Устройство измерения переменного тока

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к средствам измерения действующего значения потребляемого электрического тока промышленной частоты 50 Гц, напряжением 220 В и может быть использована для контроля энергопотребления промышленных устройств, например, электродвигателей и другого силового оборудования в электрических сетях переменного тока напряжением до 1000 В.
Устройство предназначено для измерения величины потребляемого тока промышленной частоты и преобразования значения измеряемого тока в последовательность цифровых сигналов, предназначенных для передачи по локальной сети Ethernet и дальнейшей обработки в электронных вычислительных машинах для контроля длительности и интенсивности работы электродвигателей промышленных швейных машин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство измерения переменного тока и напряжения с гальванической развязкой, содержащее электромагнитный трансформатор тока, трансформатор тока с воздушным сердечником или с сердечником из ферромагнетика с сосредоточенным или рассредоточенным немагнитным зазором, аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом преобразованного сигнала, блок питания, оптическое стеклянное волокно (оптоволоконный кабель) или оптический канал связи, блок питания, цифроаналоговый преобразователь с оптическим входом, делитель напряжения, устройство согласования выхода с трансформаторной гальванической развязкой (патент РФ №2648020, МПК G01R 19/2503. Опубликовано 21.03.2018 г. Бюл. № 9).
Недостатками данного устройства являются:
наличие оптического канала связи между аналого-цифровым и цифроаналоговым устройствами;
необходимость применения аналого-цифрового преобразователя с оптическим выходом;
необходимость применения цифроаналогового преобразователя с оптическим входом;
необходимость выполнять цифроаналоговое преобразование, что не позволяет в дальнейшем выполнять обработку полученной информации о величинах измеряемых токов и напряжений с применением ЭВМ.
Известен также цифровой датчик переменного тока, содержащий измерительный трансформатор тока, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, контроллер и блок интерфейса (патент РФ №166723, МПК G01R 19/25. Опубликовано 10.12.2016 г. Бюл. № 34).
Ограничением данного устройства является то, что кодирование напряжения на резисторе нагрузки, через который протекает ток вторичной обмотки измерительного трансформатора, выполняется по командам контроллера не чаще 1 раза в секунду.
Задачей разработанной полезной модели является создание устройства измерения потребляемого переменного тока, позволяющего при использовании однополярного питания электронной схемы устройства и одновременной фильтрации высокочастотной составляющей переменного тока на частотах от 100 Гц и выше, преобразовать значения измеряемого двуполярного электрического тока промышленной частоты в цифровой сигнал с разрядностью 12 бит и сформировать пакет цифровых данных для дальнейшей обработки их с помощью электронных вычислительных машин.
Технический результат данной полезной модели заключается в возможности при использовании однополярного питания электронной схемы устройства и одновременной фильтрации высокочастотной составляющей переменного тока на частотах от 100 Гц и выше, преобразовать значения измеряемого двуполярного электрического тока промышленной частоты в цифровой сигнал с разрядностью 12 бит и формировании пакета цифровых данных для дальнейшей обработки их с помощью электронных вычислительных машин при достижении необходимой точности измерения значений потребляемого переменного тока промышленной частоты за счёт высокой частоты регистрации значений измеряемого тока до двух тысяч раз в секунду и вычисления среднеквадратичного значения измеряемого тока на больших интервалах измерения (200 измерений за 100 миллисекунд).
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Измерение потребляемого промышленным оборудованием переменного тока осуществляется с использованием трансформаторного датчика тока ZMCT103C, который выполняет преобразование переменного электрического тока промышленной частоты 50 Гц, напряжением 220 В в переменный электрический ток с коэффициентом трансформации 1000/1.
Первичной обмоткой трансформаторного датчика тока ZMCT103C является контактный провод, соединяющий источник переменного электрического тока промышленной частоты и электродвигатель промышленного оборудования, например, швейной машины. Применением трансформаторного датчика тока ZMCT103C обеспечивается гальваническая развязка цепи, ток в которой подлежит измерению, и внутренних электрических цепей устройства измерения переменного тока. Под действием электрического тока, проходящего по контактному проводу, расположенному в отверстии датчика тока ZMCT103C, в обмотке датчика возникает электрический ток, который подаётся на резистор R33 (фиг. 1, поз. 1) сопротивлением 100 Ом. Погрешность сопротивления резистора R33 должна быть не более 1 процента от номинала для уменьшения разброса значений напряжения на этом резисторе.
На выходе датчика тока установлен делитель напряжения в составе резисторов R21 и R22 (фиг. 1, поз. 7, поз. 9) сопротивлением 10 кОм каждый с погрешностью сопротивления не более 1 процента для установления начального значения измеряемого электрического напряжения, получаемого с нагрузочного резистора R33 трансформаторного датчика тока, на уровне 1,65 В, соответствующего нулевому значению напряжения электрического тока промышленной частоты в измеряемой цепи, и конденсатор C36 для фильтрации высокочастотной составляющей переменного тока на частотах от 100 Гц и выше (фиг. 1, поз. 8), ёмкостью 0,1 мкФ.
Электрический сигнал c резистора R33 поступает на микроконтроллер STM32F103С8Т6 (фиг. 1, поз. 2), в котором выполняется преобразование аналогового сигнала в виде электрического напряжения в диапазоне от 0 В до 3.3 В в цифровой сигнал с разрядностью 12 бит.
Значения потребляемого тока регистрируются микроконтроллером с частотой 2000 Гц. Весь диапазон измеряемого напряжения делится на 4095 уровней. Максимальному напряжению 3,3 В соответствует число 4095.
Половине максимального напряжения 1,65 В соответствует число 2048. Каждые 500 микросекунд микроконтроллер выполняет преобразование электрического напряжения, поступающего на вход микроконтроллера, в число. При оцифровке положительных значений электрического напряжения из числа, соответствующего мгновенному значению положительного электрического напряжения, выполняется вычитание числа 2048. Отрицательные значения электрического напряжения также переводятся в цифровую форму путём вычитания из числа, соответствующего мгновенному значению отрицательного электрического напряжения, числа 2048 и изменения знака полученного числа. Таким образом, результатом измерений электрического напряжения является последовательность положительных чисел, которые соответствуют мгновенным значениям измеряемого электрического напряжения. Каждому положительному или отрицательному полупериоду колебаний измеряемого электрического напряжения соответствует 20 чисел. За каждый интервал в 100 миллисекунд 200 чисел содержат в себе информацию о десяти положительных и отрицательных полупериодах колебаний измеряемого электрического напряжения.
За каждые 100 миллисекунд микроконтроллер выполняет измерение 200 значений электрического напряжения, соответствующих значениям тока, потребляемого электродвигателем швейной машинки. Одновременно, микроконтроллер выполняет вычисление среднеквадратичного значения 200 последовательно измеренных значений потребляемого тока. Один раз в секунду микроконтроллер выполняет формирование пакета данных, который содержит:
номер микроконтроллера в локальной сети, определяемый в виде хэш-функции заводского серийного номера микроконтроллера;
адрес микроконтроллера в сети;
системную дату и время, получаемые от Ethernet коммутатора;
калибровочное значение тока холостого хода электродвигателя швейной машины, определяемое в течение 1,5 минуты методом последовательных приближений;
десять среднеквадратичных значений потребляемого тока, вычисленных последовательно в течение одной секунды, в миллиамперах в виде четырёхзначного числа.
Сформированные пакеты данных по шине SPI (Serial Peripheral Interface последовательный периферийный интерфейс) передаются на микросхему W5500 (фиг. 1, поз. 3), в функцию которой входит передача данных по протоколу TCP\IP по локальной сети Ethernet на сервер для обработки.
Питание электронной схемы обеспечивается от Ethernet коммутатора при помощи микросхемы - переключателя электропитания SI3402 (фиг. 1, поз. 4). Напряжение питания, получаемое с переключателя электропитания SI3402 стабилизатором LМ1117-3.3 (фиг. 1, поз. 5) понижается до 3,3 В.
Хранение внутренних параметров устройства выполняет микросхема памяти M24C02-WMN6P (фиг. 1, поз. 6), обмен данными осуществляется по шине I2C.
Перечень хранимых данных:
Адрес
Количество байт
Описание
0
1
Флаг наличия IP адреса сервера
1
4
IP адрес
5
2
Порт сервера
7
24
Поле с пользовательским описанием
32
1
Флаг наличия статического IP
33
4
Адрес статического IP
37
1
Флаг положения экрана
38
1
Значение калибровки
39
1
Ревизия платы
40
1
Версия прошивки
Устройство также содержит импульсный трансформатор для шины Ethernet, который выполняет функцию гальванической развязки устройства и шины Ethernet. Электролитические конденсаторы C19 (фиг. 2, поз. 10) и C20 (фиг. 2, поз. 11), а также дроссель L1 (фиг. 2, поз. 12) обеспечивают стабильное питание микросхемы SI3402.
Два кварцевых резонатора Х1 (фиг. 2, поз. 13) и Х2 (фиг. 2, поз. 14) обеспечивают точное тактирование внутреннего процессора микроконтроллера STM32F103С8Т6 и часов реального времени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведён рисунок печатной платы устройства, содержащий:
нагрузочный резистор R33 (поз. 1) сопротивлением 100 Ом, погрешность сопротивления не более 1 процента;
микроконтроллер STM32F103С8Т6 (поз. 2), в котором выполняется преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал с разрядностью 12 бит;
микросхема W5500 (поз. 3), в функцию которой входит передача данных по протоколу TCP\IP по локальной сети Ethernet;
микросхема - переключатель электропитания SI3402 (поз. 4);
стабилизатор напряжения LМ1117-3.3 (поз. 5);
микросхема памяти M24C02-WMN6P (поз. 6);
резистор делителя напряжения R21 (поз. 7) сопротивлением 10 кОм, погрешность сопротивления не более 1 процента;
конденсатор C36 (поз. 8), ёмкостью 0,1 мкФ;
резистор делителя напряжения R22 (поз. 9) сопротивлением 10 кОм, погрешность сопротивления не более 1 процента.
На фиг.2 приведён рисунок печатной платы устройства, содержащий:
электролитические конденсаторы C19 (поз. 10) и C20 (поз. 11);
дроссель L1 (поз. 12);
кварцевые резонаторы Х1 (поз. 13) и Х2 (поз. 14).