Πώς να Ενισχύσετε την Αξιοπιστία του Συστήματος Μέτρησης Ρεύματος

Με τη γρήγορη ανάπτυξη του κλάδου ηλεκτρονικών, διάφορα μέτρητρα και όργανα είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα στον βιομηχανικό έλεγχο και σε όλους τους τομείς της κοινωνικής ζωής. Παράλληλα, οι απαιτήσεις για την αξιοπιστία των όργανων γίνονται όλο και πιο αυστηρές, και τα μέτρητρα ενέργειας δεν αποτελούν εξαίρεση. Οι απαιτήσεις για την αξιοπιστία των μετρητών ενέργειας καθορίζονται στα τεχνικά πρότυπα έξυπνων μετρητών.

Αυτά τα πρότυπα καθορίζουν ότι η μέση διάρκεια λειτουργίας των μετρητών ενέργειας πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα χρόνια, κάτι που καθιστά το σχεδιασμό αξιοπιστίας κατά τη διαδικασία ανάπτυξης ειδικά σημαντικό. Η πιθανότητα ολοκλήρωσης των απαιτούμενων λειτουργιών υπό καθορισμένες συνθήκες και σε καθορισμένο χρονικό διάστημα ονομάζεται Μέσος Χρόνος Ανάμεσα σε Εσωτερικές Παρακμές (MTBF), επίσης γνωστός ως μέσος χρόνος ανάμεσα σε παρακμές. Το MTBF είναι ένα κοινό μέτρο για τη μέτρηση της αξιοπιστίας. Στόχος του σχεδιασμού αξιοπιστίας για τους μετρητές ενέργειας είναι να αυξηθεί το MTBF του προϊόντος και να εξασφαλιστεί η φυσιολογική λειτουργία.

1. Σχεδιασμός Αξιοπιστίας Υλικού

Σχεδιασμός Καταστολής Ρύπανσης Ρεύματος για Μετρητές Ενέργειας

Σύμφωνα με την ανάλυση τεχνικών στατιστικών δεδομένων, το 70% της ρύπανσης στα συστήματα μετρητών ενέργειας εισέρχεται μέσω της πηγής ρεύματος. Έτσι, η βελτίωση της ποιότητας της πηγής ρεύματος έχει μεγάλη σημασία για την αξιόπιστη λειτουργία του συνόλου του συστήματος. Επειδή το σύστημα ρεύματος προέρχεται συνήθως από το δημόσιο δίκτυο, ο σχεδιασμός καταστολής ρύπανσης για την πηγή ρεύματος εστιάζεται κυρίως στη φίλτρωση στην είσοδο και την καταστολή μεταβατικής ρύπανσης.

2. Σχεδιασμός Γης για Μετρητές Ενέργειας

Ο σχεδιασμός του συστήματος γης επηρεάζει άμεσα την ικανότητα καταστολής ρύπανσης του συνόλου του προϊόντος. Ένας καλός σχεδιασμός μπορεί να εμποδίσει εξωτερική περιβαλλοντική ρύπανση και να καταστείλει αποτελεσματικά εσωτερική συνδεδεμένη θόρυβο. Η εξέταση των επόμενων δύο πτυχών μπορεί να βελτιώσει την αξιοπιστία του συστήματος: 

Ψηφιακή Γη και Αναλογική Γη Λόγω των οξείων κορυφών των ψηφιακών σημάτων, τα ρεύματα στα ψηφιακά κύκλωματα παρουσιάζουν παλμικές αλλαγές. Συνεπώς, η αναλογική γη και η ψηφιακή γη πρέπει να σχεδιαστούν ξεχωριστά στα συστήματα μετρητών ενέργειας, συνδεδεμένες μόνο σε ένα σημείο. Τα αναλογικά και ψηφιακά κύκλωματα στην πλάκα πρέπει να συνδέονται με τις αντίστοιχες "γης". Αυτό επιτρέπει την αποτελεσματική πρόληψη της παλμικής ροής ρεύματος του ψηφιακού κυκλώματος από την ενσωμάτωση στο αναλογικό κύκλωμα μέσω της κοινής αντίστασης γης, δημιουργώντας μεταβατική ρύπανση. Όταν υπάρχουν υψηλοσυχνότητας μεγάλα σήματα στο σύστημα, αυτή η ρύπανση γίνεται πιο σημαντική.

Μονοσημειακή και Πολυσημειακή Γη Σε χαμηλοσυχνότητα συστήματα, η γη συνήθως συνδυάζει παράλληλη μονοσημειακή γη με σειριακή μονοσημειακή γη για τη βελτίωση της απόδοσης. Η παράλληλη μονοσημειακή γη αναφέρεται στη σύνδεση πολλών καλωδίων γης μαζί σε ένα σημείο, όπου η δυναμική γης κάθε μέτρητρα σχετίζεται με τη δική του ροή ρεύματος και την αντίσταση. Το πλεονέκτημα είναι η απουσία κοινής αντίστασης γης που προκαλεί συνδεδεμένη ρύπανση. Το μειονέκτημα είναι η υπερβολική χρήση καλωδίων γης.

Η σειριακή μονοσημειακή γη σημαίνει ότι πολλά μέτρητρα μοιράζονται το ίδιο τμήμα καλωδίου γης. Λόγω της ισοδύναμης αντίστασης του καλωδίου γης, τα σημεία σύνδεσης διαφορετικών μέτρητρων έχουν διαφορετικές δυναμικές σχετικά με τη γη. Οι αλλαγές στη ροή ρεύματος σε οποιοδήποτε μέτρητρο επηρεάζουν τη δυναμική γης, αλλάζοντας την έξοδο του κυκλώματος και προκαλώντας συνδεδεμένη ρύπανση από την κοινή αντίσταση γης. Αυτή η μέθοδος χαρακτηρίζεται από απλή σύνδεση. Η πολυσημειακή γη είναι συνήθως χρησιμοποιούμενη σε υψηλοσυχνότητα συστήματα, όπου το κάθε καλώδιο γης μέτρητρου συνδέεται με την λειτουργική γη όσο το δυνατόν πιο κοντά. Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν μικρά καλώδια γης, χαμηλή αντίσταση και εξαλείφει την ρύπανση θόρυβου που προκαλείται από την κοινή αντίσταση γης.

3. Σχεδιασμός Απομόνωσης για Μετρητές Ενέργειας

Ένας βασικός στόχος του σχεδιασμού απομόνωσης είναι η απόσχιση των πηγών θόρυβου από τα ευαίσθητα κύκλωμα. Η ιδιότητα του σχεδιασμού απομόνωσης είναι ότι ο μετρητής ενέργειας διατηρεί την επικοινωνία σήματος με το περιβάλλον του χωρίς άμεση ηλεκτρική αλληλεπίδραση. Οι κύριες μεθόδους εφαρμογής περιλαμβάνουν την απομόνωση με τρανσφορματόρες, οπτική απομόνωση, απομόνωση με ρελέ, απομονωτικούς αναμετατροπείς και σχεδιασμό διάταξης. 

• Απομόνωση με Τρανσφορματόρες Οι παλμικοί τρανσφορματόρες, με λίγες σπείρες, μικρή κατανεμημένη εμπεδικότητα (μόνο λίγες πικοφαράδες) και πρωτεύουσα/δευτερεύουσα σπείρες που έχουν στροφιάνει σε αντίθετες πλευρές του πυρήνα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως απομονωτικά στοιχεία για παλμικά σήματα, επιτυγχάνοντας την απομόνωση ψηφιακών σημάτων.

• Οπτική Απομόνωση Η προσθήκη ενός οπτοκόπτη μπορεί να καταστείλει τους κορυφαίους παλμούς και διάφορες ρυπαντικές επιρροές. Η χρήση οπτικής απομόνωσης εξασφαλίζει ότι δεν υπάρχει ηλεκτρική αλληλεπίδραση μεταξύ του κύριου υπολογιστή και του πόρτου επικοινωνίας του μετρητή ενέργειας, βελτιώνοντας την αντιρυπαντική απόδοση του συστήματος. Οι οπτοκόπτες μπορούν να απομονώσουν ψηφιακά σήματα, αλλά δεν είναι κατάλληλοι για αναλογικά σήματα. Κοινές μεθόδους απομόνωσης αναλογικών σημάτων περιλαμβάνουν: A. Μετατροπή τάσης-συχνότητας, ακολουθούμενη από οπτική απομόνωση, που οδηγεί σε πολύπλοκα κύκλωμα. B. Διαφορικοί αναμετατροπείς, που παρέχουν χαμηλότερη απομονωτική τάση. C. Απομονωτικοί αναμετατροπείς, που αποδίδουν καλά, αλλά είναι ακριβοί. 

• Απομόνωση με Ρελέ Επειδή δεν υπάρχει ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ του κύκλου και των επαφών ενός ρελέ, ο κύκλος μπορεί να λαμβάνει σήματα ενώ οι επαφές τα μεταφέρουν, λύνοντας αποτελεσματικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης ισχυρών και αδύναμων ηλεκτρικών σημάτων και επιτυγχάνοντας την απομόνωση ρύπανσης.

• Σχεδιασμός Διάταξης Απομόνωσης Μέσω της διάταξης PCB, κυρίως διαχωρίζοντας τα ισχυρά και αδύναμα ηλεκτρικά κύκλωμα.

4. Σχεδιασμός Αντιρυπαντικής Προστασίας Πλάκας Εκτύπωσης Κυκλωμάτων (PCB) για Μετρητές Ενέργειας

Η πλάκα εκτύπωσης κυκλωμάτων (PCB) λειτουργεί ως φορέας για τα συστατικά κυκλωμάτων και παρέχει ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ τους. Η ποιότητα του σχεδιασμού PCB επηρεάζει άμεσα την αντιρυπαντική απόδοση του συστήματος. Οι γενικές αρχές που ακολουθούνται στο σχεδιασμό PCB περιλαμβάνουν:

• Τοποθέτηση των κρυστάλλων κύκλου τοπικών ρυθμίσεων (CPU) όσο το δυνατόν πιο κοντά στις πίνακες CPU. Γήωση και εγκατάσταση των μεταλλικών κελιών, στη συνέχεια απομόνωση της περιοχής κύκλου με γη—αυτή η μέθοδος προλαμβάνει πολλά δύσκολα προβλήματα;

• Χρήση κρυστάλλων χαμηλότερης συχνότητας για το CPU και διατήρηση των ψηφιακών κυκλωμάτων όσο το δυνατόν πιο αργά, εφόσον οι απαιτήσεις απόδοσης του συστήματος είναι ικανοποιημένες;

• Τα μη χρησιμοποιούμενα άλματα εισόδου/εξόδου του CPU δεν πρέπει να είναι ελεύθερα. Πρέπει να συνδέονται με την τροφοδοσία του συστήματος ή τη γη, και το ίδιο ισχύει και για άλλα χιπ;

• Ελάχιστη μήκος συνδέσεων μεταξύ υψηλοσυχνότητας συστατικών. Διατήρηση των λειτουργικών συστατικών εισόδου και εξόδου μακριά, και μη τοποθέτηση ρυπαντικών συστατικών πολύ κοντά μεταξύ τους;

• Προσπάθεια αποφυγής των ρευστών κύκλων σε χαμηλοσυχνότητα και αδύναμα σήματα. Εάν αυτό δεν είναι δυνατό, μείωση της επιφάνειας του κύκλου για τη μείωση του επικαλυμμένου θόρυβου;

• Προσπάθεια αποφυγής 90-βαθμίων γωνιών στις συνδέσεις του συστήματος για την πρόληψη της εκπομπής υψηλοσυχνότητας θόρυβου;

• Οι γραμμές εισόδου και εξόδου στο σύστημα πρέπει να αποφεύγουν την παράλληλη διάταξη. Προσθήκη μιας γραμμής γης μεταξύ δύο διαγωνίων για την αποτελεσματική πρόληψη της συνδεδεμένης ρύπανσης.

5. Σχεδιασμός Αξιοπιστίας Λογισμικού

5.1 Σχεδιασμός Ψηφιακής Φίλτρωσης για Μετρητές Ενέργειας 

Τώρα, διάφορα μετρικά IC είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα σε μετρητές ενέργειας. Ο κεντρικός επεξεργαστής επικοινωνεί με αυτά τα μετρικά κινδύνους μέσω του Serial Peripheral Interface (SPI) ή Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) για να αποκτήσει παραμέτρους του συστήματος ενέργειας. Εάν η λεωφορεία είναι ρυπαντική ή το μετρικό κίνδυνος λειτουργεί ανωμαλώς, ο κεντρικός επεξεργαστής θα λάβει λανθασμένα δεδομένα.

Επομένως, η ενσωμάτωση λογισμικής φίλτρωσης είναι κρίσιμη. Για κανονικά παραμέτρους ενέργειας, μπορεί να χρησιμο