Digitales Wattmeter

Der vom Versorgungsunternehmen (SVU) zur Messung der Einspeisenergie verwendete Zähler besitzt keinen digitalen Ausgang, da er noch nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet (Ferrarizähler mit Aluscheibe im Magnetfeld). Da die Aluscheibe eine rote Markierung aufweist und mit 600 Umdrehungen pro kWh angegeben ist, kann mit Hilfe einer optischen Reflexions-Lichtschranke, ohne einen unerlaubten Eingriff in den Zähler, die eingespeiste Energie gemessen werden. Ebenso die augenblicklich abgegebene Solarleistung über die zeitliche Dauer einer Vollumdrehung.

Und jetzt geht es in's Eingemachte: Lichtschranke.jpg

Da ich keine Reflexions-Lichtschranke greifbar hatte, habe ich eine vorhandene Gabellichtschranke zersägt und sowohl IR-Sende- als auch Empfangsdiode mit Hilfe von Heißkleber auf einer kleinen Kunststoffplatte befestigt.

Unter zu Hilfenahme von doppelseitigen Klebepads konnte ich dann die Lichtschranke so justieren, dass ich eine maximale Ausgangsspannung beim Durchgang der roten Markierung auf der Zählerscheibe erhielt. Die Pads lassen sich ja auf Glas wieder rückstandslos entfernen und die offene Bauweise ermöglicht dem SVU gegenüber jederzeit eine Kontrolle auf unerlaubte Manipulationen.

Da sich die Zählerscheibe bei voller Sonneneinstrahlung etwa im Sekundentakt dreht, bei starker Bewölkung aber im Schleichgang, muss eine der Lichtschranke nachgeschaltete Triggerschaltung eine saubere Flankendetektion der roten Markierung auf der Zählerscheibe sicherstellen.

Nachfolgende Abbildung zeigt die Schaltung des Impulsdetektors mit der Lichtschranke, dem hochohmigen Spannungsfolger IC3A, dem Verstärker IC3D mit R1 einstellbarer Triggerschwelle (beide im LM324N Gehäuse) und dem nachgeschalteten Pulsformer, einem 74121N Monoflop.

Die Auswertung der anstehenden 1 ms Impulse erfolgt dann mit einer ATMega8 CPU, deren Software unter der Arduino IDE entwickelt wurde. Dabei waren nachfolgende Randbedingungen zu realisieren:

- Anzeige des bisher eingespeicherten Tagesertrags [kWh]

- Tageslaufzeit des Wandlers

- Anzeige der augenblicklichen PV-Leistung [kW]

- Plottfunktion der Tageserträge der vergangenen 31 Tage

Hierzu wird der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen am Interrupteingang PD3 (Pin5) gemessen. Ist dieser z.B. 1 Sekunde, so beträgt die eingespeiste Energie 1/600 kWh in diesem Zeitraum. Durch einfache Addition dieser Integralanteile über die Einschaltdauer des Frequenzwandlers lässt sich so die täglich eingespeiste Energie berechnen.

Über einen internen Timer in der ATMega8 CPU erfolgt die Berechnung des Tagesenergie- Eintrags jeweils für den Zeitraum 5:00 Uhr bis 21:00 Uhr. Auch wenn der Frequenzwandler täglich kaum über 16 Stunden in Betrieb sein wird, wird so sichergestellt, dass die jahreszeitlich variierenden Sonnenauf- und -untergänge voll erfasst werden.

Während der Nachtzeit stellt die CPU sequentiell die in ihrem EEPROM abgespeicherten Tagesenergien inklusive der jeweiligen täglichen Wandlerlaufzeit im 2Sek-Takt auf einem FLD-Display dar. Dabei wird der jeweils letzte Eintrag mit höherer Helligkeit dargestellt um die Tageszuordnung im kalenderfreien 31 Tage Ringspeicher finden zu können.

Anstelle des für die Programmentwicklung verwendeten Arduino Mega256 findet der preiswerte Atmel AVR-Prozessor ATMega8 Verwendung. Dieser benötigt lediglich einen Quarz (selbst diesen könnte man sparen) 3 Kondensatoren und einen Widerstand als externe Beschaltung und kann über seinen seriellen Ausgang direkt das Fluoreszenzdisplay ansteuern (RS232 im TTL-Level). Hierzu wird der vom Arduino Compiler erzeugte Hex-File über die ISP-Schnittstelle des ATMeg8 in diesen geladen, ohne dabei den Bootloader des Arduino mit zu übertragen.  
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