Messtechnik auf PIC32-Basis

Hochpräzise Messung der Netzfrequenz

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Die Messung der Netzfrequenz mittels A/D-Wandler zur Bestimmung der Maxima und Minima des Spannungsverlaufs ist nicht zuverlässig, da moderne Netzteile und Phasenanschnittsteuerungen den Sinus abflachen, wodurch der genaue Zeitpunkt der Maxima kaum zu bestimmen ist. Besser geeignet ist die Messung am Nulldurchgang, da die Steilheit des Spannungsverlaufs dort am höchsten ist.

Wie lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen?

Doch Netzstörungen, Oberwellen und Rundsteuersignale könnten die Messung erschweren, da sie im zeitlich hochaufgelösten Bereich zu mehreren Nulldurchgängen führen können. So wurde ein Schmitt-Trigger ausgewählt, der knapp oberhalb des Nulldurchgangs schaltet und durch die Schalthysterese auch bei hochfrequenten Oberschwingungen zuverlässig arbeitet.

Zum Schutz des Mikroprozessors ist eine galvanische Trennung integriert. Der Schmitt-Trigger wandelt den Sinus der Netzfrequenz in eine Rechteckfunktion um, so dass für die Frequenzmessung nur noch die Torzeit gezählt werden muss. Diese Zählung wird mit dem PLL-Prozessortakt von 40 MHz durchgeführt, und ergibt eine ausreichende zeitliche Auflösung von ca. 0,06 mHz. Die Temperaturdrift der PLL-Frequenz liegt jedoch über 20 ppm, was für hochpräzise Messungen nicht ausreichend ist.

Eine hochpräzise Zeitsynchronisierung über das Internet ist wegen der unterschiedlich langen Laufzeiten schwer zu realisieren. Atomuhr und Quarzofen schieden wegen des unverhältnismäßig hohen Aufwands aus. So fiel die Wahl auf eine Zeitsynchronisierung über das DCF-Funkuhrsignals. Dieses Signal basiert auf einer Atomuhr und bietet damit dieselbe Genauigkeit. Das DCF Empfängermodul ist allerdings nicht für präzise Aufgaben gefertigt, die einzelnen Sekunden werden mit 50 ms Jitter erkannt, was eine direkte Verwendung des Signals ausschließt.

Um die PLL-Frequenz dennoch bestimmen zu können, werden in einem Zeitintervall der DCF-Funkuhr von zwei Stunden die PLL-Takte gezählt. Damit kann die aktuelle Frequenz der PLL berechnet werden. Mit der aktuellen PLL-Frequenz kann nun die Torzeit der Netzfrequenz genau gezählt und somit die Netzfrequenz ausreichend präzis bestimmt werden. Der bei einem 32-Bit-Prozessor größere Wertebereich der Variablen hat dabei die Programmierung an einigen Stellen deutlich vereinfacht.

Speicherung und Visualisierung der Messdaten

Die Speicherung der Messwerte erfolgt auf einem am Entwicklerboard angeschlossenen USB-Stick, der entweder direkt oder per FTP ausgelesen werden kann. Alternativ wäre auch eine integrierte SD-Karte möglich gewesen. Zur Visualisierung (Bild 4) und gegebenenfalls Verwendung der gemessenen Frequenz zur Steuerung von Geräten wurde die Website www.netzfrequenzmessung.de bei einem großen Webhoster aufgesetzt.

Diese Seite stellt sowohl die Schnittstelle zum Messgerät als auch einen Schutz des Gerätes gegen Überlastung und Angriffe aus dem Internet dar. So wird die aktuelle Frequenz sekündlich vom Messgerät abgefragt und auf dem Server gespeichert. Von dort wird sie auf der Website angezeigt und steht im xml-Format zum Download für netzfrequenz-geführte Steuerungen zur Verfügung.

Der Webserver auf dem micromax03, welcher lediglich Statusinformationen und die Netzfrequenz weitergibt, war auf Basis eines vorhandenen Beispiels von Microchip schnell aufgesetzt. Deutlich mehr Zeit benötigte die Programmierung der Visualisierung bei dem Webhoster.

* Thomas Gobmaier und Siegfried Zeller betreiben die Website www.netzfrequenzmessung.de

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