چگونه می‌توان قابلیت اطمینان سیستم اندازه‌گیری برق را افزایش داد
با پیشرفت سریع صنعت الکترونیک، انواع ابزارها و دستگاه‌های اندازه‌گیری به طور گسترده‌ای در کنترل صنعتی و تمام جنبه‌های زندگی اجتماعی استفاده می‌شوند. همزمان، نیازهای روزافزون به قابلیت اطمینان این دستگاه‌ها بیشتر شده است و دستگاه‌های اندازه‌گیری برق نیز از این قاعده مستثنی نیستند. الزامات قابلیت اطمینان برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق در استانداردهای فنی مترهای هوشمند مشخص شده است.
این استانداردها می‌گویند که میانگین عمر مفید دستگاه‌های اندازه‌گیری برق نباید کمتر از ده سال باشد، بنابراین طراحی قابلیت اطمینان در فرآیند توسعه بسیار مهم است. احتمال انجام عملکردهای مورد نیاز تحت شرایط مشخص و در مدت زمان مشخص به آن میانگین زمان بین خرابی‌ها (MTBF) یا میانگین زمان بین شکست‌ها معروف است. MTBF یک معیار رایج برای اندازه‌گیری قابلیت اطمینان است. هدف طراحی قابلیت اطمینان برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق افزایش MTBF محصول و تضمین عملکرد طبیعی آن است.
۱. طراحی قابلیت اطمینان سخت‌افزاری
طراحی سرکوب تداخل منبع تغذیه برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
بر اساس تجزیه و تحلیل داده‌های مهندسی، ۷۰٪ تداخل‌ها در سیستم‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری برق از طریق منبع تغذیه وارد می‌شوند. بنابراین، بهبود کیفیت منبع تغذیه برای عملکرد قابل اعتماد کل سیستم بسیار مهم است. چون تغذیه سیستم معمولاً از برق اصلی تأمین می‌شود، طراحی مقاوم در برابر تداخل‌ها برای منبع تغذیه عمدتاً روی فیلتر در ورودی و سرکوب تداخل‌های گذرا متمرکز است.
۲. طراحی زمین‌گیری برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
طراحی سیستم زمین‌گیری مستقیماً بر قابلیت مقاومت در برابر تداخل‌های کل محصول تأثیر می‌گذارد. یک طراحی خوب می‌تواند تداخل‌های محیطی خارجی را مسدود کند و نویز داخلی جفت شده را مؤثرانه سرکوب کند. در نظر گرفتن دو جنبه زیر می‌تواند قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشد:
زمین دیجیتال و آنالوگ به دلیل لبه‌های تیز سیگنال‌های دیجیتال، جریان‌ها در مدارهای دیجیتال تغییرات پالسی دارند. بنابراین، زمین دیجیتال و آنالوگ باید در سیستم‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری برق جداگانه طراحی شوند و فقط در یک نقطه به هم متصل شوند. مدارهای آنالوگ و دیجیتال روی مدار چاپی باید به زمین‌های مربوطه خود متصل شوند. این کار به طور مؤثر از جفت شدن جریان پالسی زمین مدار دیجیتال به مدار آنالوگ از طریق امپدانس زمین مشترک جلوگیری می‌کند و تداخل گذرایی را تشکیل می‌دهد. وقتی سیگنال‌های بزرگ با فرکانس بالا در سیستم وجود دارند، این تداخل بیشتر قابل توجه می‌شود.
زمین‌گیری تک‌نقطه و چندنقطه در سیستم‌های با فرکانس پایین، زمین‌گیری معمولاً ترکیبی از زمین‌گیری تک‌نقطه موازی و زمین‌گیری تک‌نقطه سری برای بهبود عملکرد است. زمین‌گیری تک‌نقطه موازی به معنای اتصال چندین سیم زمین مدول در یک نقطه است، جایی که پتانسیل زمین هر مدول به جریان و مقاومت خود وابسته است. مزیت آن عدم تداخل جفت شده از مقاومت سیم زمین مشترک است؛ میزان استفاده از سیم زمین بیش از حد است.
زمین‌گیری تک‌نقطه سری به معنای اشتراک چندین مدول از یک قطعه سیم زمین است. چون مقاومت معادل سیم زمین افت ولتاژ ایجاد می‌کند، نقاط اتصال مدول‌های مختلف پتانسیل‌های متفاوتی نسبت به زمین دارند. تغییرات جریان در هر مدول تأثیر بر پتانسیل زمین دارد، خروجی مدار را تغییر می‌دهد و تداخل جفت شده از مقاومت سیم زمین مشترک ایجاد می‌کند. این روش دارای سیم‌کشی ساده است. زمین‌گیری چندنقطه معمولاً در سیستم‌های با فرکانس بالا استفاده می‌شود، جایی که هر مدول سیم زمین خود را به نزدیکترین میله زمین متصل می‌کند. مزایای آن شامل سیم‌های زمین کوتاه، امپدانس کم و حذف نویز تداخلی ناشی از مقاومت سیم زمین مشترک است.
۳. طراحی جداسازی برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
یکی از اهداف اصلی طراحی جداسازی جدا کردن منابع نویز از مدارهای حساس است. ویژگی طراحی جداسازی این است که دستگاه اندازه‌گیری برق با محیط عملیاتی خود ارتباط سیگنالی دارد بدون تعامل الکتریکی مستقیم. روش‌های اصلی اجرایی شامل جداسازی ترانسفورماتور، جداسازی نوری، جداسازی رله، تقویت‌کننده‌های جداسازی و جداسازی طرح مدار چاپی است.
جداسازی ترانسفورماتور ترانسفورماتورهای پالسی با دورهای کم، ظرفیت توزیع شده کم (فقط چند پیکوفاراد) و سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه که در طرفین هسته پیچیده شده‌اند، می‌توانند به عنوان مولفه‌های جداسازی برای سیگنال‌های پالسی عمل کنند و جداسازی سیگنال‌های دیجیتال را انجام دهند.
جداسازی نوری افزودن یک کوپلر نوری می‌تواند پالس‌های تیز و تداخلات نویز مختلف را سرکوب کند. استفاده از جداسازی نوری اطمینان می‌دهد که هیچ تعامل الکتریکی بین سیستم کامپیوتر میزی و درگاه ارتباطی دستگاه اندازه‌گیری برق وجود ندارد و عملکرد مقاومت در برابر تداخل سیستم را بهبود می‌بخشد. کوپلرهای نوری می‌توانند سیگنال‌های دیجیتال را جداسازی کنند اما برای سیگنال‌های آنالوگ مناسب نیستند. روش‌های رایج جداسازی سیگنال‌های آنالوگ شامل: A. تبدیل ولتاژ به فرکانس و سپس جداسازی نوری، که موجب مدارهای پیچیده می‌شود؛ B. تقویت‌کننده‌های دیفرانسیل، که ولتاژ جداسازی پایین‌تری دارند؛ C. تقویت‌کننده‌های جداسازی، که عملکرد خوبی دارند اما گران هستند.
جداسازی رله چون هیچ اتصال الکتریکی بین سیم‌پیچ و تماس‌های رله وجود ندارد، سیم‌پیچ می‌تواند سیگنال‌ها را دریافت کند و تماس‌ها آن‌ها را منتقل می‌کنند، این روش به طور مؤثر مشکل تعامل سیگنال‌های الکتریکی قوی و ضعیف را حل می‌کند و جداسازی تداخل را انجام می‌دهد.
جداسازی طرح مدار چاپی جداسازی از طریق طرح مدار چاپی، عمدتاً جداسازی مدارهای الکتریکی قوی و ضعیف.
۴. طراحی مقاوم در برابر تداخل مدار چاپی برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
مدار چاپی به عنوان حامل مولفه‌های مدار عمل می‌کند و ارتباطات الکتریکی بین آن‌ها را فراهم می‌کند. کیفیت طراحی مدار چاپی مستقیماً بر قابلیت مقاومت در برابر تداخل سیستم تأثیر می‌گذارد. اصول عمومی مورد پیروی در طراحی مدار چاپی شامل:
قرار دادن بلورهای ارتعاشی به نزدیکترین ممیز پردازنده مرکزی (CPU). زمین و ثابت کردن صفحه فلزی آن‌ها، سپس جداسازی منطقه ساعت با یک سیم زمین—این روش بسیاری از مشکلات سخت را جلوگیری می‌کند؛
استفاده از بلورهای با فرکانس پایین‌تر برای CPU و نگه داشتن مدارهای دیجیتال به آرامی تر، به شرط برآوردن نیازهای عملکرد سیستم؛
پرت‌های ورودی/خروجی CPU که استفاده نمی‌شوند نباید آزاد بمانند؛ باید به تغذیه یا زمین سیستم متصل شوند، و همین برای دیگر مدارهای مجتمع صدق می‌کند؛
کمینه کردن طول خطوط اتصال بین مولفه‌های با فرکانس بالا. نگه داشتن مولفه‌های عملکرد ورودی و خروجی دور از هم، و نگذاشتن مولفه‌های حساس به تداخل نزدیک به هم؛
اجتناب از حلقه‌های جریان در مدارهای با فرکانس پایین و سیگنال‌های ضعیف. اگر اجتناب‌ناپذیر است، مساحت حلقه را به حداقل برسانید تا نویز القایی کاهش یابد؛
اجتناب از زاویه‌های ۹۰ درجه در سیم‌کشی سیستم برای جلوگیری از انتشار نویز با فرکانس بالا؛
خط‌های ورودی و خروجی در سیستم نباید موازی باشند. افزودن یک سیم زمین بین دو رسانه می‌تواند به طور مؤثر از جفت شدن واکنشی جلوگیری کند.
۵. طراحی قابلیت اطمینان نرم‌افزاری
۵.۱ طراحی فیلتر دیجیتال برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
در حال حاضر، انواع ICهای اندازه‌گیری به طور گسترده‌ای در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق استفاده می‌شوند. پردازنده مرکزی از طریق واسط پیرافریفرال سریال (SPI) یا دریافت‌کننده/انتقال‌دهنده جهانی نامتقارن (UART) با این مدارهای اندازه‌گیری ارتباط برقرار می‌کند تا پارامترهای سیستم برق را به دست آورد. اگر باس تداخل داشته باشد یا مدار اندازه‌گیری غیرعادی کار کند، پردازنده مرکزی داده‌های اشتباه دریافت خواهد کرد.
بنابراین، ادغام فیلتر نرم‌افزاری بسیار مهم است. برای پارامترهای برق معمولی، روش میانگین‌گیری می‌تواند استفاده شود: جمع‌آوری پنج تا شش نقطه داده، حذف بیشترین و کمترین مقادیر، سپس محاسبه میانگین. برای داده‌های انرژی، محدوده پویا در واحد زمان بر اساس محیط کاری اسمی متر برآورد شود؛ اگر داده‌های انرژی غیرعادی ظاهر شوند، نرم‌افزار می‌تواند آن مجموعه داده را رد کند. روش‌های دیگر شامل فیلتر میانه، میانگین حسابی و فیلتر پایین‌گذر مرتبه اول هستند. تجربه نشان داده است که استفاده از فیلتر نرم‌افزاری می‌تواند قابلیت اطمینان خواندن پارامترها را به حداکثر برساند.
۵.۲ طراحی اضافی داده برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
برای بهبود قابلیت اطمینان سیستم، پارامترهای تنظیم و کالیبراسیون سیستم می‌توانند از طراحی با پشتیبانی چندگانه استفاده کنند. اگر یک مجموعه داده خراب شود، مجموعه پشتیبان دیگری می‌تواند فعال شود. برای تضمین امنیت داده‌ها و افزایش احتمال بقا در شرایط عملیات اشتباه، چند مجموعه داده باید در مکان‌های پراکنده ذخیره شوند.
۵.۳ طراحی تأیید داده و اضافی عملیات برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
وقتی پردازنده مرکزی پارامترهای تنظیم یا کالیبراسیون را در حافظه می‌نویسد، تداخل می‌تواند باعث نوشتن داده‌های اشتباه شود، اما پردازنده نمی‌تواند صحیح بودن داده‌های نوشته شده را تعیین کند. برای تضمین نوشتن داده‌های صحیح، طراحی نرم‌افزاری "جمع‌بندی" (checksum) داده‌های مورد نیاز را انجام می‌دهد و جمع‌بندی را همراه با داده‌ها ذخیره می‌کند. بعد از هر عملیات نوشتن، یک عملیات خواندن انجام می‌شود و جمع‌بندی داده‌های خوانده شده با جمع‌بندی ذخیره شده مقایسه می‌شود. اگر مطابقت نداشته باشند، عملیات نوشتن تکرار می‌شود تا داده‌ها به درستی نوشته شوند. اگر تعداد تلاش‌ها بیش از حد مجاز شود، خطای نوشتن نمایش داده می‌شود.
