Isoloitu virran- ja jännitteenmittausmoduuli

Abstract

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli suunnitella ja rakentaa mittauslinjasta galvaanisesti erotettu virran- ja jännitteenmittausmoduuli akku- tai muuhun sähkölinjaan. Moduulista tuli saada virta- ja jännitetiedot ulos yksipuolisena analogisena 0...3,3V jännitteenä, joka voidaan lukea ja tulkita ulkoisella mittalaitteella. Työn tilanneen yrityksen taholta moduuliin liittyi vaatimus liittää siihen erillinen laajennuskortti, jonka avulla moduulista saisi mittaustiedot ulos suoraan digitaalisessa muodossa. Mittausmoduulin keskeisimmät ominaisuudet olivat hyvä erotus mitattavasta linjasta sekä laaja käyttöjännitealue, koska laitteen vaatimuksiin kuului mahdollisuus ottaa käyttöjännite suoraan mitattavasta linjasta. Virran mittauksen suunnittelun lähtökohtana oli hyödyntää Hall-anturia, jolla voidaaan saavuttaa hyvä galvaaninen erotus mitattavasta linjasta. Jännitteenmittausessa tuli myös käyttää isoloivaa vahvistinpiiriä erottamaan mitattava linja tältäkin osin muusta piiristä. Laaja käyttöjännitealue mahdollistettiin käyttämällä moduulin virransyötössä pientä step down -hakkuripiiriä. Työssä tutkittiin miten tämän tyyppinen virranmittausmenetelmä sopii virran ja jännitteen mittaamiseen erilaisissa kohteissa, pääasiassa akku- tai muissa tasavirtasyötöissä. Tarkastelun alla olivat avoimen silmukan Hall-anturiperiaatteeseen perustuvan mittauksen tarkkuus, lineaarisuus ja mahdollinen häiriöherkkyys sekä moduulin yleinen toimintakyky eri olosuhteissa. Piirilevyn suunnittelussa pyrittiin minimoimaan mahdollisia hakkuripiriien aiheuttamia häiriöitä. Piirilevyä suunniteltaessa pyrittiin ottamaan huomioon myös valmistettavuus siltä varalta, että laitetta tultaisiin jatkossa käyttämään useammissa yhteyksissä. Lopputuloksena laitteesta saatiin toimiva, mutta mittauksen havaittiin olevan suhteellisen herkkä ulkoisille häiriöille, pääasiassa lämpötilan vaihteluille sekä ulkoisten magneettikenttien vaikutukselle. Mittauksen herkkyys todettiin riittäväksi esimerkiksi tehonsyöttölinjan valvontaan tai muuhun vähemmän tarkkuutta vaativaan yleiskäyttöön, mutta takkoihin virransäätökohteisiin sovellettuna tekniikka vaatisi vielä jatkokehitystä.

The purpose of this thesis was to design, build and test a galvanically isolated current and voltage measuring module for a DC power line. Current and voltage information from the power line should be output as a single-ended analog 0…3.3 V voltage, which could be measured with external equipment. The module had to support connection to an extension card, with which the module would gain an additional digital interface. The key features of the module were good isolation from the measured line and a wide operating voltage range, because the module had to have the option to be powered straight from the measured power line. Starting point for designing the current measuring circuitry was to use a current transducer IC based on Hall-effect principle. Voltage measurement would be isolated from the measured line by using an isolation amplifier. The wide power supply range of the module was achieved by using a simple switch mode buck regulator, which accepts input voltages up to 75V. The accuracy, linearity and immunity to external interference using an open loop Hall effect sensor in current measurements in battery power line applications were studied. The behavior of the module was tested in different conditions. Proper PCB design techniques were applied to minimize interference from the switch mode power supply circuits to output signals, and the possibility of small-scale production of the module was kept in mind. The result of this thesis was a functional device, but which was relatively sensitive to varying operating conditions, mainly for the Earth’s magnetic field and ambient temperature. The sensitivity and accuracy of measurements were considered to be good enough for current monitoring or other non-critical applications. Applying this measuring technique to more precise control applications would require further development.