Система высокоточных измерений параметров электрической энергии

Система измерений параметров электрической энергии необходима для любого промышленного предприятия. Она позволяет с высокой точностью определять параметры электроэнергии и как следствие уменьшать затраты на ее использование, что является чрезвычайно важной задачей для крупных предприятий. Поэтому необходимо разработать недорогой измерительный прибор, обладающий высокой точностью, надежностью и простотой в использовании. Предлагается система измерений, состоящая из входных цепей, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, преобразователя интерфейсов и персонального компьютера.

Использование современного быстродействующего персонального компьютера позволяет перенести всю обработку информации в компьютер и максимально упростить электрическую схему устройства. Таким образом, облегчается процесс сборки, настройки и ремонта, что значительно уменьшает стоимость устройства. Также использование персонального компьютера позволяет создать удобный пользовательский интерфейс и автоматизировать работу системы измерений.

1. Структурная схема системы измерений

Структурная схема системы измерений параметров электрической энергии представлена на рис. 1. Входные цепи предназначены для приведения исследуемых аналоговых сигналов к требованиям, предъявляемым к входным сигналам аналого-цифрового преобразователя. Точность всей системы измерений во многом зависит от параметров аналого-цифрового преобразователя, поэтому его выбору необходимо уделить самое пристальное внимание. Микроконтроллер должен обладать достаточным быстродействием, для того чтобы успевать считывать данные из аналого-цифрового преобразователя и передавать их в персональный компьютер в реальном масштабе времени, также он должен иметь необходимые для этого интерфейсы. Для согласования интерфейсов микроконтроллера и персонального компьютера служит преобразователь интерфейсов. И, наконец, персональный компьютер осуществляет прием и цифровую обработку данных, позволяет управлять устройством и отображает результат измерений на мониторе.

Рис. 1. Структурная схема системы измерений

Микросхема AD7657 имеет следующие характеристики [1]:

• •    6 независимых аналого-цифровых преобразователей;

• •    разрядность 14 бит;

• •    биполярные аналоговые входы;

• •    отношение сигнал/шум 86,5 дБ при частоте входного сигнала 50 Гц;

• •    максимальная частота выборок 250 кГц;

• •    мощность 140 мВт при частоте выборок 250 кГц и напряжении 5 В;

• •    внутренний источник опорного напряжения;

• •    параллельный и последовательный интерфейсы;

• •    режим пониженного энергопотребления.

• 2.    Выбор аналого-цифрового преобразователя

  После преобразования во входных цепях исследуемые аналоговые сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь. В системе измерений параметров электрической энергии необходимо одновременно измерять шесть параметров, поэтому используется шестиканальный аналогоцифровой преобразователь. При проектировании системы мы использовали преобразователи AD7657 и AD73360. Функциональная схема AD7657 показана на рис. 2.

AD7657 содержит шесть независимых четырнадцатиразрядных аналого-цифровых преобразователей последовательного приближения, имеет хорошее отношение сигнал/шум и может работать с биполярными входными сигналами. Но частота дискретизации ограничивается скоростью передачи данных в персональный компьютер, при скорости 2 Мбит/с частота дискретизации составляет только 10 кГц, что не позволяет получить высокую точность измерений.

Функциональная схема AD73360 показана на рис. 3.

Рис. 2. Функциональная схема AD7657

Рис. 3. Функциональная схема AD73360

Микросхема AD73360 имеет следующие характеристики [2]:

• •    6 независимых аналого-цифровых преобразователей;

• •    разрядность 16 бит;

• •    однополярные аналоговые входы;

• •    отношение сигнал/шум 77 дБ;

• •    максимальная частота выборок при использовании кварца 8,192 МГц: 1 МГц;

• •    мощность 80 мВт при напряжении 3 В;

• •    внутренний источник опорного напряжения;

• •    последовательный порт;

• •    программируемый коэффициент усиления.

• 3.    Выбор микроконтроллера и преобразователя интерфейсов

• 4.    Цифровая обработка данных в персональном компьютере

Система высокоточных измерений параметров электрической энергии

AD73360 содержит шесть независимых шестнадцатиразрядных сигма-дельта аналогоцифровых преобразователей с хорошим отношением сигнал/шум. Алгоритм внутренней децимации уменьшает частоту дискретизации до 4 кГц, что позволяет передавать данные в персональный компьютер со скоростью 1 Мбит/с.

При экспериментах с этими двумя аналогоцифровыми преобразователями лучшие результаты показала микросхема AD73360, это можно объяснить более высокой разрядностью и высокой частотой дискретизации с использованием алгоритма цифровой децимации.

Связь устройства с персональным компьютером осуществляется с помощью интерфейса USB. Интерфейс USB обеспечивает высокую скорость передачи данных, прост в использовании и позволяет динамически подключать и отключать устройство, поэтому является идеальным решением [3].

Для обеспечения связи микроконтроллера с шиной USB персонального компьютера используется преобразователь интерфейса USB в UART. Нами была выбрана микросхема FT232R, она представляет собой однокристальный асинхронный двунаправленный преобразователь USB в последовательный интерфейс. Она включает в себя: USB-приемопередатчик, UART-контроллер и буферы, стабилизатор напряжения, умножитель частоты и другие функциональные узлы, которые делают ее готовым решением для быстрой и недорогой модернизации системы для работы с интерфейсом USB [4]. Микросхема способна передавать данные в обе стороны со скоростью до 2 Мбит/с, причем пользователю не требуется никаких знаний об устройстве и работе USB: поставляемые компанией FTDI программные драйверы создают впечатление, что обмен идет через обычный СОМ-порт [3].

В устройстве используется микроконтроллер ATmegal6 фирмы «Atmel». Это надежный микроконтроллер с быстродействием 16 МГц, имеющий USB и SPI интерфейсы [5]. Интерфейс SPI используется для связи с аналого-цифровым преобразователем AD73360. Для передачи 4000 пакетов, состоящих из 6 шестнадцатиразрядных выборок аналого-цифрового преобразователя и одного контрольного байта, в персональный компьютер достаточно скорости передачи 1 Мбит/с. Так как микроконтроллер ATmegal6 поддерживает скорость интерфейса UART до 2 Мбит/с, то имеется двойной запас по скорости.

Данные из микроконтроллера поступают в персональный компьютер, где осуществляется вся цифровая обработка. С помощью программы пользователь может управлять устройством, проводить калибровку, просматривать и сохранять результаты измерений. Алгоритм работы персонального компьютера представлен на рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм работы персонального компьютера

После установления режима работы, получения выборок с 6 каналов аналого-цифрового преобразователя и калибровки данные поступают в цифровой высокочастотный фильтр. Он необходим для устранения постоянной составляющей сигнала и имеет следующую передаточную характеристику:

Н^ =    —.               (1)

Z-0,9985

Затем по мгновенным значениям фазных напряжений и токов вычисляются мгновенные значения линейных напряжений и активные мощности. После возведения в квадрат напряжений и токов данные сглаживаются цифровым sine-фильтром с передаточной характеристикой:

• 1    1 - Z~^N

  Среднеквадратические значения напряжений и токов, а также средние значения активных мощностей вычисляются после накопления 8000 выборок. Обработка данных происходит за 2 с, после чего значения выводятся на экран.

Заключение

Описанная в статье система высокоточных измерений параметров электрической энергии построена на базе персонального компьютера и небольшого электронного блока. Это позволило максимально упростить электронную часть устройства, возложив всю цифровую обработку данных на персональный компьютер. Использование в системе шестнадцатиразрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации 1 МГц и алгоритмов цифровой фильтрации обеспечивает высокую точность измерений.

Связь с персональным компьютером осуществляется по шине USB со скоростью 1 Мбит/с, что позволяет проводить обработку данных в реальном масштабе времени и отображать результаты измерений 1 раз в 2 с. Персональный компьютер автоматизирует работу устройства и предоставляет пользователю удобный интерфейс. Все это делает разработанную систему хорошим решением для использования на предприятиях, нуждающихся в высокоточных измерениях электрической энергии.