Projekt vorgestellt: Strommessung im Haushalt bis 30A mit Arduino

Hallo,
ich möchte hier kurz mein ("fertiges") Projekt vorstellen. Vielleicht kann der Ein oder Andere es nutzen.

Kurz gesagt möchte ich den Strom von Verbrauchern(bis 30A) im Haus messen und an einen PC senden.
Wichtig ist mir ein übersichtlicher und günstiger Aufbau(ca 5 Euro/Messung).
Der grobe Aufbau besteht aus einem Stromwandler(wird über das zu messende Kabel gesteckt und kann bis 30A messen), einem AD-Wandler und einem Arduino der über USB/virtueller Comport die Messergebnisse an den PC sendet.

Wer Interesse hat, kann nun die ausfühliche Beschreibung lesen:

Ich war auf der Suche, nach einer Wechselstrommessung, welche ich einfach an meine zukünftige Hausautomatisierung anschließen kann. Hintergrund der Messung ist es einen groben Überblick über die Stromaufteilung(großer Messbereich) im Haus zu haben und ein bisschen Komfort, wenn die Waschmaschine im Keller unter einen bestimmten Stromwert(kleiner Messbereich) geht, ist sie wohl fertig…

Hier meine Kriterien:
-günstige Hardware
-großer Messbereich
-hohe Genauigkeit
-wenig Hardware
-Arduino als Datensammler „vorerst“ für 10 Sensoren
-einfache Schnittstelle zur Hausautomatisierung(PC)
-mindestens einen umgerechneten Messwert pro Sekunde und pro Wandler(10 Sensoren=10 errechnete Werte / Sekunde)

Stromsensor:
Bei der Auswahl der Stromsensoren bin ich immer wieder bei Stromtrafos gelandet, da diese unschlagbar günstig und relativ genau sind. Ich verwende einen ZMCT118F mit einem Messbereich von 30A. 30A AC im Eingang entsprechen 30mA AC am Ausgang.
Um die Linearität und Genauigkeit zu testen, habe ich Halogenlampen (50-3000W) an einen Stelltrafo angeschlossen. Den Strom habe ich zum Vergleich mit einem „METRAHIT X-tra“ (kalibriert) gemessen.

Wandlung des Stromwandlers:
Begeistert von der Messgenauigkeit, habe ich mich an die AD Wandlung des Sensors gemacht. Da der auf dem Arduino verbaute AT-Mega „nur“ eine 10Bit Auflösung hat, habe ich nach externen AD-Wandlern gesucht. Auch hier ist es nicht ganz leicht günstige und vor allem schnelle Wandler zu finden. Schnell aus folgendem Grund: Die Sinusperiode hat bei 50Hz = 20mS. Damit ich bei Phasen an-/abschnitt noch sinnvoll messen kann, peile ich ca 400 Messungen / 20mS an. Das ergibt ca 20000 Messungen pro Sekunde.
An dieser Stelle vielen Dank an Bernhard, der mich noch rechtzeitig darauf aufmerksam gemacht hat, dass der Wandler, den ich zuerst im Auge hatte, nur 860 Messungen/Sek. schafft.
Ich habe mich für den AD Wandler MCP 3301 entschieden. Dieser hat eine 13Bit Auflösung bei einer Abtastrate von 100ksps und wird über SPI an den Arduino angeschlossen. Der AD-Wandler kann natürlich nicht direkt den Strom vom Wandler messen, sondern misst die Spannung, die über einen Messwiederstand abfällt. Bei dieser Auflösung ist es wichtig eine genaue Spannungsreferenz zu haben. Im Datenblatt vom MCP 3301 wird als Spannungsreferenz der MCP 1525 genutzt. Dieser bietet eine sehr genaue Spannung von 2,5V (näheres im Datenblatt). Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, dass der Messwiederstand eine Genauigkeit von 0,1% hat.
Um den Wandler mit 30A auszunutzen, habe ich einen Messwiderstand von 56 Ohm eingesetzt, d.h. der Messbereich geht theoretisch von 10,9 mA bis 30000 mA. Wem die 10,9mA zu groß sind, kann als Messwidertand auch 100 Ohm nutzen. Dann ist der Messbereich von 6,1mA bis 16100 mA, was ja für die meisten Verbraucher ausreichend ist. Da die Werte der verbauten Messwiederstände im Programm angegeben werden müssen, kann der Messbereich so „beliebig“ angepasst werden. Natürlich muss es auch Sinn machen, denn die Genauigkeit hängt ja auch noch mit anderen Faktoren zusammen: Referenzspannung, Quarzgenauigkeit, 50,000000 Hz der Netzspannung…

Programm im Arduino:
Ich habe zwar schon einige AT-Mega programmiert, aber noch nicht mit der Arduinosoftware. Deshalb vielen, vielen Dank an Jürgen, der mir diese Arbeit abgenommen hat und den Code zur freien Verfügung stellt. DANKE!!!
Eine Beschreibung ist im Programm selber.
Ich nutze einen Ardino NANO, aber es geht auch mit diversen anderen. Das Programm ist auf 10 Sensoren ausgelegt und bei jedem Wandler wird 4 mal pro Sekunde je eine Periode gemessen und aus dem Messergebnissen der RMS Wert gebildet. Jede Sekunde sendet der Arduino über USB/ Virtueller Comport 10 Messwerte; also einen pro Wandler.
Um die Ausgabe „hübscher“ zu gestalten, wurde die Bibliothek „Streaming“ verwendet die in das Installationsverzeichnis kopiert werden muss.

Hinweise:
Die Leitung SCK und MISO führen immerhin 1 MHz Signale, da wirken sich parasitäre Kapazitäten sehr schädlich aus, also nach Möglichkeit kurze Leitungen verwenden. Und natürlich nicht mit Kondensatoren sparen – dicht an den ICs.
Zum Abschluss habe ich noch ein paar Vergleichsmessreihen aufgezeichnet. Generell kann man sagen dass die Abweichung zwischen dem geeichten Messgerät und „meiner“ günstigen Messung bis 500mA bei 1% liegt, zum Teil darunter. Ab 500mA liegt die Abweichung deutlich unter 1%. Bei kleinen Strömen wirkt sich eine Ungenauigkeit von einem Bit natürlich sehr viel höher aus, als bei großen Strömen.

Kosten:
Den Arduino Nano gibt es günstig auf bekannten Internetseiten
AD Wandler MCP 3301 liegt bei ca 3,50 Euro
Spannungsreferenz MCP 1525 ca 1 Euro
Messwiederstand ca 0,50 Euro
Stromsensor ZMCT118F im 10ner Pack incl. Versand bei 1$ pro Stück

Also kann man grob sagen, dass jede (weitere) Messung ca 5 Euro kostet

Nachbau:
Nur zur Sicherheit...
Der Nachbau ist natürlich auf eigene Gefahr. Da hier mit lebesgefährlicher Netzspannung gearbeitet wird, müssen alle einschlägigen Richtlinien, Bestimmungen... (VDE!!!) beachtet werden.
Also nur nachbauen, wenn man weiß, was man macht und darin auch Erfahrung hat...

Für Kritik, Verbesserungen, Vorschläge bin ich immer offen. Davon lebt ein Forum!

Viel Spaß,
Tobias

Anhang 32542

Super, genau sowas habe ich den ganzen Tag gesucht, ich hoffe das geht auch für Drehstrom. Dann werde ich mir mal die Teile bestellen.

Hallo,
hier noch eine Erweiterung zum Strommessung.
Alle 10 Messwerte werden nun über I2C an den Master gesendet.

Viel Spaß,
Tobias

Anhang 32824

Hallo Stefan,

das ist ein netter Versuchsaufbau.

Möglicherweise hast du dir schon Gedanken zum fertigen Produkt - Anlage oder Gerät - gemacht und kannst etwas darüber berichten.

Besonders interessant finde ich die Frage, wie stark zentral gesteuert und wie dezentral bedienbar funktioniert der Haushalt dann. Kommt so eine Strommessung mit Hutschienenmontage in einen Schaltschrank im Einfamilienhaus (als Beispiel gemeint), oder in jede Etage, in jedes Zimmer eher nicht - oder?

Im Schaltschrank würde man eher die Sensoren mit fliegender Montage verwenden und nicht die printbaren. Man lässt dann die Stromleitungen dort, wo sie sind und führt die Signalleitungen zur Signalverarbeitung. Mit geeigneten Kabeln ist das ja kein Problem. Das scheint mir die übersichtlichere und besser erweiterbare Variante zu sein.

Spi und usb geht quer über den Schreibtisch sehr gut, aber die Bereichserweiterung ist da schon etwas eingeschränkt. In welche Richtung hast du diesbezüglich vor, zu entwickeln?

viel ERfolg und Spass beim Entwickeln,

Also generell geht es nicht darum jedes Zimmer zu messen, sondern die größeren Verbraucher.
z.B. Herd, Backofen, Kühlschrank, Spüler, Waschmaschine, Durchlauferhitzer...
Bei diesem Projekt geht es mir nur darum, relativ günstig einen großen Bereich mit hoher Genauigkeit zu messen. Ich könnte ja auch gute industrieelle Wandler kaufen, aber die liegen bei ca 300 Euro pro Messung. Das ist mir viel zu viel und deshalb diese Lösung. Zur Zeit messe ich direkt in der Verteilung. Die Wandler sind zwar für Printmontage, aber das selbe Modell mit Kabel liegt bei 10€ statt jetzt 1€. Geplant ist noch eine kleine Platine mit Stecker.
Bisher konnte ich keine Fehler/Unregelmäßigkeiten feststellen, obwohl die Messleitungen quer durch die Verteilung gehen.
Von USB bin ich auf I²C umgestiegen, da ich im Obergeschoß eine zusätzliche Verteilung habe. Da der PC im Keller steht, ist dann das USB Kabel zu lang. Ein Adapter von I²C auf Ethernet löst das Problem.

Gruß,
Tobias

Auch wenn die Darstellung des zu entwickelnden Endproduktes noch ein wenig unklar ist: Ethernet Übertragung vor zu sehen ist schon mal ein Schritt, der spätere Erweiterungen erleichtert.

weiter so,

ich habe deine Schaltung mit 3 Wandler nachgebaut und sie funktioniert auch. Die Meßergebnisse sind auf allen Eingängen gleich, allerdings wird nie 0mA angezeit wenn keine Last vorhanden ist. Je nachdem welchen ADC ich anschließe, ich habe 6 Stück probiert, wird mir ein Strom von 12 bis 109mA in Leerlauf angezeigt. Bis 48mA Ruhestrom (ohne Last gemessen) sind die Messergebnisse (268mA) bei 60W gleich, liegt der Ruhestrom höher stimmt auch das Ergebenis nicht. Sind jetzt die Wandler zu billig oder woran kann das liegen.

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Alles auf eine Platine aufgebaut

Das müsste man mal in Ruhe überlegen woran das liegt.
Aber wenn du einen Messbereich von 30A hast, entsprechen 109mA gerade mal 0,36%...
Wenn ich dich richtig verstehe, zeigen alle wandler bei der selben Last den gleichen Wert an? Nur ohne Last sind die Werte unterschiedlich?

wenn die Anzeige ohne Last unter 50mA ist dann zeigen sie unter Last den selben Wert an, ist Anzeige ohne Last höher dann ist auch der Meßwert bei 270mA um 12mA höher. Ich habe 2000:1 Wandler und 100Ohm Shunt Widerstand aber nur 50 im Sketch angegeben, das entspricht doch dem 16A Bereich

Was mich mal interessieren würde: Wie sieht denn der Algorithmus aus, der die Meßwerte in einen Strom umrechnet? Immerhin mißt du ja Wechselstrom. Der auch noch mehr oder weniger Oberschwingungen hat...