Verbruik meten met current transformer en ESP

[Gizz]

Ik wil graag het elektriciteitsverbruik van mijn hele woning kunnen monitoren, maar ik heb een ouderwetse (en propvolle) meterkast met o.a. een old school ferrarismeter.

Nadat ik toevallig op de pagina van de Shelly EM was beland kwam ik op het idee om zoiets zelf te maken. De Shelly EM is een ESP8266 bordje waarbij de stroom in een kabel wordt gemeten door een current transformer klem die om de betreffende kabel wordt geklikt.



Nu kun je denken "Leuk Gizz, koop die Shelly EM en je bent klaar." Maar ik maak het liever zelf, daar leer ik veel meer van

Waar ik een beetje vast in loop is het vinden van de juiste aanpak en bijbehorende klemmen.

Zoals ik het begrijp zijn er eigenlijk twee soorten klemmen:

1. Een klem die het primaire vermogen omzet in een spanning (bijvoorbeeld 50A = 1v)
2. Een klem die het primaire vermogen omzet in een secundair vermogen (bijvoorbeeld 50A = 16.67mA)

Ik heb een uitleg gevonden van een Belg die een 30A klem gebruikt die naar een voltage (max 1v) omzet.

Nu leek mij dat ook de meeste simpele methode, omdat je direct de analoge ingang van de ESP kan gebruiken. Echter, al snel vond ik deze uitleg over de ADC van de ESP32 die verre van lineair is.
Volgens de grafiek ziet de ESP32 geen verschil tussen 0 en 0,1v, dus de eerste 10% van je meetbereik is onbruikbaar. Met andere woorden, gaat er 3A / 690W door de kabel, dan meet de ESP32 niks. Pas daarboven krijg je wel een kloppende meting.

Dit lijkt dus geen bruikbare methode, maar de Belg in kwestie laat wel netjes screenshots zien waaruit blijkt dat een laag verbruik zoals 133W ook netjes wordt gemeten.

Een andere optie is een klem die omzet naar een vermogen. Ik heb dan wel een extra onderdeel nodig, zoals deze module die een stroom van maximaal 20mA omzet naar een bereik van 0 tot 3,3v, wat natuurlijk een veel betrouwbaarder bereik is

In het kort mijn vragen:

• Kan ik beter de 0-1v klemmen links laten liggen vanwege het ADC 'gat' van 0 tot 0,1v?
• Is zo'n 20mA -> 0 tot 3,3v module de meest logische stap als ik een klem gebruik die een vermogen geeft? Of haal ik een hogere betrouwbaarheid als ik met een ander onderdeel direct van het vermogen naar digitaal ga en de ADC van de ESP32 omzeil?
• Als het antwoord op de vorige vraag ja is, hoe heet dat onderdeel dan?
• De kabel die vanuit de kruipruimte mijn meter in gaat is vrij dik, 25mm. De klemmen die ik op Aliexpress vind die daar omheen passen zijn direct voor >300A. Blijft dan toch als enige optie over om een klem in de meterkast aan te brengen?
• Zijn er nog betere zoektermen van 'clamp current transformer' voor de klemmen zelf? Ik ben gewend dat ik op bijvoorbeeld Aliexpress vaak duizenden producten aangeboden zie bij een bepaalde zoekterm, maar ik vind nu maar 150 producten. Daar komt bij dat de meeste producten maar een enkele keer besteld zijn, waardoor ik het idee heb dat ik niet de meest handige termen gebruik.

Andere suggesties en overwegingen zijn natuurlijk ook van harte welkom

[memphis]

Als de uitgang van zo'n converter een bereik kent van 0-1v en je wilt dat in de ESP stoppen welke naar wat ik lees een bereik van 3.3v heeft dan versterk je toch het signaal met een opamp?
Sterker nog, als je een 50A bereik hebt met een 1v bereik op de uitgang en je verwacht niet meer dan 10A te gaan meten dan versterk je het bereik van 0.2v naar die 3.3v

1 opamp en 2 weerstanden doen dit.

[Gizz]

@memphis Dank! Ik moest mij even inlezen m.b.t. opamps maar ik denk dat ik het principe begrijp
Het zou dan (omdat ik louter met DC werk) gaan om een non-inverting opamp met dit als schema, heb ik dat juist?


Het heeft dan juist meerwaarde om een beetje overbemeten current transformer te gebruiken. Want met een 20A CT op een draad waar 16A gemeten kan worden zit je alsnog vaak in het 0 tot 0,1v gebied. Helaas vind ik qua CT's die naar een spanning omzetten maximaal 50A, daarboven zijn ze enkel van het type dat naar een vermogen omzetten. Maar ik denk dat ik het er op waag en met 50A klemmen aan de slag gaan. Voor de gehele meterkast (35A hoofdzekering) en de kookgroep is dat niet heel erg ruim.

Als opamp zou ik dan de LM324N willen gebruiken, zodat ik in de meterkast drie klemmen (kookgroep, pv-groep, en gehele groepenkast na de meter).

Nog één laatste overpeinzing van mijzelf: CT's hebben een richting, maar in mijn systeem is de richting van de elektronenstroom natuurlijk veranderlijk, afhankelijk van hoeveel mijn zonnepanelen opwekken en het huishouden op dat moment verbruikt.

Voor zover ik het heb begrepen gaat een CT niet stuk als de stroom de verkeerde kant op gaat, maar doet hij het gewoon niet. Dat zou er dan voor pleiten dat ik direct na de meter twee CT's plaats: in elke richting één. CT1 zal dan data leveren als we meer verbruiken dan de panelen opwekken, CT2 als we meer opwekken dan we verbruiken.

Zie ik dan verder nog iets over het hoofd?

[ThinkPad]

Waarom niet een YouLess aanschaffen om de rotaties van de kWh-meter uit te lezen?

[Gizz]

@ThinkPad Eigenlijk dezelfde overweging waarom ik niet de Shelly EM bestel: als ik het zelf doe leer ik er veel meer van. Dat is bij mij onderdeel van de hobby De juiste onderdelen bij elkaar zoeken, de software goed instellen, de boel mooi afwerken in een geprint doosje.

Bijkomende voordelen, na even de Youless site snel doorgenomen te hebben:

• Alle onderdelen bij elkaar schat ik in dat een ESP32 + de mogelijkheid om 4x 50A te meten 30 euro kost. De Youless is €79 voor enkel het meten van mijn ferrarismeter.
• De Youless ziet niet welke kant mijn ferrarismeter op draait. Hij zit de rode streep en telt die, ongeacht de richting.
• Voor het bijhouden van de opbrengst van mijn panelen moet weer een extra meter worden aangeschaft.
• Een ESP heeft direct wifi aan boord, dus ik hoef geen aparte wifi-adapter te halen zoals bij de Youless wel het geval is. Een adapter die waarschijnlijk meer kost dan de hele ESP, want een ESP32-bordje kost een euro of 9

Qua software lijkt het erop dat je bij de Youless een app op je telefoon moet installeren om de data uit te lezen. Daarnaast kan de data naar online diensten worden gepushed. Aan beide heb ik geen behoefte, ik wil gewoon een apparaat dat alle data via MQTT naar de rest van mijn domotica stuurt. Niet wéér een aparte app voor een apparaat, dat apparaat moet gewoon netjes praten met de infrastructuur (zowel qua software als hardware) die ik toch al heb.

Ook heb ik met een ESP alle vrijheid wat betreft software. Van zelf iets maken in tot een keuze uit de vele open source ESP-firmwares waar veel mensen enthousiast aan werken. De firmware van de Youless lijkt, voor zover ik kan zien, closed source.

[SA007]

Ik heb een aantal jaar elektriciteitsmeters ontworpen, een paar punten om rekening mee te houden die je zover nog lijkt te missen.
- Als je echt vermogen wil hebben heb je ook de spanning en de hoek tussen de spanning/stroom nodig.
Anders blijft het een 'redelijke' schatting.
Als je een redelijke schatting goed genoeg vind kan je prima alleen de stroom meten en de spanning negeren.
Als je wel een goede nauwkeurigheid wil zal je een spanningsmeting moeten toevoegen, heeft alleen als gevolg dat je je elektronica waarschijnlijk niet meer netgescheiden kan maken en dus je esp ook onder netspanning staat. Maakt niet uit voor de werken, wel voor je eigen veiligheid als je eraan wil werken.

- Je moet er rekening mee houden dat je een AC stroom meet, dus de spanning over je meting gaat zowel positief als negatief.
Als je je meting aansluit met 1 pin van je stroomspoel aan aarde kan je daarmee prima je ESP slopen, maar je kan 2 problemen in 1x oplossen.
Als je 1 pin aan de ADC hangt en 2 pin op een setje weerstanden (een spanningsdeler) tussen GND en de AVCC dan kan je beide kanten op meten.
Tegelijk los je je 0-punt probleem op, want 0A is dan AVCC/2, wat je dus eigenlijk altijd een goed meetbare waarde geeft.
(Ik zie net dat deze methode precies is wat die belg gebruikt)

Trouwens:
Alle stroomtrafo's doen een meting van bijv 10A naar 0.1A, welke je dan met een weerstand naar een spanning brengt.
Enige verschil tussen de trafo's die een stroom en die een spanning geven is of die weerstand in de trafo ingebouwd zit of niet.

[Gizz]

SA007 schreef op zondag 23 februari 2020 @ 21:19:
Ik heb een aantal jaar elektriciteitsmeters ontworpen, een paar punten om rekening mee te houden die je zover nog lijkt te missen.
- Als je echt vermogen wil hebben heb je ook de spanning en de hoek tussen de spanning/stroom nodig.
(..)
Als je wel een goede nauwkeurigheid wil zal je een spanningsmeting moeten toevoegen, heeft alleen als gevolg dat je je elektronica waarschijnlijk niet meer netgescheiden kan maken en dus je esp ook onder netspanning staat. Maakt niet uit voor de werken, wel voor je eigen veiligheid als je eraan wil werken.

Goed punt! Vergeten te vermelden, maar ik heb al meerdere op de ESP8266 gebaseerde producten in huis (Sonoff, Blitzwolf) die de spanning meten. Die apparaten heb ik gekalibreerd met behulp van mijn multimeter en de waarde die de pv-omvormer van mijn zonnepanelen aangeeft op het scherm. Zal niet super nauwkeurig zijn, maar in ieder geval de omvormer en de multimeter waren het met elkaar eens dus ik denk dat het voor mijn gebruik goed genoeg is

Bij de berekening haal ik dus de huidige spanning op bij één van de andere apparaten (of zelfs een gemiddelde van een aantal apparaten).

- Je moet er rekening mee houden dat je een AC stroom meet, dus de spanning over je meting gaat zowel positief als negatief.
Als je je meting aansluit met 1 pin van je stroomspoel aan aarde kan je daarmee prima je ESP slopen, maar je kan 2 problemen in 1x oplossen.
Als je 1 pin aan de ADC hangt en 2 pin op een setje weerstanden (een spanningsdeler) tussen GND en de AVCC dan kan je beide kanten op meten.
Tegelijk los je je 0-punt probleem op, want 0A is dan AVCC/2, wat je dus eigenlijk altijd een goed meetbare waarde geeft.
(Ik zie net dat deze methode precies is wat die belg gebruikt)

Kijk, dit stukje info kon ik niet terugvinden bij de Belg Hij plaatste wel zijn schema, maar zonder echt verdere uitleg erbij.

Even een check om te kijken of ik het goed begrijp: bij 0A zou dan 1,67v (3,3v/2) richting de ADC gaan?

Edit: Net even door de door de Belg (hij wordt een fenomeen ) gebruikte library gestruind en volgens mij heb ik direct mijn eigen vraag beantwoord, want ik zie op diverse punten staan dat ze 1.65v of 2.5v van de gemeten waarde af halen:

code:

/ Digital low pass filter extracts the 2.5 V or 1.65 V dc offset,
    //  then subtract this - signal is now centered on 0 counts.
    offsetI = (offsetI + (sampleI-offsetI)/1024);
    filteredI = sampleI - offsetI;

Leuk dit, dank voor je input!

[ Voor 11% gewijzigd door Gizz op 24-02-2020 13:59 ]

[Robbiedobbie]

Dit is ook een handige pagina: https://learn.openenergym...rs/interface-with-arduino . Ik heb hier recent zelf een current only meter mee gebouwd (die maximaal een lager amperage meet, voor meer nauwkeurigheid. Dat is een kwestie van andere burden resistor en andere waarden in je software).

[Techneut]

Toch Gizz heb ik de indruk dat je niet alles van SA007 z'n uitleg begrijpt. Zolang je tevreden bent met heel globale vermogenswaarden is dat geen probleem. Maar zover ik het zie (ook met adviezen) gaat het allemaal over het afzonderlijk meten van stroom en spanning, dus P = U x I en klaar. Echter besef wel dat dit heel globaal ook kan betekenen dat je er radicaal naast zit als er sprake is van een arbeidsfactor van betekenis en/of zwaar vervormde stromen. Niet zelden is die arbeidsfactor ongeveer 0,5 en een andere keer gewoon 1. En eveneens niet zelden heeft met dit type meting geeft de stroom een waarde aan die behoorlijk kan afwijken van de RMS waarde. Eigenlijk als je héél precies wilt zijn geldt dat ook voor de spanning, maar die afwijking kun je in de praktijk verwaarlozen.

Kortom, als je het wat nauwkeuriger wilt doen, dan zul je je aandacht toch moeten richten op andere apparatuur. Wil je echter doorgaan op de ingeslagen weg, dan heb ik een een praktijktip: Als je kan beschikken over losgenomen stroomdraden, dan kun je het meetbereik halveren door de stroomdraad er twee keer doorheen te lussen, die 50A wordt dan 25A of 10A bij 5 keer doorlussen.

^{Tenslotte een onbenulligheidje, je hebt het over een current transformer, Nederlanders die daar regelmatig mee omgaan noemen dat gewoon stroomtransformator.}

[Gizz]

Techneut schreef op woensdag 26 februari 2020 @ 14:01:
Maar zover ik het zie (ook met adviezen) gaat het allemaal over het afzonderlijk meten van stroom en spanning, dus P = U x I en klaar.

Ik begrijp dat het misschien zo lijkt, omdat ik het vooral over de hardware heb in dit topic. De kant van de software is nog niet echt belicht.
Ik was niet van plan om het wiel opnieuw uit te vinden, maar verder te borduren op software van anderen, bijvoorbeeld de emonlib-library. De verwerking van de ruwe data afkomstig uit de ESP's zal ik in Node-RED doen en niet direct op de ESP zelf laten plaatsvinden. Maar dat maakt voor de bewerkingen natuurlijk niet uit

Om even de emonlib aan te houden: daarin wordt wel degelijk meer gedaan dan louter P = U x I. Vanaf regel 60 wordt op basis van een reeks metingen de power factor, schijnvermogen vs echt vermogen etc berekend. Ik zie nu dat op de site die @Robbiedobbie noemde in het kort de bewerkingen worden opgesomd.

Kortom, als je het wat nauwkeuriger wilt doen, dan zul je je aandacht toch moeten richten op andere apparatuur.

Het blijft een hobby-projectje. Met een nauwkeurigheid van +30% / -30% zou ik al best tevreden zijn

^{Tenslotte een onbenulligheidje, je hebt het over een current transformer, Nederlanders die daar regelmatig mee omgaan noemen dat gewoon stroomtransformator.}

Dank, zoals ik al aangaf wordt de juiste / betere terminologie gewaardeerd Het internet is een grote plek waar maar een klein groepje mensen dit soort projecten met elkaar deelt en het aantal beschrijvingen in het Nederlands is al helemaal op 1 hand te tellen, dus vaak blijf je dan hangen bij de Engelse termen.

[Robbiedobbie]

Gizz schreef op woensdag 26 februari 2020 @ 16:14:
[...]

Ik begrijp dat het misschien zo lijkt, omdat ik het vooral over de hardware heb in dit topic. De kant van de software is nog niet echt belicht.
Ik was niet van plan om het wiel opnieuw uit te vinden, maar verder te borduren op software van anderen, bijvoorbeeld de emonlib-library. De verwerking van de ruwe data afkomstig uit de ESP's zal ik in Node-RED doen en niet direct op de ESP zelf laten plaatsvinden. Maar dat maakt voor de bewerkingen natuurlijk niet uit

Om even de emonlib aan te houden: daarin wordt wel degelijk meer gedaan dan louter P = U x I. Vanaf regel 60 wordt op basis van een reeks metingen de power factor, schijnvermogen vs echt vermogen etc berekend. Ik zie nu dat op de site die @Robbiedobbie noemde in het kort de bewerkingen worden opgesomd.


[...]

Het blijft een hobby-projectje. Met een nauwkeurigheid van +30% / -30% zou ik al best tevreden zijn


[...]

Dank, zoals ik al aangaf wordt de juiste / betere terminologie gewaardeerd Het internet is een grote plek waar maar een klein groepje mensen dit soort projecten met elkaar deelt en het aantal beschrijvingen in het Nederlands is al helemaal op 1 hand te tellen, dus vaak blijf je dan hangen bij de Engelse termen.

Power factor wordt door emonlib alleen gedaan als je ook een voltage meting hebt AFAIK

[Gizz]

Ja, maar die data heb ik ook om in de berekeningen mee te nemen

[barteg]

Ik zie dit draadje nu pas. Ik heb al bijna een paar jaar twee ESP32 draaien met 3 stroom klemmen. Deze meten het stroom verbuikt van verschillende groepen. Ik heb als basis de informatie en software van https://openenergymonitor.org/ gebruikt. Ik stuur de metingen met MQTT naar mij domotica systeem. Werkt zeer stabiel tot op heden.