9-Kanal Smartmeter mit XMega und Allegro Hall-Stromsensoren

avrprrg

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02. März 2010
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Hallo,

hiermit möchte ich Euch mein Smartmeter-Projekt vorstellen, das seit einiger Zeit bei mir im Einsatz ist.

Gegeben war ein zentraler "Stromkasten", bei dem 3 Phasen (R, S, T) ankommen und 9 (3x3) Phasen in weitere Bereiche des Hauses verteilt werden (3 Etagen à 3 Phasen). Eben diese 9 Phasen galt es jeweils im Bereich von einigen Watt bis zu ca. 5KW messen zu können um somit einen groben Überblick über die Stromverbraucher zu bekommen. Mit etwas Übung hat man dann sehr schnell erfasst, wo noch Licht brennt oder ein Gerät läuft.

Die Wahl für die Strommessung fiel auf Hall-Stromsensoren der Firma Allegro vom Typ ACS712-30A bzw. -20A.

Als Herzstück fand ein ATMEL XMega128A1 Verwendung, der durch seine recht gute Analog-Ausstattung und mit 32MHz recht hohen Geschwindigkeit gut geeignet schien.

Problematisch ist bei einem Leistungsmesser der große Wertebereich bei der Strommessung, der hier im Vergleich zur Spannung mehr als 1000 Mal größer ist (Spannung z.B.: 300V, Strom z.B.: 30mA bis 30A). Dazu kommt dann noch die Schwierigkeit, Strom und Spannung mit angemesserer Geschwindigkeit zeitgleich zu messen und deren Produkte aufzusummieren (Integration). Natürlich soll der Leistungsmesser natürlich selbst auch sparsam mit Strom umgehen (max. 2W war das Ziel).

Durch die variablen GAIN-Stufen des XMega (1x - 64x) kommt die Schaltung ohne weitere ICs aus (von der Spannungsversorgung mal abgesehen) - also lediglich 9x ACS712-30A und der XMega.

Ich werde hier im Forum so nach und nach die Schaltung beschreiben und Schaltungsteile posten, so wie es meine Zeit erlaubt - bitte etwas Geduld.

Anbei schon mal ein Bild vom Einsatzort und eine einfache Statistikausgabe mit gnuplot über die letzten 3 Stunden.

/avrprrg
 

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Analog-Frontend

Hallo,

anbei das Analog-Frontend (für 3 Kanäle).

Die Hall-Sensoren benötigen 5V und erzeugen eine zum Strom proportionale Ausgangsspannung zur Mittenspannung, also 2,5V +/- 2V, resp. 0,5 bis 4,5V.

Je ein Spannungsteiler (1:2) erzeugt daraus 1,25V +/- 1V, die sich perfekt in den XMega einspeisen lassen (Referenzspannung 1V, symmetrisch). Ein gemeinsamer Spannungsteiler (1:4) erzeugt dann die 1,25V, die als negative Referenz für alle ADC-Kanäle dient (hier nicht im Schaltplan).

Die Spannungsmessung erfordert eine galvanische Kopplung (auf Berührungssicherheit achten). Die Spannung wird vorgeteilt und kapazitiv (22uF) auf den Spannungsteiler (1:4) gelegt, und pendelt damit ebenfalls um die halbe Mittenspannung von 1,25V.

/avrprrg
 

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Hallo avrprrg,

die Lösung mit den Strom-Hallsensoren finde ich sehr gut. Soetwas ähnliches wollten wir ja eigentlich mal als Gemeinschaftsprojekt machen (SÜPS), allerdings fehlt den meisten irgendwie die Zeit ... und einigen nebenbei noch das Haus, was man an das SÜPS anschließen könnte ;) Zum Schluß überlegten wir noch, welche Sensoren wir am besten einsetzen sollten. Also wenn du ein bisschen früher dazugekommen wärst, dann wäre vielleicht auch etwas aus dem SÜPS geworden ;) Naja, vielleicht bekommen ja einige User durch dein schönes Projekt wieder Lust auf SÜPS :)

Grüße,
Dirk
 
Hallo,

die Stromsensoren gefallenmir schon. Aber sie haben ein Problem. Ich muß den
Kreis auftrennen und die Sensoren zwischenschalten. Es gibt die Dinger aber
auch für "auf die Ader strapsen" ;) Dann hat man mit der bösen Netzspannung
und den hohen Strömen nix zu tun. Dafür muß man dann etwas kallibrieren
damit es wieder stimmt.

Gruß
Dino
 
Hallo avrprrg !

Hey, dass sieht super aus! :)

Wie Dirk schon gechrieben hat, haben wir mit dem SÜPS mal gemeinsam etwas ähnliches versucht.
Leider ist das Projekt zur Zeit etwas eingeschlafen.

Da es in mir aber immer noch schlummert und ich "heimlich" manchmal noch dran weiter arbeite, werde ich dein Projekt mit Sicherheit gern verfolgen.
Momentan interessieren mich mal ein paar Bilder von den Sensoren.
Wir waren ja auf die Stromwandler gekommen, weil diese relativ einfach zu beziehen sind und gleichzeitig eine sichere galvanische Trennung geboten haben.
Mich würden aber persönlich die Hall-Sensoren immer noch interessieren. ;)

Bedanke mich schon mal für ein paar "Hinweisbilder". :)

Grüße,
Cassio
 
Hi Sigma,

welche Allegro-Sensoren zum "an die Ader strapsen" meinst Du ?
das frag ich mich auch grade ... :confused:
Die waren vor 2 oder 3 Jahren mal in der Elektor (glaube ich) beschrieben wie
sie neu vom Hersteller rausgekommen sind. Und ich bin der Meinung das da
auch einer ohne eigene Stromschleife dabei war den man selber an ein Kabel
strapsen konnte. Aber ich finde das Ding nicht mehr. :(

Gruß
Dino
 
Bilder vom Prototypen

Hallo Ihr,

habe mal ein Bild angefügt, auf dem die 9 Sensoren und der ganze Analogteil zu sehen sind. Man erkennt auch die Pfostenreihen vom TQFP100-auf-DIL-Adapter für den XMega.

Oben sind die 9 abgehenden Anschlüsse, unten links die 3 Phasen der Zuleitung (Schraubanschlüsse alle auf der anderen Seite). Die 3 Phasen werden auf der anderen Seite mit 10mm2 Leitungen auf die anderen 3x3 Anschlüsse der Sensoren verteilt.

Das zweite Bild zeigt das Teil von der anderen Seite. Als Trafo musste ein DC-DC-Modul her, da das Streufeld sonst zu stark in die Sensoren einstrahlte.

Und ja, es ist ein Prototyp ;-)

Viele Grüße, avrprrg
 

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Hallo Du, ;)

Hallo Ihr,
...
Und ja, es ist ein Prototyp ;-)
Sieht schon ziemlich kompakt aus ;) 400V Drehstrom auf ner Lochrasterplatine.
Respekt! Da gibts beim ersten Probelauf bestimmt Schweißausbrüche ob denn
alles richtig ist :D oder ob alles in einer Lichterscheinung endet :rolleyes:
Ich bin da eher Niederspannungs-/Schwachstrombastler. Hochspannung nur
bei kleinen Strömen oder bei großen Strömen kleine Spannungen :p
Bei Netzspannung hab ich doch immer nen ziemlichen Respekt weil da doch
einiges schiefgehen kann. Aber wenn man alles richtig macht ist das ja
eigentlich auch ne sichere Sache ;)

Gruß
Dino
 
Isolationsabstand

Hallo dino03,

ich habe versucht, 5mm für die 460 Vpp einzuhalten. Je nach Literaturquelle werden 5mm/kV als ausreichend angesehen (1mm/kV mit 5-fachem Sicherheitsfaktor). Mit einer Beschichtung (Lack?) könnte man das auch noch verbessern. Feuchtigkeit ist auch kein Problem, da Innenbereich (im feuerfesten Schaltschrank). Aber schon richtig: Schutzbrille benutzen und immer eine Hand in der Hosentasche ;-)

/avrprrg
 
Hallo,

ist aus dem Projekt denn noch etwas geworden? Wäre interessant ob man dann via Software auch auf den RMS kommt. Wie genau ist das ganze ?

Viele Grüße

lumo
 
Hi Lumo,

ist aus dem Projekt denn noch etwas geworden? Wäre interessant ob man dann via Software auch auf den RMS kommt. Wie genau ist das ganze ?
so wie ich es verstanden habe läuft es im Wirkbetrieb. Mehr weiß ich aber auch nicht.
avrprrg war anscheinend dieses Jahr auch noch nicht wieder online.

Gruß
Dino
 
Hi Dino,

schade, wäre ja interessant gewesen, denke in Verbindung mit Spannungsmessung über eine SAMPLE&Hold-Funktion (Strom und Spannung sollten zeitnah gemessen werden) dürfte sich der RMS berechnen lassen. Bei zunehmenden Engeriesparmittel sowie LEDS wird das ja auch immer wichtiger, insofern man Wert auf eine Strommessung (Verbrauchsübrsicht) Wert legt.

Hat jemand anderes schon diesen Ansatz verfolgt?

Viele Grüße,
lumo
 
in kombination mit nem webserver, wärs bestimmt auch ganz lustig,.
btw könnte man auch das signal von den neuen digitalen stromzählern einlesen,. diese pulsen 1000 mal pro verbrauchtem kw ne led,...
und somit könnt man auch ne photovoltaikanlage einbinden, ohne wechselrichterinterface,.

also noch ziemlich ausbaufähig das projekt :D

ideen hätt ich da genug :D
 

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