Am 2.1.2025 habe ich einen Prototypen der Hauptplatine für das PQopen-Messgerät mit einer Teilbestückung bestellt. Nach nur ca. 1 Woche sind 5 Stück der Platine geliefert worden. Im nächsten Schritt werde ich eine der PCBs soweit mit Bauteilen komplettieren, dass diese getestet werden kann. Dabei sollen sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die mechanische Passform für das angedachte Gehäuse geprüft werden.
Bestückung
Die wichtigsten Bauteile zur Komplettierung sind die Widerstände des Eingangsspannungsteilers auf der Platinenrückseite sowie die Komponenten zur Spannungsversorgung. Die Buchsen für die steckbare Reihenklemmen sind leider noch im Zulauf, deshalb muss ein Provisorium Abhilfe schaffen.
Testaufbau
- Aufstecken des Arduino Due im Huckepack mit dem Raspberry Pi 3A+
- Anschluss des Arduino Due an einen vorkonfigurierten Raspberry Pi über eine kurze USB-Leitung
- Verbindung der Stromversorgung
Nun ist der Testaufbau bereit für die Inbetriebnahme.
Elektrischer Test
Nach erfolgter Bestückung können die elektrischen Eigenschaften getestet werden. Dabei gehe ich schrittweise vor:
- Ohne Eingangssignale: Prüfung der Funktion der Power Supply und der Stromaufnahme
- Signale an den Spannungseingängen: Test der Eingangsstufe für die Netzspannungsmessung
- Signale an den Stromeingängen: Test der Eingangsstufe der Stromsensoren
Power Supply
Die Stromversorgung des PQopen-Geräts erfolgt über eine Gleichspannung von 9-36V. Der eingesetzte DC/DC Wandler dient in erster Linie der Funktionsisolierung, also der galvanischen Trennung zwischen Messkreis und Stromversorgung. Die erwartete Leistungsaufnahme liegt im Leerlauf bei 2-3W, ein Wert, der bei der Inbetriebnahme am Netzteil auch angezeigt wurde. Die Kommunikation mit Raspberry Pi und Arduino funktioniert auch.
Spannungseingänge
Die Kernfunktion wird durch den Spannungsteiler und dem Impedanzwandler sichergestellt. Zunächst wird überprüft, ob die Kurvenform plausibel ist.
Kleinsignaltest
Dazu wird ein Funktionsgenerator verwendet, bei maximaler Ausgangsamplitude (in meinem Fall 20Vpp) und einer Frequenz von 50 Hz. Die Anzeige und Bewertung wird mittels des daq-zmq-viewer durchgeführt.
Justage und Kalibrierung
Für eine Skalierung der Daten benötigen wir den Gain und Offset jedes Eingangskanals. Das funktioniert umso besser, je näher sich die Amplitude dem Messbereichsendwert nähert.
Meine Methode, eine stabile höhere Amplitude zu erzeugen ist ganz simpel: Ich verwende einen kleinen Transformator direkt am Ausgang des Funktionsgenerators (0.35VA, 230V / 6V) in umgekehrter Richtung. Das liefert mir ca. 110Vrms, was sich gut für diesen Schritt eignet.
Um den „wahren“ Wert zu bestimmen, verwende ich ein Multimeter, welches als Referenz dient. Gleichzeitig lese ich den Wert des Multimeters sowie der Anzeige in der DAQ App ab und berechne die Korrekturfaktoren, die dann in die daqinfo.toml eingetragen werden
Überprüfung der Werte
Nach Eintragung der Korrekturwerte kann die Kalibrierung (=Überprüfung gegen eine Referenz) durchgeführt werden. Das passiert der Einfachheit halber zunächst mit dem gleichen Messaufbau.
Wie erhofft, ist der nun vorliegende Wert dem Referenzwert nahezu identisch. Die Abweichung beträgt lediglich ca. 10-20mVrms, was ~ 0.01% des Messwerts entspricht!
Messbereich
Als letztes möchte ich noch eine Kalibrierung beim Nennwert von 230V durchführen sowie testen, wann der Messbereichsendwert erreicht wird.
Zur Erzeugung dieser Testspannungen verwende ich nun einen komplexeren Aufbau bestehend aus folgenden Komponenten:
- Funktionsgenerator
- Audio-Verstärker (Class A)
- Zwei Transformatore (jeweils 230V / 9V 5VA), „Hochspannungsseitig“ in Serie geschaltet für doppelte Spannungshöhe
Nun erhöhe ich die Spannung so weit, bis der Messbereichsendwert erreicht wird
Für eine Konformität der Power Quality Messgeräte nach 61000-4-30 Klasse A müsste der 1.5x Wert der dimensionierten Eingangsspannung (= 345V bei 230V) gemessen werden können. Das wird hier nicht erreicht, kann aber durch Änderung der Widerstandsverhältnisse des Eingangsspannungsteilers leicht erreicht werden.
Stromeingänge
Die Stromeingänge, an denen die Stromsensoren der SCT-013-000 angeschlossen werden können, haben einen integrierten Shunt, und sind somit nicht für die Sensoren mit Spannungsausgang geeignet. Getestet und Kalibriert werden sie ebenfalls mit dem Funktionsgenerator, diesmal das Multimeter als Amperemeter in Serie geschaltet. Durch den vergleichsweise hohen Innenwiderstand der Spannungsquelle kann der Strom problemlos über eine Spannungsvorgabe eingestellt werden.
Leider habe ich den Messbereich etwas ungünstig gewählt, es sind in Kombination mit dem SCT-013-000, welcher ein Übersetzungsverhältnis von 2000:1 aufweist, in dem Fall nur 20Arms möglich, verzerrungsfrei zu messen. Entsprechend der Anforderungen kann durch Veränderung des Shunts oder der Verstärkung dieser Wert angepasst werden.
Gehäuse
Geplant ist der Einbau in ein Standard 9-TE Gehäuse. Hier habe ich eines von Camdenboss getestet.
Es passt ganz gut, es könnte aber noch ein bisschen nachgebessert werden, damit der Einbau etwas flüssiger funktioniert.
Fazit
Der Prototyp der Hauptplatine konnte erfolgreich in Betrieb gesetzt und in ersten Schritten getestet werden. Die Ergebnisse der Kalibrierung und der elektrischen Tests sind vielversprechend und zeigen, dass die grundlegenden Messfunktionen präzise und stabil arbeiten.
Besonders hervorzuheben sind die exakten Messergebnisse bei Spannungseingängen sowie die gelungene Kalibrierung, die mit nur minimalen Abweichungen überzeugt. Die Herausforderungen bei der Anpassung der Messbereiche, sowohl für Spannungs- als auch Stromeingänge, wurden identifiziert und können durch einfache Modifikationen adressiert werden.
Der nächste Schritt besteht nun in der Optimierung des Designs (Anpassung von Abständen) und weiteren Tests, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit unter realen Einsatzbedingungen sicherzustellen. Insgesamt legt der Prototyp eine solide Grundlage für ein innovatives und vielseitig einsetzbares Open-Source-Messgerät, das sowohl Hobbyisten als auch professionellen Anwendern zugutekommen wird.
Euer Michael