Projekt vorgestellt: Strommessung im Haushalt bis 30A mit Arduino

Hallo,
ich möchte hier kurz mein ("fertiges") Projekt vorstellen. Vielleicht kann der Ein oder Andere es nutzen.

Kurz gesagt möchte ich den Strom von Verbrauchern(bis 30A) im Haus messen und an einen PC senden.
Wichtig ist mir ein übersichtlicher und günstiger Aufbau(ca 5 Euro/Messung).
Der grobe Aufbau besteht aus einem Stromwandler(wird über das zu messende Kabel gesteckt und kann bis 30A messen), einem AD-Wandler und einem Arduino der über USB/virtueller Comport die Messergebnisse an den PC sendet.

Wer Interesse hat, kann nun die ausfühliche Beschreibung lesen:

Ich war auf der Suche, nach einer Wechselstrommessung, welche ich einfach an meine zukünftige Hausautomatisierung anschließen kann. Hintergrund der Messung ist es einen groben Überblick über die Stromaufteilung(großer Messbereich) im Haus zu haben und ein bisschen Komfort, wenn die Waschmaschine im Keller unter einen bestimmten Stromwert(kleiner Messbereich) geht, ist sie wohl fertig…

Hier meine Kriterien:
-günstige Hardware
-großer Messbereich
-hohe Genauigkeit
-wenig Hardware
-Arduino als Datensammler „vorerst“ für 10 Sensoren
-einfache Schnittstelle zur Hausautomatisierung(PC)
-mindestens einen umgerechneten Messwert pro Sekunde und pro Wandler(10 Sensoren=10 errechnete Werte / Sekunde)

Stromsensor:
Bei der Auswahl der Stromsensoren bin ich immer wieder bei Stromtrafos gelandet, da diese unschlagbar günstig und relativ genau sind. Ich verwende einen ZMCT118F mit einem Messbereich von 30A. 30A AC im Eingang entsprechen 30mA AC am Ausgang.
Um die Linearität und Genauigkeit zu testen, habe ich Halogenlampen (50-3000W) an einen Stelltrafo angeschlossen. Den Strom habe ich zum Vergleich mit einem „METRAHIT X-tra“ (kalibriert) gemessen.

Wandlung des Stromwandlers:
Begeistert von der Messgenauigkeit, habe ich mich an die AD Wandlung des Sensors gemacht. Da der auf dem Arduino verbaute AT-Mega „nur“ eine 10Bit Auflösung hat, habe ich nach externen AD-Wandlern gesucht. Auch hier ist es nicht ganz leicht günstige und vor allem schnelle Wandler zu finden. Schnell aus folgendem Grund: Die Sinusperiode hat bei 50Hz = 20mS. Damit ich bei Phasen an-/abschnitt noch sinnvoll messen kann, peile ich ca 400 Messungen / 20mS an. Das ergibt ca 20000 Messungen pro Sekunde.
An dieser Stelle vielen Dank an Bernhard, der mich noch rechtzeitig darauf aufmerksam gemacht hat, dass der Wandler, den ich zuerst im Auge hatte, nur 860 Messungen/Sek. schafft.
Ich habe mich für den AD Wandler MCP 3301 entschieden. Dieser hat eine 13Bit Auflösung bei einer Abtastrate von 100ksps und wird über SPI an den Arduino angeschlossen. Der AD-Wandler kann natürlich nicht direkt den Strom vom Wandler messen, sondern misst die Spannung, die über einen Messwiederstand abfällt. Bei dieser Auflösung ist es wichtig eine genaue Spannungsreferenz zu haben. Im Datenblatt vom MCP 3301 wird als Spannungsreferenz der MCP 1525 genutzt. Dieser bietet eine sehr genaue Spannung von 2,5V (näheres im Datenblatt). Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, dass der Messwiederstand eine Genauigkeit von 0,1% hat.
Um den Wandler mit 30A auszunutzen, habe ich einen Messwiderstand von 56 Ohm eingesetzt, d.h. der Messbereich geht theoretisch von 10,9 mA bis 30000 mA. Wem die 10,9mA zu groß sind, kann als Messwidertand auch 100 Ohm nutzen. Dann ist der Messbereich von 6,1mA bis 16100 mA, was ja für die meisten Verbraucher ausreichend ist. Da die Werte der verbauten Messwiederstände im Programm angegeben werden müssen, kann der Messbereich so „beliebig“ angepasst werden. Natürlich muss es auch Sinn machen, denn die Genauigkeit hängt ja auch noch mit anderen Faktoren zusammen: Referenzspannung, Quarzgenauigkeit, 50,000000 Hz der Netzspannung…

Programm im Arduino:
Ich habe zwar schon einige AT-Mega programmiert, aber noch nicht mit der Arduinosoftware. Deshalb vielen, vielen Dank an Jürgen, der mir diese Arbeit abgenommen hat und den Code zur freien Verfügung stellt. DANKE!!!
Eine Beschreibung ist im Programm selber.
Ich nutze einen Ardino NANO, aber es geht auch mit diversen anderen. Das Programm ist auf 10 Sensoren ausgelegt und bei jedem Wandler wird 4 mal pro Sekunde je eine Periode gemessen und aus dem Messergebnissen der RMS Wert gebildet. Jede Sekunde sendet der Arduino über USB/ Virtueller Comport 10 Messwerte; also einen pro Wandler.
Um die Ausgabe „hübscher“ zu gestalten, wurde die Bibliothek „Streaming“ verwendet die in das Installationsverzeichnis kopiert werden muss.

Hinweise:
Die Leitung SCK und MISO führen immerhin 1 MHz Signale, da wirken sich parasitäre Kapazitäten sehr schädlich aus, also nach Möglichkeit kurze Leitungen verwenden. Und natürlich nicht mit Kondensatoren sparen – dicht an den ICs.
Zum Abschluss habe ich noch ein paar Vergleichsmessreihen aufgezeichnet. Generell kann man sagen dass die Abweichung zwischen dem geeichten Messgerät und „meiner“ günstigen Messung bis 500mA bei 1% liegt, zum Teil darunter. Ab 500mA liegt die Abweichung deutlich unter 1%. Bei kleinen Strömen wirkt sich eine Ungenauigkeit von einem Bit natürlich sehr viel höher aus, als bei großen Strömen.

Kosten:
Den Arduino Nano gibt es günstig auf bekannten Internetseiten
AD Wandler MCP 3301 liegt bei ca 3,50 Euro
Spannungsreferenz MCP 1525 ca 1 Euro
Messwiederstand ca 0,50 Euro
Stromsensor ZMCT118F im 10ner Pack incl. Versand bei 1$ pro Stück

Also kann man grob sagen, dass jede (weitere) Messung ca 5 Euro kostet

Nachbau:
Nur zur Sicherheit...
Der Nachbau ist natürlich auf eigene Gefahr. Da hier mit lebesgefährlicher Netzspannung gearbeitet wird, müssen alle einschlägigen Richtlinien, Bestimmungen... (VDE!!!) beachtet werden.
Also nur nachbauen, wenn man weiß, was man macht und darin auch Erfahrung hat...

Für Kritik, Verbesserungen, Vorschläge bin ich immer offen. Davon lebt ein Forum!

Viel Spaß,
Tobias

Anhang 32542

Super, genau sowas habe ich den ganzen Tag gesucht, ich hoffe das geht auch für Drehstrom. Dann werde ich mir mal die Teile bestellen.

Hallo,
hier noch eine Erweiterung zum Strommessung.
Alle 10 Messwerte werden nun über I2C an den Master gesendet.

Viel Spaß,
Tobias

Anhang 32824

Hallo Stefan,

das ist ein netter Versuchsaufbau.

Möglicherweise hast du dir schon Gedanken zum fertigen Produkt - Anlage oder Gerät - gemacht und kannst etwas darüber berichten.

Besonders interessant finde ich die Frage, wie stark zentral gesteuert und wie dezentral bedienbar funktioniert der Haushalt dann. Kommt so eine Strommessung mit Hutschienenmontage in einen Schaltschrank im Einfamilienhaus (als Beispiel gemeint), oder in jede Etage, in jedes Zimmer eher nicht - oder?

Im Schaltschrank würde man eher die Sensoren mit fliegender Montage verwenden und nicht die printbaren. Man lässt dann die Stromleitungen dort, wo sie sind und führt die Signalleitungen zur Signalverarbeitung. Mit geeigneten Kabeln ist das ja kein Problem. Das scheint mir die übersichtlichere und besser erweiterbare Variante zu sein.

Spi und usb geht quer über den Schreibtisch sehr gut, aber die Bereichserweiterung ist da schon etwas eingeschränkt. In welche Richtung hast du diesbezüglich vor, zu entwickeln?

viel ERfolg und Spass beim Entwickeln,

Also generell geht es nicht darum jedes Zimmer zu messen, sondern die größeren Verbraucher.
z.B. Herd, Backofen, Kühlschrank, Spüler, Waschmaschine, Durchlauferhitzer...
Bei diesem Projekt geht es mir nur darum, relativ günstig einen großen Bereich mit hoher Genauigkeit zu messen. Ich könnte ja auch gute industrieelle Wandler kaufen, aber die liegen bei ca 300 Euro pro Messung. Das ist mir viel zu viel und deshalb diese Lösung. Zur Zeit messe ich direkt in der Verteilung. Die Wandler sind zwar für Printmontage, aber das selbe Modell mit Kabel liegt bei 10€ statt jetzt 1€. Geplant ist noch eine kleine Platine mit Stecker.
Bisher konnte ich keine Fehler/Unregelmäßigkeiten feststellen, obwohl die Messleitungen quer durch die Verteilung gehen.
Von USB bin ich auf I²C umgestiegen, da ich im Obergeschoß eine zusätzliche Verteilung habe. Da der PC im Keller steht, ist dann das USB Kabel zu lang. Ein Adapter von I²C auf Ethernet löst das Problem.

Gruß,
Tobias

Auch wenn die Darstellung des zu entwickelnden Endproduktes noch ein wenig unklar ist: Ethernet Übertragung vor zu sehen ist schon mal ein Schritt, der spätere Erweiterungen erleichtert.

weiter so,

ich habe deine Schaltung mit 3 Wandler nachgebaut und sie funktioniert auch. Die Meßergebnisse sind auf allen Eingängen gleich, allerdings wird nie 0mA angezeit wenn keine Last vorhanden ist. Je nachdem welchen ADC ich anschließe, ich habe 6 Stück probiert, wird mir ein Strom von 12 bis 109mA in Leerlauf angezeigt. Bis 48mA Ruhestrom (ohne Last gemessen) sind die Messergebnisse (268mA) bei 60W gleich, liegt der Ruhestrom höher stimmt auch das Ergebenis nicht. Sind jetzt die Wandler zu billig oder woran kann das liegen.

- - - Aktualisiert - - -

Alles auf eine Platine aufgebaut

Das müsste man mal in Ruhe überlegen woran das liegt.
Aber wenn du einen Messbereich von 30A hast, entsprechen 109mA gerade mal 0,36%...
Wenn ich dich richtig verstehe, zeigen alle wandler bei der selben Last den gleichen Wert an? Nur ohne Last sind die Werte unterschiedlich?

wenn die Anzeige ohne Last unter 50mA ist dann zeigen sie unter Last den selben Wert an, ist Anzeige ohne Last höher dann ist auch der Meßwert bei 270mA um 12mA höher. Ich habe 2000:1 Wandler und 100Ohm Shunt Widerstand aber nur 50 im Sketch angegeben, das entspricht doch dem 16A Bereich

Was mich mal interessieren würde: Wie sieht denn der Algorithmus aus, der die Meßwerte in einen Strom umrechnet? Immerhin mißt du ja Wechselstrom. Der auch noch mehr oder weniger Oberschwingungen hat...

Ich habe ja schon eine unterschiedliche Anzeige, je nach Wandler, ohne daß Strom fließt, das Programm kann man ja runterladen

Ich weiß, ich habe aber keine Lust mich da jetzt durch den Arduino-Code zu quälen. Allzumal ich nicht bereit bin, mir dafür jetzt die Arduino-IDE zu installieren um das Projekt zu begutachten.

das kannst du dir auch im Word anschauen, ohne was zu installieren, aber wenn du keine Lust hast wirds ja nicht so wichtig sein O:)
warum hast du einzele Wandler und nicht den 4fach MCP3304 genommen?

Zeigen deine Wandler 0mA an?

ich habe dein Programm umgeschrieben für den mcp3304 als Wandler und ein 4 zeiliges Display, Code und Schaltung folgen
Irgendwie weis ich nicht wie ich hier eine Datei einstellen kann, bei Interesse einfach anschreiben

Hallo newbee90.
freu mich schon auf dein Update, da ich was ähnliches vorhabe, allerdings das ganze per WLAN übertragen möchte, also statt dem Nano z.B. einen ESP32 verwenden möchte.

So, ich glaube ich habe es fertig
https://github.com/newbee90/Strommessung-ADC-4fach
Anhang 33406

Hallo,

vielen Dank gleich vorweg an stfan1409 und newbee90, dass ihr eure Erkenntnisse und eure Arbeit so bereitwillig für andere zur Verfügung stellt!

Ich habe eine Frage zur Hardware-Auswahl:
Wieso verwendet ihr eigene ADC (MCP330x) für die Digitalisierung und nicht direkt die analogen Eingänge und ADC des Arduino Boards?
Geht es euch um extra-Genauigkeit?

Ich würde gerne eine größere Anzahl an Phasen messen und dafür direkt die 16 analogen Eingänge des Mega 2560 verwenden.
Seht ihr dabei ein Problem?

Vielen Dank schon jetzt für euren Input dazu!

ich habe das zwar nicht entwickelt aber durch den Wandler wird das alles genauer, der Mega macht 10bit und der Wandler 13bit

@ stfan1409
Welche Nennspannungen haben die eingesetzten Elkos und Kondensatoren?

@ newbee90
Auf deinem Foto sind nur 4 Elkos und 4 Kondensatoren zu sehen. Müssten es gemäß stfan1409 Schaltplan je 6 Stück sein (je einer für den MCP1525 und je zwei für den MCP3304)?

Und lässt sich das ganze auch direkt auf einem ESP Chip umsetzen?

Drehstrom geht, einfach 3 Sensoren auswerten. Um über den Strom die Energiekosten auszuwerden, muss der Verbraucher
jedoch ohmsches Verhalten haben oder kompensiert sein.
VG Micha

@ TM4889
Überleg mal mit welcher Spannung die Schaltung funktioniert, dann kommst du auch auf die Spannung der Kondensatoren
mein Schaltplan ist ja auch anders als der von Stfan1409, denn ich habe nur einen 4fach Wandler und er hat 3 single Wandler verwendet

Hallo zusammen,

ich habe/ hatte mal ein recht ähnliches Projekt bei mir zu Hause vor. Bei mir war es ein wenig einfacher gestrickt, da ich einfach ein Sensorboard von der Firma controleverything genutzt hatte. Allerdings ist bei mir daraus nie so richtig etwas geworden da es bei mir im Haus nur sehr wenig Ohmsche Lasten gibt. LED Lampen, Trafos usw. Sprich die Werte waren immer falsch.
Ich bin an so einer Lösung aber immer noch recht stark interessiert. Daher wollte ich euch einmal meine Fragen/ Gedanken vorstellen. Bin da nämlich nur ein Amateur...
Einmal die Grundsätzliche Frage ob es diese Art von Sensoren gibt, die vielleicht auch gut mit Induktiven Lasten auskommen. Könnten das z. B. Hall Effect Sensoren? Alternativ wäre ja eine Möglich über die Phasenverschiebung (habe ich das richtig verstanden?) den richtigen Wert zu berechnen. Sprich die Schaltung müsste erweitert werden. Hättet ihr da Ideen was da zu tun wäre?

Was ich ja so richtig gut finden würde wäre so eine Art 12 Kanal Platine, die (natürlich in einem Gehäuse) direkt auf den Sicherungsschaltern im Verteiler angebracht werden kann. Sprich auf die Schalter aufsetzen, Kabel durch die Sensoren ziehen, glücklich sein. Da fehlt mir aber leider das passende wissen zu...

Hallo,
ich war lange nicht hier und habe auch keine Benachrichtigungen bekommen dass sich hier was tut...

Grundsätzlich zu den Wandlern: die können nicht nur ohmsche, sondern auch kappazitive und induktive Lasten messen. Man muss die nur richtig auswerten...



In der Zwischenzeit bin ich mehrfach gefragt worden aus der STROMESSUNG eine LEISTUNGSMESSUNG zu machen.
Der erste Versuch ist fertig und sieht so aus:

9x Strommessungen und 1x Spannungsmessung. Also vorerst die Leistungsmessung nur für alle Verbraucher einer Phase z.B. L1.

Funktionsbeschreibung SOFTWARE:
Ein µC misst 200-mal pro Periode Spannung und Strom, multipliziert beides und addiert diese Werte für eine Halbwelle auf. Anschließend wird die Summe durch die Anzahl der Messungen geteilt. Das Ganze passiert 4-mal, wird aufsummiert und durch 4 geteilt. Also ein Mittelwert über 4 Messungen. Anschließend wird das Ergebnis mit den Umrechnungs- und Korrekturfaktoren zum endgültigen Messwert umgerechnet und 1-mal pro Sekunde ausgegeben/angezeigt (I²C).

Funktionsbeschreibung HARDWARE:
Der Strom wird berührungslos über eine Spule gemessen, durch die das zu messende Stromkabel geführt wird. Da die Spule/der Wandler einen Strom ausgibt, wird noch ein Messwiderstand angeschlossen. Der Spannungsabfall wird mit dem Analog/Digitalwandler „MCP3301“ gemessen und an den µC weitergegeben. Der MCP1525 ist ein Spannungswandler, der eine Referenzspannung von 2,5V zur Verfügung stellt.

Anhang 33755

Die 230VAC Spannung wird mit einem Trafo auf 6VAC transformiert und über einen Spannungsteiler mit dem Analog/Digitalwandler „MCP3301“ gemessen.

Anhang 33756

Hier die Platine mit Arduino und 10 A/D-Wandlern
Anhang 33758

Der aktuelle Stand ist, dass die Leistung ohmscher Verbraucher problemlos gemessen werden kann. Bei induktiven und kapazitiven Verbrauchern stimmen die Werte nicht.
Und genau hier benötige ich Unterstützung aus dem Forum. Vielleicht kann mir jemand sagen wo der Fehler ist, ODER wie ich den Fehler einkreisen kann. Ich bin der Meinung, dass das Messverfahren für alle Verbraucher richtig ist. Also muss hardwaremäßig ein Problem / Fehler vorliegen um induktive / kapazitive Lasten zu messen.

Eine Idee ist, dass durch den Trafo für die Spannungsmessung eine Phasenverschiebung entsteht. Nun wäre die Möglichkeit, diese Phasenverschiebung softwaremäßig zu korregieren.
Als Versuch habe ich mir mal alle Strom und Spannungswerte pro Halbwelle einzeln ausgeben lassen und in Excel kopiert. Eine Spalte Strom und eine Spalte Spannung. Nun habe ich die Stromwerte soweit verschoben, dass die errechnete Leistung passt. Leider kann ich nicht sagen, dass ich die Stromwerte IMMER um 5 Werte verschieben muss, damit die Leistung passt, sondern es sind auch mal z.B. 10. -> so kann ich keinen Korrekturfaktor festlegen.

Natürlich werden Strom und Spannung NICHT 100%ig gleichzeitig gemessen sondern erst der Strom und 30 uS später die Spannung. Das sollte aber nicht so ins Gewicht fallen, da bei 209 Messungen je Vollwelle nur alle 95,7uS gemessen wird.

Wenn ich Strom und Spannung auf dem Oszilloskop anzeige, stelle ich sogar bei der 60W Glühlampe eine Phasenverschiebung fest. In etwa 22° was einem CosPhi von 0,92 entspricht. Oszilloskop natürlich hinter der eben beschriebenen Hardware(Trafo, Stromwandler…)
Anhang 33757

In der Messung sind 2 Spulen eingebaut(Trafo für Spannungsmessung und der Strommesswandler). Kann dadurch eine weitere Verschiebung stattfinden? Dann wäre es vielleicht möglich einen Korrekturfaktor einzurechnen…?
Auch wäre es eine Möglichkeit, dass durch Sättigungseffekte des Trafokerns der sinusförmige Verlauf (oder auch ein schon netzseitig etwas verformter Sinus) verfälscht auf die Sekundärseite abgebildet wird.
Das könnte man umgehen, wenn man den Trafo durch ein Kondensatornetzteil ersetzt - ist allerdings etwas aufwändiger, da einiges durch Optokoppler galvanisch getrennt werden muss...

Bitte Vorschläge um den Fehler einzugrenzen...

Hier noch der Schaltplan in eagle
Anhang 33759

und natürlich das Programm für den Arduino:
Anhang 33760

Gruß, stfan

Hallo,

genau das war/ ist auch mein Problem bei meiner Lösung gewesen. Bei der, von mir verwendeten Platine, war es noch etwas blöder. Die Werte wurden per I2C Bus zur Verfügung gestellt. Das heißt mehrere Messungen und Mittelwert wären viel zu langsam. Die von @stfan1409 genutzte Schaltung finde ich schon sehr gut. Aber auch hier schlägt das Thema verschiedene Lastarten wieder zu. Auch eine Verschiebung um z. B. 5 Werte wird nicht funktionieren. Ist ein Trafo oder ähnliches im Stromkreis gibt es eine Phasenverschiebung. Die ist bei jedem Trafo, soweit ich es verstehe, unterschiedlich. Sprich eigentlich müsste man bei der Messung direkt die Phasenverschiebung mit messen und dann den Wert korrigieren. Glaube ich... ;)
Vielleicht hat da noch jemand eine Idee?

Zitat:

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Zitat von ratm77

Hallo,

genau das war/ ist auch mein Problem bei meiner Lösung gewesen. Bei der, von mir verwendeten Platine, war es noch etwas blöder.

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...was hat die Platine damit zu tun?

Zitat:

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Zitat von ratm77

Die Werte wurden per I2C Bus zur Verfügung gestellt. Das heißt mehrere Messungen und Mittelwert wären viel zu langsam.

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In meinem Projekt wird alles gemessen und umgerechnet und erst der fertige Wert wird per I2C übergeben. Alles davor macht keinen Sinn...

Zitat:

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Zitat von ratm77

Die von @stfan1409 genutzte Schaltung finde ich schon sehr gut. Aber auch hier schlägt das Thema verschiedene Lastarten wieder zu. Auch eine Verschiebung um z. B. 5 Werte wird nicht funktionieren. Ist ein Trafo oder ähnliches im Stromkreis gibt es eine Phasenverschiebung.

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Warum sollte eine Verschiebung um xxx Werte nicht funktionieren? Phasenverschiebung heißt, dass Strom oder Spannung vor- oder nacheilt. Wenn man den Winkel weiß, kann man natürlich softwaremäßig die entsprechenden Werte verschieben.

Schöner wäre natürlich eine Lösung mit Kondensatornetzteil, um die Spannung zu messen. Aber zum testen ist der Aufwand relativ hoch(wegen der galvanischen Trennungen in verschiedenen Strompfaden). Oder lohnt der Aufwand bzw. kann es der Grund für die Fehlmessung sein?

Zitat:

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Zitat von stfan1409

...was hat die Platine damit zu tun?

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nur das die halt so entwickelt worden ist. Sprich gekauft wurde. Daher gab es halt nur Zugriff auf Werte per I2C. Sprich häufigere Werte messen ging nicht und eine Phasenverschiebung war damit (ohne Anpassungen drum herum) eben nicht möglich. Also eigentlich nicht optimal für Sonderfälle.

Zitat:

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Zitat von stfan1409

In meinem Projekt wird alles gemessen und umgerechnet und erst der fertige Wert wird per I2C übergeben. Alles davor macht keinen Sinn...

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Genau :)

Zitat:

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Zitat von stfan1409

Warum sollte eine Verschiebung um xxx Werte nicht funktionieren? Phasenverschiebung heißt, dass Strom oder Spannung vor- oder nacheilt. Wenn man den Winkel weiß, kann man natürlich softwaremäßig die entsprechenden Werte verschieben.

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Das ist ja, wenn ich es richtig verstanden habe, abhängig von den, mal vereinfacht ausgedrückt, Spulen und Kondensatoren im gesamten Stromkreis. Sprich jeder Stromkreis hat ja eine andere Phasenverschiebung. Wenn man den weiß/ gemessen hat, kann man natürlich das ganze berechnen. Ich hatte es jetzt so von dir verstanden, dass du es auf einem Stromkreis messen wolltest und dann auf andere anwenden wolltest. Und da würde ich vermuten, dass dies nicht genau genug ist. Die Verschiebung wäre halt eine andere. Oder hatte ich da falsch verstanden?

Zitat:

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Zitat von stfan1409

Schöner wäre natürlich eine Lösung mit Kondensatornetzteil, um die Spannung zu messen. Aber zum testen ist der Aufwand relativ hoch(wegen der galvanischen Trennungen in verschiedenen Strompfaden). Oder lohnt der Aufwand bzw. kann es der Grund für die Fehlmessung sein?

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Puh, gute Frage, da wäre es von mir aber auch nur eine Vermutung. Vielleicht kann jemand anderes helfen?

Zitat:

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Zitat von stfan1409

Funktionsbeschreibung SOFTWARE:
Ein µC misst 200-mal pro Periode Spannung und Strom, multipliziert beides

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Falls du es so machen möchtest dann nimm zwei Wandler/µC die 100% zur selben Zeit die Daten aufnehmen sonst besteht auch folgende Möglichkeit:
Ohne die Mittelwertbildung der momentanen Leistung.

Zitat:

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Zitat von ratm77

müsste man bei der Messung direkt die Phasenverschiebung mit messen und dann den Wert korrigieren. Glaube ich... Bild hier  

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Dann brauch aber nix mehr korrigiert werden

S = U * I oder Wurzel aus (P² + Q²) ist QUASI die Gesamtleistung aber die setzt sich aus Wurzel aus (P² und Q²) zusammen
P = U * I * cosPHI
Q = U * I * sinPHI

Heißt wenn du die Leistung eines/meherer Verbaucher, der/die auch eine Phasenverschiebung mit sich bringt/en, messen möchtest musst du die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ermitteln.
Vorteil ist hier die ermittelst auch gleichzeitig den GESAMTWINKEL des COS-PHI sonst müsste man diesen durch eine weit aus kompliziertere Rechnung der EinezelFaktoren ermitteln....

Es würde auch cos PHI = P/S den Winkel ergeben aber man weiß ja nicht nicht welche echte Wirkleistung effektiv zum tragen kommt.

Also
1. Strom hat er was gleich der "QUASI-Gesamtstrom" ist aber vorher in Effektivwerte umrechnen Ie = Idach*0,707 oder Idach/1,41

2. Spannung hat er vorher auch in Effektivwerte umrechnen Ue = Udach*0,707 oder Udach/1,41

3. Nun muss als nächstes die Differenzzeit (Delta t) zwischen Spannung und Strom ermittelt werden wobei die Spannung dein Bezugspunkt ist.

3.1 Spannung = Nulldurchgang passiert ?

3.2 JA = Timer starten

3.2.1 Achtung WERTE betrachten
Spannungswert 0 und der Stromwert postitiv = induktive Last/en
weiter zu 3.3

Spannungswert 0 und der Stromwert negativ = kapazitive Last/en
weiter zu 3.3.1

3.3 Strom abtasten bis dieser den Nulldurchgang passiert = Timer STOPP Delta t Wert abspeichern

3.3.1 nur bei KAPAZITIVEN Lasten:
in der Zeitauswertung darauf zu achten das T=20ms minus Delta t zu rechnen ist was dann den Differenzzeit (Delta t_k) darstellt

4. mit DeltaPHI zu 360° = Delta t(_k) zu T umstellen und den Winkel berechnen

5. nun kann
S = U * I
P = U * I * cosPHI
Q = Wurzel aus (S² - P²)

berechnet werden

Zitat:

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Zitat von stfan1409

Natürlich werden Strom und Spannung NICHT 100%ig gleichzeitig gemessen sondern erst der Strom und 30 uS später die Spannung. Das sollte aber nicht so ins Gewicht fallen, da bei 209 Messungen je Vollwelle nur alle 95,7uS gemessen wird.

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Und ob es ins Gewicht fällt wie wird denn wohl der Phasenwinkel sein wenn eine Größe weiter/zurück ist anstatt auf den bezogenen Zeitpunkt wo die Spannungs/Stromwerte ermittelt wurden??
209*95,7µs sind 0,0200013s also eine Abweichung von 13µs

Zitat:

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Zitat von avr_racer

sonst besteht auch folgende Möglichkeit:
Ohne die Mittelwertbildung der momentanen Leistung.

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Kannst du mir das genauer erklären? Eigendlich interessiert ja nur die Wirkleistung. Aber wie komme ich da hin ohne den Mittelwert?
oder meinst du damit die Punkte 1 - 5?

Zitat:

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Zitat von avr_racer

1. Strom hat er was gleich der "QUASI-Gesamtstrom" ist aber vorher in Effektivwerte umrechnen Ie = Idach*0,707 oder Idach/1,41

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denke nicht...Die Rechnung bezieht sich auf sinusförmige Ströme. Aber mit den ganzen Schaltnetzteilen ist der Strom nicht mehr sinusförmig... Also kann ich damit nicht rechnen.

Schon klar das nur die Wirkleistung interessiert von Prinzip her brauchst du nur ab Punkt 3 deine Software erweitern.
Dann kannst du auch den cos PHI mit P/S ermitteln
https://www.elv.de/elektronikwissen/...kleistung.html
https://www.elektronik-kompendium.de...rd/0208071.htm
http://www.melitec.de/fileadmin/kund...tung032015.pdf

Problem ist das Strom und Spannnung trotzdem absolut exakt zum selben Zeipunkt gemessen werden müssen!!!!!!
Mal son Beispiel warum es so wichtig ist das obiges beherzigt wird.
U = 230V
I = 1A
cos Phi_1 = 1
cos Phi_2 = 0,999

P = U * I * cos Phi
P1 = 230V * 1A * 1 = 230W
P2 = 230V * 1A * 0,999 = 229,77W



Abweichung 0,23W, Worauf will ich hinaus ? Möchte nur verdeutlichen wenn du schon beim Phasenwinkel U/I schlampst und weitere Abweichungen Aufgrund der Software und Hardware sich zusätzlich auffaddieren kommt da schon eine beachtliche Abweichung herraus.

Zu 2tens denke schon!!!
Das die Rechnung für deine Zwecke mehr als hinreichend genau ist, denn wie soll der Elektrikermeister oder Ingeneuir die Leitungen berechen woraus dann Querschnitt, Sicherung/en usw abegeleitet wird wenn man nicht die Sinusförmigkeit zu Grunde legt ? Ich weiß das der Ing da deutlich bessere Unterstützung hat durch Simulationsprogramme zB. von Siemens oder anderen Herstellern..... Aber slebst Siemens berechnet dies auf der Ausgangsbasis SINUS.
Denn Gott sei Dank ist der "AKW-Trafo" und auch alle anderen im Netz, spannungshart und zwingen die Netzrückwirkungen eben auch zu einen gewissen Anteil dem Sinus zu folgen
http://www.reiter1.com/Drehstrom/Drehstrom_01.htm

Hier im Link mal ganz unten ist der Sinus zwar verzerrt aber was ist denn bzw welche Wellenform kommt die Abgebildete am nächsten ? Dreick/Rechteck/Micshcformen ?
http://ueba.elkonet.de/static/ueba/k...ungen.aspx.htm

PS: Dann nimm doch mal den Spannungsverlauf für mehrere Perioden auf, im EEprom ablegen und mal die Daten auf ein Stück Papier wieder geben. Bzw du hast es ja schon mit dem OSZI gemacht mit Zwischentrafo was bei 50Hz zu 99% den 230V/400V-Netz folgt weclhe Form ist es da ? Immer noch Sinus oder nicht ?

wäre es (softwareseitig) nicht einfacher nicht nach jeder messung rumzurechnen, sondern einfach waerend der messung nur zu vergleichen ob sich der anstieg der stromkurve ändert und so den maimalwert i^ zu bestimmen. ebenso v^ (was ja bereits vorgeschlagen wurde) und diese messwerte (samt dem zeitlichen offset zwischen spannungs- und strompeak) zu übertragen und die ganze umrechnung von dem machen zu lassen der die daten per I2C empfangt ?
der kann in der regel besser/schneller/genauer float rechnen.
wäre das soviel ungenauer als die momentane 'manuelle' integration ?

Zitat:

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Zitat von influencer

und diese messwerte (samt dem zeitlichen offset zwischen spannungs- und strompeak)

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Welchen zeitlichen Offset meinst du ? Der Offset der ensteht weil zu unterschiedlichen Zeitpunkten I und U gemessen werden oder der Offset = Phasenverschiebung der real zwischen U und I besteht woraus dann Phi errechnet werden kann ?
Zum ersteren bleibt es falsch weil du nicht wirklich zurückrechnen kannst.
Die Genauigkeit hängt davon ab zum richtigen Zeitpunkt die richtigen Daten zu erfassen da hilft auch kein Mehr an Rechenleistung des Empfängers.

Bei 8 Mhz dauert ein Takt 125ns und wenn ich jetzt mal annehme das im Durchschnitt eine Befehl 2takte braucht, bei 1ms Abstastung, sind immerhin 4000 Befehle die ausgeführt werden können.

Die momentane 'manuelle' Intergration ist ja nicht verkehrt, wenn aber Strom und Spannung zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden und daraus der Phasenwinkel berechnet wird ist die Rechnung rechnerisch richtig aber nicht zum Zeitpunkt der Datenerfassung!!

Am besten zu verstehen indem man mal 2 mal sich ein Digaramm erstellt, gerne mit Excel und es durchrechnet mal zu Fuß wieviel die Leistung sowie der Phasenwinkel bei nur 1mm Unterschied zum ersten Diagramm abweicht

@influencer:
Man muß da überhaupt nicht mit Floats herumoperieren, außer im letzten Schritt bei der Ausgabe. Bis dahin geht alles genausogut mit 8/16 Bit Integer. Wie soll es auch anders sein, du kannst die Daten nicht genauer rechnen als sie reinkommen. Wenn man sowieso schon einen Mikrocontroller in der Messkette drinhat ist eine Vorverarbeitung fast immer sinnvoller als eine monolithische Datenverarbeitung. Was man bei der Messung nicht berechnet geht sonst für den Kommunikationsaufwand drauf (da ist meist der Flaschenhals).

Die Punkte von avr_racer sind alle völlig richtig, wobei ich angesichts des ganzen Schaltnetzteilkrams heutzutage noch die Oberwellen (wenigstens die erste Handvoll) mit ins Rennen schicken will. Mit einer schnellen Fourieranalyse (das als Google-Stichwort, da gibt es garantiert selbst für Arduino schon fertige Bibliotheken). Die mathematischen Beschreibungen sehen für Nichteingeweihte oft erstmal gruselig aus, was man damit aber eigentlich macht ist relativ simpel.

@stfan: Im Übrigen vielen Dank für deine Beschreibung, genau das wollte ich in meinem Post vorher wissen.

Also "FFT" – Fast Fourier Transformation ist mit dem Arduino möglich und es gibt auch eine Library dafür, wie White_Fox schon richtig vermutet hat. Hier z.B. http://shelvin.de/eine-einfache-fft-...m-arduino-uno/
Aber ist es nicht sinnvoll, erst das Problem mit der Messung/Phasenverschiebung in den Griff zu bekommen? FFT würde doch mit dem Ergebniss weiterarbeiten, oder mach ich einen Denkfehler...?
Wie kann ich denn die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ermitteln?

Zitat:

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Zitat von stfan1409

Wie kann ich denn die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ermitteln?

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Seite 3 erster Post von mir mal querlesen...

Zitat:

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Zitat von avr_racer

Seite 3 erster Post von mir mal querlesen...

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danke, ich war zu sehr auf die Formeln (oben) fixiert...

Zitat:

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Zitat von avr_racer

3. Nun muss als nächstes die Differenzzeit (Delta t) zwischen Spannung und Strom ermittelt werden wobei die Spannung dein Bezugspunkt ist....

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Hallo, ich nochmal.

eins voraus: ich bin neu hier und eher programmierer (asm/c/c++) denn hardwarebastler.
das projekt finde ich aber spannend und daher mal einen dank an alle die sich hier beteiligen/beteiligt haben.
ich habe am wochenende lange ueber dem problem gebruetet:
im kern bin ich auf der suche nach zwei verschiedenen loesungen fuer meine wohnung:
I) will ich zentral im sicherungskasten (weil man da gut an alles ran kommt / sich vor oder hinter die sicherungen schalten kann) die verbraeuche an allen sicherungen sekundengenau aufzeichnen.
II) haette ich gern die moeglichkeit mit moeglichst wenig aufwand an einzelnen steckdosen mit einem zwischenstecker die (wechselstrom-)verbraeuche aufzuzeichnen.

fuer II) denk ich mir inzwischen das es am einfachsten sein duerfte einen der gaengigen leistungsmesser (fuer die steckdose als zwischenstecker, in der regel mit display) zu 'hacken' und da einen bus (I2C/SPI/onewire/can/ethercat/ethernet) dranzubasteln und die vorhandene messtechnik zu 'missbrauchen'.
wenn die teile so 5-10eu und die busanbindung genauso teuer wird, klingt das noch finanzierbar.

fuer ideen dazu bin ich aufgeschlossen :)

aber wir reden ja hier eher von einer loesung fuer I), und dazu ein paar anmerkungen:
1) ja, ich wollte i^, u^ und den zeitlichen offset zwischen ihnen (also zwischen deren maxima, minima oder den flankengleichen null-durchgaengen) uebertragen.
da man zur leistungsberechnung dann mit wurzeln und mit irrationalen zahlen rechnen muss, fuerchte ich das ueberfordert die paar dutzend megahertz eines microcontrollers der seinen einen kern auchnoch zum messen und daten raushauen braucht.
2) das mit dem gleichzeitig messen habe ich verstanden und halte ich auch fuer wichtig. aber nichtmehr wenn man genau genug misst um ^-werte sicher zu finden und den (zeitlichen) offset zwischen strom und spannung damit auch.
abgesehen davon hat bei der aktuellen loesung das 'gleichzeitige' messen ein systemisches problem: ueber den SPI kann ich nur nacheinander werte abrufen (und damit messungen ausloesen), d.h. zwischen zwei messungen habe ich auf jeden fall den timeout von SPI und die antwortzeit des ADC.

als ich am wochenende ueber loesungen gegruebelt habe, habe ich folgendes verworfen:
raspi mit adc-shield (alle die ich gefunden habe, bezahlbar waren und genug kanaele geliefert haben, haben bei 12bit nurnoch dreistellige messwert-anzahlen/sekunde geliefert).
propeller fuer ca 8EU: https://elmicro.com/de/propeller.html
immerhin drei unanhaengige cpu's um 8kanaele mit hoher aufloesung abzutasten, aber dann brauchts immernoch passende flinke und genaue ADC's

die loesung die mir tragfaehiger erscheint:
beagle bone black (BBB) bei reichelt ab ca 60EU, sonst gerne auch mal 90:
das teil bringt 8 ADC mit vernuenftiger geschwindigkeit mit, aber vor allem:
neben den 8 cpu's fuer linux, das man auch mit realtime-patches aufm raspi nicht auf harte echtzeit kriegt:
https://www.elektronikpraxis.vogel.d...6&type=article
bringt das teil noch zwei cpu's mit auf die man code laden kann, der in harter echtzeit (unabhaengig vom linux auf den anderen 8cores) auf die 8 ADC zugreifen und messwerte ueber shared memory miteinander und den linux-cpus teilen kann:
https://www.researchgate.net/publica...aglebone_Black

was ich mir vorstelle:
mit 3 ADC die spannungen L1-L3 messen, mit den restlichen 5 ADC fuer 0.5s die stroeme fuer 5verbraucher (= 5sicherungen in meinem fall) und fuer nochmal 0.5s die stroeme fuer 5andere verbraucher (=die restlichen meiner 10sicherungen) messen.
weiss noch nicht ob man das umkonfigurieren kann (wo adc-pins liegen solle) und wie lange das dauert.
aber in den 0.5s kann ein dedizierter core sicher problemlos die 25perioden auf seinen 8 ADC hochaufgeloest erfassen.
mit dem zweiten dedzierten core wuerde ich dann im 0.5s rhytmus die messwerte der letzten 25perioden auswerten.
im ergebnis kommt dann die durchschnittlich integrierte leistung fuer eine periode/verbraucher, frequenz, u^, i^, t(u^), t(i^), 3x t(0) [=zeitpunkte der nulldurchgaenge] und meinetwegen noch die effektivwerte raus + vielleicht der durchschnitt der messwerte also eine durchschnittskurve.
das alles sollen die beiden dedzierten cpu's machen.
die 8 nicht-echtzeit-cpus koennen sich dann darum kuemmern die daten ueber eine der schnittstellen des BBB zur verfuegung zu stellen, oder, z.b. ueber hdmi die (rekonstruierten) wellenformen darstellen oder differenz der integrierten leistung zu der unter einer perfekten sinus mit den entsprechenden ^-werten.

vermutlich waeren da noch kondensatoren zum glaetten hochfrequenter stoerungen sinnvoll um die (digitale) auswertung des gemessenen analogen grauens zu vereinfachen bzw. robuster zu machen.


moeglich das ich das alles viel zu naiv angehe, aber wuerde mich ueber rueckmeldung/kritik/rat freuen.
werde aber wegen arbeitsstress erst um weihnachten rum dazu kommen mich wirklich handfest mit dem thema zu beschaeftigen.

- - - Aktualisiert - - -

ein naiver nachtrag noch:
aus der ausbildung erinnere ich mich das ein widerstandsnetzwerk an digitalen pins einen brauchbaren und beliebig schnellen adc ergeben.
gibts sowas fertig zu kaufen ? ist das zu ungenau ? mit einem digitalen mux sollte man so ja krass viel oder schnell adc-werte bekommen koennen..

https://github.com/google/prudaq/wiki

gibts schon..

Zitat:

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Zitat von influencer

aber wir reden ja hier eher von einer loesung fuer I), und dazu ein paar anmerkungen:
1) ja, ich wollte i^, u^ und den zeitlichen offset zwischen ihnen (also zwischen deren maxima, minima oder den flankengleichen null-durchgaengen) uebertragen.
da man zur leistungsberechnung dann mit wurzeln und mit irrationalen zahlen rechnen muss, fuerchte ich das ueberfordert die paar dutzend megahertz eines microcontrollers der seinen einen kern auchnoch zum messen und daten raushauen braucht.
2) das mit dem gleichzeitig messen habe ich verstanden und halte ich auch fuer wichtig. aber nichtmehr wenn man genau genug misst um ^-werte sicher zu finden und den (zeitlichen) offset zwischen strom und spannung damit auch.
abgesehen davon hat bei der aktuellen loesung das 'gleichzeitige' messen ein systemisches problem: ueber den SPI kann ich nur nacheinander werte abrufen (und damit messungen ausloesen), d.h. zwischen zwei messungen habe ich auf jeden fall den timeout von SPI und die antwortzeit des ADC.

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Ein paar Kleinigkeiten:
Nur die Spitzenwerte zu messen bringt dir absolut nichts. Da versaut dir das Rauschen des AD-Wandlers und der Vorbeschaltung schon den Tag. Zweitens funktioniert das nur mit dem idealen Sonderfall "sinusförmige Größen". Die hast du zumindest beim Strom nicht, nichtmal annähernd.

Der zeitliche Versatz zwischen Messung und Berechnung ist kein Problem. Das Ergebnis ist dann halt etwas später da, aber immer noch richtig. Auch wenn da ein lahmer SPI-Bus dazwischen ist (aber auch mit SPI kann man einige MBit/s übertragen).
Was dir Ungenauigkeiten reinzieht ist, daß bestimmt nicht mehrere ADCs hast, sondern EINEN ADC mit allenfalls mehreren Kanälen. Du kannst auf acht Kanälen nicht acht Messungen auf einmal durchführen, da mußt du zwischendurch umschalten.

Ein paar STM32-Controller haben z.B. drei ADCs drin (die jeweils auch über mehrere Kanäle messen können), die kann man sogar synchronisieren. Sowas ist für solche Messungen gut geeignet, wobei ich den zeitlichen Versatz bei den üblichen Netzfrequenzen nicht allzu kritisch sehe. Das geht mit einem AVR noch.

Zitat:

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Zitat von White_Fox

..., wobei ich den zeitlichen Versatz bei den üblichen Netzfrequenzen nicht allzu kritisch sehe. Das geht mit einem AVR noch.

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Ich habe mal eine Exceltabelle gemacht, um zu klären, in wie weit sich das zeitversetzte Messen bemerkbar macht.
Die Tabelle macht einen Sinus mit je 200 Einzelwerten. Genau wie bei dem Arduino wird Strom und Spannung multipliziert, addiert und durch die Anzahl der Messungen geteilt.

Ergebnis der Leistungsmessung:
Bei 230V und 100A und einer Phasenverschiebung von 100uS(zeitversetztes messen) entsteht ein Messfehler von 0,049%.

Die Phasenverschiebung durch den Verbraucher muss natürlich beachtet werden. Bei einer Leuchtstofflampe sind das immerhin schon 5mS.

Zitat:

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Zitat von influencer

bringt das teil noch zwei cpu's mit auf die man code laden kann, der in harter echtzeit (unabhaengig vom linux auf den anderen 8cores) auf die 8 ADC zugreifen und messwerte ueber shared memory miteinander und den linux-cpus teilen kann:
https://www.researchgate.net/publica...aglebone_Black

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über den Link komme ich zu einer PDF-Datei. suche ich nach adc ist die Rede von einem MCP3008, welcher nen adc auf 8 Kanäle muxt - genau wie White_Fox schon vermutet hat. Da ist nix mit gleichzeitig messen.