или более лучший вариант
| Версия для печати темы
Нажмите сюда для просмотра этой темы в оригинальном формате |
| Форум программистов > Разное (электроника) > Измерение параметров электрической сети |
| Автор: Курсант 16.10.2015, 14:38 |
| Доброго времени суток! Появилась идея произвести измерение параметров электрической сети с помощью многоканального АЦП микроконтроллера. До этого для этих целей использовались преобразователи напряжение - частота, выход которых заводился на вход таймера, который считал импульсы. Также с помощью компаратора сигнал сравнивался с нулём, и таким образом получался меандр, т.е. можно было понять, какие фазы у напряжений и токов. Теперь появилась мысль вместо преобразователей напряжение - частота использовать АЦП. Но алгоритм обработки получается гораздо сложнее - нужно будет получить всё сэмплы (мгновенные значения напряжений и токов) и некоторым образом обработать их. В связи с этим прошу помощи у более опытных специалистов. Пните пожалуйста в правильном направлении - есть ли готовые эффективные алгоритмы, позволяющие определить точки перехода через нуль синусоиды (при этом синусоида - понятие приближенное, т.к. реальный сигнал будет с искажениями. С вычислением действующего значения напряжения всё более или менее понятно - нужно проинтегрировать сигнал, т.е. действующее значение будет пропорционально сумме семплов за период. Но как отловить сам период? У меня есть некоторые свои соображения, но велосипед не хотелось бы изобретать... |
| Автор: Guest45 28.10.2015, 21:28 |
| А я вот вижу хардварных проблем больше, чем софтовых. Во-первых, если Вы хотите использовать АЦП, то у Вас МК окажется гальванически связан с сетью. Это не очень хорошо, хотя проблема преодолима: понадобится развязать оптронами все остальные цифровые цепи МК и сделать ему отдельное питание. Во-вторых, диапазон АЦП будет скорее всего от 0 до +5 вольт, а в сети 220, да еще при том переменное. Это значит, что его придется не только делить, но и сместить на середину шкалы. Значит понадобится высокоточный опорный источник на +2.5 вольта. Так что, если прикинуть весь получающийся огород в общей сумме, то может быть действительно проще и эффективнее использовать преобразователь напряжение-частота? Но работа с АЦП имеет и преимущество: значительно более высокую скорость измерения. Это хорошо для контроля быстрых сигналов. А касательно перехода через 0, так это просто: делаем интерполяцию по нескольким соседним точкам, и где линия пересекает 0 - это и есть наиболее близкое к действительности место. Период можно отловить разными способами. Наименее точный, но наиболее быстрый - измерить время между соседними нулями и умножить на 2, полагая, что полупериоды равны. Более точно - измерить время через один нуль, то есть целого периода. Наиболее точный способ - измерить количество переходов через 0 на калиброванном отрезке времени и посчитать обратную величину. Это самый медленный способ. Точность его тем выше, чем длинее измерительный интервал. При работе с АЦП время проще всего измерять количеством снятых АЦП точек, которые снимаются с постоянной частотой. |
| Автор: leocat3 30.9.2016, 16:30 |
| Guest45, > А касательно перехода через 0, так это просто: делаем интерполяцию по нескольким соседним точкам, и где линия пересекает 0 - это и есть наиболее близкое к действительности место. Дело за малым: определить это самое, значение ноля в единицах АЦП... |
| Автор: Курсант 3.1.2017, 17:24 | ||
Спасибо за ответ. На мой взгляд, опорный источник напряжения 2,5 В не нужен, а нужен делитель напряжения, к которому подключится один вывод трансформатора. Второй вывод на АЦП (с ограничивающими стабилитронами либо с диодами). Переход через нуль не хорошо. Если наложить на сеть помехи, то всё полетит в тартарары. Переходов будет слишком много. Нужна ЦПОС. Для ЦПОС нужна частота, но её бы не хотелось привлекать к этому делу, т.к. цифровые вольтметры частоту не спрашивают, они её измеряют. |
| Автор: Guest45 7.1.2017, 18:14 | ||||||
Но АЦП микроконтроллеров обычно этого не могут, - только однополярный. Отсюда появляется вопрос: как тогда собираетесь обрабатывать отрицательную полуволну?
Помеха при любом методе будет вмешиваться в ваше измерение. Всё зависит от нужной точности и соотношения сигнал/помеха. В любом случае, чем больше точность хотим, тем больше времени должны затратить на измерение. Вы не указали, какой именно допустимый уровень помех Вы желаете преодолеть. В обычной промышленной сети помехи, сравнимые с величиной напряжения сети- это кратковременные выбросы, которые легко отфильтровываются медианным алгоритмом. Систематический шум невелик в сравнении с напряжением сети, так что его можно подавить усреднением отсчетов. Для этих "нормальных" условий простое накопление нулевых отсчетов может оказаться в конечном итоге выгоднее сложного алгоритма. Если же у Вас особые условия, когда, например, рядом мощный радиопередатчик от которого ВЧ-наводка превышает амплитуду сети - то тут отсчет по нулям конечно не прокатит. (Но и обычный вольтметр в таких условиях не замеряет тоже.) |
| Автор: Guest45 7.1.2017, 18:30 |
| Универсальный вариант - взять все снятые точки, вместе с помехами, и разложить их в спектр Фурье, и в нем замерить первую гармонику. (Или любую другую, какую хотите). Но это весьма громоздко. |
| Автор: Romikgy 8.1.2017, 15:19 |
| детектор перехода через ноль или более лучший вариант |
| Автор: Курсант 9.1.2017, 18:37 | ||
Почти хорошее решение. Но не универсальное. Сильно загаженная сеть может обойти и этот детектор, и частота будет завышена. Вообще хорошо сработает операционный усилитель в режиме триггера Шмитта. Но тоже не универсально. Лучше всего, ИМХО, использовать ЦПОС. Т.е. разложить семплы с помощью ДПФ. Но как это сделать, не зная частоту - я не знаю. Нужен ведь период для этого, или я что-то путаю? |
| Автор: Romikgy 10.1.2017, 09:38 |
| частота в сети - 50 герц |
| Автор: Курсант 10.1.2017, 20:50 | ||
Не, это нечестно  Подгон под результат...Появилась тут идея... Через среднеквадратичное отклонение находить. Т.е. взять период, допустим, 100 мс, взять семплы, разложить их в кучу рядов фурье с разными частотами, вычислить среднеквадратичное отклонение первой гармоники от семпла для каждого ряда, и там, где два меньших среднеквадратичных отклонения - разложить эти же семплы уже в диапазоне от первой до второй частоты. И так до минимального среднеквадратичного отклонения. Хотя затрат на вычисления, думаю, будет катастрофически много. Осталось только с DSP разобраться... |
| Автор: Romikgy 10.1.2017, 21:24 |
| вы же сказали знаете разложение Фурье.... а теперь ответьте , какая точность при таком преобразовании? (для определения частоты в смысле) имхо вы пытаетесь по воробьям из пушки палить .... что надо найти ? частоту ? при каких шумах? исходные данные можно в студию... |
| Автор: Курсант 10.1.2017, 22:21 | ||
Фурье - это одно, а DSP - совсем другое. На обычном МК делать ДПФ - как-то сомнительно... Из пушки по воробьям - может быть и да. У меня выход инвертора, нагруженного на импульсную нагрузку. Там "мех" такой и такие искажения, что иногда синусоиду с трудом удаётся опознать на осциллографе. Точность при таком определении частоты будет зависить от глубины поиска наименьшего искажения. Т.е. сначала находим 2 наиболее близкие к оригиналу 1-е гармоники (например, это частоты 30 и 30,5 Гц), потом разлагаем семплы ряды с частотами 1-й гармоники соответственно 30, 30.05, 30.1, 30.15, 30.2, ... , 30.5 Гц, ищем наиболее близкие к оригиналу 1-е гармоники, далее ищем между ними. Вопрос в практической реализации. Я не пробовал делать ДПФ на МК, мне кажется, для этих целей обычно DSP применяют. Хочется сразу всё правильно сделать. |
| Автор: Romikgy 11.1.2017, 09:58 | ||||||||||||
в таких помехах и Фурье не поможет! я бы попробовал корреляцию использовать ... но мне кажется , что надо со схемотехникой делать ... убирать такие помехи!
дсп это мк с быстрым вычислением мат операций
что для вас обычный мк? от TI уже давно есть мк со встроенным дсп .. стм32 некоторые ветки не хуже чем полноценный дсп....
так попробуйте)
!!!
так и не ответил(( |
| Автор: Курсант 11.1.2017, 11:01 | ||
Извините, я не совсем понимаю, о чём Вы говорите. Если Вы предлагаете некую методику оценки точности измерения - предложите её. Если Вы можете подсказать некоторые ограничения, связанные с преобразованием Фурье - просветите, я пока в этом слабо разбираюсь. Я не могу дать оценку точности способа измерения гипотетического алгоритма, для которого ещё не проведены испытания. Щас пилю на Билдере генератор зашумленной синусоиды с последующим распознаванием. Как будут результаты - сообщу. На мой взгляд, никаких предпосылок для серьёзной ошибки нет, т.к. среднеквадратичное отклонение - достаточно хороший способ выбора наиболее близкой частоты, а метод деления пополам также позволяет искать решения с большой точностью. Какого рода исходные данные от меня нужны? Типовая осциллограмма напряжения с помехами? Это же надо вставать, идти и снимать её - влом. Щас в Билдере сгенерю. Выложу приложением к сообщению. Тема стала похожа на холивар |
| Автор: Romikgy 11.1.2017, 11:42 |
| если у вас такой сигнал, как на картинке , которую вы выложили.. то помеха легкоустранимая , достаточно сделать фильтр , который обрежет все частоты выше основной . Создать по фильтру переходную функцию , и сделать свертку с вашим сигналом. PS переходную функцию можно получить , нарисовав функцию и применив обратное преобразование Фурье PPS а данные о которых я просил , допустим такие (пример) частота оцифровки - 10 кГц дискретность оцифровки - 12 бит макс уровень вх. сигнала - 220 вольт уровень помехи - 30 % что то типа такого ..... |
| Автор: Курсант 11.1.2017, 12:10 | ||
Ок! Частота дискретизации - 32 кГц Разрядность - 10 бит Амплитуда напряжения - 1 кВ Уровень помех - не знаю... процентов на 60 я бы закладывался, а может и больше Ну вот к сожалению у меня с физикой процесса (ДПФ/ДПХ, функции-свёртки) проблемы... Т.е. математическая сторона не очень-то и сложная, но что она даёт, что за данные на выходе, какая аппаратная часть применяется - я не в курсе. Я вообще думал, что в ядре DSP есть команды, которые, получив указатель на блок данных, выдают спектральный состав сигнала. А оказывается вон оно как... Щас пытаюсь консультанта себе найти по этим вопросам, в т.ч. среди университетских работников, но пока тишина. Спасибо за ответы, что-то прояснилось... |
| Автор: Romikgy 11.1.2017, 12:34 | ||
Импульсная характеристика при программировании используют такой тип
может есть ошибки в моем коде , писал почти с головы... суть в том что у DSP есть одна команда которая делает значение = число * число + число и делает это почти за такт процессора , так что обсчет таких вычислений делается очень быстро PS странно не нашел онлайн расчетов цифровых фильтров.... PPS и данные это хорошо , я так понимаю надо точно определять частоту 1 киловольтового сигнала оцифрованного с 32 кГц ? правильно? PPPS вот пример использования простого фильтра на атмеге http://chipenable.ru/index.php/programming-avr/item/162-prostoy-cifrovoy-filtr.html |
| Автор: Курсант 11.1.2017, 13:07 | ||||
Требуется измерить характеристики произвольного напряжения. Амплитуда до 1000 В. Частота - до 500 Гц. Помехи почти непредсказуемые. Например, 220 В 50 Гц. Или 220 В 400 Гц. Или трёхфазное напряжение 50 Гц 380 В (нейтраль отсутствует) Или выход инвертора, например, 700 В 50 Гц. Фактически, нужен высококачественный измеритель напряжений, чтобы мерил точно и надёжно. Я почему такой замороченный - слишком часто меня подводили чужие "простые" алгоритмы, которые начинали сбоить в необычных условиях работы. Например, неправильно измеряли напряжения при несинусоидальной форме сигнала, искажали частоту при повышении уровня помех, был случай, когда при несимметричной нагрузке трёхфазной сети появлялась большая ошибка в измерениях. Поэтому я хочу заморочиться, но сделать средства измерений, которые будут работать даже в аномальных условиях. Для этого нужно уменьшать количество косвенных методов при оценке. Т.е. ловить переходы через нуль - не очень хороший метод для "распознавания" синусоиды. Лучше отыскать первую гармонику (и её частоту), производить интегрирование сигнала за 1 период, оценивать коэффициент несинусоидальности (насколько я помню, там тоже берётся среднеквадратическое отклонение). Ой, начало доходить... То, что Вы написали - это свёртка, только для дискретных сигналов (в отличие от свёртки Дюамеля, которая применяется в ТАУ). Т.е. в зависимости от подбора h(t) можно построить фильтр или вообще какое-нибудь интегрирующее или дифференцирующее звено... Но это немного не та идея, которую я хочу реализовать. Фильтр мне тоже кажется не очень надёжным решением. Я всё хочу поковырять ДПФ и анализировать первую гармонику, а дальше - интегрирование семпла за период. |
| Автор: Romikgy 11.1.2017, 13:24 | ||||
что мерил?
дело ваше.... тогда , имхо, берем набор отчетов, делаем прямое ДПФ ... зануляем все отчеты выше частоты которой нам не нужно, делаем обратное ДПФ и получаем сигнал для анализа ... хотя это тоже , что и свертка с переходной функцией.... |
| Автор: Курсант 11.1.2017, 13:28 | ||||||
Чтобы мерил напряжения точно и надёжно. Осталось только понять, откуда брать период сигнала... |
| Автор: vol4ek 14.1.2017, 22:28 |
| при несиметричной нагрузке в трехфазной сети без нейтрали происходит перекос фаз поэтому и показатели разные. предлагаю не лепить чудо из говна и палок, а добиться чистого синуса на входе. дросселя и конденсаторы вам в помощь, смотрите схемы фильтров нч. как кто то там написал выше, уберите все вч помехи. говорите импульсная нагрузка? все современные импульсные блоки питания, компьютерные и им подобные работают на частотах от 30 кГц и выше. Развязку от сети 220в предлагаю сделать на трансформаторе мощностью 2 - 3 ватта с нужным выходным напряжением. получим гальваническую развязку от сети и синус на выходе а не какой-нибудь там меандр или чтото еще. Оптроны конечно хорошо, но в случае его пробоя, сами понимаете что будет. Добавлено через 3 минуты и 38 секунд к тому же нч трансформаторы (обычные на железе) не работают на высоких частотах, уберет часть вч помех. |
| Автор: Курсант 15.1.2017, 01:55 | ||
Спасибо за ответ. Однако моя задача не питать, не фильтровать и даже не потреблять. Моя задача контролировать. Измерять тоесть. И я ищу эффективные алгоритмы измерения действующих значений напряжения и коэффициента несинусоидальности. |
| Автор: vol4ek 15.1.2017, 08:12 |
| ну так вам нужно измерять низкую частоту. самый простой вч фильтр из двух элементов (дросслеля и конденсатора) уберет все помехи частотой от нескольких килогерц до свч диапазона. измерения будут точные и микрухи не будут от вч помех сбоить. попробуйте для начала самую простую схему. например сетевой фильтр как в нормальном удлиннителе. там довольно хорошая задумка. у дросселя две обмотки включенные в противофазе для более эффективного гашения помех |
| Автор: Курсант 15.1.2017, 23:26 |
| Мысль интересная, но повозиться с ДПФ меня больше прельщает... Тем более что фильтр - это хорошо для определения частоты, но для измерения параметров напряжения мне придётся ещё один канал измерений делать, куда отправлять неотфильтрованный сигнал... |
| Автор: vol4ek 16.1.2017, 07:14 | ||
вот это да |
| Автор: vol4ek 24.1.2017, 23:10 | ||||
до 310 амплитудное в сети 220 Добавлено через 4 минуты и 2 секунды
даже не знаю где такое найти можно. в промышленных сетях амплитуда помех не превышает пары вольт. че там, трехфазный генератор с ручным приводом или DC\AC преобразователь на полумосте? |
