Medición de diversas variables electricas (110V/5A)

Objetivo: Determinar las magnitudes de las variables, voltaje, corriente, potencia, frecuencia y energía para condiciones máximas de 110V/5A AC.

Para poder obtener los datos necesarios utilizaremos los siguientes sensores:

Sensor de Voltaje

3508_0 - CE-VJ03-32MS2-0.5 AC Voltage Sensor 0-250V (60Hz)

Este sensor de voltaje AC, puede medir hasta 250Vrms , se alimenta con una fuerte externa de 12V DC, el sensor tiene una salida analogica de 0-5V.

Especificaciones:

Voltaje Mínimo de Entrada (AC)	0 V AC
Voltaje Máximo de Entrada (AC)	250 V AC
Error de Medición Máximo	0.5 %
Frecuencia de Entrada	60 Hz
Tiempo máximo de respuesta	300 ms

Este sensor provee el valor de voltaje RMS, para obtenerlo es necesario aplicar la siguiente formula.

Vrms = Voltaje del Sensor*0.25

Sensor de CorrienteAllegro ACS712

Para la medición de la corriente usaremos un circuito integrado de efecto hall, ya que podemos medir el valor de la corriente actual, con esto podremos calcular la frecuencia ya que la salida del sensor es de 0-5V aunque es ratiometrica, usaremos un cruce por cero con amplificadores operacionales, con esto obtendremos una salida digital de 0-5V la cual conectaremos a nuestro micro controlador.

Especificaciones.

Tiempo de Respuesta 5 microsegundos.
Aislamiento de voltaje de hasta 2.1 kVRMS.
Alimentacion simple de 5V.
Voltaje de salida proporcional a las corrientes de AC o DC.
Corrientes de entrada de hasta 30A.

Convertidor Analógico Digital

AD7992

Ya que se usara como microcontrolador la Raspberry Pi, obtaremos por usar un ADC externo en esta caso de Analog Devices el AD7992.

Especificaciones

Tiempo de respuesta de 2 microsegundos.

12 bit de resolución.

Comunicación I2C.

Salida de hasta 188kSPS.

Voltaje de Alimentación de 2.7V a 5.5V.

Diagrama de Bloques

Diagrama de Flujo para la obtención de las variables

Diseño de la tarjeta

A continuación se muestra el diseño esquemático del circuito, en el se pueden observar los sensores de voltaje y corriente que seleccionamos para nuestro trabajo. El sensor de corriente se conecta con un amplificador diferencial para quitar el offset de la señal, ya que el cero del sensor es 2.5V. Luego la señal pasa por un filtro pasa bajas con frecuencia de corte de 60Hz y ganancia 2, para eliminar el ruido que pueda tener la corriente eléctrica y por ultimo, pasa por un comparador que actua como cruce por cero para enviar la señal a un pin digital y que pueda ser leída por la RaspBerry Pi, de esta manera, se implemento un frecuencímetro. La señal filtrada y amplificada es enviada a un ADC para que envié la información por medio de una conexión I2C, ya que la RaspBerry Pi no cuenta con uno propio. El sensor de voltaje lo filtramos y enviamos a un ADC para su posterior envio a la RaspBerry Pi.

Para el diseño del circuito de la tarjeta electrónica se uso el software Proteus Design Suite, el cual se puede observar en la siguiente imagen:

Viendo el mismo diseño PCB desde una perspectiva de simulación, el circuito se vería de la siguiente forma una vez que se suelden los componentes:

El diseño del PCB tal como se muestra en las imágenes anteriores, es funcional, sin embargo existen otras consideraciones que podríamos agaragar para mejorar el diseño, agregando mayor protección a los componentes, como por ejemplo, separando la parte de acondicionamiento y adquisición de la señal de la parte de potencia, lo que nos daría una menor probabilidad de leer ruido.