Подключение велокомпьютера к счётчику электроэнергии
Лет 5 назад я писал на Хабре статью про электронные счётчики электроэнергии, где более-менее подробно изложил информацию об их устройстве. Напишу кратко, в чём суть. Главным образом в состав электронного счётчика входит специализированный контроллер-вычислитель, на вход которого поступает информация с датчиков тока и напряжения. На выходе данного контроллера получаются импульсы, частота которых прямо пропорциональна значению потребляемой мощности. Данные импульсы поступают на механический регистр или контроллер с цифровым дисплеем для отображения значения электроэнергии. В любом случае количество этих импульсов прямо пропорционально значению электроэнергии. То есть, счётчик ведёт подсчёт этих импульсов.
Практически на всех электронных счётчиках имеется дополнительный разъём, на который дублируются данные импульсы. Как правило, он предназначен для подключения аппаратуры поверки и систем автоматического контроля. Но также его можно использовать для подключения к счётчику внешних измерительных устройств с целью расширения его функционала. Например, для отображения потребляемой мощности, которая рассчитывается исходя из частоты импульсов, или же для подсчёта электроэнергии в разные времена суток (двухтарифный режим). Подобное устройство можно изготовить самостоятельно. Вариантов много, всё зависит от фантазии и потребностей. В интернете можно найти готовые решения таких проектов на Arduino в категории «умных домов».
Недавно я делал ревизию и обновление прошивки на свой самодельный велоспидометр (велокомпьютер), которому я посвятил довольно объёмную статью на Хабре. В данной статье я описывал не только функционал устройства, но и принципы измерения скорости и расстояния. Стоит заметить, что с точки зрения физики, выражаясь простым языком, в данных случаях принцип измерения электроэнергии и мощности в точности аналогичен принципу измерения скорости и расстояния. Формулы расчёта соответственно — E=P*t и S=v*t, а через единицы измерения — [кВт*ч]=[кВт]*[ч] и [км]=[км/ч]*[ч]. Практически любой дешёвый велокомпьютер, и мой самодельный в частности, имеет датчик оборота колеса, который выдаёт один импульс на один оборот. Велокомпьютер по аналогии с электрическим счётчиком ведёт подсчёт этих импульсов. Их количество прямо пропорционально расстоянию, а их частота — скорости.
Теоретически, если на велокомпьютер подавать импульсы не с датчика оборотов колеса, а с электросчётчика, то с помощью такого велокомпьютера можно будет мерить электрическую мощность и электроэнергию вместо скорости и расстояния соответственно. На практике же нужно выполнить ряд условий.
Во-первых — схема подключения. В велокомпьютере в качестве датчика оборотов, как правило, применяется геркон — простейший ключ, который замыкается под воздействием магнитного поля. В дальнейшем в статье подразумеваются велокомпьютеры именно с таким типом датчика. Именно магнит установлен на спице колеса. При его вращении магнит проходит мимо геркона, создавая кратковременное замыкание его контактов. На электронном счётчике импульсный выход имеет немного другую физическую основу. Как правило, он представляет собой два контакта, идущие со вторичной цепи транзисторной оптопары, встроенной в счётчик, которая ещё служит гальванической развязкой. В некоторых случаях схема этой цепи может быть дополнена дополнительным транзистором. При прохождении счётного импульса данная оптопара обретает кратковременную полупроводимость. Из всего сказанного можно сделать вывод: импульсный выход электросчётчика можно подключить к велокомпьютеру напрямую. Но, ввиду полупроводимости оптопары, рабочей будет только одна из двух полярностей подключения.
Во-вторых — правильная настройка велокомпьютера для корректного отображения показаний. В обычном случае настройка велокомпьютера заключается в программировании во вводе значения периметра (длины окружности) колеса, который измеряют заранее или берут из технических данных на велосипед. Именно этот параметр и служит коэффициентом масштабирования. В случае использования велокомпьютера в сопряжении с электросчётчиком данный параметр необходимо рассчитать или подобрать опытным путём. Расчёт производится исходя из коэффициента масштабирования частоты импульсов электросчётчика на импульсном выходе. Этим параметром является величина, означающая количество импульсов на 1 кВт*ч. Она указывается в характеристиках счётчика или на его этикетке. Чаще всего для однофазных домашних счётчиков — 3200 импульсов на 1 кВт*ч. Встречаются и другие значения. Для трёхфазного счётчика я встречал значение, равное 400. Для велокомпьютера параметр «число импульсов на 1 кВт*ч» будет эквивалентен параметру «число оборотов колеса на 1 км». Но так как на практике обычно вводится периметр колеса, нужно сделать простой перерасчёт: L=1000/n. При этом L — искомый периметр колеса, который нужно ввести, а n — число оборотов колеса на 1 км (на 1000 м), или же, число импульсов на 1 кВт*ч. Если ввести рассчитанный параметр в велокомпьютер в качестве периметра колеса, то подключённый к электросчётчику велокомпьютер будет показывать мощность в Ватах вместо скорости в км/ч и потребляемую электроэнергию в кВт*ч вместо расстояния в км. Кроме того, показания средней и максимальной скорости (если их предусматривает модель велокомпьютера) превратятся в показания средней и максимальной потребляемой мощности.
В моём эксперименте участвовал счётчик «Меркурий 201.5» с коэффициентом 3200 имп/кВт*ч. Для него L=1000/3200=0.3125 м. Такой периметр колеса, разве что, только у самоката (диаметр колеса около 10 см). Поэтому стоит предположить, что не каждая модель велокомпьютера может предусматривать ввод столь малых значений периметров колеса, ибо в быту велосипедов с такими колёсами и вовсе не существует. Но лично мне в руки попался китайский велокомпьютер «SB-318», в котором ввести такое значение периметра оказалось возможным (с точностью до тысячных). И даже при этом стоит помнить, что у велокомпьютера существует минимальный порог измерения скорости, ниже которого будет фиксироваться остановка велосипеда и нулевая скорость. Для скорости велосипеда это не столь существенно, даже если, к примеру, минимально измеряемая скорость будет 1 км/ч. Но в случае с мощностью данный минимум в 1 кВт на практике не вызывает большого интереса: есть желание, чтобы отображалось более низкое значение мощности, хотя бы от 100 Вт.
Теперь возвращаюсь к своему собственному велокомпьютеру, который в моей статье называется велоспидометром. Делая ревизию прошивки, я решил её отдельно скорректировать для использования велоспидометра в сопряжении с электросчётчиком (для эксперимента). Кроме внесения другого коэффициента масштабирования (периметра колеса) я также добавил функцию подсчёта стоимости электроэнергии в рублях согласно действующему тарифу. Если читать внимательно мою статью о велоспидометре, то можно заметить, что я оговаривал минимально измеряемое значение скорости. Оно зависит от периметра колеса и максимального периода счёта таймера МК до переполнения. Для моего периметра колеса 2.24 метра и максимального счёта таймера 15.1 сек. данное значение будет равняться примерно 0.53 км/ч. Для «колеса» 0.3125 метров (в сопряжении с имеющимся электросчётчиком) — 0.0743 км/ч или кВт, то есть — 74.3 Вт. Это уже куда приемлемо, но мне в эксперименте хотелось узнать, какую минимальную мощность фиксирует электросчётчик. То есть, мне хотелось узнать его чувствительность, выражаясь простым языком. Поэтому я дополнил прошивку велоспидометра виртуальными таймерами — счётчиками переполнений основного таймера. С восемью такими счётчиками минимально измеряемая скорость (уже мощность) получилась 74.3/8=9.3 Вт, что вполне соразмерно с паспортной чувствительностью электросчётчика. Кроме этого для режима отображения графика я изменил вертикальный масштаб. Изначально одна клетка дисплея соответствует одному км/ч, что вполне удобно для отображения графика скорости велосипеда. Но для эксперимента с электросчётчиком я увеличил его в 10 раз: 1 клетка дисплея = 100 Вт.
Оба эксперимента с двумя велоспидометрами показаны на видео. В качестве нагрузки я подключал обогреватель с двумя режимами мощности. Также я подключал и маломощные нагрузки — лампочку на 10 Вт и паяльник на 25 Вт. Но данные подключения я не снимал на видео. Отмечу лишь, что на лампочке счётчик не выдал ни одного импульса на протяжении достаточно длительного времени, то есть, оказался нечувствительным к такой нагрузке.
После просмотра видео и сравнения двух экспериментов меня смутила большая разница в показаниях мощности, из-за чего мне пришлось дополнить эту статью. В эксперименте с китайским велокомпьютером — 2.9 кВт и 1.7 кВт на втором и первом режиме соответственно. А в эксперименте с самодельным — 2.54 и 1.56 кВт. Этот факт может послужить поводом признать данные эксперименты неудачными. Но эксперименты делались в разное время и в разных условиях, что и могло повлиять на такую разницу. Однако если бы у меня был в распоряжении один велокомпьютер, то не было бы возможности сравнивать результаты измерений. Хотя, суть статьи и суть экспериментов заключается в демонстрации технической возможности, а не в измерении мощности. Тем не менее, мне захотелось узнать, почему получилась такая немалая на мой взгляд разница в измерениях.
Для ответа на этот вопрос я подключил к счётчику третье, более точное устройство — цифровой аудиорекордер Tascam DR-05. Любой инструмент звукозаписи в той или иной степени можно использовать в качестве регистратора сигналов для дальнейших анализов и измерений. В моём случае вход аудиорекордера подключается к импульсному выходу электросчётчика напрямую, а в настройках аудиорекордера устанавливается режим подачи напряжения на аудиовход для питания подключаемого электретного микрофона. Вместо такого микрофона — электросчётчик. Понятное дело, что он не вычислит и не покажет мощность, но с его помощью можно записать импульсный сигнал для дальнейших вычислений вручную.
Аудиорекордер, подключенный к импульсному выходу электросчётчика
Запись я производил на максимальной частоте дискретизации 96 кГц для достижения максимальной точности во времени. Она представляет собой чередование импульсов своеобразной формы. На слух данная запись слышна как щелчки, идущие в такт с импульсами от электросчётчика. Анализ аудиозаписи заключается в измерении интервала времени между соседними импульсами на разных участках (в программе Adobe Audition 1.5). Затем данные измерения с помощью несложных расчётов преобразуются в показания мощности. То есть, в данном случае аудиорекордер выступает в роли достаточно точного секундомера. Запись производилась в течение трёх минут. Тепловентилятор работал примерно 1 минуту на половинном режиме, 1 минуту на полном и 1 минуту снова на половинном режиме мощности. В произвольных местах я замерил три интервала между импульсами для одного режима и три интервала для другого. Для достижения точности замеры интервалов производил в количестве семплов s.
Вид фрагмента записи импульсов с электросчётчика в момент увеличения нагрузки
Замер интервала времени между соседними импульсами
При этом период T (сек.) рассчитывается так: T=s/96000. А мощность (кВт) P=3600/3200/T. Расчёты, произведённые в Excel, приведены на рисунке.
Вычисление значений мощности в Excel на основе результатов измерения
Средние показатели мощностей получились примерно 2.77 и 1.43 кВт для второго и первого режима соответственно. Сравнивая эти значения со значениями из видео с экспериментами, нельзя сделать вывод о правильности или неправильности какого-либо средства измерения. Как оказалось, все три средства измерения (самодельный велоспидометр, китайский велокомпьютер и аудиорекордер) измеряют одинаково в пределах допустимой погрешности. Выяснилось, что мощность тепловентилятора плавает и зависит, как минимум, от напряжения в сети, окружающей температуры и продолжительности работы.
