Misurare tensione corrente e potenza

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Semplici circuiti e software per misure AC e DC

Questo articolo propone alcune tecniche per misurare tensione, corrente e potenza. La variante più semplice richiede un solo componente, un sensore di Hall che misura la corrente alternata. La variante più sofisticata misura il valore efficace (RMS) di tensione e corrente, tiene conto delle forme d’onda e corregge gli sfasamenti. Infine una applicazione sul PC calcola la potenza reale, il fattore di potenza, il costo per ora e il costo totale in un certo periodo di tempo.

Un aspetto importante della misura della potenza reale è che potrebbe anche dare valori negativi. Un valore di potenza positivo indica che si sta prelevando energia, mentre un valore negativo indica che si sta immettendo energia verso la rete. Questa caratteristica è utile per chi ha i pannelli solari. L’azienda elettrica in questi casi utilizza due contatori, ma noi otterremo lo stesso risultato misurando in un solo punto.

Per acquisire i dati si può usare un modulo Master, oppure un Arduino per il quale abbiamo sviluppato un firmware (Sketch) con caratteristiche migliorate rispetto a progetti simili. Il firmware che abbiamo sviluppato potrà facilmente essere usato dagli esperti di Arduino, anche al di fuori del sistema theremino e anche senza comunicare con il PC.

Circuiti di misura

Qui presentiamo solo i circuiti per misurare correnti e tensioni alternate (50 o 60 Hz) ma si potrebbero anche misurare tensioni e correnti continue e calcolarne la potenza. Per la tensione continua (riferita a massa), si utilizzerebbe semplicemente un partitore resistivo. Per la corrente continua si potrebbe utilizzare il sensore di corrente illustrato in questa pagina.

Per misurare tensioni e correnti alternate, nonché la potenza consumata dagli apparecchi collegati alla rete elettrica AC o la potenza generata dai pannelli solari, abbiamo preparato due circuiti di misura adattabili a diversi fondo-scala, da pochi volt a migliaia di volt, e da pochi ampere fino a migliaia di ampere.

Circuito per misurare la tensione alternata

Circuito per misurare la corrente alternata

Questi circuiti sono semplici ma precisi e affidabili e sopportano extra-tensioni e extra-correnti molto alte.

I particolari costruttivi e le spiegazioni dettagliate sono nella documentazione che si scarica alla fine di questo articolo.

Misurare la corrente con un sensore magnetico

In alternativa ai circuiti precedenti, si potrebbe misurare la corrente alternata con un singolo sensore magnetico (un sensore ad effetto Hall).

Semplicemente avvicinando il sensore a un filo si ottiene un segnale proporzionale alla corrente che lo percorre.

Teoricamente si potrebbe utilizzare questo metodo anche per misurare correnti continue, ma il sistema sarebbe sensibile a ogni sbilanciamento magnetico. Per cui in questo progetto ci limiteremo a misurare correnti alternate alla frequenza della rete elettrica. 

Questo metodo non richiede collegamenti elettrici ai fili percorsi da tensione di rete, per cui è molto sicuro.

Nella documentazione che si scarica alla fine di questo articolo troverete una tabella con le sigle dei sensori da usare, i consigli per posizionare il sensore, le immagini per i collegamenti e le procedure per la taratura del fondo scala.

Note per la sicurezza

Fate attenzione che alcuni errori potrebbero essere pericolosi. Se ad esempio, durante le calibrazioni, si collegasse il tester per misurare la corrente in parallelo, invece che in serie, si creerebbe un cortocircuito con gravi conseguenze. Consultate la documentazione più volte e se qualcosa non vi è chiaro fatevi aiutare da un elettricista o meglio da un esperto di elettronica.

Se non si fanno errori grossolani i circuiti che proponiamo sono del tutto sicuri. La massima tensione sui componenti è inferiore ai 30 volt, quindi li si possono toccare senza nessun pericolo.

L’unico punto cui fare attenzione è il primario del trasformatore per misurare la tensione che è collegato alla rete.

Per renderlo sicuro, e conforme alle normative sulla sicurezza, basta utilizzare un trasformatore sigillato, con il cavo e la spina di rete, come spiegato nella documentazione.

La applicazione PowerMeter

Per mezzo dei controlli sulla destra si può configurare la applicazione per differenti misure:

• Misurare solo la tensione.
• Misurare solo la corrente.
• Misurare tensione e corrente e calcolare la potenza apparente.
• Misurare i valori efficaci di tensione e corrente.
• Correggere gli sfasamenti dei circuiti di misura.
• Tenere conto della forma d’onda di tensione e corrente.
• Calcolare la potenza reale e il fattore di potenza.
• Evidenziare se la potenza che si misura è assorbita dalla rete o inviata alla rete.
• Calcolare gli Euro (o altre monete) che si spendono ogni ora.
• Calcolare gli Euro (o altre monete) totali, spesi dall’ultimo azzeramento.
• Inviare agli Slot di uscita i valori calcolati, in modo che altre applicazioni possano utilizzarli.

Collegamento al PC

Attualmente, sia che si utilizzi un modulo Master che un Arduino, il collegamento al PC avviene tramite cavo USB. Quindi per una installazione stabile si potrebbe utilizzare uno StickPC vicino al contatore. Uno StickPC consuma pochi watt, potrebbe stare sempre acceso e accumulare i dati in un file. Per controllarlo e consultare i dati si potrebbe usare TeamViewer.

Stiamo preparando i nuovi moduli che comunicheranno via WiFi con il PC. Saranno una evoluzione dei NetModule attuali. Per cui sarà possibile utilizzare questo stesso firmware per tenere sotto controllo numerose utenze lontane dal PC.

WiFi e compatibilità con Arduino

I nuovi moduli, previsti per l’inizio del 2019, saranno anche programmabili con l’IDE di Arduino e potranno utilizzare le librerie scritte per Arduino. Quindi, oltre alla solita gestione facilitata che si ha con il sistema theremino, potranno anche essere espansi da chi conosce Arduino e sa programmare in C++. 

Questi moduli sono l’unione di tutto quello che abbiamo fatto finora (Master – HAL / NetModule – NetHAL / Arduino – ArduHal). Useremo un unico modulo che farà tutto. Si chiamerà IotModule, sarà basato su un ESP32 e comunicherà con la applicazione IotHAL via WiFi, Rete, Internet o USB.

Scaricate questo file che elenca le caratteristiche (provvisorie) degli IotModule.  

Documentazione

Scaricate questo file pdf che contiene tutti i particolari per la costruzione dei circuiti, le immagini che spiegano come collegare i moduli tra loro e le istruzioni per utilizzare il firmware e il software.

Andando su questa pagina si può scaricare altra documentazione, tra cui le istruzioni in inglese, la applicazione PowerMeter, il firmware per Arduino, i progetti Eagle per fare i circuiti stampati e i piani di montaggio con le immagini 3D.