Nachdem im ersten Schritt Ideen generiert und Anforderungen definiert wurden, folgt in der Produktentwicklung die Phase der Konzeption. Diese bildet die Brücke zwischen den initialen Überlegungen und der detaillierten Umsetzung. Besonders bei technischen oder elektronischen Produkten ist die Konzeption essenziell, um technische Machbarkeit, Nutzerfreundlichkeit und wirtschaftliche Faktoren in Einklang zu bringen.
Schlüsselaufgaben der Konzeption
- Systemarchitektur und technisches Konzept entwickeln
- Design und Nutzerfreundlichkeit berücksichtigen
- Regulatorische und rechtliche Anforderungen prüfen
- Funktionale Spezifikationen und Lastenheft erstellen (Teil B)
- Kosten- und Ressourcenplanung (Teil B)
- Entwicklung eines ersten Prototyps (Teil B)
Systemarchitektur
Die Entwicklung der Systemarchitektur bildet die Basis für die gesamte Produktentwicklung. Hier wird festgelegt, welche Komponenten benötigt werden und wie sie miteinander interagieren. Dies umfasst sowohl Hardware- als auch Software-Aspekte. Die Wahl der richtigen Technologien, Kommunikationsschnittstellen und Materialien spielt eine entscheidende Rolle für die spätere Performance und Skalierbarkeit des Produkts. Eine fundierte Architekturplanung minimiert spätere Anpassungen und erleichtert die Umsetzung.
Technologische Rahmenbedingungen aus Teil 1
Wir erinnern uns an die technologischen Rahmenbedingungen, die in den Anforderungen in Teil 1 definiert wurden:
| Anforderung | Konsequenz |
|---|---|
| Programmierung mittels Python | Nutzung eines Edge-Computers notwendig (wegen Betriebssystem mit Python Unterstützung) Alternativ: micropython auf kompatibler Hardware |
| DAQ Basis soll Arduino Due sein | Einsatz des Arduino DUE als DAQ bzw. ADC Device |
| Open Source Hard- und Software | Achtung bei der Auswahl von HW-Komponenten (z.B. Raspberry Pi) Sauberer Aufbau der einzelnen Programmteile Gute Dokumentation |
| Einsatz in Innenräumen bei 10-40°C | keine besonderen Vorkehrungen |
| DC Spannungsversorgung 9-36V | Vorsehen eines 4:1 DC/DC Wandlers |
| Einhaltung von EN 61010 | Details noch offen |
Definition der grundlegenden Systemstruktur
In vielen Fällen ist die Freiheit bei der Architektur durch die technologischen Rahmenbedingungen (durch Vorprojekte, bewährte Technik oder spezifische Kundenanforderungen) mehr oder weniger stark Eingeschränkt. In unserem Fall ist durch die Vorgabe von spezifischen Komponenten eine weitere Sondierung nicht notwendig. Dennoch sollte der Produktentwickler achtsam bleiben und auch diese Vorgaben kritisch hinterfragen und ggfs. Alternativkonzepte entwickeln.
Im Falle des PQopen Messgeräts wurden schon im Vorfeld verschiedene Alternativen untersucht, vor allem was die Analog-Technik betrifft als auch die Datenerfassung.
Typisch besteht eine Systemstruktur aus logischen Baugruppen, die für sich genommen spezifische Aufgaben übernehmen. Das hat den Vorteil, dass man in der späteren Entwicklungsphase Sub-Systeme definieren kann, und diese separat abarbeiten kann.
Im Konkreten Fall von PQopen besteht das Konzept aus Baugruppen für die Spannungsmessung, Strommessung, Datenerfassung und Datenverarbeitung am Edge-Computer. Zusätzlich gibt es noch eine Spannungsversorgung.
Technisches Konzept der Baugruppen
Sobald das grobe Konzept erarbeitet wurde, kann mit der detaillierten Ausarbeitung der einzelnen Baugruppen begonnen werden. Wichtig ist dabei, stets offen zu sein und Varianten möglichst objektiv zu bewerten.
Spannungseingang
Der Spannungseingang zur Messung der Netzspannung ist ein Schlüsselbestandteil des Messgeräts. Es existieren viele gängige Varianten, wie dieser aufgebaut werden kann. Zusammenfassend nochmals die technischen Anforderungen, die es zu erfüllen gilt:
- Erfassung der Spannung an 3-Phasen
- Nennspannung 230V 50Hz
- Bandbreite (-3dB): 5 kHz
- Messgenauigkeit: Klasse A (0.1% von Udin)
- Einhaltung der EN 61010
Variante 1: Isolierte Spannungsmessung
Vielfach werden in der Messung von Netzspannungen isolierte Aufbauten bevorzugt, da diese ein hohes Sicherheitslevel mitbringen. Aufgrund der Tatsache, dass die Analog-Digital-Wandlung am Arduino-Board erfolgt, müsste es ein Spannungs-Spannungs-Wandler sein. Eine deutlich attraktivere Variante, eines Spannungs-Bitstrom-Wandlers wird hier nicht betrachtet, da damit die technologischen Anforderungen nicht eingehalten würden. Dieser Punkt sollte auf jeden Fall hinterfragt werden!
Typische Spannungs-Spannungswandler sind Isolationsverstärker wie z.B.:
- ACPL-79xx: Isolationsverstärker mit differentiellem Ausgang; benötigt separaten DC/DC Wandler
- AMC3300: Isolationsverstärker mit integriertem DC/DC Wandler
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Zusätzliche Sicherheitsebene gegen el. Schlag | höherer Rauschpegel |
| Galvanische Trennung zwischen den Messeingängen möglich | höhere Kosten |
Variante 2: Hochohmiger symmetrischer Differenzverstärker
Eine mögliche Variante ohne Isolationsverstärker stellt die Nutzung eines hochohmigen Differenzverstärkers dar. Wenn man diesen symmetrisch zu den Eingängen aufbaut, kann man ohne negativer Versorgungsspannung das bipolare Eingangssignal erfassen.
Dazu wird an jedem Eingang ein Spannungsteiler platziert, dem ein Spannungsfolger nachgelagert ist. Durch die Nutzung eines künstlichen Analog-Grounds, das der halben ADC Referenzspannung entspricht, kann das bipolare Signal günstig erfasst werden.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Einfache und günstige Implementierung | Keine galvanische Trennung zwischen den Messeingängen möglich |
| Keine zusätzlichen Signal-Störquellen durch lineare Verstärkertechnik |
Durch „kopieren“ der Eingangsverstärker auf jeden der 4 Eingangs-Pin (N-L1-L2-L3) und Nutzung des Verstärker Ausgangs von N als negative Differenzspannung für jeden der anderen Signale wird durch den ADC mit seinen differentiellen Eingängen ein echter Differenzverstärker.
Vergleich der Varianten und Entscheidung
Aufgrund des Vorzugs des einfachen Aufbaus, hohen Messqualität und günstigen Herstellung fällt die Entscheidung auf Variante 2. Der vermeintliche Nachteil der fehlenden galvanischen Trennung der Eingänge ist für die vorgesehene Anwendung nicht von Bedeutung, da die zu messenden Spannungen sowieso galvanisch gekoppelt sind. Eine zusätzliche Sicherheitsebene soll durch das Design von Gehäuse und Spannungsversorgung eingezogen werden.
Die Erfüllung aller Anforderungen ist prinzipiell möglich und muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Es gibt kein Ausschlusskriterium.
Stromeingang
Die zweite Type von Messeingang ist der Stromeingang. Dieser ist notwendig, wenn zusätzlich zur Spannung auch der Strom und Leistungs- bzw. Energieparameter erfasst werden sollen. Die Erfassung der Stromstärke kann über eine Vielzahl von Varianten erfolgen, wobei sich manche eher für Regelaufgaben und andere für Messaufgaben besser eignen. Hier stelle ich drei typische Varianten vor, wie der Strom gemessen werden kann. Aber zuerst wieder ein Blick auf die Anforderungen:
- 3-Phasen
- Nennstrom 20A mit ext. Sensor
- Ungenauigkeit +-1% für Strom zwischen 0.1A und 20A
Variante 1: Externer Shunt-Widerstand
Im Kleinspannungsbereich werden oft Messwiderstände verwendet, deren Spannungsabfall gemessen wird und proportional zum Strom ist. Problematisch wird das, sobald hohe (gefährliche) Spannungen vorhanden sind, da dies ein hohes Gefährdungspotenzial bietet. Durch die potenziell niedrigen Differenzspannungen an diesen Messwiderständen ist eine „Sicherung“ durch hochohmige Eingänge nicht ohne weiteres möglich, so wie das bei den Spannungseingängen vorgesehen ist. Da müsste zwingend mit Isolationsverstärkern gearbeitet werden.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Hohe Bandbreite | Komplexer Aufwand für die Signalverstärkung |
| Hohe Phasengüte | Auftrennung der zu messenden Leitung notwendig |
Eine Alternative könnte die Nutzung von vollintegrierten Mess-ICs sein, wie z.B. der MLX91221 von Melexis.
Variante 2: Closed Loop Sensor
Vielfach werden in der Industrie Closed-Loop Sensoren eingesetzt. Das sind aktive Stromsensoren mit integrierter Regelschleife zur Feldkompensation. Diese Wandler haben typisch einen Spannungsausgang im Volt-Bereich. Ein sehr bekannter Hersteller ist LEM, der eine Vielzahl von PCB-Mount als auch Panel-Mount Sensoren anbietet.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Hohe Bandbreite | Hohe Kosten |
| Hohe Phasengüte | Auftrennung der zu messenden Leitung notwendig |
| Bauartbedingte Isolation |
Variante 3: Split-Core Current Tansformer
Eine sehr kostengünstige und unkomplizierte Lösung stellen Split-Core Stromwandler dar. Das sind transformatorische Stromwandler mit einem Kern der geöffnet werden kann (Split-Core). Diese Sensoren gibt es in einer großen Vielzahl an Varianten und Größen. Vielfach wird dabei unterschieden zwischen Varianten mit Strom- oder Spannungsausgang. Solche mit Spannungsausgang haben zusätzlich im Ausgangskreis einen integrierten Widerstand, welcher den Sekundärstrom in eine Spannung umwandelt.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Niedrige Kosten | Niedrige Bandbreite |
| Kann über den Leiter geklappt werden | Schlechte Phasentreue |
| Bauartbedingte Isolation | Schlechte Immunität gegenüber Lagefehler und ext. Felder |
| Hohe Dynamik des Messbereichs |
Vergleich der Varianten und Entscheidung
Aufgrund der Tatsache, dass der Fokus bei der Strommessung stärker auf der praktischen Nutzung liegt und weniger auf höchste Genauigkeit, fällt die Entscheidung auf Variante 3. Auch wenn dabei Abstriche bei der erzielbaren Messqualität gemacht werden müssen, eignet sich dieser Sensor für die zu erwartenden Netzfrequenzen Signale gut. Ein Problem könnte tatsächlich die schlechte Phasentreue sein, die zu großen Fehlern bei der Leistungsmessung führen kann. Das kann aber durch systematische Fehlerkorrektur in der Datenverarbeitung kompensiert werden.
Die Erfüllung aller Anforderungen mit dieser Variante ist prinzipiell möglich, es muss eine Fehlerkorrektur in Software berücksichtigt werden. Es gibt kein Ausschlusskriterium.
Spannungsversorgung
Der Betrieb des Messgeräts erfordert eine permanente Spannungsversorgung. Die technischen Anforderungen nehmen vorweg, dass es sich um eine DC-Versorgung mit 9-36V Pegel handeln soll. Ohne diese Einschränkung könnte alternativ auch das Messsignal als Spannungsversorgung fungieren. Diesen Fall betrachte ich aus diversen Gründen in diesem Beispiel nicht.
Nachdem das Systemkonzept eine grundsätzliche Versorgung mit 5VDC vorsieht, wird ein DC/DC Wandler als primäre Spannungsquelle eingesetzt.
Der DC/DC Wandler hat zwei Aufgaben:
- Bereitstellung der Versorgungsspannung der Komponenten (mit hoher Güte)
- Galvanische Trennung (Funktionsisolierung)
Der notwendige Leistungsbedarf wird wie folgt überschlagen:
- Raspberry Pi 3A+: max. 5W
- Arduino Due: max. 1W
- Verstärker und Reserve: 2W
Das ergibt eine empfohlene Nennleistung des DC/DC Wandlers von 8W.
Weitere Hintergrundinfos
Wichtig ist ein niedriger Spannungsripple und gute Regelfähigkeit. Durch die Einschränkung, dass keine eigene Referenzsspannung verwendet werden kann, muss darauf geachtet werden, dass Störungen durch „schlechte“ Versorgung bis zum messenden Signal propagieren.
Zusätzlich ist es Vorteilhaft, EN 55032 Radiated Emissions Class B einzuhalten, weil dadurch Rückwirkungen auf die Quelle minimiert werden.
Des weiteren wird noch die künstliche Analog-Ground Schaltung für die Messeingänge benötigt, um die bipolaren Messsignale erfassen zu können. Dazu wird ein Spannungsteiler mit einem Operationsverstärker kombiniert. Das ergibt eine stabile 1/2 Referenzspannung.
Datenerfassung
Die Datenerfassung soll laut Anforderungen über das Arduino Due Board erfolgen. Das bedeutet, dass hier kein Spielraum gegeben ist. Diese Entscheidung kommt nicht von ungefähr, sonder von einer vorangegangenen Betrachtung der Alternativen. Ich habe mit mehreren Varianten Versuche durchgeführt, und die Signalqualität und der Komfort in der Umsetzung sprechen klar für den Arduino, auch wenn die Größe des Boards etwas problematisch ist.
Betrachtet habe ich in einem separaten Task:
- Qualität und Geschwindigkeit der ADC
- Verfügbarkeit von Differentiellen ADC Eingängen (mindestens 6 ADCs)
- Open-Source Board
- Datenübertragung zum Raspberry Pi
Ein Haupt-Konkurrent war ein STM-Discovery Board mit STM32 Controller. Dieser hatte in vielen Punkten Schwächen, vor allem die Datenübertragung war besonders kritisch. Die Nutzung von SPI mit dem Raspberry Pi hat sich als sehr komplex herausgestellt und deshalb ist dieses Board ausgeschieden. Der Arduino Due bietet vor allem durch die hohe ADC-Qualität, den differentiellen Eingängen und dem USB 2.0 Anschluss für die Datenübertragung alle wesentlichen Merkmale.
Erfüllung der Anforderungen:
- Genauigkeit: Linearität und AC-Genauigkeit laut eigenem Test mehr als Ausreichend
- Abtastrate: Eine (-3dB) Bandbreite von 5 kHz und eine Aliasing-Unterdrückung von mind. 10dB bei einem Filter 1. Ordnung erfordern eine Mindest-Abtastrate von 50 kHz. Diese kann erreicht werden.
Edge-Computer
Die zentrale Einheit für Datenverarbeitung und Kommunikation soll ein Edge-Computer übernehmen. Das geht vor allem aus der Anforderung, dass mittels Python programmiert werden soll, hervor. Weitere Anforderungen ans Produkt, die dem Edge-Computer angelastet werden:
- WiFi-Verbindung
- USB-Interface für den Arduino Due
- Berechnung und Verarbeitung der Messdaten
- Zwischenspeicherung der Messdaten bei fehlender Konnektivität
- Kommunikation mittels VPN/Wireguard
- Live-Streaming der Kurvenform
- Open-Source Hardware
Es gibt am Markt schon sehr viele Single-Board Computer (SBC) in verschiedenen Preis und Leistungsklassen. Ein vielfach bei Entwicklern beliebtes Modell Beagle Bone, eignet sich leider nicht für den Einsatz, da kein Onboard-Wifi vorhanden ist. Viele weitere Modelle kommen wegen der Größe oder des Leistungsbedarfs nicht in Frage.
Aufgrund der vielen Erfahrungswerte (seit 2012 begeisterter Nutzer) schlage ich auch für dieses Produkt den Raspberry Pi vor. Aber in welcher Variante?
Aufgrund der schon durch den Arduino Due angespannten Platzsituation kommen nur kompakte Modelle ins Spiel, die auch durch die geringere Schnittstellenausstattung weniger Strom brauchen.
| Zero 2W | CM4 | 3A+ | |
|---|---|---|---|
| Kompaktheit | ++ | + | o |
| USB Interface | Micro USB | High Density Stecker | USB-A |
| CPU | 4×1.0 GHz | 4×1.8 GHz | 4×1.4 GHz |
| RAM | 512 MB | 1GB+ | 512 MB |
| Preis | 15 € | 40€+ | 25€ |
| WiFi | 2.4G | 2.4G/5G | 2.4G/5G |
Vergleich der Varianten und Entscheidung
Der Raspberry Pi 3A+ bietet durch sein Gesamtpaket die beste Option. Der Zero 2W scheidet durch die etwas zu geringen Leistungsreserven und „nur“ 2.4 GHz Wifi aus. Ein Streaming-Betrieb erfordert stabile hohe Bandbreiten, die durch das 2.4 GHz WiFi nicht mehr gewährleistet werden können.
Das CM4-Modul würde sich für ein stärker integriertes Produkt eignen, erfordert aber deutlich höheren Entwicklungsaufwand durch den HD-Stecker. Falls künftig höhere Leistungsanforderungen zu erwarten sind, kann das immer noch als mögliche Option gedacht werden.
Gehäuse
Zum Gehäuse gibt es aus Teil 1 nur wenige Anforderungen:
- Einsatz in trockenen Innenräumen (10-40°C nicht kondensierend)
- Nutzung im Schaltschrank und/oder Labortisch
- EN 61010
Im Groben kommen zwei verschiedene Bauarten in Frage:
Je nachdem, welche Zielgruppe angesprochen werden soll, kann man sich für eine der Varianten oder auch für beide entscheiden. Das hängt stark davon ab, wie viele Gleichteile verwendet werden können und ob sich der Aufwand der parallelen Fertigung lohnt.
Vergleich der Varianten und Entscheidung
Aus subjektiven Gründen habe ich mich für die Din-Rail Variante entschieden. In erster Linie deshalb, weil ich das Gerät bei mir in den Verteilerkasten einbauen möchte. Die Box-Variante bietet den Charme einer etwas besseren Haptik und der Möglichkeit, 4mm-Bananenbuchsen zu verwenden. Das würde dann Sinn machen, wenn der Prüfling häufig wechselt, also z.B. im Laborbetrieb.
Die Anforderung an den Berührungsschutz (61010) wird durch die Nutzung von Kunststoff-Gehäusen genüge getan, sowie der Ausstattung mit entsprechenden Schraubklemmen.
Ausblick
In einem Teil B wird das Konzept vollständig:
- Software-Konzept
- Kostenplanung: Zusammenfassung der Kosten für Entwicklung, Prototypenbau und ungefährer Preis des Endprodukts
- Dokumentation und Feedback-Runden: Dokumentation der Ergebnisse und Vorstellung & Diskussion mit den Stakeholdern
Teil 3 wird sich dann um die Entwicklung des Prototypen (Entwicklung mit KiCad, Rapid Prototyping, Software-Architektur mit Simulation, Dev-Boards…) drehen.