Grundprinzip der Frequenzmessung
Messmethoden
Schaltplan
Funktion
Programm
Fotos
Programm Download
Alternative Messmethode
Technische Daten
Die Schwankung ist ein Maß für unserer Versorgungsqualität und wird im Tausendstel Herz Bereich von den Energie-Konzerne geregelt.
Unsere Energieversorgung ist so aufgebaut das die Energie die aktuell vom Kunden entnommen wird auch zum gleichen Zeitpunkt vom
Versorger zu Verfügung gestellt werden muss, es muss somit zu jedem Zeitpunkt für ein Gleichgewicht gesorgt werden.
Ist dieses Gleichgewicht mal nicht 100 Prozentig hergestellt so äußert sich das in eine Frequenzänderung.
Bei einer zu hohen Entnahme durch den Kunden verringert sich die Frequenz, und bei einer zu hohen Bereitstellung durch die
Versorgungsunternehmen erhöht sich die Frequenz.
Hier einmal ein Vergleich:
Die meisten Menschen kennen das Problem , das wenn am Fahrrad der Dynamo eingeschaltet man etwas schwerer treten muss
weil man ja den Dynamo mit antreibt .
Die Erschwernis kommt aber nicht nur vom Dynamo sondern auch dadurch das jetzt die Beleuchtung ihren Dienst tut und
noch zusätzlich dem Dynamo Strom entnommen wird.
Wenn man davon ausgeht das aber nicht schneller in die Pedale getreten wird, wird der Fahrradfahrer zwangsläufig
etwas langsamer werden, der Dynamo sich also langsamer drehen und sich damit die Frequenz des Dynamo verringern.
Wenn umgekehrt der Dynamo plötzlich abgestellt wird, dadurch die Belastung also geringer wird, würde das Fahrrad schneller werden,
und damit die Frequenz erhöhen.
So in etwa verhält es sich auch bei unseren Energie Netz.
Die 50 Hz sind zu einem wichtig weil innerhalb der gesammten Stromnetze in Europa, Spannungen mit Transformatoren
in ihrer Höhe transformiert werden um sie möglichst verlustarm und kostengünstig tranportieren zu können, und zum
anderen weil viele Elektrische Verbraucher für diese 50 Hz konstruiert wurden.
Es müssen aber nicht zwingend 50 Hz sein, es könnten theoretisch auch 60 Hz sein , so wie zum Beispiele in Groß Britanien.
Aber man hat sich in Europa eben auf diese 50 Hz geeinigt.
Warum aber sind die 50 Hz so wichtig ?
Weil alle Energie Unternehmen, und in letzter Zeit auch zunehment Private Photovoltaik Besitzer ihre Energie
in ein und das gleiche Netz einspeisen.
Eine Regelung findet statt indem ständig die Frequenz gemessen wird, und je nach Höhe der Frequenz die Energie erzeugt wird, oder aber Lasten
zu oder abgeschaltet werden.
Beispielsweise werden bei einer kleinen Abweichungen der Frequenz die Wasserschaufeln der Wasserkraftwerke etwas verdreht so das etwas
mehr oder weniger an Energie erzeugt wird.
Bei großen Abweichungen, und groß heißt ca. 1 Herz, werden zum Beispiel Gaskraftwerke aktiviert oder aber deaktiviert , und "oder" es werden
Pumpwasserkraftwerke aktiviert bzw deaktiviert.
Durch die in letzter Zeit immer mehr hinzugekommenen erneuerbaren Energien , sprich Photovoltaik, Windkrafträder usw,
und auch durch die vielen Privaten hinzugekommenen Blockheizkraftwerke wird immer mehr Energie von sogenannten Kleinbetreiber eingespeist
die von den Energieversorgern nur sehr schwer kontrolliert bzw. beeinflusst werden können.
Dadurch werden immer mehr Probleme verursacht weil viele dieser Energiequellen beispielsweise ,wenn bei plötzlicher Windstille alle Windräder
ausfallen oder wenn die Wolkendecke aufreißt und plötzlich alle Solarpaneele ihr Energie einspeisen .
Diese Differenzen müssen dann kurzfristig und sehr flexibel durch andere Energieträger ausgeglichen werden, was aber durch die Vielfalt
und die immer höhere Anzahl von Energieerzeuger immer schwieriger wird.
Die Energieregulierung funktioniert natürlich nicht mehr manuell, sondern wird durch Rechner kontrolliert und gesteuert,
und diese nehmen bei Bedarf automatisch Kraftwerke vom Netz oder schalten Kraftwerke ein.
Für die Regelung gibt es genaue Europäische Richtlinien die als Maß für die Regelungen dienen und zwingend eingehalten werden müssen weil sonst
der sogenannte Blackout droht.
Blackout nennt man einen flächenmäßig großen Stromausfall , der von vielen Menschen völlig unterschätzt wird, weil er noch nie da war,
und viele es sich deshalb auch nicht vorstellen können.
Aber es ist sicher, er wird kommen, wir wissen nur noch nicht wann und in welcher Größenordnung ?
Kommen aber wird er unbestritten, weil durch die Komplexität der Netze durch ganz Europa die Regelung immer umfangreicher und komplexer wird.
Und je größer die Netze und je mehr Technik eine Rolle spielt umso wahrscheinlicher ist es das die Technik insbesondere die Software zur Regelung
irgendwann versagt.
Das ist in etwas so wie unseren modernen Autos, die immer zuverlässiger und bequemer werden, wenn aber dann irgend ein Fehler auftritt, sind meist
die Fachfirmen nicht mehr in der Lage die Ursachen zu finden weil immer weniger Menschen in der Lage sind diese komplexen Maschinen in ihrer Gänze
zu durchschauen.
Und wenn wir alle technischen und menschlichen Fehler einmal völlig auschließen, so ist einer der großen Gefahren die niemals völlig ausgeschlossen werden einen Hackerangriff.
zu einem die Synchronisation der Spannungshöhe, der Frequenz und der Phasengleichheit.
Hier ist der Spannung und Frequenzverlauf von drei parallel geschalteten Stromerzeuger mit gleicher Spannungshöhe , Phasengleichheit und Frequenz dargestellt.
So sollte das Idealbild unserer Netzfrequenz aussehen.
und mit gleicher Spannung parallel betrieben werden , aber einer der Erzeuger
eine abweichende Frequenz bereit stellt.
Hier hat einer der Erzeuger eine Frequenz von 50,5 Herz.
Bei einer Abweichung von nur 0,5 Herz bei einen der Erzeuger gibt es schon enorme Spannungsschwankungen im Netz.
Deshalb ist es besonders wichtig das alle angeschlossenen Stromerzeuger mit der genau gleichen Frequenz einspeisen.
Bei einer 90° Phasenverschiebung bei einem der drei Erzeuger ändert sich die
Spannung im Netz.
Und auch wenn einer der Erzeuger eine niedrigere Spannung von 165 Volt eff hat
ändert sich die gesamte Spannung im Netz.
Das macht offensichtlich das sich die drei Werte , Spannung , Frequenz und Phase
auf das gesamte Netz auswirken und deshalb genau geregelt werden müssen.
kann ich mir also einen Überblick über die aktuelle Stromlage in Deutschland machen.
das Ergebnis direkt als Frequenz zu Verfügung zu haben.
Die Messzeit kann aber auch variieren , dann muss das Ergebnis aber umgerechnet werden damit wir auf die Einheit Herz ( Schwingung pro Sekunde) kommen.
Wenn möglich sollte man darauf verzichten weil das Umrechnen die Ressource des Mikroprozessor beansprucht und daher nicht mehr für andere Funktionen zur
Verfügung steht, außerdem wird durch Rundungsfehler beim berechnen die Genauigkeit immer etwas verfälscht.
So könnte man beispielsweise die eingehenden Impulse nicht nur eine, sondern zehn Sekunden lang messen , und das Ergebnis dann durch 10 Teilen um auf das
gleiche Ergebnis zu kommen.
Wobei die Messgenauigkeit mit der Länge der Messzeit zu nimmt.
Dieses Messverfahren wendet man oft bei Messungen von kleinen Frequenzen an, wenn wir beispielsweise eine Frequenz von 0,1 Hz messen wollen würden wir
immer das Ergebnis Null angezeigt bekommen wenn die Messzeit eine Sekunde betragen sollte.
Es kann also die Messzeit verlängert werden auf beispielsweise 10 Sekunden. Es wird dann in 10 Sekunden ein Impuls gemessen, dieser Messwert
durch 10 geteilt um dann auf den Wert von 0,1 zu kommen.
Das hat allerdings den Nachteil das immer eine relativ lange Zeit nämlich 10 Sekunden auf das Messergebnis gewartet werden muss.
Genauso gut kann aber auch die Messzeit verringert werden um sehr hohe Frequenzen zu messen.
Die Messzeit sollte bei sehr genauen Messungen also immer der zu erwartenden Frequenz angepasst werden um einerseits relativ genau zu messen, und
andererseits nicht zu lange auf das Ergebnis warten zu müssen.
Hier
wird eine Methode angewandt in der mit Hilfe von Timer 1 ein Sekundentakt
erzeugt
wird, während nach jeweils jeder Sekunde eine Routine
angesprungen wird in welcher dann
die eingehenden Impulse mit dem"Timer 0" gezählt und anschließend angezeigt werden.
Anschließend werden die gezählten Impulse wieder gelöscht, und der Vorgang beginnt von
vorne.
Flanke des zu messenden Signales einen Taktgenerator startet und dann die Impulse des
Taktgenerators bis zur nächsten ansteigen der Flanke zählt , wenn ich zuvor weiß wie viele
Takte mein Generator pro Zeit abgibt , kann ich daraus die zu messende Frequenz berechnen.
Je höher die Taktfrequenz des Taktgenerators umso genauer das Messergebnis.
Beispiel: Ich habe einen Taktgenerator mit 100 KHz Frequenz und möchte zum Beispiel ein Signal
von 50 Hz messen. Ich starte also beim eintreffen der aufsteigende Flanke meinen 100 KHz Taktgenerator ,
und stoppe den Taktgenerator wieder mit der nächsten aufsteigende Flanke.
Die Impulse des Taktgenerators werden gezählt und ergeben den Wert von 2000.
Da eine Periode eines 100 KHz Signal 0,00001 Sekunden dauert, multipliziere ich diese Zeit
mit Anzahl der Impulse und komme auf 0,02 Sekunden und 0,02 Sekunden sind 50 Herz.
Unter Bascom gibt es den Befehl "Pulsein" mit dem man einen bestimmten Portanschluss definiert
an dem dann das zu messende Signal angelegt wird.
Der Atmega selber hat einen integrierten 16 Bit Zähler der also bis 65535 zählen kann,
das macht er völlig unabhängig vom laufenden Programm somit wird der Rest des Programms nicht
beeinflusst.
Es wird je nach Konfiguration bei einer ansteigenden oder absteigende Flanke ein interner
Zähler gestartet der alle 10 Mikrosekunden seinen Wert um Eins erhöht um dann bei der
nächsten absteigende oder ansteigende Flanke das Ergebnis aus zu geben.
Anschließend wird der Zählwert automatisch gelöscht, um dann bei der nächsten Flanke
wieder erneut zu zählen. Der Zähler allerdings ist abhängig vom Prozessor Takt, somit werden auch die
10 Mikrosekunden nicht sehr genau sein.
Das zu messende Signal wird dem aufgefangenen Elektrosmog entnommen und einen Cmos Schmitt Trigger zugeführt.
vom Ausgang des Schmitt Trigger geht das Signal auf Pin 4 vom Atmega
Es wird an jeder ansteigende Flanke an Pin 4 ein interner Zähler aktiviert der alle 10 Mikrosekunden ein Wert von 1 auf addiert.
Dieser Wert in der Variable "Pulszeit" wird dann mit dem Faktor 2 multipliziert um auch die zweite Halbwelle mit zu erfassen.
Dann wird durch die Zeit von 10 Mikrosekunden geteilt.
Weil der Prozessor aber nur eine Rechnung pro Schritt vollziehen kann wird erst durch 10 und anschließend noch mal
durch 1000000 geteilt.
In der Berechnung kommt ein Wert von 2000 heraus, in der Praxis sind es aber 2090 und damit eine angezeigte Frequenz von 47,8469 Herz.
Diese Ungenauigkeiten können durch anpassen des Wertes 1000000 ausgeglichen werden.
Wird der Wert von 1 000 000 durch den Wert 1 044 999 angepasst ergibt sich die
Frequenz von 50,000 Hz.
Das bedeutet das die Zeit pro Zählwert nicht wie im Datenblatt angegeben bei 10 Mikrosekunden liegt sondern in der Praxis bei 9,56 Mikrosekunden.
| $regfile "m8def.dat" | Definiert den Controller als Atmega 8 |
| $crystal = 16000000 | 16 MHZ Quarz als Taktgeber |
| $hwstack = 32 | Reservierter Speicher |
| $swstack = 10 | Resevierter Spaeicher |
| $baud = 9600 | Übertragungsgeschwindigkeit für Seriel |
| Config Lcd = 20 * 4 | LCD Festlegen mit 20 Zeichen a 4 Zeilen |
| Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.3 , Db5 = Portc.2 , Db6 = Portc.1 , Db7 = Portc.0 , Rs = Portc.5 , E = Portc.4 | LCD Anschlüsse festlegen |
| Ddrd.5
=
1
|
Ausgang Für Led Gelb setzen |
| Ddrd.0 = 1 | |
| Ddrb.2
=
1
|
Ausgang für Display Beleuchstung |
| Ddrd.7
=
1
|
Ausgang für Rote Led setzen |
| Dim Pulszeit As Integer | |
| Dim Zeit As Single | |
| Dim Frequenz As Single | |
| Dim Freq As String * 8 | |
| Dim Zeit_format As String * 8 | |
| Cls | |
| Portb.2
=
1
|
Display beleuchstung einschalten |
| Locate 1 , 1 | |
| Lcd " 50 Hz Zaehler" | |
| Locate 2 , 1 | |
| Lcd "Pulsmessung" | |
| Locate 3 , 1 | |
| Lcd "23.04.2018" | |
| Wait 1 | |
| Cls
|
Display löschen |
| Do | |
| Pulsein
Pulszeit , Pinb , 0 ,
0
|
Zeit für eine Halbwelle wird gemessen |
| Pulszeit
=
Pulszeit *
2
|
Verdoppeln um beide Halbwellen zu haben |
| Zeit
=
Pulszeit *
10
|
10 us mal Pulszeit |
| Zeit = Zeit / 1188000 | |
| 'Zeit
= Zeit
/
1044999
|
durch Million weil Mikrosekunden |
| Frequenz
= 1
/
Zeit
|
Kehrwert der Zeit um auf Frequenz zu kommen |
| Freq
=
Fusing(frequenz ,
"#.##")
|
Ausgangsanzeige formatieren |
| Zeit_format = Fusing(zeit , "#.######") | |
| Gosub Anzeige |
|
| Toggle Portd.7 | |
| Waitms 999 | |
| Loop | |
| Anzeige: | |
| Portd.5 = 1 |
|
| Sendeleuchte an | |
| Print Freq | |
| Waitms 200 | |
| Portd.5 = 0 |
|
| Sendeleuchte aus | |
| Cls | |
| Locate 1 , 1 | |
| Lcd "Pulse=" ; Pulszeit | |
| Locate 2 , 1 | |
| Lcd "Zeit=" ; Zeit_format | |
| Locate 2 , 17 | |
| Lcd "Sek." | |
| Locate 3 , 1 | |
| Lcd "Frequenz=" ; Freq | |
| Locate 3 , 17 | |
| Lcd "Hz" | |
| Waitms 1000 | |
| Return |
Beim eintreffen eines Signal ( Positive Halbwelle) wird ein Interrupt ausgelöst.
Das Programm springt damit in die Interrupt Routine, und resettiert einen laufenden Timer (Timer1 wegen der höheren Auflösung).
Beim nächsten Eintreffen des Signal wird abermals die Interrupt Routine aufgesucht, den Wert des bis dahin hochlaufenden Timers
in einer Variable gesichert und im Display angezeigt gleichzeitig auch über die RS232 Schnittstelle ausgegeben um die Daten im PC zu loggen
und anschließend der Timer wieder auf Null gesetzt.
Als erstes nehmen wir den Prozessor Takt, der hier mit 16 MHz taktet.
Nehmen wir davon den Kehrwert kommen wir auf die Zeit die der Timer benötigt um einen Schritt aus zu führen .
1/ 16 000 000= 0,000000062 Sekunden
Wenn der Prozessortakt 16 MHz beträgt, bedeutet dies ,da der Timer1 bekanntermaßen bis 65535 zählen kann
in einer Sekunde ( 16 000 000/65535) 244,14 Timerüberläufe vollführt.
Also in Einer Sekunde 244,14 Überläufe, wir aber wollen nur 20 mSekunden messen
also (244,14/1000) * 20 = 4,882 Überläufe
Bei 4,882 Überläufe kommen wird auf (4,882* 65535) 320000 Timerschritte
In der Praxis haben wir aber nicht 320 000 sondern 319 975 Schritte was zum einen an der nicht 100% genauen Prozessor Frequenz liegt,
und zum anderen an den Rundungsfehler der Mathematischen Verarbeitung.
|
Prozessortakt 16 MHz |
Zeit |
Timerschritte |
| 49,99 Hz |
0,02004 Sek |
320 031 |
| 50,00 Hz |
0,02000 Sek |
319 975 |
| 50,01 Hz |
0,01999 Sek |
319 918 |
| Programmzeile |
Beschreibung |
| $regfile "m8def.dat" | |
| $crystal = 16000000 | |
| $hwstack = 32 | |
| $swstack = 10 | |
| Konfiguration für das Display | |
| Config Lcd = 20 * 4 | Größenangabe Display mit 20 Zeichen und 4 Zeilen |
| Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.3 , Db5 = Portc.2 , Db6 = Portc.1 , Db7 = Portc.0 , Rs = Portc.5 , E = Portc.4 | |
| E/Ausgänge konfigurieren | |
| Ddrd.5 = 1 |
Pin als Ausgang definieren für Led gelb |
| Ddrd.7 = 1 |
Pin als Ausgang definieren für Led blau |
| Ddrb.2 = 1 |
Pin als Ausgang definieren für Display Beleuchstung |
| Ddrd.7 = 1 |
Pin als Ausgang definieren für Led rot |
| Pind.2 = 1 | |
| Portd.4 = 1 |
PullUp setzen |
| Ddrb.1 = 1 | |
|
Timer 1
|
|
| On Timer1 Routine_timer_1 |
Routine die bei Überlauf angesprungen wird |
| Tccr1a = &B00000000 |
|
| Tccr1b = &B11000001 |
(bit7)(Input Capture Noice Canceler) ist die Störunterdrückung Bit7 =1 also eingeschaltet, wird der Eingangspin viermal hintereinander abgetastet und muss auch 4 mal den gleichen Wert aufweisen also 4 mal 0 oder 4 mal 1 je nach welche Flanke erkannt werden soll damit der Eingangsimpuls als solcher gewertet wird. Bei Ausgeschalteter Störunterdrückung (Bit7 = 0) wird jede Flanke als Eingangsimpuls erkannt . So kann es beispielsweise bei nicht entprellten Signale zu Störungen durch mehrfach Erkennung kommen. |
| Timsk = &B00000100 |
Interrupt für Timerüberlauf von Timer1 einschalten |
| Variable | |
| Dim Zeit As Word | |
| Dim Ueberlauf As Byte | |
| Dim Ueberlauf_neu As Byte | |
| Dim Wert As Long | |
| Dim Ausgabe As Single | |
| Dim Minwert As Single | |
| Dim Maxwert As Single | |
| $baud = 9600 | |
| Cls | |
|
Portb.2 =
1 |
' Display beleuchstung einschalten |
| Locate 1 , 1 | |
| Lcd " 50 Hz Zaehler" | |
| Locate 2 , 1 | |
| Lcd "" | |
| Locate 3 , 1 | |
|
Lcd "09.06.2 |
|
| Wait 3020" | |
|
Cls |
Display löschen |
| Interuppt 1 |
|
|
Gicr =
&B10000000 |
Interrupt 1 einschalten- Bit 6 setzt Interrupt 0- Bit 7 setzt Interrupt 1 |
|
Sreg.7 =
1 |
Global freigeben |
|
Mcucr = &B00001100 |
interrupt 1 reagiert auf wechsel von 0 >1 |
|
On Int1
Messung |
Namen der Routine festlegen |
| Wait 3 | |
| Programm Anfang | |
| Do | |
| If Ausgabe < 49 Or Ausgabe > 51 Then Gosub Tonausgabe | Min/Max Überwachung mit Tonausgabe bei abweichender Frequenz |
| Frequenz berechnen | |
| Ausgabe = Wert / 991511500 ' Korrektur für kleiner anzeige | Atmega Takt davon der Kehrwert sind 62 Nanosekunden dann die Anzahl der Timerwerte mit 62 Nano multipizieren. Dann den Kehrwert um auf die Frequenz zu kommen Ausgabe = Wert / 1 000 000 000 Der Wert musste korrigiert werden. |
| Ausgabe = Ausgabe * 62 | |
| Ausgabe = 1 / Ausgabe | |
| |
|
| If Maxwert < Ausgabe Then Maxwert = Ausgabe Else Maxwert = Maxwert | Berechnen der Maximal Frequenz |
| If Minwert < 1 Then Minwert = Ausgabe Else Minwert = Minwert | Berechnen der Minimalen Frequenz |
| If Ausgabe < Minwert Then Minwert = Ausgabe Else Minwert = Minwert | |
| Display Ausgabe |
|
| Cls | |
| Locate 1 , 1 | |
| Lcd Fusing(ausgabe , "#.##") | |
| Locate 1 , 19 | |
| Lcd "Hz" | |
| Locate 3 , 1 | |
| Lcd "Minwert =" ; Fusing(minwert , "#.##") | |
| Locate 3 , 19 | |
| Lcd "Hz" | |
| Locate 4 , 1 | |
| Lcd "Maxwert =" ; Fusing(maxwert , "#.##") | |
| Locate 4 , 19 | |
| Lcd "Hz" | |
| Print Ausgabe | Ausgabe über RS232 |
| Toggle Portd.7 | |
| Wait 1 | |
| Loop | |
| Programm Ende- | |
| -Interrupt Routine | |
| Messung: | |
| Ueberlauf_neu = Ueberlauf | |
| Wert = Ueberlauf_neu * 65535 | |
| Zeit = Timer1 | |
| Wert = Wert + Zeit | |
| Ueberlauf = 0 | |
| Timer1 = 0 | |
| Return | |
| Timer 1 Routine | |
| Routine_timer_1: | |
| Ueberlauf = Ueberlauf + 1 | |
| Return | |
| Tonausgabe | |
| Tonausgabe: | |
| Portb.1 = 1 | |
| Waitms 1 | |
| Portb.1 = 0 | |
| Waitms 1 | |
| Return | |
Update Programm hier.
Und ein Taster, der es ermöglicht das Programm per Tastendruck neu zu starten.
Dazu wurde folgende Zeile in der Hauptroutine plaziert : If Pind.2 = 0 Then Exit Do
Um den Stromverbrauch zu reduzieren, wurde das vorhandene Display mit 4 X 20 Zeichen gegen ein Display mit4 X 16Zeichen welches ohne Hintergrundbeleuchtung auskommt ausgetauscht,
wodurch ungefähr 10-20 mA eingespart werden konnte.
Stromaufnahme mit Funk-Modul ca 40 mA
Messgenauigkeit