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Thema: Projekt vorgestellt: Strommessung im Haushalt bis 30A mit Arduino

  1. #21
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    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
    Was brauche ich für Werkzeug - in dieser Reihenfolge seht ihr es:
    Vorschlaghammer, Notebook, BASCOM, Lötequipment, Rohrzange, Bolzenschneider ...

  2. #22
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    @ 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

  3. #23
    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...

  4. #24
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    LEISTUNGSMESSUNG für 9 Sensoren

    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.

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

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    Hier die Platine mit Arduino und 10 A/D-Wandlern
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    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…)
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    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
    eagleSchaltplan.zip

    und natürlich das Programm für den Arduino:
    LeistMess_L2.zip

    Gruß, stfan

  5. #25
    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?

  6. #26
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    Zitat Zitat von ratm77 Beitrag anzeigen
    Hallo,

    genau das war/ ist auch mein Problem bei meiner Lösung gewesen. Bei der, von mir verwendeten Platine, war es noch etwas blöder.
    ...was hat die Platine damit zu tun?

    Zitat Zitat von ratm77 Beitrag anzeigen
    Die Werte wurden per I2C Bus zur Verfügung gestellt. Das heißt mehrere Messungen und Mittelwert wären viel zu langsam.
    In meinem Projekt wird alles gemessen und umgerechnet und erst der fertige Wert wird per I2C übergeben. Alles davor macht keinen Sinn...

    Zitat Zitat von ratm77 Beitrag anzeigen
    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.
    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?

  7. #27
    Zitat Zitat von stfan1409 Beitrag anzeigen
    ...was hat die Platine damit zu tun?
    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 Zitat von stfan1409 Beitrag anzeigen
    In meinem Projekt wird alles gemessen und umgerechnet und erst der fertige Wert wird per I2C übergeben. Alles davor macht keinen Sinn...
    Genau

    Zitat Zitat von stfan1409 Beitrag anzeigen
    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.
    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 Zitat von stfan1409 Beitrag anzeigen
    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?
    Puh, gute Frage, da wäre es von mir aber auch nur eine Vermutung. Vielleicht kann jemand anderes helfen?

  8. #28
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied Avatar von avr_racer
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    Zitat Zitat von stfan1409 Beitrag anzeigen
    Funktionsbeschreibung SOFTWARE:
    Ein µC misst 200-mal pro Periode Spannung und Strom, multipliziert beides
    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 Zitat von ratm77
    müsste man bei der Messung direkt die Phasenverschiebung mit messen und dann den Wert korrigieren. Glaube ich...
    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 Zitat von stfan1409 Beitrag anzeigen
    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.
    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
    Geändert von avr_racer (22.11.2018 um 17:15 Uhr)

  9. #29
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    Zitat Zitat von avr_racer Beitrag anzeigen
    sonst besteht auch folgende Möglichkeit:
    Ohne die Mittelwertbildung der momentanen Leistung.
    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 Zitat von avr_racer Beitrag anzeigen
    1. Strom hat er was gleich der "QUASI-Gesamtstrom" ist aber vorher in Effektivwerte umrechnen Ie = Idach*0,707 oder Idach/1,41
    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.

  10. #30
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied Avatar von avr_racer
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    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 ?
    Geändert von avr_racer (23.11.2018 um 20:01 Uhr)

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