Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Bezprzewodowy amperomierz - brak problemu z różnicą potencjałów

ghost666 24 Maj 2017 22:15 2211 7
  • Bezprzewodowy amperomierz - brak problemu z różnicą potencjałów
    Pomiar prądu płynącego przez opornik pomiarowy wydaje się być bardzo prosty. Wzmacniamy napięcie, jakie odkłada się na oporniku, podajemy to na ADC i już możemy obliczyć wartość płynącego prądu. Ale w realnej aplikacji, gdy opornik znajduje się na jakimś potencjale, sporo powyżej masy systemu, może to nie być takie łatwe. Typowym rozwiązaniem w takim systemie jest zastosowanie wzmacniacza różnicowego, który pozwoli zmierzyć różnicę napięć w obecności stałego potencjału. Jednakże jest inne rozwiązanie - bezprzewodowy system do pomiaru prądu.

    Analogowe układy do pomiaru wartości prądu są często rozwiązaniami kompaktowymi, jednakże różnica potencjałów, z jaką mogą pracować, jest ograniczona - to tylko układ półprzewodnikowy, trudno jest znaleźć układ, który pracować może z napięciem większym niż 100 V. Dodatkowo, jeśli napięcie współbieżne szybko się zmienia lub przechodzi poniżej zera (masy) to układ traci na dokładności.

    Systemy izolacji galwanicznej - magnetyczne lub optyczne - są dosyć problematyczne w implementacji, aczkolwiek pozwalają na działanie przy dużej różnicy potencjałów, nawet do kilku tysięcy voltów. Układy takie, oprócz izolacji sygnałów, potrzebują także izolowaną przetwornicę, do zasilania układów po wtórnej i pierwotnej stronie systemu.

    Dodatkowo - jeżeli opornik pomiarowy oddalony jest od miejsca, gdzie chcemy umieścić układ pomiarowy, to konieczne będzie prowadzenie długich kabli w układzie.

    Istnieje jedno proste rozwiązanie tych problemów - system bezprzewodowy, zasilany z baterii. Nie jest on ograniczony tak jak w powyższych przykładach. Cały układ może pracować na dowolnym potencjale, jako że jest odizolowany galwanicznie od otoczenia - związany jest tylko z mierzonym układem. W takim systemie potencjał pracy urządzenia w którym mierzony jest prąd nie ma znaczenia, a opornik pomiarowy wraz z ADC umieszczony może być w dowolnym miejscu i bezprzewodowo przekazywać wyniki pomiarów w dowolne miejsce. Jeśli układ nie będzie pobierał zbyt wiele prądu to można go nawet zasilać z baterii, zamiast izolowanego zasilacza.

    Projekt systemu

    Na rysunku 1 zaprezentowano schemat blokowy omawianego urządzenia pomiarowego. Część analogowa oparta jest o wzmacniacz operacyjny LRC2063, który wzmacnia różnicę potencjałów na oporniku do poziomu, który pozwala na łatwy pomiar poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Jako ten układ wykorzystano ADC o sukcesywnej aproksymacji AD7988. Digitalizuje on wartość napięcia i wysyła ją poprzez interfejs SPI do modułu radiowego. Moduł radiowy LTP5901-IPM posiada wbudowany nie tylko front-end radiowy, ale także system sieciowy, pozwalający na konfigurację sieci z numerami IP w oparciu o interfejs radiowy. LTP5901-IPM posiada także wbudowany procesor, który pozwala na odczyt danych z przetwornika ADC poprzez interfejs SPI. Do zasilania systemu wykorzystano przetwornicę DC/DC opartą o LTC3335. Moduł pomiarowy zasilany jest z baterii. Przetwornica LTC3335 posiada licznik kulombów, który zlicza łączny ładunek pobrany z baterii. Pozwala to na lepsze nadzorowanie pracy systemu.





    Bezprzewodowy amperomierz - brak problemu z różnicą potencjałów
    Rys.1. Schemat blokowy bezprzewodowego sensora do pomiaru prądu.


    Tor pomiarowy

    Pierwszym elementem w torze pomiarowym systemu jest op-amp LTC2063 stabilizowany impulsowo. Układ ten charakteryzuje się bardzo niskim poborem prądu, na poziomie 2 mikroamperów. Dzięki temu idealnie nadaje się do zastosowania w systemach zasilanych z baterii. Dzięki niewielkiemu offsetowi napięciowemu na wejściu - poniżej 10 ?V - system taki może mierzyć bardzo małe napięcia. Rysunek 2 pokazuje układ ten skonfigurowany do pracy jako wzmacniacz i sumator (podwyższający różnicę napięć o offset). Układ mierzy spadek napięcia na oporniku pomiarowym o rezystancji 10 m?. Wzmocnienie układu dobrane zostało tak, aby spadek napięcia równy ?10 mV (co odpowiada prądowi ?1 A) w pełni zajmował pełny zakres pomiarowy wykorzystanego przetwornika ADC. Do zmierzonego spadku napięcia dodawane jest stałe napięcie 1,5 V (połowa zakresu ADC) gdyż układ pracuje z niesymetrycznym zasilaniem.

    Zmierzony spadek napięcia podawany jest następnie na ADC o sukcesywnej aproksymacji - AD7988. Układ ten charakteryzuje się rozdzielczością 16 bitów, dobrą dokładnością stałoprądową (niski offset) oraz niewielkim poborem mocy. Przy częstotliwości próbkowania na poziomie 1 ksps układ pobiera średnio 10 ?A, dzięki temu, że pomiędzy poszczególnymi pomiarami przechodzi w stan uśpienia. Jako źródło napięcia odniesienia wykorzystano LT6656, gdyż pobiera on niewielki prąd - zaledwie 1 ?A, a dzięki wbudowanemu buforowi może precyzyjnie sterować ADC. Jest to układ LDO, stabilizuje on 3 V (maksymalny prąd wyjściowy 5 mA) nawet z 3,3 V, jakie wykorzystane są do zasilania.

    Układ pomiarowy wprowadzać będzie pewien błąd w pomiar - przede wszystkim offset. Całkowity offset systemu wyniesie około 0,5% całego zakresu pomiarowego (?10 mV). Źródła tego błędu są trzy: offset napięciowy op-ampa i ADC oraz błąd niedopasowania oporników w torze pomiarowym (rekomendowane są oporniki 0,1%). Na szczęścia nawet jednopunktowa kalibracja systemu wystarczy aby usunąć ten błąd w pomiarze. Drugim co do istotności jest błąd wzmocnienia części analogowej systemu, który wynika z odchyłki od ideału wartości rezystorów w tej części systemu. Nie powinien on być większy jednakże od 0,05%. Finalnie uwzględnić można jeszcze błąd związany z dryfem termicznym źródła napięcia odniesienia. Dla LT6656 jest to około 10 ppm/°C.

    Bezprzewodowy amperomierz - brak problemu z różnicą potencjałów
    Rys.2. Schemat części pomiarowej opisywanego układu


    Zarządzanie zasilaniem

    LTC3335 to przetwornica buck-boost z serii nano-power w której zintegrowano licznik pobranych z ogniwa kulombów. Układ ten stabilizuje napięcie 3,3 V do zasilania z systemu. Współpracuje z ogniwami o napięciu od 1,8 V do 5,5 V. Pozwala to na dużą elastyczność w zasilaniu systemu, wystarczą np. dwie baterie paluszki.

    Pobór prądu przez system waha się od 1 ?A do 20 mA, co nie jest problemem gdyż wykorzystana przetwornica może pracować z prądem wyjściowym do 50 mA. Gdy zasilacz nie jest obciążony pobiera on z baterii zaledwie 680 nA. Czyni to układ bardzo oszczędnym i pozwala długo pracować pomiędzy wymianami baterii.

    Wbudowany w LTC3335 licznik kulombów monitoruje ile ładunku pobrano z danego ogniwa. Wartość ta odczytana może być przez interfejs I2C. Dzięki temu system może automatycznie poinformować o konieczności wymiany baterii na nowe.

    Bezprzewodowy interfejs sieciowy

    Wykorzystany w urządzeniu moduł - LTP5901-IPM - to kompletne rozwiązanie komunikacji radiowej. Integruje w sobie transceiver radiowy, mikrokontroler i oprogramowanie do tworzenia sieci SmartMesh. Moduł ten pełni w systemie dwojaką rolę - kontroluje transmisję radiową i nadzoruje pracę systemu. System ten automatycznie tworzy sieć pomiędzy wszystkimi znajdującymi się nieopodal modułami, które komunikują się z jednym głównym, zarządzającym siecią. Tworzy to bardzo niezawodną sieć, szczególnie przy dużej liczbie urządzeń, która to gwarantuje, że pomiędzy dowolnymi układami w sieci występować będzie więcej niż jedna ścieżka transmisji. Dzięki temu, że układy te komunikują się ze sobą nawzajem, moc nadawania jest niewielka. Sprawia to, że cały moduł radiowy pobiera bardzo mało prądu i idealnie nadaje się do zastosowań zasilanych bateryjnie.

    LTP5901-IPM integruje w sobie procesor z rdzeniem ARM Cortex-M3, który nadzoruje transmisje do i z sieci radiowej. Dodatkowo autorskie firmware wgrane do układu realizuje dedykowane zadania takie jak pomiar napięcia poprzez podłączony po SPI przetwornik ADC i odczytywanie informacji z miernika zużytej energii z przetwornicy podłączonej do procesora poprzez I?C. Mikrokontroler może także usypiać poszczególne układy, takie jak np. op-amp, co pozwala na zmniejszenie jego poboru prądu z 2 ?A do 200 nA. Pozwala to jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie prądu przez układ i przekłada się na dalsze wydłużenie czasu pracy systemu.

    Całkowite zużycie prądu

    Całkowite zużycie prądu przez system zależy od częstotliwości pomiaru i ilości wykonywanych przez moduł radiowy transmisji. Typowo, przy wysyłaniu danych co około sekundę, część analogowa pobiera poniżej 5 ?A a radio, średnio, 40 ?A. Dzięki tak niskiemu poborowi prądu radio pracować może na niewielkich bateriach długie lata.

    Bezprzewodowy amperomierz - brak problemu z różnicą potencjałów
    Rys.3. Kompletny bezprzewodowy system pomiaru prądu.


    Podsumowanie

    Wykorzystanie układu do bezprzewodowego pomiaru prądu pozwala uwolnić się od wielu problemów pomiarowych. Dzięki wykorzystaniu oszczędnych elementów możliwe jest skonstruowanie układu, takiego jak pokazany na rysunku 3 który funkcjonować może bardzo długo bez konieczności wymiany zasilających go baterii. Wykorzystanie przetwornicy z zintegrowanym licznikiem pobranego z ogniwa ładunku pozwala na monitorowanie stanu baterii i informowanie po sieci o konieczności jej wymiany, co w istotny sposób zmniejsza koszty obsługi tego rodzaju urządzenia pomiarowego.

    Źródło: http://www.linear.com/solutions/7698?utm_medium=email&utm_source=transactional&utm_campaign=LT_Insider


    Fajne!
  • #3 25 Maj 2017 10:36
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    BK_klp napisał:
    A nie lepiej zastosować przetwornik prądowy w stylu Lem HAIS?


    Do pomiaru tak małego prądu jak 1 A i niżej? Chyba nie. Poza tym, rozwiązuje to tylko część problemów - nadal nie można mierzyć w ten sposób zdalnie i trzeba dodać ADC i inne elementy.

  • #5 25 Maj 2017 13:23
    szymon122
    Poziom 37  

    Zbigniew 400 napisał:
    Następny gadźet który moźe znajdzie niszowwe zastosowanie.

    Dlaczego niszowe?
    Projekt ten rozwiązuje bardzo wiele problemów, o ile cena będzie akceptowalna to może być to ciekawy pomysł.
    ghost666 napisał:
    Całkowite zużycie prądu

    Całkowite zużycie prądu przez system zależy od częstotliwości pomiaru i ilości wykonywanych przez moduł radiowy transmisji. Typowo, przy wysyłaniu danych co około sekundę, część analogowa pobiera poniżej 5 ?A a radio, średnio, 40 ?A. Dzięki tak niskiemu poborowi prądu radio pracować może na niewielkich bateriach długie lata.

    Tutaj przydałyby się konkrety: Ile pobiera prądu i na ile dni wystarczą na przykład dwie baterie AA.

  • #6 26 Maj 2017 07:09
    Krzysiek16
    Poziom 24  

    Żadna nowość. Na rynku dostępnych jest sporo rozwiązań pozwalających na izolację obiektu mierzonego od reszty toru pomiarowego. Są nawet światłowodowe sondy oscyloskopowe do zastosowań EMC, które nie tylko izolują elektrycznie, ale przy okazji nie zakłócaną wartości mierzonej falami radiowymi.

  • #7 28 Maj 2017 09:40
    Bojleros
    Poziom 14  

    BK_klp napisał:
    A nie lepiej zastosować przetwornik prądowy w stylu Lem HAIS?


    ghost666 napisał:
    Do pomiaru tak małego prądu jak 1 A i niżej? Chyba nie. Poza tym, rozwiązuje to tylko część problemów - nadal nie można mierzyć w ten sposób zdalnie i trzeba dodać ADC i inne elementy.


    Lem tani nie jest ale zyskujesz dość pewną izolację. Jak zakres nie pasuje to zawsze możesz nawinąć na przetworniku kilka zwojów dla zmniejszenia przekładni wypadkowej. Nie przekraczając zdrowego rozsądku oczywiście :)

    Czy lepsze wypełnienie okna przetwornika przewodnikiem może poprawić jego właściwości dynamiczne, a w szczególności pasmo przenoszenia ?

  • #8 30 Maj 2017 05:42
    avatar
    Poziom 35  

    podobne rozwiązania są dostępne już w sprzedaży od ..7 -5 lat?
    Np fluke ma takie mierniki z pomiarem prądu po "wifi"

TME logo Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
TME Logo