Kā Palielināt Elektroenerģijas Skaitītāju Sistēmas Uzticamību

Ar elektronikas nozares straujā attīstībā, dažādi instrumenti un mērītāji tiek plaši izmantoti industriālajā kontrole un visos sabiedrības dzīves aspektos. Tāpat palielinās prasības pēc instrumentu uzticamības, un enerģijas mērītāji nav izņēmums. Enerģijas mērītāju uzticamības prasības ir noteiktas inteliģentā mērītāja tehniskajos standartos.

Šie standarti nosaka, ka enerģijas mērītāju vidējais darbības periods jābūt ne mazāk kā desmit gadiem, kas padara uzticamības dizainu izstrādes procesā īpaši svarīgu. Iespējamība veikt nepieciešamās funkcijas noteiktās apstākļos un laikā sauc par Vidējo Laiku Starp Kritumiem (MTBF), arī zināms kā vidējais kritumu intervāls. MTBF ir bieži izmantots rādītājs, lai mērītu uzticamību. Enerģijas mērītāju uzticamības dizaina mērķis ir palielināt produkta MTBF un nodrošināt normālu darbību.

1.Hardvera uzticamības dizains

Enerģijas mērītāju elektropiekārtas interferences novēršanas dizains

Pēc inženierzinātniskā datu analīzes, 70% no interferencēm enerģijas mērītāju sistēmā ienāk caur elektropiekārtu. Tāpēc elektropiekārtes kvalitātes uzlabošana ir ļoti nozīmīga visai sistēmai drošai darbībai. Jo sistēmas elektropiekārte parasti nāk no tīkla, elektropiekārtes pretinterferences dizains galvenokārt koncentrējas uz filtrēšanu ievades punktā un momentānās interferences novēršanu.

2.Enerģijas mērītāju masīvēšanas dizains

Masīvēšanas sistēmas dizains tieši ietekmē veselā produkta pretinterferences spēju. Labs dizains var bloķēt ārējo vides interferenci un efektīvi samazināt iekšēji savienotos troksni. Šādu divu aspektu apsvēršana var uzlabot sistēmas uzticamību:

Digitālā masīve un analogā masīve Tā kā digitālo signālu ierobežojumus, digitālos shēmas strāvas izrāda pulsu cēlus. Tāpēc enerģijas mērītāju sistēmā analogā un digitālā masīve jāizstrādā atsevišķi, savienojot tikai vienā punktā. Analogā un digitālā shēma plāksnes jāsavieno ar to atbilstošajām "masīvēm". Tas efektīvi novērš digitālā shēmas pulsu masīvēs trūkstošo strāvu savienojumu ar analogā shēmu caur kopīgo masīvēs impendanci, veidojot momentānu interferenci. Kad sistēmā pastāv augstfrekvences lielas signāli, šī interference kļūst vēl nozīmīgāka.

Vienpunkta un daudzpunkta masīvēšana Zemfrekvences sistēmā masīvēšana parasti kombinē paralēlu vienpunkta masīvēšanu ar sērijveida vienpunkta masīvēšanu, lai uzlabotu veiktspēju. Paralēlā vienpunkta masīvēšana nozīmē, ka vairākas moduļu masīvēs dārgas tiek savienotas vienā vietā, kur katrs modulis masīvēs potenciāls ir saistīts ar tā paša strāvas un rezistances. Tā priekšrocība ir tā, ka nav kopīgas masīvēs dārgas rezistances savienojuma interferences; trūkums ir pārāk daudz masīvēs dārgu izmantošana.

Sērijveidīgā vienpunkta masīvēšana nozīmē, ka vairāki moduļi dalās vienā masīvēs dārgā segmentā. Tā kā masīvēs dārgas ekvivalentā rezeņa izraisa sprieguma pazemināšanos, dažādi moduļi savienojuma punktiem ir atšķirīgi potenciāli salīdzinājumā ar zemi. Jebkura moduļa strāvas maiņas ietekmē masīvēs potenciālu, mainot shēmas izvadi un izraisot kopīgas masīvēs dārgas rezistances savienojuma interferenci. Šis metode ir vienkārša dārgu izmantošana. Daudzpunkta masīvēšana parasti izmanto augstfrekvences sistēmā, kur katrs modulis masīvēs dārga savienojas ar masīvēs busbaru tik tuvu kā iespējams. Tās priekšrocības ietver īsus masīvēs dārgas, zemu impendanci un izslēgšanu kopīgas masīvēs dārgas rezistances savienojuma interferenci.

3.Enerģijas mērītāju izolācijas dizains

Viens no galvenajiem izolācijas dizaina mērķiem ir atdalīt trokšņu avotus no jūtīgām shēmām. Izolācijas dizaina raksturojošā īpašība ir, ka enerģijas mērītājs uztur signālu komunikāciju ar savu darbības vidi bez tiešas elektriskās interakcijas. Galvenie realizācijas metodes ietver transformatoru izolāciju, optisku izolāciju, releju izolāciju, izolācijas pastiprinātājus un izkārtojuma izolāciju. 

• Transformatoru izolācija Pulsu transformatori, ar nelielu virpes skaitu, mazu sadalīto kapacitāti (tikai dažas pikofarādas) un primārās/sekundārās virpes, kas apvijtas pretējos magnētiskās kodols pusēs, var tikt izmantoti kā izolācijas komponenti pulsuzskaites signāliem, sasniedzot digitālo signālu izolāciju.

• Optiskā izolācija Pievienojot optokopplētāju, var supressēt spīku impulsus un dažādas trokšņu interferences. Optiskās izolācijas izmantošana nodrošina, ka starp galveno datoru sistēmu un enerģijas mērītāja komunikācijas portu nav tiešas elektriskās interakcijas, uzlabojot sistēmas pretinterferences veiktspēju. Optokopplētāji var izolēt digitālos signālus, bet nav piemēroti analogajiem signāliem. Parastās metodes analogā signāla izolācijai ietver: A. Sprieguma uz frekvences pārveidošanu, sekojot optiskai izolācijai, kas rezultē sarežģītās shēmas; B. Diferenciālie pastiprinātāji, kas piedāvā zemāku izolācijas spriegumu; C. Izolācijas pastiprinātāji, kas darbojas labi, bet ir dārgi. 

• Releju izolācija Tā kā starp releja spīduli un kontaktiem nav elektriskas savienojuma, spīdule var saņemt signālus, kamēr kontakti tos transmetē, efektīvi risinājot problēmu stipriem un vājiem elektriskajiem signāliem interakcijas un sasniedzot interferences izolāciju.

• Izkārtojuma izolācija Izkārtojuma izolācija tiek sasniegta caur PCB izkārtojumu, galvenokārt atdalot stiprus un vājus elektriskos shēmas.

4. Enerģijas mērītāju drukātās montāžplāksnes (PCB) pretinterferences dizains

Drukātā montāžplāksne kā šķīdņu nosūtītājs un sniedz elektrisku savienojumu starp tiem. PCB dizaina kvalitāte tieši ietekmē sistēmas pretinterferences spēju. Vispārīgās principi, kas tiek sekoti PCB dizainā, ietver:

• Kristālo svārstītājus jānovieto tik tuvu kā iespējams centrālā procesora (CPU) ieceļiem. To metāla korpuss jāzemā un jāfiksē, tad jāizolē pulssvārstību zona ar masīvēšanas dārgu — šis paņēmiens novērš daudzas grūtas problēmas;

• Izmantot zemākus frekvences kristālus CPU un saglabāt digitālas shēmas tik lēnas kā iespējams, ja sistēmas veiktspējas prasības ir apmierinātas;

• Nepielietotās CPU ieceļu/vadīto porti nedrīkst palikt brīvi; tos jāsavieno ar sistēmas elektropiekārtu vai masīvēšanu, un tas pašāds attiecas uz citiem čippiem;

• Samazināt augstfrekvences komponentu maršrutus. Turpināt ieejas un izvades funkcionālos komponentus tālu, un nejānovietot trokšņu avotus pārāk tuvu viens otram;

• Vairot strāvas ciklus zemfrekvences un vājās signālu shēmās. Ja tas nav izbēgams, samazināt cikla laukumu, lai samazinātu inducētos troksnis;

• Izvairīties no 90-grādu izliekumiem sistēmas dārgās, lai novērstu augstfrekvences trokšņu emisiju;

• Sistēmas ieejas un izvades līnijas jāizvairās no paralēlām. Pievienot masīvēšanas dārgu starp diviem vedņiem, lai efektīvi novērstu reaktivitātes savienojumu.

5.Programmatūras uzticamības dizains

5.1 Enerģijas mērītāju digitālais filtrēšanas dizains 

Pašlaik dažādi mērīšanas IC tiek plaši izmantoti enerģijas mērītājos. Centrālais procesors sazinās ar šiem mērīšanas čippiem caur Seriālo Perifērijas Interfeisu (SPI) vai Universālo Asinhrono Saņēmēju/Pārradītāju (UART), lai iegūtu enerģijas sistēmas parametrus. Ja datusavienojums tiek satricināts vai mērīšanas čips darbojas nesakārtoti, centrālais procesors saņems nepareizus datus.

Tāpēc programmatūras filtrēšanas iekļaušana ir ļoti svarīga. Parastiem enerģijas parametriem var izmantot vidējo vērtību metodi: iegūt piecus līdz sešus datu punktus, noņemt maksimālo un minimālo vērtību, pēc tam aprēķināt vidējo. Enerģijas datiem, aptvert dinamisko diapazonu vienībā laikā, balstoties uz mērītāja noteikto darbības vidi; ja parādās anormāli enerģijas dati, programmatūra var izmest šo datu komplektu. Citi metodes ietver mediāna filtrēšanu, aritmētisko vidējo un pirmais rādītājs zemās frekvences filtrēšanai. Prakse ir pierādījusi, ka programmatūras filtrēšanas izmantošana maksimizē parametru lasījumu uzticamību.

5.2 Enerģijas mērītāju datu dubultošanas dizains

Lai uzlabotu sistēmas uzticamību, sistēmas iestatījumu parametri un kalibrācijas parametri var izmantot vairākas dubultošanas dizainus. Ja viena datu komplekts tiek bojāts, var aktivizēt citu dubultošanas komplektu. Lai nodrošinātu datu drošību un palielinātu datu izdzīvošanas iespējas kļūdainām darbībām, vairāki datu komplekti jāglabā atsevišķos atrašanās vietās.

5.3 Enerģijas mērītāju datu pārbaude un darbības dubultošanas dizains

Kad centrālais procesors ieraksta iestatījumu vai kalibrācijas parametrus atmiņā, satricinājums var izraisīt nepareizus datus, bet procesors nevar noteikt ierakstīto datu pareizumu. Lai nodrošinātu pareizo datu ierakstīšanu, programmatūras dizains veic "kontrolsummas" datiem, kas tiks ierakstīti, un glabā kontrolsummu kopā ar datiem. Pēc katra ierakstīšanas darbības tiek veikta lasīšanas darbība, un lasītā datu kontrolsumma tiek salīdzināta ar glabāto kontrolsummu. Ja tās nesakrīt, ierakstīšanas darbība tiek atkārtota, līdz dati tiek pareizi ierakstīti. Ja atkārtošanu limitē ir pārsniegts, tiek rādīts ierakstīšanas kļūdas ziņojums.