Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В / forpes.ru

Главная
Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В

Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В +37

12.08.2021 18:19

nikolaynag 41 14000 Источник

Сердечник и вторичная обмотка самодельного трансформатора тока

Недавно у меня возникла необходимость определять на микроконтроллере моменты включения/выключения погружного насоса с поплавковым выключателем, запитанного от сети 220В, т.е. по сути определять наличие потребляемого тока в цепи питания насоса. Когда речь идет об измерениях в сети 220В, то в первую очередь стоит подумать о том, как обеспечить качественную гальваническую развязку, т.е. отсутствие электрического контакта между высоковольтными и низковольтными цепями.

Пожалуй самым простым и быстрым решением было бы взять готовый модуль на эффекте Холла (например на микросхеме ACS712). Однако мне такой вариант не подошёл по двум причинам. Во-первых, он требует питания 5В, а у меня всё было запитано от 3.3В. Во-вторых, он включается в разрыв измеряемой цепи, а мне было очень важно не нарушить работу насоса даже в случае ошибки проектирования или выхода из строя датчика.

Как ни странно, нагуглить готовое решение без специальных модулей для такой казалось бы простой задачи не удалось, поэтому здесь хочу поделиться опытом расчета и изготовления простейших измерительных трансформаторов тока.

Принцип работы трансформатора тока

Пожалуй каждый, кто когда-нибудь работал с аналоговой электроникой, сталкивался наводками от сети 220В. Казалось бы, если от этих наводок так сложно избавиться, то может быть и определить включение нагрузки должно быть очень легко? Однако всё оказалось не совсем так просто.

Действительно, простейший измерительный трансформатор тока можно сделать из мотка обычного двухжильного силового кабеля - по одной из жил запустить измеряемый ток, а с другой снимать полезный сигнал. Попробуем прикинуть (хотя бы по порядку величины), какое напряжение образуется на концах "сигнальной" жилы, если через "силовую" пропустить ток к целевой нагрузке? Может этого будет уже достаточно для решения поставленной задачи?

Моток кабеля в такой конфигурации по сути представляет собой трансформатор с воздушным сердечником. Ток, проходящий через витки силовой жилы, формирует переменное магнитное поле. Это поле создаёт электродвижущую силу ЭДС индукции в каждом витке сигнальной жилы. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока проходящего через окружённую витком поверхность:

$\mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}$

Если предположить, что витки в мотке кабеля уложены достаточно плотно, а ток в измерительной жиле равен нулю, то магнитный поток через все витки будет одинаковым, и его можно будет посчитать как произведение индуктивности одного витка , числа витков и тока в силовой жиле . ЭДС во всех измерительных витках будет одинакова и суммарное напряжение на концах сигнальной жилы будет равно произведению числа витков на ЭДС в одном витке:

$U=-N\frac{d\Phi_B}{dt}=-N\frac{d}{dt}(LNI)=-N^2L\frac{dI}{dt}$

В бытовой сети переменного тока $I=I_m\sin2\pi{}ft$ , где - частота, равная 50 Гц, а $I_m=I\sqrt{2}$ - амплитудное значение силы тока. Значение I_m можно определить исходя из мощности нагрузки и действующего значения напряжения , равного 230 В. В итоге для производной тока по времени получаем такую формулу:

$\frac{dI}{dt}=\frac{d}{dt}(I_m\sin2\pi{}ft)=2\pi\sqrt{2}fI\cos2\pi{}ft=\frac{2\pi\sqrt{2}fP}{U}\cos2\pi{}ft$

Например, для нагрузки мощностью 1 кВт, подключённой к обычной бытовой сети с напряжением 230 В, вычисленная по этой формуле амплитуда производной тока по времени получится чуть меньше 2000 ампер в секунду.

Индуктивность одного витка посчитаем исходя из радиуса нашего мотка и радиуса проволоки, из которой сделана жила кабеля :

$L=\mu_0r(\ln\frac{8r}{a}-1.75)$

Здесь $\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}\;\mathrm{Гн/м}$ - магнитная постоянная. Для мотка кабеля диаметром 10 см, имеющего жилы диаметром 2 мм, индуктивность витка получается около 0.25 мкГн. Если такой моток сделать из кабеля длиной 10 метров, то получится около 30 витков. В итоге для нашей нагрузки в 1 кВт напряжение на разомкнутой сигнальной жиле получится таким:

$U\approx30^2\cdot0.25\cdot10^{-6}\;\mathrm{Гн}\cdot2000\;\mathrm{А/с}=0.45\;\mathrm{В}$

Значение получается вполне детектируемое, но что произойдёт в момент включения или выключения нагрузки, когда ток может изменяться в десятки или даже сотни раз быстрее, чем при нормальной работе? В этом случае вместо 450 мВ на концах сигнальной жилы может быть скачок напряжения в несколько десятков или даже сотню вольт, который вполне может повредить вход микроконтроллера.

Чтобы решить проблему с зависимостью ЭДС индукции от частоты сигнала, в трансформаторах тока используется совсем другой режим работы - вместо того, чтобы разомкнуть вторичную обмотку и измерять на ней напряжение, она замыкается накоротко и измеряется проходящий через неё ток.

Как только в сигнальной жиле появляется ток, он создаёт своё собственное магнитное поле, направленное противоположно исходному. В идеальном случае ток в сигнальной жиле мгновенно вырастет настолько, что полностью компенсирует магнитный поток силовой жилы. Для рассмотренного выше случая с одинаковым числом витков силы тока в двух жилах окажутся равны, а ЭДС индукции в сигнальной жиле будет стремиться к нулю. При разном числе витков отношение токов в силовой и сигнальной обмотках будет определяться отношением числа витков: N_1I_1=N_2I_2 , а суммарный магнитный поток и ЭДС индукции также будут стремиться к нулю.

Конструкция трансформатора тока

В реальном мире у сигнальной жилы есть ненулевое пассивное сопротивление и для создания в ней тока необходимо ненулевое значение ЭДС индукции, а значит магнитный поток силовой обмотки должен быть скомпенсирован не полностью. Чтобы ток в сигнальной обмотке был максимально близок к идеальному, нужно максимизировать отношение напряжения разомкнутой обмотки к реальному падению напряжения, необходимому для создания этого тока. Этого можно добиться разными способами:

снижением целевого падения напряжения на сигнальной обмотке
увеличением числа витков силовой обмотки
увеличением числа витков сигнальной обмотки
увеличением индуктивности каждого витка

Минимизировать напряжение на сигнальной обмотке можно за счёт более чувствительной схемы измерения тока. В самом простом случае ток преобразуется в напряжение на шунтирующем резисторе и падение напряжения определяется диапазоном детектируемых токов и характеристиками аналогового входа микроконтроллера.

Существенно увеличить число витков в силовой обмотке сложно, т.к. через неё подключается нагрузка, а значит у неё должно быть и сечение достаточно большое, и изоляция надёжная. А вот в сигнальной обмотке число витков можно увеличить весьма значительно, причём поскольку ток в сигнальной обмотке обратно пропорционален числу витков в ней, сечение провода также можно существенно уменьшить. Именно поэтому в токовых трансформаторах в сигнальной обмотке обычно значительно больше витков, чем в силовой.

Индуктивность каждого витка можно очень сильно увеличить с помощью ферромагнитного магнитопровода. Обычная электротехническая сталь увеличивает магнитную индукцию в несколько тысяч раз, а также концентрирует магнитное поле внутри магнитопровода, обеспечивая полноту прохождения магнитного потока через витки сигнальной обмотки. Например один виток на ферритовом кольце R36x23x15 PC40 имеет индуктивность около 3 мкГн, что в 12 раз больше, чем те 0.25 мкГн, которые у нас получились для витка в мотке кабеля намного больших размеров.

Наличие магнитопровода в конструкции трансформатора приводит и к некоторым ограничениям:

Напряжённость поля внутри сердечника ограничена эффектом магнитного насыщения, т.е. чем больше измеряемый ток - тем больше должно быть сечение сердечника, чтобы распределить магнитное поле по большей площади.
Сердечник должен успевать перемагничиваться вслед за изменением магнитного поля силовой обмотке, т.е. частота изменения измеряемого тока ограничена характеристиками материала сердечника.
При перемагничивании сердечника выделяется тепло, что ограничивает произведение частоты изменения тока на величину магнитного поля.

Все эти ограничения однако больше влияют на конструкцию силовых трансформаторов, а для измерительного трансформатора достаточно легко можно обеспечить очень большой запас по каждому из этих ограничений.

От теории к практике

Трансформаторы тока повсеместно используются для измерений в сети 220В. Можно купить готовый трансформатор и через простенькую аналоговую схему подключить его к микроконтроллеру, но возможность и желание ждать заказа есть не всегда, так что мы будем делать самодельный из подручных материалов - в надежде, что это получится и быстрее, и дешевле, и интереснее. Важно сказать, что у меня не было задачи сильно оптимизировать конструкцию - нужно было сделать быстро, просто и понятно, чтобы работало и не ломалось.

Чтобы получить достаточный запас по ЭДС индукции, но сохранить при этом небольшие габариты, я использовал в качестве магнитопровода ферритовое кольцо R36x23x15 PC40 (такое можно купить в ряде магазинов радиодеталей меньше чем за 100 рублей). Первичную обмотку я сделал обычным силовым проводом, просто пропустив его несколько раз через кольцо. А сигнальную обмотку намотал тонким монтажным проводом с сечением 30AWG - таким просто удобнее сделать нужное число витков. Плотность и аккуратность намотки в данном случае были не важны, т.к. достаточно было всего лишь обнаружить включение нагрузки, а не измерять потребляемый ток.

Чтобы оценить запас по ЭДС индукции, я посчитал ожидаемое напряжение на разомкнутой сигнальной обмотке при работающей нагрузке. Для этого сначала вычислил индуктивность одного витка провода на магнитопроводе:

$L=\frac{\mu_0\mu{}h}{2\pi}\ln\frac{R}{r}$

Здесь $\mu$ - магнитная проницаемость материала (2300 для феррита PC40), - внешний радиус ферритового кольца, - внутренний радиус, - высота. Получилось значение около 3 мкГн.

Дальше я взял паспортную мощность погружного насоса, включения которого нужно было детектировать (320 Вт), и посчитал амплитуду напряжения на разомкнутой обмотке в зависимости от числа витков в первичной и вторичной обмотках:

$|U|=N_1N_2L\frac{2\pi\sqrt{2}fP}{U}\approx{}N_1N_2\cdot2\;\mathrm{мВ}$

Самодельный трансформатор тока, подключённый в цепь с тестовой нагрузкой

Поиграв с числом витков, я решил сделать 6 витков первичной обмотки и 130 витков вторичной. Так получился запас ЭДС около 1.5 В и амплитуда тока в короткозамкнутой сигнальной обмотке чуть меньше 100 мА, что при использовании резистора на 5 Ом соответствует падению напряжения около 0.5 В. Больше витков силового кабеля было бы сложнее впихнуть в просвет кольца, да и ток в сигнальной обмотке не хотелось делать слишком большим (т.к. она сделана из довольно тонкого провода). При меньшем числе витков первичной обмотки для получения хорошего запаса по ЭДС пришлось бы сильно увеличить число витков во вторичной обмотке - а значит гораздо больше возиться с намоткой и получить для детектирования в несколько раз меньший ток.

Схема подключения к микроконтроллеру

На выходе трансформатора тока, шунтированного резистором, получается переменное напряжение, которое нужно как-то детектировать с помощью микроконтроллера. Сначала я собирался использовать для этого диодный выпрямитель, однако это оказалось не очень удачной идеей. Дело в том, что на открытом диоде присутствует довольно значительный перепад напряжения, особенно если это не диод Шоттки. Кроме того, детектировать переменный сигнал известной частоты проще в плане соотношения сигнал/шум.

В итоге я решил просто подать напряжение на шунтирующем резисторе (собранном из двух параллельно включённых резисторов R3 и R4 номиналом по 10 Ом) через токоограничивающий резистор R5 на АЦП-вход микроконтроллера A0. А чтобы выставить уровень напряжения при отсутствии тока в обмотке, сделал простой резистивный делитель R1/R2 со стабилизирующим конденсатором C1.

Схема подключения трансформатора тока к микроконтроллеру

Таким образом, при выключенной нагрузке на входе микроконтроллера будет напряжение, равное половине напряжения питания. А при включённой - колебания частотой 50 Гц вокруг половины напряжения питания с амплитудой, пропорциональной мощности нагрузки.

Резистор R5 не будет влиять на измерения, т.к. при нормальной работе ток через него пренебрежимо мал. Но если по каким-то причинам на выходе трансформатора возникнет скачок напряжения, превышающий половину напряжения питания, в микроконтроллере откроется защитный диод D1 или D2, соединяющий вход с одной из линий питания. В этом случае через резистор R5 потечёт ток, и напряжение будет падать на этом резисторе, а не на диоде. Таким образом, резистор R5 защищает вход микроконтроллера от скачков напряжения.

Код для микроконтроллера

Поскольку в моём случае достаточно было детектировать сам факт включения нагрузки, код получился очень простым:

int measureCurrent(){
    int i;
    const int cnt = 10;
    int minv = 1025;
    int maxv = -1;
    for(i = 0; i < cnt; i++) {
      int value = analogRead(A0);
      if (value > maxv) {
        maxv = value;
      }
      if (value < minv) {
        minv = value;
      }
      delay(2);
    }
    return maxv - minv;
}

В течение одного периода колебаний измеряется максимальное и минимальное значение на АЦП и величина тока определяется по разности между ними. При включённном насосе функция возвращает значение более 200 отсчётов, а при выключенном - меньше 10.

График значений функции measureCurrent() в зависимости от времени

Заключение

В итоге получилась довольно простая, надёжная и дешёвая система детектирования включений погружного насоса. Она непрерывно работает уже 7 месяцев и пока не потребовала каких-либо вмешательств.

Сделать свой собственный трансформатор тока оказалось совсем несложно и достаточно интересно. Я постарался максимально подробно изложить здесь полученный при этом опыт. Надеюсь, эта статья позволит кому-нибудь быстрее разобраться в принципах работы трансформатора тока и реализовать свои собственные проекты с использованием этого элемента.

UPD: В комментариях подсказали очень дешёвый вариант готового трансформатора тока - ZMCT103C, судя по характеристикам его вполне можно было бы использовать для решения моей задачи.

Комментарии (41)

balamutang
12.08.2021 18:27
#23363610
+2
Диодный мост, шунтированный стабилитроном и оптопара параллельно стабилитрону - я бы сделал так, потому что все эти запчасти есть в любом горелом импульсном блоке питания бесплатно.
1. nikolaynag Автор
  12.08.2021 20:46
  #23363988
  +2
  Если я правильно понял идею, такую схему можно использовать для детектирования наличия/отсутствия напряжения на каком-либо потребителе. Но в данном случае напряжение на погружном насосе присутствует постоянно, т.к. он включается и выключается с помощью входящего в его конструкцию поплавкового выключателя. Поэтому тут задача немного сложнее - нужно определять наличие тока в цепи, а не напряжения на выводах.
  1. AlanDrakes
    13.08.2021 07:17
    #23364970
    Предположу, что имелось в виду включение диодного моста в разрыв цепи. Вместо трансформатора тока.
    
    Но в этом случае, вся схема окажется гальванически связана с сетью и если разрываемый провод вдруг окажется фазой, то при неосторожном касании можно получить хороший шок (в лучшем случае).
    
    Сам думал о подобном варианте измерения, но пока отложил идею за крайне малой надобностью.
    
    Вообще, сам думал взять готовый тарсформатор с готового же китайского датчика тока типа модуля "WAVGAT ZMCT103C 5A". Хотя установленный в нём LM358 - это интересные грабли для пользователя, требующие замены на что-то умеющее выходное напряжение до питающего.
    
    balamutang
    13.08.2021 11:34
    #23365814
    Ну так для гальванической развязки и нужна оптопара, она собственно для этого и придумана.
    
    По сути у вас в данной схеме получается просто "сухой контакт", который замкнут когда через диодный мост и стабилитрон идет ток

Gryphon88
12.08.2021 18:33
#23363634
А у меня первая мысль поставить геркон на подвес, чтобы определять рывок при включении... Ещё можно отследивать изменение веса шланга - часто при отключении вода частично сливается. Ну или хотя бы использовать повышающий dc-dc преобразователь для питания "рыночного" решения.
1. Nizametdinov
  13.08.2021 12:16
  #23366028
  Неее дядь, идея так себе.
  
  1) Геркон крайне капризный и хрупкий элемент, ловить рывки с его помощью - не очень вариант.
  
  2) Если вам все же надо будет ловить рывки - смотрите в сторону акселерометров типа такого https://esphome.io/components/sensor/mpu6050.html
  1. sirocco
    13.08.2021 17:54
    #23367322
    Ok. Не геркон. Датчик Холла. Видел проект, где с помощью датчика Холла отслеживали вращение магнита (читай крыльчатки) счетчика воды.
  1. Gryphon88
    13.08.2021 19:00
    #23367542
    Ниже уже сказали, что по уму сделано: крепление скобами насоса и отвод по трубе, а не как в бытовых услових делают: трос и гибкий шланг. Тут и вправду никуда не подлезешь.

Winnie_The_Pooh
12.08.2021 19:01
#23363714
+2
Я для решения похожей задачи использовал готовый датчик CSLA1CD, представляющий из себя кольцо из ферромагнитного материала с разрезом, в котором установлен датчик Холла. Выходной сигнал сдвинут на половину питания, уменьшается при токе одного направления и увеличивается при токе другого. В случае сетевого тока через датчик на выходе имеется синус, по напряжению соответствующим мгновенным значениям протекающего тока, сдвинутый на полпитания.

Для преобразования этого сигнала в постоянное напряжение, соответствующее среднеквадратичному значению, я использовал микросхему AD736.

Это не критика - это просто обмен опытом :)
1. ktod
  13.08.2021 06:43
  #23364916
  +1
  На чугунный мост похож ценою.
  
  Есть же трансформаторы тока с ценой в десятки раз меньше и с тем же функционалом. В чем смысл такого решения для "любительской" задачи?
  1. Winnie_The_Pooh
    14.08.2021 19:44
    #23370256
    Как обычно - был набор условий и решение оптимальное получилось вот такое. Я уже точно не помню, это было лет 15 назад. Тогда ЧипИДип был в 300 метрах от дома и эти датчики были там на рапродаже за копейки. правда на 75А. Но эту проблему я легко обошел тремя витками провода в просвет кольца.

SlFed
12.08.2021 20:45
#23363986
+2
В старых советских электроутюгах датчик включения был из лампочки на 5 вольт (от фонарика) включённой последовательно со спиралью и зашунтированной несколькими витками нихромовой проволоки.

quwy
12.08.2021 20:53
#23364012
+1
выхода из строя микросхемы датчика

Вход микросхемы ACSxxx -- это цельная медная скоба с поперечным сечением 6 кв.мм. Внутри корпуса она не разрывается, идет буквой U от одного "рога" к другому. Должно произойти что-то совсем страшное, чтобы она перестала пропускать через себя ток первичной цепи.

Но для ваших целей трансформатор тока и проще, и экономнее, и дешевле.

Щитовые амперметры точно так же делаются
1. nikolaynag Автор
  13.08.2021 09:48
  #23365310
  +1
  Спасибо за замечание, видимо я тут немного запутал читателей ссылкой на статью про датчик тока на ACS758 - там действительно скоба весьма внушительная. Немного поправил статью, чтобы было яснее.
  
  В моём случае нужно было детектировать ток меньше 2А, поэтому я думал использовать ACS712, а у неё с виду обычные выводы для SMD монтажа. К тому же здесь важна надёжность не только самой микросхемы, но и платы, на которой она распаяна. А разводка платы с силовой частью 220В требует особенного внимания, да и надёжную изоляцию обеспечить сложнее, чем в решении с трансформатором.
  1. quwy
    13.08.2021 13:19
    #23366300
    использовать ACS712, а у неё с виду обычные выводы для SMD монтажа
    
    Ну, справедливости ради, здесь конструкция аналогичная. Выводы 1,2 и 3,4 -- это тоже уши цельной медной пластины.
    
    А разводка платы с силовой частью 220В требует особенного внимания
    
    Это да.

Jabberwocky
12.08.2021 21:26
#23364100
+3
С точки зрения перфекционизма надо было в трансформатор запустить оба силовых провода встречно, тогда одновременные наводки на оба провода не будут приняты за полезный сигнал.
1. Nikolai1
  22.08.2021 09:07
  #23398336
  +1
  А полезный сигнал при этом не обнулится?
  1. Jabberwocky
    22.08.2021 09:32
    #23398394
    Нет. У полезного сигнала токи в противоположных направлениях текут, а у наводки - в одном. То есть встречное включение суммирует сигнал. Вот в УЗО наоборот фазировка сделана - там как раз рабочий ток взаимовычитается, и поэтому хорошо видна утечка в миллиамперы на фоне тока в десятки ампер.
    
    Nikolai1
    22.08.2021 10:29
    #23398514
    Согласен.

RTFM13
12.08.2021 21:28
#23364116
Кроме ACS712 есть другие. Например TMCS1100. Надежность силовой стороны едва ли ниже чем у трансформатора на картинке. Но для детектирования, возможно, транс удобнее.

Power_FSE
12.08.2021 21:50
#23364202
+4
Я использую готовые копеечные 5А/5mA с алика. Типа таких: https://aliexpress.ru/item/1005001266645425.html
1. nikolaynag Автор
  12.08.2021 21:55
  #23364228
  +1
  Отличный вариант, дёшево и сердито! И модули на них готовые есть. Надо будет попробовать, если снова возникнет подобная задача.

crustal
12.08.2021 23:58
#23364578
Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В

Дорогостоящий трансформатор тока как-бы оптимален не для детектирования, а для измерения тока. Если у вашего микроконтроллера есть операционный усилитель на борту с дифференциальным (это важно) входом, то вы надежно можете детектировать доли миливольт входного сигнала 50 Гц, поданного между дифф. входами, — несколько витков провода вокруг одного из силовых проводников должно быть достаточно.

Чем жонглировать интегралами и котангенсами, лучше бы наверное было сделать упор на грамотном усилении дифференциального (а он у вас такой) входного сигнала. Аналоговый фронтенд не мешало бы хоть как-то, хоть на самом базовом уровне понимать.

На случай, если у вашего микроконтроллера нет операционного усилителя на борту, то — сколько он стоит то простейший ОУ?
1. nikolaynag Автор
  13.08.2021 09:08
  #23365166
  +2
  Дорогостоящий трансформатор тока как-бы оптимален не для детектирования, а для измерения тока.
  
  Согласен. Но в статье речь не про дорогостоящий трансформатор тока, а про очень дешёвый и простой. Даже далёкий от оптимума самодельный трансформатор тока обошёлся мне примерно в 100 рублей материалов и полчаса времени на изготовление. Чуть выше @Power_FSE прислал ссылку на очень дешёвый вариант готового трансформатора, подходящего для решения той же задачи.
  
  Если у вашего микроконтроллера есть операционный усилитель на борту с дифференциальным (это важно) входом
  
  В данном проекте использовался микроконтроллер ESP8266, у него к сожалению никаких операционных усилителей на борту нет. Зато у него есть встроенный WiFi!
  
  Чем жонглировать интегралами и котангенсами, лучше бы наверное было сделать упор на грамотном усилении дифференциального (а он у вас такой) входного сигнала.
  
  Не пойму, где вы нашли в моей статье интегралы и котангенсы? =) В DIY проектах обычно каждый делает упор на том, что ему интересно. Мне вот было интересно разобраться, как работают те самые несколько витков около одного из силовых проводников, без которых усиливать будет нечего.
  
  На случай, если у вашего микроконтроллера нет операционного усилителя на борту, то — сколько он стоит то простейший ОУ?
  
  Самому было бы интересно узнать ответ на этот вопрос. Те немногие операционники, с которыми мне доводилось встречаться, стоили точно больше 100 рублей за микросхему и для них еще необходима была хотя бы минимальная обвязка.
  1. Bobovor
    13.08.2021 12:19
    #23366052
    Меньше 5р точно стоит. Можно меньше 2.5р найти думаю.
    
    nikolaynag Автор
    13.08.2021 18:32
    #23367460
    Подскажите пожалуйста модель - такая штука может очень пригодиться в других проектах. Речь же о цене при покупке в розницу, не о партии в тысячи штук?
    
    RTFM13
    14.08.2021 04:49
    #23368598
    Операционники по 20-30 рублей в розницу полно. На али десятками точно дешевле 10 рублей. https://aliexpress.ru/item/32842362642.html
    
    Инструментальные усилители конечно дороже.
  1. crustal
    14.08.2021 15:54
    #23369780
    Ага, немного расхлябанный комментарий с моей стороны. Надо было бы или инвестировать больше времени в него или вообще не комментировать, тем более, что при рейтинге почти -100 мне только раз в сутки выпадает это счастье.
    
    Мысль такая — если работа с аналоговым сигналом, то вначале нужно определиться с какой точностью вы можете его дешево и надежно измерить. Вы постулировали, что это точность АЦП некоего абстрактного микроконтроллера. Это уже настораживает, в «embedded» разработке абстрактное не особо приемлемо, тут все конкретно.
    
    Конкретно — берете копеечный (до ковида) микроконтроллер с Op Amp на борту и также выходом опорного напряжения. Грамотно, не как у вас (вход АЦП подключен к о, ужас — делителю напряжения питания) подключаете дифференциальные входы вашего Op Amp к выводу опорного напряжения через резисторы. А имерительную обмотку с шунтирующим ее резистором подключаете к этим дифф. входам, не забывая про защиту и частотную обвязку — ваш Op Amp должен усиливать в районе 50 Гц.
    
    Если у вас диапазон 10-разрядного АЦП примерно 1 вольт, усиление Op Amp примерно 100, то вы можете надеяться на измерение и детектирование сигнала в доли милливольт. И это все практически даром, если вы выбрали подходящий микроконтроллер.
    
    Умение жонглировать мат. формулами — это классно, но здесь на форуме у многих молодых проблема даже вычислить гипотенузу при известных катетах не погуглив как это делается. А про синусы и косинусы они уже и забыли когда их проходили. Интуитивно ведь понятно, что если на ферритовое кольцо нужной марки намотать достаточное количество витков, пропустить через кольцо силовой провод от насоса, выбрать шунтирующий резистор достаточно большим номиналом, то при включении насоса сигнал в миливольт на этих витках будет. Может и вовсе ферритовое кольцо диаметром чуть больше силового провода в изоляции, а количество витков на нем — буквально несколько будет достаточно.

sirocco
13.08.2021 17:50
#23367312
А для чего вам детектировать включение насоса? Я понимаю измерять ток, я понимаю измерять давление или скорость потока. Что даёт понимание того, что насос потребил какой-то ток? Это абсолютно не говорит о том, что насос работает правильно, да и даже не говорит о том, что вообще работает.
1. nikolaynag Автор
  13.08.2021 18:26
  #23367442
  +1
  Насос установлен в ёмкости, в которой в результате некоторого технологического процесса медленно накапливается вода. Насос снабжён поплавковым выключателем. При достижении максимального уровня воды насос автоматически включается, быстро откачивает воду из ёмкости и выключается.
  
  В результате каждый факт включения сопровождается выбросом фиксированного количества воды. Отслеживая число включений насоса, я определяю объём воды, который был откачан из накопительной ёмкости, и таким образом могу судить о скорости технологического процесса, в результате которого в ёмкости накапливается вода.
  1. Winnie_The_Pooh
    14.08.2021 19:36
    #23370230
    Можно напрямую измерять давление, создаваемое насосом. Дренажники обычно высокого давления не создают, но атмосфера на выходе будет, что аналоговый датчик давления с Али уверенно зарегистрирует.
    
    Это наиболее надежное решение. И насколько я понимаю, зная давление и сечение шланга можно вычислить объем прокачанной жидкости.
    
    Еще можно поставить обыкновенный счетчик воды с импульсным выходом, что позволить иметь данные как о факте работы, так и объеме прокачанной жидкости. Если конечно жидкость позволяет использовать такой счетчик - в смысле мало твердых включений.
    
    Еще можно использовать турбинный датчик потока - нечто вроде счетчика, но турбинка в потоке генерирует импульсы, частота которых пропорциональна мгновенному потоку.

EugeniyIvanov
13.08.2021 18:36
#23367480
Делал подобные датчики для контроля силового оборудования в своем доме - электрокотел, скважинный насос, бойлер. Но на выходе трансформатора - операционный усилитель и детектор, далее - компаратор (есть напряжение и есть ток - все в порядке, иначе фиксируем неисправность) и триггер со светодиодом. Получилась простая индикация неисправности оборудования. И в таком случае достаточно всего одного витка первичной обмотки (а для больших токов это уже критично)
1. vbifkol
  14.08.2021 11:42
  #23369084
  Может схемку? В хозяйство нужно, а медицинское высшее и лень не позволяют самому городить.
  
  Вообще, у меня задача даже несколько сложней: надо отслеживать целостность ТЭНов, в идеале - вне зависимости от того, включены они или нет (они висят на ТТР с ШИМом, и бОльшую часть времени отключены).
  1. Nikolai1
    22.08.2021 09:42
    #23398404
    Генератор на первую обмотку трансформатора, вторая на контролируемую цепь, третья на компаратор, индикатор, логику. При обрыве во вторичной цепи меняется напряжение на третьей обмотке, срабатывает логика контроля. Разрабатывал в прошлом тысячилетии для контроля контактирующих устройств в автоматизированных системах контроля реле.
    
    Nikolai1
    22.08.2021 10:44
    #23398554
    Не тот случай. Напряжение сети помешает.
1. Erop22
  14.08.2021 22:26
  #23370532
  Присоединяюсь к просьбе. Хотя я бы и статью с объяснением/проектированием схемы с удовольствием почитал бы.

Wingtiger
14.08.2021 16:51
#23369872
я учился давно и ни разу эти расчёты не пригождались... Откуда взялось "амплитуда тока в короткозамкнутой сигнальной обмотке чуть меньше 100 мА"?
1. nikolaynag Автор
  14.08.2021 17:25
  #23369960
  Амплитуда тока в короткозамнутой сигнальной обмотке определяется исходя из соотношения - достаточно подставить сюда амплитуду тока в силовой обмотке и выбранные значения числа витков в силовой и сигнальной обмотках - и соответственно.

sim2q
14.08.2021 23:18
#23370658
Сначала я собирался использовать для этого диодный выпрямитель, однако это оказалось не очень удачной идеей. Дело в том, что на открытом диоде присутствует довольно значительный перепад напряжения, особенно если это не диод Шоттки

Для этого шунтирующий резистор ставится после моста, с учётом, что у заводских трансформаторов огромный к трансформации, то диоды почти всегда открыты и нелинейность сглаживается, что можно даже вполне измерять.

crustal
22.08.2021 23:18
#23400332
В старые добрые/ужасные (ненужное зачеркнуть) времена просто взяли бы реле с низковольтной обмоткой управления, эту бы обмотку включили бы в разрыв силового провода, а сигнал с контактов подали бы на электромеханический счетчик. И вся пестня для этого проекта. Вряд ли ошибусь, если предположу, что были реле управляющей обмоткой на 1V и ток в пол-ампера. У автора ток 5A, шунт можно добавить, можно также удалить лишние контактные группы и немного ослабить пружину, оттягивающую контакты.

Потеря 1V на обмотке вряд ли критична для насоса. Если критична — можно тупо ее перемотать на 5A и напряжение на ней 0.1V.

mrkrivedko
03.09.2021 08:38
#23442274
мотал себе транформатор тока для замеров тока неинвазивным способом. 1000 витков закороченых на 10 ом. на выходе вольты на 100 умножаешь и получашь ток в амперах. полезная вещь )

Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В +37

Принцип работы трансформатора тока

Конструкция трансформатора тока

От теории к практике

Схема подключения к микроконтроллеру

Код для микроконтроллера

Заключение

Комментарии (41)

nikolaynag Автор

nikolaynag Автор

nikolaynag Автор

nikolaynag Автор

nikolaynag Автор

nikolaynag Автор

nikolaynag Автор