. Vnitøní obvody resetu IC2 jsou velmi jednoduché a ukázalo se, že pøipojení vnìjšího resetovacího obvodu je pro spolehlivý nábìh mikrokontroléru ve vìtšinì pøípadù nutné. Tab. 2. Rozbor chyb mìøení Impulsní výstup Jediným výstupním rozhraním elektromìru je opticky oddìlený impulsní výstup, pøístupný na svorkovnici X2. Pøepojením propojky JP1 do polohy 2-3 je možné místo impulsù pøenášet sériová data, vysílaná mikrokontrolérem: V základní verzi firmwaru jsou vysílána data pro diagnostiku a kalibraci, v rozšíøené verzi firmwaru, která je po domluvì dostupná pro nekomerèní použití, jsou vysílány mikrokontrolérem vypoèítané parametry sítì (èinný, zdánlivý a jalový výkon, frekvence, napìtí, crest factor atd.). Na desce je pøipravena pozice pro komunikaèní modul RS-232 nebo RS-485, pøipojený ke svorkovnici X3. Aktuální verze software tuto pozici prozatím nevyužívá. Rozbor chyb mìøení V tab. 1 jsou uvedeny maximální relativní chyby mìøení pro statické elektromìry tøídy pøesnosti 0,2 S, jak jsou uvedeny v normì ÈSN EN 62053-22. Požadavky normy jsou dále ponìkud uvolnìny pro prostøedí s rušením, vìtší odchylky frekvence sítì od jmenovité a mnoho dalších rušivých vlivù. Firma Microchip, výrobce obvodu IO MCP3909, udává v katalogovém listu celkovou chybu mìøení, zpùsobenou tímto IO (tedy chybou pøevodníkù A/D, pøedzesilovaèù a nepøesností výpoètù), ve formì sady grafù. K této hodnotì relativní chyby pøièteme na základì vzorce (6) relativní chyby, zpùsobené vnìjšími prvky: chybu dìlièe mìøení napìtí, boèníku mìøení proudu a chybu mìøení èasu krystalovým oscilátorem. Nejprve vyèíslíme chybu mìøení proudu boèníkem: vzhledem k tomu, že výrobní nepøesnost boèníku odstraníme jednorázovou kalibrací ve výrobì, je zde jediným podstatným zdrojem chyby teplotní závislost odporu boèníku na teplotì, kdy musíme uvažovat jak zmìnu teploty okolí pøístroje, tak vlastní ohøev boèníku. Výrobce použitého boèníku R1 udává teplotní koeficient 20 ppm/k. Pøi plném zatížení R1 byl v uzavøené krabièce elektromìru namìøen nárùst jeho teploty o 39 C, budeme tedy uvažovat s chybou zpùsobenou vlastním ohøevem maximálnì o 50 C, tedy o 1000 ppm (0,1 %, viz tab. 2). Specifikovaný rozsah provozních teplot pøístroje je 0 až 50 C, mùžeme tedy uvažovat s odchylkou maximálnì 25 C od jmenovité teploty. Další zdroje chyb vypoèteme obdobnì: u krystalového oscilátoru uvažujeme s jeho teplotní závislostí i stárnutím, u dìlièe mìøení napìtí uvažujeme teplotní závislosti rezistorù a chybu snižujeme o koeficient udávající relativní vliv zmìny hodnoty souèástky na pøíslušnou hodnotu. Podrobnosti o tomto postupu jsou uvedeny napøíklad ve skriptu [2]. Dále byla do výpoètu zahrnuta teplotní závislost zdroje referenèního napìtí LT1019 s koeficientem vlivu rovným dvìma, protože chyba referenèního napìtí ovlivòuje souèasnì mìøení napìtí i proudu. Shrnutí výsledkù výpoètu je uvedeno v tab. 2. Mechanická konstrukce Pøístroj je vestavìn do typizované krabièky Railbox 35 mm v provedení na lištu DIN, kterou v ÈR prodává napøíklad firma Enika Nová Paka. Oboustranná deska s plošnými spoji s prokovenými dírami (na obr. 3 až 6) je rozmìrovì uzpùsoben tomu- 13

to typu pouzdra. DPS je vyrobena s tlouš kou mìdi 75 µm; izolaèní mezery sí ových obvodù splòují požadavek normy na minimální délku povrchové cesty 3,2 mm mezi rùznými potenciály. Násuvné svorkovnice jsou osazeny z boèních stran krabièky a využívají pøipravených otvorù. Krycí panel krabièky má vyøíznut otvor pro pøístup k spínaèùm DIP S1 a vyvrtány otvory pro indikaèní diody LED. Ovládání pøístroje Spínaèi S1 mùžeme nastavovat parametry pøístroje podle tab. 3, v tabulce 4 je uveden význam indikaèních diod LED. Spínaè è. 6 zapíná zesilovaè PGA v IC6 a umožòuje ponìkud pøesnìjší mìøení velmi malých proudù v rozmezí 10 až 300 ma. Pro vyšší proudy již není zlepšení pøesnosti zøejmé. Obr. 3. DPS elektromìru - strana spojù Tab. 4. Význam indikaèních LED PWR - napájení pøístroje je zapojeno. OUT - blikáním indikuje èinnost impulsního výstupu. REV - svícením indikuje prùchod zpìtného proudu (èinný výkon je pøenášen do zdroje). OPN - svítí, je-li zátìž odpojena nebo je nepatrná (nižší než asi 5 % rozsahu pøístroje). LD - svítí pøi pøipojené zátìži nad asi 2 % rozsahu pøístroje. Zapojení výstupu elektromìru Impulsní výstup elektromìru je urèen primárnì pro pøipojení k zaøízení automatizaèní a mìøicí techniky - napøíklad ke vstupu mìøicí ústøedny nebo ke vstupu PLC automatu. Oblíbenou aplikací elektromìru je mìøení výstupního výkonu malé solární elektrárny zpracované malým PLC automatem, který v závislosti na výkonu elektrárny pøipojuje zátìž tak, aby byl výstupní výkon elektrárny trvale využit. Tab. 3. Význam spínaèù S1 Obr. 4. DPS elektromìru strana souèástek Pro jednodušší aplikace je možné k impulsnímu výstupu, nastavenému na pøevod 10 impulsù/kwh, pøipojit bìžné elektronické èi elektromechanické poèítadlo a provozovat zaøízení jako samostatný pøesný elektromìr. Osazení, oživení a kalibrace Vlastní osazení desky s plošnými spoji nemá žádné záludnosti, pouze je vhodné v pozici boèníku R1 odvrtat prokovy desky a boèník zapájet z obou stran DPS, èímž získáme fakticky Kelvinovo pøipojení odporu boèníku a zamezíme tak sice minimálním, ale existujícím chybám vznikajícím na odporu pøipojení R1. Zapojení by mìlo pracovat pøi peèlivé práci na první zapojení. Po pøipojení k síti (doporuèuji použít oddìlovací transformátor) nahrajeme programátorem firmware do mikrokontroléru. Nyní by již mìl pøístroj 14

pracovat normálnì, pouze se sníženou pøesností. Pro dosažení plné pøesnosti je bezpodmíneènì nutné pøístroj zkalibrovat. Mùžeme uskuteènit buï jednobodovou kalibraci a dostavit elektromìr zmìnou hodnoty jednoho z rezistorù dìlièe mìøení napìtí, nebo mùžeme pøipojit pøístroj pøes galvanicky oddìlený pøevodník TTL RS-232 k sériovému portu poèítaèe a kalibrovat softwarovì (postup kalibrace viz www stránky autora). Obr. 4. DPS elektromìru - osazení strany spojù Obr. 5. DPS elektromìru osazení strany souèástek Obr. 5. Fotografie osazené desky POZOR! Pøístroj je samozøejmì galvanicky spojen s rozvodnou sítí, proto hrozí vážné nebezpeèí úrazu! Po zhotovení pøístroje doporuèuji alespoò ovìøit izolaèní stavy optického výstupu a napájecího zdroje pøístroje. Seznam souèástek R1 0,05 Ω, 1 %, Welwyn OAR3 R2, R3 320 kω, 0,1 %, Phoenix Passive YR1B324KCC R4 1 kω, 0,1 %, Vishay 2312 142 71002 MELF 204 R5, R7 1 kω, SMD 0805 R8 330 Ω, SMD 0805 RN1 8x 1 kω, 9 pin RN2 4x 470 Ω, 5 pin C1, C13, C18 1 nf, NP0, SMD 0805 C2, C12, C17, C20 až C22 100 nf, X7R, SMD 0805 C3, C4 470 µf/25 V, 105 C C5, C11, C23 10 µf/25 V, 105 C C6, C7, C9, C10 22 pf, NP0, SMD 0805 C8 10 pf, NP0, SMD 0805 B1 B250C1500 D1 1N4148 IC1 LF50 IC2 LPC2138FBD64 IC3 LT1019ACS8-2.5#PBF IC4 LF33 IC5 MCP130-315 IC6 MCP3909 LED1 až LED5 L-943, úhlová, 3 mm OK1 CNY17-1-300E Q1 16 MHz Q2 3,26 MHz L1, L2 axiální 33 µh F1, F3, F4 RFTQ 0,1 A F2 4 A zpoždìná, 5 mm JP1 lišta 3 pin + 1x jumper ñ Obr. 6. Detailní fotografie boèníku 15

Vypínaè na DIN lištu Jan Zima Tento jednoduchý modul je navržen pro uchycení na lištu DIN pro použití v rozvadìèi a slouží k ruènímu zapínání/vypínání spotøebièe (napø. cívky stykaèe apod.). Obr. 1. Schéma zapojení Jeho schéma je na obr. 1, DPS na obr. 2, rozmístìní souèástek na DPS na obr. 3 a hotový výrobek pøed uzavøením na obr. 4. Zapnutý stav je signalizován zelenou doutnavkou, která byla použita z dùvodu zanedbatelného odbìru (0,25 ma) z napájecího napìtí, protože signalizace s LED by byla z hlediska úèinnosti velmi nevýhodná. Zelená doutnavka uvedeného typu má pøi doutnavém výboji úbytek 85 V pro støídavé napìtí. Pokud použijeme jinou doutnavku, je tøeba zkontrolovat výrobcem uvádìný úbytek napìtí a pøípadnì odpor rezistorù pøepoèítat. Výrobce sice uvádí dobu života doutnavky 20 000 hodin, ale pokud by byl použit pouze jeden sériový rezistor, pak vìtšinou doutnavka pøestane svítit po nìkolika tisíci hodinách. Ve vìtšinì pøípadù je závada v pøerušeném pøedøadném rezistoru, který na první pohled vyhovuje jak z hlediska napì ového, tak i výkonového zatížení, ale je namáhán impulsním proudem pøi zapálení doutnavky. Proto se po èase pøeruší. Doutnavkové moduly napø. do vypínaèù jsou výrobci osazeny z úsporných dùvodù pouze jedním sériovým rezistorem a spotøebitel je tak po èase (podstatnì kratším než je životnost doutnavky) nucen vadný modul zahodit a koupit si jiný. Více rezistorù (R1 až R3) v sérii je tedy použito pro velmi dlouhou a bezproblémovou funkènost signalizace. Napájecí napìtí se pøipojuje na svorky LIN, spotøebiè na LOUT (KON2) a nulový vodiè pro svit doutnavky na KON1. Stavba je velmi jednoduchá a bezproblémová i pro zaèáteèníky. Nejprve upravíme svorkovnice MVG2 odøíznutím boèních výliskù, které jsou nutné pøi spojování svorkovnic do øady (s výlisky by se nevešly do krabièky) a DPS osadíme KON1, KON2 i rezistory R1 až R3. Do èelního panelu krabièky vyøízneme obdélníkový otvor pro vypínaè, pro doutnavku vyvrtáme otvor o prùmìru 3 mm a okolo nìj vytvoøíme nìkolik hlubokých vrypù špièkou ostrého nože (ze strany kontaktù vypínaèe). Vsuneme i zacvakneme vypínaè a pøipájíme k jeho pøívodním kontaktùm i k vývodùm doutnavky izolované vodièe vhodné délky. Pro pøipojení doutnavky postaèí prùøez 0,5 mm 2, pro vypínaè 1 mm 2 a pájené spoje opatøíme izolaèními bužírkami. Na plochu zdrsnìnou vrypy nože naneseme tavnou pistolí hmotu ve vrstvì 1 až 2 mm (okolo otvoru pro doutnavku i pøes nìj), doutnavku vtlaèíme do roztavené hmoty, ze které se èást vytlaèí otvorem na druhou stranu a vše spolu pøidržíme do zchladnutí. Pokud byla roztavená hmota nanesena v rozumné vrstvì, èást hmoty Obr. 4. se otvorem protlaèila na druhou stranu a vytvoøila miniaturní èoèku s hladkým povrchem (na první pohled vypadá jako LED). Doutnavku i její vývody upevníme další vrstvou tavné hmoty. Èelní panel s vypínaèem, doutnavkou i pøívodními vodièi zacvakneme do tìla horní èásti krabièky, pøipájíme vodièe do DPS a vše vyzkoušíme v provozu. Pozor pokud nepoužijeme oddìlovací transformátor, zaøízení je galvanicky spojeno se sítí! Pokud je vypínaè funkèní a doutnavka také svítí, pak DPS upevníme do dolní èásti krabièky opìt tavnou pistolí. Tavnou hmotou nyní nešetøíme, aby se DPS neuvolnila pøi montáži drátových vodièù v rozvadìèi a krabièku i DPS navzájem pøitiskneme až do vychladnutí hmoty. Pak zbývá jen horní i dolní poloviny krabièky zacvaknout do sebe a modul je hotový. Seznam souèástek R1, R2, R3 180 kω DT R782B (zelená) KON1, KON2 MVG 2 (RM 7,5 mm) Vypínaè P-T8800VA/AAB01 (1x 10 A/ /250 V AC) Krabièka KPDIN6 (široká 1 DIN modul) Obr. 2. Deska s plošnými spoji Obr. 3. Rozmístìní souèástek ñ S1 piáno DIP switch šestinásobný SV2 MLW14 SV3, SV4, SV5 pinové lišty (celkem 20 pinù) TR1 transformátor EI30, 1x 6 V, 2 W X 1, X 3 násuvná svorkovnice 6 pinù, 5 mm X 2 násuvná svorkovnice 2 piny, 5 mm Závìr Popisované zaøízení umožòuje pøesné mìøení èinného výkonu nebo odebrané energie v rozsahu až do 920 W. Pøístroj splòuje požadavky tøídy pøesnosti TP 0,2 S podle normy ÈSN EN 62053-22. Pouhou zmìnou softwaru pøístroje je možné doplnit další funkce, napøíklad harmonickou analýzu napìtí a proudù v síti. Pokud máte jakékoliv námìty, dotazy nebo pøipomínky, kontaktujte mì prosím na e-mailu: ivo@strasil.net Podklady pro výrobu DPS, základní firmware a pøípadné doplòující informace jsou dostupné na mém webu www.strasil.cz. Literatura [1] Microchip. Katalogový list MCP3909. http://ww1.microchip.com/downloads/ en/devicedoc/22025b.pdf> [2] Bejèek, L.; Èejka, M.; Rez, J.; Gescheidtová, E.; Steinbauer, M.: Mìøení v elektrotechnice. VUT-FEKT, 2002, 242 s., ISBN: AMT005. 16