Амперметр-вольтметр с записью на SD-карту
Часть 4 - пример использования прибора
Постановка задачи
Несколько лет назад автор задумал установить у себя на даче несложное электронное устройство из серии "Умный дом", а конкретно, устройство, следящее за безопасностью объекта и передающее сигнал тревоги в случае срабатывания одного из датчиков. Устройство это в дежурном режиме потребляет совсем небольшую мощность, буквально десятые или даже сотые доли ватта, однако питание от электросети в данном случае не подходит - в нашей местности сеть частенько отключается и перерывы в электроснабжении могут длиться сутками, особенно зимой, когда ремонтникам бывает трудно добраться до места обрыва линии электропередачи. Не хотелось бы, чтобы во время этих отключений дача оставалась совсем незащищенной. Поэтому, наиболее подходящим представлялось питание от аккумулятора с его ежедневной подзарядкой от солнечной батареи. Однако, сразу же возникли вопросы - какой емкости нужен аккумулятор, чтобы поддерживать работоспособность устройства в течение примерно полугода, с ноября по май, когда хозяева дачу практически не посещают, какая необходима мощность солнечных батарей чтобы поддерживать заряд аккумулятора в течение этого времени. и так далее.
Эти вопросы особенно актуальны в нашем северо-западном регионе, где количество солнечных дней в году смехотворно мало и солнышко может прятаться за густыми облаками в течение многих недель подряд, а длительность светового дня в зимнее время составляет менее 6-ти часов.
В результате этих раздумий автор и решил сделать прибор, конструкция которого подробно описана в предыдущих трех частях этой публикации. Имелось в виду, что прибор будет следить за процессами заряда аккумулятора в светлое время суток и его разряда в темное, с тем чтобы собрать определенные статистические данные по накопленной и затраченной электрической энергии.
Подключение к объекту измерений
Объектом измерений служил свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 1.2 Aч номинальным напряжением 12 В, похожий на тот, что показан на рисунке слева. От аккумулятора питалось упомянутое выше устройство безопасности, а подзаряжался аккумулятор от солнечной батареи, состоящей из трех последовательно включенных 6-вольтовых элементов небольшого размера. Читатель может спросить, отчего это был выбран именно свинцово-кислотный аккумулятор? Почему бы не использовать литий-ионные аккумуляторы, которые известны своей более высокой удельной емкостью на единицу массы, а также обладают многими другими полезными свойствами, в связи с чем практически вытеснили все другие типы аккумуляторов в современной электронной аппаратуре? Ответ прост - носить устройство, которое питается от аккумулятора, и сам аккумулятор автор никуда не собирался, поэтому его вес и габариты никакого значения не имели, а вот работать аккумулятору предстояло в неотапливаемом доме при отрицательных температурах иногда доходящих у нас до -25°С, а то и ниже. Как известно, в таких условиях литий-ионному аккумулятору становится очень печально, поэтому в качестве источника питания и был выбран свинцово-кислотный аккумулятор, как более морозостойкий.
Клеммы Voltage Input прибора были подключены к аккумулятору параллельно, а клеммы Current Input - последовательно, в прибор была вставлена карта памяти формата SD и начались измерения.
Результаты измерений
В качестве примера посмотрим результаты одной из серий измерений, которая производилась в июле 2018 года в течение трех дней. Запись в лог-файл производилась с интервалом 10 мин, а полученные результаты в виде файла 07131303.CSV можно скачать тут. 
Всего файл содержит 340 записей, первая из которых сделана 13-го июля 2018 г. в 13:03, а последняя - 15-го июля 2018 г. в 21:35. После окончания измерений карта памяти была извлечена из прибора и перенесена в компьютер, где файл 07131303.CSV был импортирован в MS Excel. По данным измерений в Excel были построены графики изменения напряжения и тока от времени. Получившийся в результате файл в формате .xlsx можно скачать тут.
Графики напряжения и тока, построенные программой Excel по данным, извлеченным из лог-файла, показаны на следующих рисунках:
На верхнем графике видно, что аккумулятор заряжается ежесуточно примерно с 13-ти до 19-ти часов, причем максимальный ток заряда (около 45 мА) достигается примерно в 15 часов каждого дня. В остальное время суток - с 19-ти часов каждого дня и до 13 часов следующего дня - происходит разряд аккумулятора, что соответствует отрицательным значениям тока на графике.
Большие провалы в графике днем 14-го июля связаны с тем, что погода в этот день была не такая солнечная, как в другие дни, и плотные облака время от времени закрывали солнце, резко снижая ток заряда.
Во-первых, в XX-м веке после многократных переходов с декретного времени на поясное и обратно, затем с летнего на зимнее и обратно (причем был даже период, когда декретное и летнее действовали одновременно) время в итоге оказалось в таком положении, что максимум освещенности в окрестностях Петербурга наблюдается около 13-ти часов, а вовсе не в полдень.
Во-вторых, положение максимумов на графиках напряжения и тока сильно зависит от ориентации панели солнечной батареи. В нашем случае панель была закреплена на стене дома, которая смотрит не строго на юг, а несколько повернута к западу, поэтому солнце оказывается в наиболее выгодном положении по отношению к панели не в 13-часов, как можно было бы ожидать, а несколько позже.
График напряжения также ожидаемо имеет 3 пика, соответствующие периодам максимальной освещенности солнечной батареи. Максимальное напряжение, до которого повышается напряжение аккумулятора после дневной зарядки - 13,18 В, минимальное, после ночной разрядки - 12,77 В.
По данным, импортированным в Excel из лог-файла также несложно посчитать накопленный за день и потраченный за ночь заряд аккумулятора в мА-часах и построить соответствующий график.
Понятно, что измерения, выполненные в середине июля, когда в Петербурге еще не закончились белые ночи, не гарантируют, что картина будет выглядеть так же радостно в декабре или январе. Однако, аналогичные измерения, выполненные в зимнее время, показали, что мощности солнечной батареи в целом хватает для поддержания аккумулятора в заряженном состоянии в течение всего года. Правда, зимой при сплошной облачности может получиться так, что аккумулятор совсем не будет заряжаться в течение нескольких дней и тогда его напряжение может упасть до 10 В (чего, впрочем, хватает для питающегося от него устройства), но затем достаточно одного солнечного дня для восстановления полного заряда.
Если вы повторили описанный в этой публикации прибор и получили с его помощью какие-то интересные результаты - присылайте, опубликуем!