Paano Pataasin ang Kahandalan ng Power Meter System

Sa mabilis na pag-unlad ng industriya ng elektronika, ang iba't ibang instrumento at meter ay malawakang ginagamit sa kontrol ng industriya at sa lahat ng aspeto ng lipunan. Sa parehong oras, ang mga pangangailangan para sa kapani-paniwalang instrumento ay naging mas mataas, at ang mga power meter ay hindi isinasama. Ang mga pamantayan para sa kapani-paniwalan ng power meter ay inilalarawan sa teknikal na pamantayan ng smart meter.

Ang mga pamantayan na ito ay nagtatakda na ang average service life ng mga power meter ay dapat hindi bababa sa sampung taon, kaya ang disenyo ng kapani-paniwala sa proseso ng pagbuo ay partikular na mahalaga. Ang probabilidad ng pagtatapos ng kinakailangang mga punsiyon sa ipinagbibigay na kondisyon at panahon ay tinatawag na Mean Time Between Failures (MTBF), o kilala rin bilang average failure interval time. Ang MTBF ay karaniwang sukat para sa pagsukat ng kapani-paniwalan. Ang layunin ng disenyo ng kapani-paniwalan para sa power meter ay palakihin ang MTBF ng produkto at siguruhin ang normal na operasyon.

1. Disenyo ng Kapani-paniwalang Hardware

Disenyo ng Pagsupil sa Interferensiya ng Power Supply para sa Power Meters

Ayon sa analisis ng engineering statistical data, 70% ng interferensiya sa mga sistema ng power meter ay pumapasok sa pamamagitan ng power supply. Kaya, ang pagpapabuti ng kalidad ng power supply ay may malaking kahalagahan para sa maasahang operasyon ng buong sistema. Dahil ang system power ay tipikal na nakuha mula sa main electricity, ang disenyo ng anti-interferensiya para sa power supply ay pangunahing nakatuon sa pag-filter sa input port at pagsupil sa transient interference.

2. Disenyo ng Grounding para sa Power Meters

Ang disenyo ng grounding system ay direktang nakakaapekto sa buong kapangyarihan ng produkto laban sa interferensiya. Ang magandang disenyo ay maaaring hadlangin ang panlabas na environmental interference at epektibong supilin ang internally coupled noise. Ang pag-consider ng sumusunod na dalawang aspeto ay maaaring mapabuti ang kapani-paniwalan ng sistema: 

Digital Ground at Analog Ground Dahil sa matigas na gilid ng mga digital signal, ang mga current sa digital circuits ay nagbabago ng pulsed. Kaya, ang analog ground at digital ground ay dapat disenyan nang hiwalay sa mga sistema ng power meter, konektado lamang sa isang punto. Ang mga analog at digital circuits sa circuit board ay dapat ikonekta sa kanilang respective "grounds." Ito ay epektibong nagpapahinto sa pulsed ground current ng digital circuit mula sa analog circuit sa pamamagitan ng shared ground impedance, na nagpapabuo ng transient interference. Kapag mayroong mataas na frequency na malalaking signals sa sistema, ang interferensiya na ito ay naging mas mahalaga.

Single-Point at Multi-Point Grounding Sa mga low-frequency systems, ang grounding ay karaniwang pinagsasama ang parallel single-point grounding at series single-point grounding upang mapabuti ang performance. Ang parallel single-point grounding ay tumutukoy sa pagkonekta ng maraming module ground wires sa iisang lugar, kung saan ang bawat module's ground potential ay may kaugnayan sa sarili nitong current at resistance. Ang kanyang benepisyo ay ang walang coupling interference mula sa common ground wire resistance; ang kadahilanan naman ay sobrang paggamit ng ground wiring.

Ang series single-point grounding naman ay tumutukoy sa pagbabahagi ng iisang ground wire segment ng maraming modules. Dahil sa equivalent resistance ng ground wire ay lumilikha ng voltage drops, ang connection points ng iba't ibang modules ay may iba't ibang potentials relative sa earth. Ang mga pagbabago sa current ng anumang module ay nakakaapekto sa ground potential, na nagbabago sa output ng circuit at nagdudulot ng coupling interference mula sa common ground wire resistance. Ang paraan na ito ay may simple wiring. Ang multi-point grounding ay karaniwang ginagamit sa high-frequency systems, kung saan ang bawat module's ground wire ay konektado sa ground busbar nang mahigpit. Ang mga benepisyo nito ay maikling ground wires, mababang impedance, at pagtanggal ng interference noise dahil sa common ground wire impedance.

3. Disenyo ng Isolation para sa Power Meters

Ang isa sa pangunahing layunin ng isolation design ay ang paghihiwalay ng noise sources mula sa sensitive circuits. Ang katangian ng isolation design ay ang power meter ay nakamaintain ng signal communication sa kanyang operating environment nang walang direkta electrical interaction. Ang pangunahing paraan ng implementasyon ay kasama ang transformer isolation, opto-isolation, relay isolation, isolation amplifiers, at layout isolation. 

• Transformer Isolation Ang pulse transformers, na may kaunti lang na turns, maliit na distributed capacitance (tanging ilang picofarads), at primary/secondary windings na nakawind sa kabaligtaran ng core, ay maaaring gamitin bilang isolation components para sa pulse signals, na nagpapatupad ng digital signal isolation.

• Opto-Isolation Ang pagdaragdag ng optocoupler ay maaaring supilin ang spike pulses at iba't ibang noise interference. Ang paggamit ng opto-isolation ay nag-aalis ng electrical interaction sa pagitan ng host computer system at communication port ng power meter, na nagpapabuti ng anti-interference performance ng sistema. Ang mga optocouplers ay maaaring i-isolate ang digital signals ngunit hindi ito angkop para sa analog signals. Ang karaniwang mga paraan para i-isolate ang analog signals ay: A. Voltage-to-frequency conversion na sinusundan ng opto-isolation, na nagreresulta sa komplikadong circuits; B. Differential amplifiers, na nagbibigay ng mas mababang isolation voltage; C. Isolation amplifiers, na gumagana nang mabuti ngunit mahal. 

• Relay Isolation Dahil walang electrical connection sa pagitan ng coil at contacts ng relay, ang coil ay maaaring tanggapin ang mga signal habang ang contacts ay nagpapadala, na epektibong naglutas ng problema ng malakas at mahina electrical signals interaction at nagpapabuti ng interference isolation.

• Layout Isolation Ang pagkamit ng isolation sa pamamagitan ng PCB layout, pangunahin na naghihiwalay ng malakas at mahina electrical circuits.

4. Anti-Interference Design ng Printed Circuit Board (PCB) para sa Power Meters

Ang printed circuit board ay nagsisilbing carrier para sa mga circuit components at nagbibigay ng electrical connections sa pagitan nila. Ang kalidad ng disenyo ng PCB ay direktang nakakaapekto sa anti-interference capability ng sistema. Ang mga pangkalahatang prinsipyo na sinusunod sa disenyo ng PCB ay kasama:

• Ilagay ang crystal oscillators nang mahigpit sa pins ng central processing unit (CPU). Ilagay ang kanilang metal cases sa ground, pagkatapos ay i-isolate ang clock area sa pamamagitan ng ground wire—ang paraan na ito ay nagpapahinto sa maraming mahirap na problema;

• Gumamit ng mas mababang frequency crystals para sa CPU at panatilihin ang digital circuits nang mahabang panahon, depende sa mga pangangailangan ng performance ng sistema;

• Ang mga unused CPU input/output ports ay hindi dapat floating; dapat silang ikonekta sa system power o ground, at ang parehong ito ay dapat gawin sa iba pang chips;

• Minimize ang haba ng traces sa pagitan ng high-frequency components. Panatilihin ang malayo ang input at output functional components, at huwag ilagay ang mga component na madaling ma-interfere nang malapit sa isa't isa;

• Iwasan ang current loops sa low-frequency at weak-signal circuits. Kung hindi maaaring iwasan, minimize ang loop area upang bawasan ang induced noise;

• Iwasan ang 90-degree bends sa system wiring upang iwasan ang emission ng high-frequency noise;

• Ang mga input at output lines sa sistema ay dapat iwasan ang pag-run parallel. Magdagdag ng ground line sa pagitan ng dalawang conductor upang epektibong i-prevent ang reactive coupling.

5. Software Reliability Design

5.1 Digital Filtering Design para sa Power Meters 

Ngayon, ang iba't ibang measurement ICs ay malawakang ginagamit sa power meters. Ang central processor ay nakikipag-communicate sa mga measurement chips sa pamamagitan ng Serial Peripheral Interface (SPI) o Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) upang makakuha ng mga parameter ng power system. Kung ang bus ay na-interfere o ang measurement chip ay hindi normal ang operasyon, ang central processor ay tatanggap ng maliwang data.

Kaya, ang pagkuha ng software filtering ay napakahalaga. Para sa ordinaryong power parameters, maaaring gamitin ang averaging method: kunin ang lima hanggang anim na data points, alisin ang pinakamataas at pinakamababang values, pagkatapos ay kalkulahin ang average. Para sa energy data, tantiyahin ang dynamic range sa loob ng isang unit time batay sa rated operating environment ng meter; kung may abnormal energy data, ang software ay maaaring itapon ang set ng data. Iba pang mga paraan ay kasama ang median filtering, arithmetic averaging, at first-order low-pass filtering. Ang praktikal na karanasan ay napatunayan na ang paggamit ng software filtering ay maksimum ang reliablity ng parameter readings.

5.2 Data Redundancy Design para sa Power Meters

Upang mapabuti ang reliability ng sistema, ang mga system setting parameters at calibration parameters ay maaaring gumamit ng multi-backup designs. Kung ang isang set ng data ay nasira, ang ibang backup set ay maaaring i-activate. Upang tiyakin ang seguridad ng data at mapalaki ang probabilidad ng pagkapamatay ng data sa mga erroneous operations, dapat na ilagay ang ilang sets ng data sa iba't ibang lokasyon.

5.3 Data Verification at Operation Redundancy Design para sa Power Meters

Kapag ang central processor ay isinusulat ang setting o calibration parameters sa memory, ang interference ay maaaring magresulta sa maliwang data, ngunit ang processor ay hindi maaaring matukoy ang tama o mali ng isinulat na data. Upang tiyakin ang tama ang isinulat na data, ang software design ay gumagawa ng "checksum" sa data na isusulat at iminumarka ang checksum kasama ang data. Pagkatapos ng bawat write operation, isinasagawa ang read operation, at ang checksum ng binasa na data ay ikokompara sa na-marka na checksum. Kung hindi sila tugma, ang write operation ay uulitin hanggang sa tama ang isinulat na data. Kung lumampas sa limit ng retry, ipinapakita ang write error.