Како да го подобри надеждноста на системата за мерење на енергија

Со брзото развој на електронската индустрија, различни инструменти и мерачи се широко користат во индустријалната контрола и во сите аспекти на социјалниот живот. Во исто време, барањето за надежност на инструментите станува все повеќе, и тоа важи и за мерачите на енергија. Барањата за надежност на мерачите на енергија се определени во техничките стандарди за умни мерачи.

Овие стандарди претставуваат дека просечниот временски период на функционирање на мерачите на енергија мора да не е помал од десет години, што прави дизајнот на надежност особено важен во процесот на развој. Веројатноста за завршување на потребните функции при дадени услови и во даден временски период се нарекува Средно Време Меѓу Покварувanja (MTBF), познато и како просечно време меѓу покварувањата. MTBF е заедничка мера за измерување на надежност. Целта на дизајнот на надежност за мерачите на енергија е да се зголеми MTBF-тот на производот и да се осигура нормално функционирање.

1. Дизајн на хардверска надежност

Дизајн за поднесување на интерференција на напонот за мерачите на енергија

Според анализа на инженерски статистички податоци, 70% од интерференцијата во системот на мерачите на енергија влегува преку напонот. Затоа, подобрувањето на квалитетот на напонот има големо значење за надежното функционирање на целата система. Бидејќи системскиот напон обично потекнува од мрежниот напон, дизајнот за противодействување на интерференцијата на напонот се фокусира главно на филтрирањето на входниот порт и поднесување на транзиентна интерференција.

2. Дизајн на земја за мерачите на енергија

Дизајнот на системот за земја директно влијае на способноста на целокупниот производ за противодействување на интерференцијата. Добар дизајн може да блокира интерференцијата од вонешната средина и ефективно да ја поднесува интерференцијата која се куплура вонутрешно. Разгледувањето на следните два аспекти може да подобри надежноста на системот: 

Цифрен земја и аналоген земја Бидејќи цифрените сигнали имаат острини, стројевите во цифрените кола покажуваат пулсација. Затоа, аналогниот земја и цифрената земја треба да се дизајнираат посебно во системите на мерачите на енергија, поврзани само на една точка. Аналогните и цифрените кола на платата треба да се поврзат со нивните соодветни "земји". Ова ефективно го предотвратува пулсациониот земја на цифрената кола од куплурање на аналогната кола преку споделена импеданса на земјата, формирајќи транзиентна интерференција. Кога во системот постојат високочестотни големи сигнали, оваа интерференција станува значително повеќе.

Едно-точкова и многу-точкова земја Во нискочестотни системи, земјата обично комбинира паралелна едно-точкова земја со серијска едно-точкова земја за подобрување на перформансите. Паралелната едно-точкова земја се однесува на поврзување на многу модулни земја заедно на една локација, каде што потенцијалот на земјата на секој модул зависи од неговата собствена труда и отпор. Преимакот е отсутствијата на куплура интерференција од заеднички отпор на земјата; недостатокот е преизвикано користење на жиците за земја.

Серијската едно-точкова земја значи дека повеќе модули споделуваат иста жица за земја. Бидејќи еквивалентниот отпор на жицата за земја создава пад на напон, точките на поврзување на различните модули имаат различни потенцијали во однос на земјата. Промените на труда во било кој модул влијаат на потенцијалот на земјата, менувајќи го излезот на колата и каузирајќи куплура интерференција од заеднички отпор на земјата. Овој метод има проста жица. Многу-точковата земја е често користена во високочестотни системи, каде што секој модулов земја се поврзува со земја шина колку што е можно поблизо. Преимакот вклучува кратки жици за земја, ниски импеданс и елиминација на интерференција шум причинет од заеднички импеданс на земјата.

3. Изолаторски дизајн за мерачите на енергија

Еден од главните цели на изолаторскиот дизајн е да се одделат изворите на шум од осетливи кола. Карактеристиката на изолаторскиот дизајн е дека мерачот на енергија одржува сигнална комуникација со неговата работна средина без директна електрична интеракција. Главни методи за имплементација вклучуваат трансформаторска изолација, опто-изолација, реле изолација, изолаторски амплитудни проширител и изолација на компоновка. 

• Трансформаторска изолација Пулсни трансформатори, со мал број на намотки, мала распределена капацитет (само неколку пикофаради) и примарни/секундарни намотки намотани на спротивни страни на језглото, можат да служат како изолаторски компоненти за пулсни сигнали, достигнувајќи до цифрен сигнал изолација.

• Опто-изолација Додавање на оптокуплер може да поднесе пика пулси и различни шумови. Користејќи ги опто-изолаторите, се осигурува дека нема електрична интеракција помеѓу главниот компјутерски систем и комуникациониот порт на мерачот на енергија, подобрувајќи го противодействувањето на интерференцијата на системот. Оптокуплерите можат да изолираат цифрен сигнал, но не се прифатливи за аналоген сигнал. Обични методи за изолација на аналоген сигнал вклучуваат: A. Напон-фреквенција конверзија со последна опто-изолација, што резултира во комплексни кола; B. Диференцијални амплитудни проширител, кои нудат пониска изолаторска напона; C. Изолаторски амплитудни проширител, кои се исправно изведени, но се скапи. 

• Реле изолација Бидејќи нема електрична врска помеѓу јазичката и контактите на реле, јазичката може да прими сигнали, додека контактите ги пренесуваат, ефективно решавајќи проблемот со интеракција на силни и слаби електрични сигнали и постигнувајќи интерференција изолација.

• Изолација на компоновка Постигнување на изолација преку PCB компоновка, главно одделувајќи силни и слаби електрични кола.

4. Дизајн на печатени кола (PCB) против интерференција за мерачите на енергија

Печатениот кола служи како носач на компонентите на колата и им нуди електрични врски помеѓу нив. Квалитетот на дизајнот на PCB директно влијае на противодействувањето на интерференцијата на системот. Општи принципи следени во дизајнот на PCB вклучуваат:

• Поставете кристални осцилатори колку што е можно поблизо до пиновите на централниот процесор (CPU). Земјата и заштитата на металните куќи, па потоа изолирајте областа на часовникот со земја - овој метод го предотвратува многу тешки проблеми;

• Користете нижичестотни кристали за CPU и ги држете цифрените кола колку што е можно помалку брзи, додека се задоволуваат барањата за перформанса на системот;

• Непостојечките входно-изходни портови на CPU не треба да се остават во висок, треба да се поврзат со системски напон или земја, и истото важи и за другите чипови;

• Минимизирајте должината на трасите помеѓу високочестотни компоненти. Држете функционалните компоненти на вход и излез далеч, и не поставувајте компоненти подложни на интерференција премногу близо;

• Избегнувајте труделни кругови во нискочестотни и слаби-сигнални кола. Ако е неизбежно, минимизирајте областа на кругот за да се намали индуциран шум;

• Избегнувајте 90-градусни повратоци во системската жица за да се предотврати емитувањето на високочестотен шум;

• Линиите на вход и излез во системот треба да се избегнуваат да се паралелни. Додадете земја линија помеѓу две проводници за да се ефективно предотврати реактивна куплура.

5. Дизајн на софтверска надежност

5.1 Дизајн на цифрен филтер за мерачите на енергија 

Во моментов, различни мерења IC се широко користат во мерачите на енергија. Централниот процесор комуницира со овие мерења чипови преку Serial Peripheral Interface (SPI) или Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) за да добие параметри на системот на енергија. Ако автобусот биде интерфериран или мерења чипови работат нередовно, централниот процесор ќе прими неточни податоци.

Затоа, вклучувањето на софтверски филтер е критични важно. За обични параметри на енергија, може да се применува методот на просек: се собираат пет до шест податоци, се елиминираат максималните и минималните вредности, па се пресметува просек. За податоци на енергија, се проценува динамичкиот опсег во единично време базирано на номиналната работна средина на мерачот; ако се појават аномални податоци на енергија, софтверот може да ги отфрли тоа множество податоци. Други методи вклучуваат медијански филтер, аритметички просек и прв ред лоу-пас филтер. Практиката докажа дека користејќи ги софтверски филтри, се максимизира надежноста на читањето на параметрите.

5.2 Дизајн на редунданција на податоци за мерачите на енергија

За подобрување на надежноста на системот, параметрите на системот и калибрационите параметри можат да се применат дизајни со многу резервни копии. Ако едно множество податоци се повреди, друго резервно множество може да се активира. За да се осигура безбедноста на податоците и да се зголеми веројатноста на опстанување на податоците при грешки во операциите, неколку множества податоци треба да се чуваат во расфрлени локации.

5.3 Дизајн на проверка на податоци и оперативна редунданција за мерачите на енергија

Кога централниот процесор запишува параметри на подесување или калибрација во меморијата, интерференцијата може да кауза неверни податоци да се запишат, но процесорот не може да одреди точноста на запишаните податоци. За да се осигура точно запишување на податоци, дизајнот на софтверот извршува "checksum" на податоците што треба да се запишат и ги чува заедно со податоците. После секоја операција на запишување, се извршува операција на читање, и се споредува checksum-от на прочитаните податоци со запишаните. Ако не се совпаѓаат, операцијата на запишување се повторува до додека податоците не се точно запишани. Ако се надмине ограничувањата за повторување, се прикажува грешка при запишување.