センサーとマイクロコントローラー。 パート3.電流と電圧の測定

センサー概要サイクルの最後の部分に進みます。このサイクルでは、DCおよびACの電流および電圧センサーを検討します。 メインシリーズに該当しなかった他のすべてのセンサーについては、将来の記事で突然必要になったときに追加のレビューを行います。

この記事では、電力品質パラメーターの測定に関する新しいシリーズの資料を開きます。これには、電流センサーと電圧センサーをマイクロコントローラーに接続する問題、電力品質アナライザーの動作アルゴリズムの考慮、電力品質のさまざまなインジケーターの意味とその意味が含まれます。 さらに、最初の記事のコメントで言及されている、多くの人にとって関心のあるデジタル化とデータ処理の正確性のトピックに触れます。

内容

パート1.マット。 一部。 特定の測定パラメーターに関連付けられていないセンサーを考慮します。 センサーの静的および動的特性が考慮されます。

パート2.気候制御センサー。 温度、湿度、圧力、およびガス組成センサーを使用する機能について説明します

パート3.電気量のセンサー。 このパートでは、電流センサーと電圧センサーについて説明します。

注意： スポークをソケットに差し込まないでください、必要なスキルがなければ220Vネットワークに登らないでください！

それは直流で起こり、交互に起こります。 すべてが一度に発生するため、多くの問題が発生する場合があります。 しかし、それについては後で。 まず、用語を扱います。



図1：AC電圧

ACを測定する場合、4つの異なる値があります。これらの値は、測定を行う際にガイドされます。 以下のすべての式と用語は、現在のメーターに適用されます。

1.瞬時電圧値は、2点間の電位差です。 特定の時点で測定されます。 この値は、他のすべての計算の基本です。 実際、私たちのタスクは、一定の間隔で瞬間的な電圧値のシーケンシャルセットを読み取り、後で他のデータを取得するために使用できるようにすることです。

u = u（t） （1）

次のチャートについて取得します。



図2：一連の瞬時電圧値の測定

ポーリングセンサーの周波数を選択するとき、周波数fの信号を復元するために2f以上の周波数で読み取る必要がある場合、コテルニコフシャノンの定理に導かれます。 厳密な不等式の必要性に注意してください。つまり、50 Hzの周波数の信号をデジタル化する必要がある場合、少なくとも101 Hzの周波数で読み取りを行う必要があります。 しかし、もちろん、より良いです。

電気の品質の指標でGOSTを思い出すと、高調波のセクションで、最大40の高調波、つまり2 kHzまでの高調波が測定に興味深いことがわかります。 電気メーターのチップは毎秒4096回読み取ります。 2のべき乗は、高速フーリエ変換アルゴリズムを適用できるように選択されます。

この大きなデータセットを単位時間（1秒など）ごとに収集すると、次のようになります。

2.電圧の振幅値 -サンプルからの最大モジュロ値として定義されます：

（2）

ここで、[u（t）]はデータ配列です。

調和振動の場合、この値は次の式で使用されます。

（3）

3.電圧の平均値、つまり算術平均、つまり交流電圧の一定成分。

（4）

どこで -アナログ信号のサンプリング周期。 積分ではなく意図的に合計を書きます。 産業用ACネットワークでは、平均値はゼロでなければなりません。 この条件が満たされない場合、直流が変圧器にバイアスをかけ、変圧器を飽和状態にしたり、供給ラインを加熱したりするため、特定の問題が発生する可能性があります。 後者は、ワイヤ上の凍結した氷の問題を解決するのに役立つことがあります-ワイヤが加熱され、氷が落ちます。

低電流アナログ回路では、一定の成分が常に存在し、非常に有用です。 そして、それが気になる場合は、すぐにそれを取り除きますが、それについては後で詳しく説明します。

4.電圧のrms値 。 -実効電圧値としても知られています-線形能動負荷では、同様のレベルの定電圧と同じ働きをします。 次の式で決定されます。

（5）

コンセントの電圧を測定する場合、原則として、この非常に効果的な電圧である230 / 380Vに関心があります。

正弦波電圧の振幅と実効値は、 。 測定システムの設計では、主に電圧と電流の振幅値に関心があります。

測定中は、次のスキームのいずれかによってガイドされます。



図3：測定器の接続

心の謎-両方の接続スキームは正しいですが、どのような状況でどちらかを正しく選択することが重要ですか？ コメントの回答。

電圧センサー

最初のステップは、電圧を測定することです。 以下はすべて、少なくともコントローラーのADC電源電圧の電圧に適用されます。 したがって、ADCが噛むことができるよりも大きい振幅で電圧を測定する必要があります。 したがって、電圧レベルを下げる必要があります-つまり 信号を減衰させます。

低電圧の場合（たとえば、前の記事の熱電対のthermoEMFなど）、逆の問題、つまり信号増幅が必要です。 これはより困難な作業であり、次の記事で間違いなくそれに戻ります。

センサーを計算するための条件を設定します。

測定電圧：交流、0-1000V、周波数50 / 60Hz。 380Vの三相電圧の場合、振幅はほぼ600Vですが、660Vのネットワークがあります。 それでまあ。 実際、私はこの計算を鉄片から取り、怠lazのためにやり直しました。

出力電圧±1.65V-電源電圧の半分+ 3.3V

分圧器

最も簡単な方法は、分圧器です。



図4：分圧器

測定デバイスの電圧は、入力電圧に分周係数を乗じて決定されます。

（6）

抵抗器の抵抗を選択するときは、次の要件を決定する必要があります。

1.抵抗チェーンを流れる電流は、この電流が測定値に影響しないように、測定デバイスの電流よりも1〜2桁大きくする必要があります。 メーターの抵抗値は有限であり、抵抗R2に別の抵抗が接続されていることがわかります。 内部抵抗が大きいほど、全体の抵抗は抵抗R2に近くなります。 たとえば、ATmega ADCの内部回路の抵抗は100MΩです。

2.分周器に割り当てられる電力は大きすぎてはいけません

3.印加される入力電圧は、抵抗器のブレークダウン電圧より低くなければなりません。

メーカーの電流を1mAにします。 すると、抵抗の合計抵抗は次のようになります。

（7）

ディバイダーに必要なギア比を決定します。

（8）

抵抗E24の多くの定格について、最も近い値を選択して、約1MΩを与えます。

R1 = 990 kOhm（3つの330 kOhm抵抗器）

その後、抵抗R2 = K・R1 = 1.63 kOhm

シリーズE24から、2番目の抵抗R2 = 1.6 kOhmを選択します

係数を確認します。

（9）

以前に計算された2.3％の誤差は、私たちに適しています。 実際には、E192シリーズから抵抗器を正確に選択できますが、私の場合は必要ありません。入力の1000Vの電圧は異常なモードであり、システムは後で較正されます。

測定回路は次のようになります。



図5：電圧計回路

大きな動作電圧用の分圧器を開発する場合、使用する抵抗の最大許容電圧を考慮する必要があります。

たとえば、SMD抵抗の定格動作電圧は15 V（0201）です。 50 V（0402、0603）; 150 V（0805）; 200 V（1206、2010、2512）、

そして、最大許容-50 V（0201）; 100 V（0402,0603）; 200 V（0805）; 400 V（1206、2010、2512）。

それが、サイズ1206の直列接続された3つの抵抗を使用する理由です-動作電圧555ボルト、最大許容電圧1000Vに収まります。

もちろん、測定の精度は抵抗とこの抵抗の熱安定性に依存するため、これらの抵抗はすべて高精度でなければなりません。

R4-C1チェーンに基づいて、ローパスフィルターが組み込まれているため、干渉が心配されません。 ちなみに、このフィルターの機能はすぐにわかります。



図6：フィルターの周波数応答

LAC曲線からわかるように、0〜2000 Hzの動作周波数範囲では、フィルターは実際に信号の振幅と位相を損ないません。 しかし、RFコンバーターから来る100 kHz以上のオーダーの周波数での干渉は確実に粉砕されます。 だから、すべてが最高です。

利点：

• 抵抗の値によって決定される広範囲の電圧と周波数。
• 抵抗器の精度と熱安定性によって決定される高精度。
• 直接および交流電圧を測定します。

短所：

• ガルバニック絶縁はありません-産業用ネットワークと相互作用する場合、ユーザーを電気回路から保護するか、ガルバニック絶縁を使用する必要があります。
• 低効率-すべての分割器電流が熱になります。

変圧器

図7：変圧器

6 / 10kV以上の非常に高い電圧を測定する必要がある場合は、変圧器が使用されますが、実際には、従来の変圧器であり、その主な動作モードはアイドルモードです。

このようなトランスの精度クラスは、磁化特性の動作領域に依存します。 結局のところ、特定の振幅を持つ信号だけでなく、その形状を損なうこともありません。 これがまさに問題です。ほとんどの変圧器は、実際には高調波を通過させません。 それはすべて、金属コアと磁化反転損失についてです。 さらに、コアプレートが薄くなります。 より良い周波数応答。

トランスの通常の精度クラスは0.5、1、3です。

利点：

• 膨大な範囲の動作電圧-最大数百キロボルト以上。
• ガルバニック絶縁が必要でした。

短所：

• 特定の周波数帯域で動作します。
• 交流電圧でのみ動作します。

必要に応じてDC測定トランスを使用できるため、最後の欠点はわずかに不自然です。 はい、DCトランスは「存在」しますが、デバイスの正しい名前は磁気増幅器です。 このようなデバイスの精度と直線性には、多くの要望があります。磁化によりコアの飽和領域で作業が行われます。

次のようになります。



図8：磁気増幅器を使用したDCの測定

この技術の奇跡については、 analogiu.ru / 6 / 6-2-2.htmlをご覧ください。

トピックが興味深い場合は、これらの古代の規制当局の概要を説明します。

電子絶縁センサー

両方の回路の欠点は、絶縁された電子センサーを奪われています。 実際、それは完全なデバイスです。 内部には分圧器、オペアンプ、ガルバニック絶縁ユニット、このすべての不名誉の絶縁電源回路があります。



図9：電子絶縁センサーのブロック図

出力が0〜10 Vまたは電流が0〜10 mAの産業用センサーに出くわしました。 従来のセンサーとは異なり、ユニポーラ信号を生成します。 原則として、そのようなスキームは、例えば適用して、独立して開発できます。 HCPL-7850のような絶縁アナログ増幅器。 このスキームの主な欠点は、非常に複雑で非常に高価です。

そして同志のコメントに正しく記されているように progchip666

電気的に絶縁されたインターフェースを介してアナログ信号を1％の精度で送信することは非常に難しいため、多くの場合、デジタル信号に追い越して、この形式ですでに追い越す必要があります。

残念ながら、図に示されているアンプにも電力を供給する必要があります。 もちろん、電気的に絶縁されたソースから。

利点：

• ガルバニック絶縁;
• 高精度;
• 幅広い電圧と周波数;
• 直接および交流電圧を測定します。

短所：

• 高価な;
• 複雑な回路。

サイトリンク

電流および電圧センサーABB www.power-e.ru/2006_03_56.php

電流および電圧センサーLEM www.sensorica.ru/pdf/LEM.pdf

電気メーターSTMP32 www.compel.ru/lib/ne/2015/4/2-dlya-odnofaznyih-i-mnogofaznyih-schetchikov-novyie-izmeritelnyie-mikroshemyi-ot-st

en.wikipedia.org/wiki/Electric_voltage

電流センサー

シャントの測定

電流を測定する最も簡単で正確な方法。 ご存じのように、アクティブな抵抗に電流が流れると、測定された電流に比例して電圧が低下します。 わかりました、抵抗器を取り、測定された回路のギャップに入れて下さい：



図10：電流センサー電流シャント

シャントでの電圧降下は、送信電流に比例します。

（10）

したがって、センサーの出力で必要な電圧に応じて、目的のシャント抵抗を選択します。 しかし！ シャントでの電圧降下により、それぞれ熱に放出される電力損失が発生します。高電流では、損失を制限するために、センサーからの低電圧値に満足する必要があります。 業界で製造されたこれらのShSMタイプのシャントは、定格電流で75mVの標準出力電圧を提供します。



図11：ShSMタイプの電流シャント

75mVの電圧で、シャントのほとんどの測定ヘッドを較正しました。 ネジの2番目のペアに注意してください-それらは、電源と測定回路の電流を分離することにより測定の精度を高めるために、測定デバイスへの接続専用に設計されています...

このようなシャントを使用して電流を測定するには、オペアンプが必要です。 同時に、平均ゲインは20〜40であり、これは広範なオペアンプで実現できます。 原則として、重要ではないDC回路では、単一のトランジスタに基づいた増幅カスケードを使用することもできます。 このような方式の直線性は不十分ですが、しきい値保護回路の場合は単純で信頼性の高いオプションです。

次のスキームを取得します。



図12：オペアンプをオペアンプとして使用する

ACを測定する場合、出力信号はバイポーラであり、オペアンプにはバイポーラ電源から電力を供給する必要があることに注意してください。

念のため、スキームの仕組み：



図13：電流センサーアンプのモデリング

入力に75 mVを印加し、20を掛けると、出力で10 Aの電流に対して振幅が1.5 Vの信号が得られます。 次の記事では、バイポーラ信号がどのように不便になるかを理解します。

利点 ：

• 高精度;
• 幅広い電圧と周波数;
• 直流および交流を測定します。

短所：

• ガルバニック絶縁はありません。
• 低効率。

変流器

測定用変流器は、一次巻線が電流源に接続された変圧器であり、二次巻線は測定機器または保護オートメーション装置に接続されています。

変流器は、大電流回路の電流を測定するために使用されます。私はしばしば高いポテンシャルを持っています。 たとえば、10kVネットワークの電流を測定したいと考えていました。 または、デバイスの測定された電流回路を220Vに電気的に切り離すための簡単で比較的安価な方法を得たいと考えています。 変流器の主な問題は、交流電圧しか測定できないことです。

変流器には常に負荷がかかります。 変流器の二次巻線が開いていることが判明した場合、数千キロボルトの電位が現れ、人員を不自由にし、絶縁を破壊することによりデバイスを損傷します。

トランスには一次巻線が組み込まれています。 たとえば、次のとおりです。



図14：Coilcraft CS2106Lシリーズ変流器

巨大なバスの形をした一次巻線に似たこれらの象、またはワイヤを通過させるための窓さえも



図15：産業用マルチアンプ変流器

変流器の主な欠点は、金属コアにより、50、60、または400 Hzの特定の周波数でのみ動作することです。 もちろん、変流器はより高い周波数の信号を送信できますが、精度ははるかに低くなります。 この場合、使用するコアのシートの厚さに注意する必要があります-変​​流器の鉄が薄いほど、最大許容動作周波数が高くなります。 ちなみに、フェライトでできた変流器があります。これは、周波数が50〜60 kHz以上のシステムの測定に使用されます。 たとえば、CoilcraftのCSilシリーズCS1は20〜50 kHzの範囲で動作するように設計されており、スイッチング電源に用途があります。

しかし、それを取り除いた場合、エアトランス、またはいわゆるエアトランスが得られます。 ロゴスキーコイル：



図16：ロゴスキーコイルの接続図

測定回路との相互作用を必要とする他のセンサーとは異なり、ロゴスキーコイルはベルトとして測定回路のワイヤに取り付けることができます。

一部の測定器には、このようなセンサーが装備されています。



図17：ロゴスキーコイルセンサー

測定される電流の範囲は数十から数千アンペアですが、精度が低いという欠点があります。

利点：

• ガルバニック絶縁;
• 数千アンペアの大電流で動作します。

短所：

• 特定の周波数範囲の交流のみを測定します（ロゴスキーコイルを除く）。
• 信号の位相を変更し、補償が必要

ホール効果電流センサー

このタイプのセンサーは、電流のある導体が磁場に置かれたときに電位差が発生する効果を利用します。



図18：ホール効果

センサーを作成するとき、磁気回路を取得し、測定回路のワイヤを通過させ、磁気センサーを磁気回路のセクションに配置して、オープン型電流センサーを受け取ります。



図19：オープンホール効果電流センサー

このようなセンサーの利点はシンプルです。 欠点は、コアの磁化の存在、したがって、読み取り値の非線形性の増加です。

コアに巻線を追加し、測定電流に比例した電流をコアに入れます。



図20：補償ホール効果電流センサー

コアの磁化がゼロの場合、センサーの直線性と精度クラスが向上します。 ただし、その設計では、そのようなセンサーはそれぞれ変流器に近づき、コストが大幅に増加します。

トランスのように、電源線がそれ自体を通過できるようにするセンサーにはさまざまな種類があります。



図22：ホール効果電流センサー

共有コアを備えたセンサーがありますが、それらのコストは単にロールオーバーします。

2.1kVおよび3kVのガルバニック絶縁を備えたホール効果に基づく統合された電源回路を備えたセンサーは、Allegroによって製造されています。サイズが小さいため、精度は高くありませんが、コンパクトで使いやすいです。



図23：Allegro ACS754電流センサー

• ACS712センサー-±1.5％の精度で最大30Aの直流および交流電流を測定
• ACS713センサー-最大30AのDC電流を測定するために最適化されています。それは普遍的な同等物の2倍の感度を持っています。
• ACS754センサー-±1.5％の精度で最大200Aの直流および交流電流を測定
• ACS755センサー-DC測定用に最適化されています。
• ACS756センサーは、3〜5Vの供給電圧で最大100Aの直流および交流を測定するためのセンサーです。

図24：センサーの出力電圧の電流依存性

利点：

• 最大50〜100 kHz以上の周波数の広範囲の測定電流。
• 直流および交流を測定します。
• ガルバニック絶縁

欠点：

• 高価な

追加リンク：

DC測定変圧器analogiu.ru/6/6-2-2.html

ロゴスキーコイルwww.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54046

ウィキペディアにおけるホール効果：ru.wikipedia.org/wiki/Effekt_Holla

ホールセンサーrobocraft.ru/blog/electronics/594.html

Danilov A.現代の産業用電流センサーwww.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf

アナログアンプHCPL-7851に基づく回路設計www.kit-e。 com / asset / files / pdf / 2010_04_26.pdf

おわりに

私は、さまざまなデバイスの開発で最もよく使用されるコミュニティであるセンサーの概要を作成するタスクを自分で設定しました。センサーのほとんどは、近い将来、私の材料には必要なくなるという理由でサイクルに含まれませんでしたが、それらのいくつかは計画されています。加速度センサー、角速度、コンパス、サンプルを備えた別の資料を作成してください。新しい記事をお楽しみに！