Датчик мощности ДИМ-1Ф
Датчики ДИМ-200 или ДИМ-20 предназначены для преобразования активной мощности, потребляемой в цепях и переменного, и постоянного токов. Однако в большинстве случаев в промышленности и повсеместно в быту мы имеем дело с сетями частотой 50 Гц. Для таких сетей был разработан датчик мощности ДИМ-1Ф. Такой датчик преобразует активную мощность, потребляемую нагрузкой в сетях переменного тока частотой 50 Гц в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0-20 мА или 4-20 мА, гальванически изолированного от измерительных цепей.
Измерение мощности в цепях переменного тока может быть осуществлено с большей точностью, чем в цепях постоянного тока. Дополнительным преимуществом датчика мощности ДИМ-1Ф является возможность подключения первичного трансформатора тока (аналогично счетчикам электроэнергии), при этом номинальная измеряемая мощность ДИМ-1Ф увеличивается пропорционально коэффициенту трансформатора тока.
Рис. 5. Датчик мощности ДИМ-1Ф
Конструктивно датчик выполнен в прямоугольном пластмассовом корпусе и предназначен для монтажа на ДИН-рейку (рис 5). Электрическая схема датчика ДИМ-1Ф выполнена на основе микросхемы AD7753 — счетчика электрической энергии, выпускаемой компанией Analog Devices. Это многофункциональный интегральный измеритель активной, реактивной и полной электрических мощностей и энергий. Структурная схема датчика ДИМ-1Ф представлена на рис. 6. Датчик работает под управлением микроконтроллера, который осуществляет чтение данных из счетчика электроэнергии, их преобразование и выдачу данных на ЦАП.
Рис. 6. Структурная схема датчика мощности ДИМ-1Ф
Питание датчика осуществляется от стабилизированного источника постоянного напряжения 15 — 35 В, что позволяет без проблем запитать его практически в любом щите промышленной автоматики. Для обеспечения гальванической изоляции цепей измерения от цепей интерфейса в датчике применен вторичный источник питания, гальванически развязанный от первичного посредством трансформатора. Вторичный источник питания, имеющий электрическую мощность порядка 1 Вт, обеспечивает питание измерительной части датчика ДИМ-1Ф.
Известно, что электрическая мощность определяется как скорость передачи энергии от источника к нагрузке, полная мощность нагрузки в цепи переменного тока — как произведение действующих значений тока и напряжения: P = URMSIRMS. В случае переменного синусоидального тока URMS = U/я2, IRMS = I/я2, где U, I — амплитудные значения напряжения и тока.
Полная мощность является векторной суммой активной PA и реактивной PR мощностей: PA = P cos(j), PR = P sin(j). Активная мощность — результат произведения мгновенных значений тока и напряжения. Эта величина называется мгновенной мощностью и эквивалентна количеству энергии, переданной от источника к нагрузке в каждый момент времени (единица измерения — Вт или Дж/с).
Упрощенная структурная схема счетчика электроэнергии ADE77XX приведена на рис. 7. Входные сигналы, пропорциональные току и напряжению на нагрузке, поступают на входные усилители, а затем на АЦП типа сигма-дельта. Все последующие преобразования выполняются над цифровыми представлениями этих сигналов.
Рис. 7. Упрощенная структурная схема микросхемы ADE77XX
Измерение мощности нагрузки в цепях переменного тока может быть сделано с большей точностью, чем в цепях постоянного благодаря исключению влияния на результат измерения смещений входных аналоговых каскадов микросхемы. Действительно, рассмотрим два синусоидальных сигнала и результат их перемножения (для простоты считаем сигналы совпадающими по фазе):
Где Ios, Vos — напряжения смещения входных каскадов тока и напряжения.
Активная мощность представлена в приведенном выражении постоянными слагаемыми. Как видно на рис. 7, результат перемножения цифровых кодов сигналов поступает на вход фильтра низких частот. Слагаемые, содержащие переменную составляющую, при этом отфильтровываются. Видно, что слагаемое, содержащее произведение VOSIOS, привнесет в результат перемножения ошибку, обусловленную наличием смещения входных каскадов. Практически эту проблему решают введением фильтра высоких частот в любой из входных каналов. Удаление смещения в одном из каналов приводит к исчезновению постоянной составляющей ошибки в результате перемножения сигналов.
Микросхемы ADE77XX предназначены для использования в счетчиках электроэнергии, поэтому измеренное значение активной мощности интегрируется по времени: E = 8p(t)dt. Интегрирование производится путем непрерывного накопления (суммирования) сигналов мгновенной мощности во внутренних регистрах. Содержимое этих регистров может быть считано из микросхемы-счетчика посредством микроконтроллера.
При использовании микросхемы ADE77XX в датчике ДИМ-1Ф необходимо осуществить дифференцирование накопленного значения активной энергии по времени: P = dE/dt. Данную операцию можно выполнить путем замера времени между двумя чтениями регистра активной энергии и деления приращения активной энергии на замеренный промежуток времени. Этот способ неудобен тем, что требуется точное измерение промежутка времени, а операция деления требует больших аппаратных затрат. В случае использования маломощного микроконтроллера это не всегда возможно.
В разработанном датчике ДИМ-1Ф используется несколько другой подход: по переполнению внутреннего таймера микроконтроллера происходит прерывание, в процедуре обработки которого производится чтение регистра активной энергии. В этом случае промежуток времени определяется с высокой точностью, поскольку событие переполнения таймера зависит только от точности тактовой частоты микроконтроллера, которая стабилизирована кварцевым резонатором. Полученное таким образом значение регистра пропорционально активной мощности, которая определяется простым умножением на коэффициент пропорциональности. Коэффициент вычисляется в процессе калибровки датчика ДИМ-1Ф по образцовому ваттметру.
При реализации программы измерения мощности необходимо выбрать период следования прерываний таймера. Выбирать это значение произвольно нежелательно, потому что в сигнале активной мощности присутствует переменная составляющая удвоенной частоты сети. Несмотря на наличие фильтра НЧ в тракте прохождения сигнала активной мощности (см. рис. 7) полностью избавиться от переменной составляющей невозможно. Единственный выход — производить выборки регистра активной мощности с частотой, кратной частоте переменной составляющей сигнала активной мощности. Этот способ и реализован в датчике ДИМ-1Ф. Исходя из соображений получения достаточного быстродействия датчика мощности и учитывая возможности используемого микроконтроллера, период следования прерываний таймера выбран 260 мс (26 полупериодов частоты сети), что позволяет обновлять данные на выходе датчика примерно 4 раза в секунду. Фактически, датчик мощности ДИМ-1Ф выдает на выход информацию об активной энергии, переданной нагрузке за каждую четверть секунды.
В заключение еще раз отметим, что датчики активной мощности позволяют измерять мощность от нескольких ватт до нескольких сотен киловатт. Вместе с датчиками могут быть использованы различные аксессуары — дополнительное оборудование и приспособления, перечень которых приведен на сайте.
