Hvordan forbedre påliteligheten av strømmålesystemer

Med den raske utviklingen i elektronikkbransjen, blir ulike instrumenter og målere bredt anvendt i industriell kontroll og alle aspekter av det sosiale livet. Samtidig blir kravene til instrumentets pålitelighet stadig høyere, og strømmålere er ingen unntak. Krav til påliteligheten for strømmålere er spesifisert i standarder for smarte målere.

Disse standardene fastsetter at den gjennomsnittlige levetiden for strømmålere må være minst ti år, noe som gjør pålitelighetsdesign under utviklingsprosessen spesielt viktig. Sannsynligheten for å fullføre de nødvendige funksjonene under spesifiserte forhold og innen en gitt tid kalles Mean Time Between Failures (MTBF), også kjent som gjennomsnittlig feilintervall. MTBF er et vanlig mål for pålitelighet. Målet med pålitelighetsdesign for strømmålere er å øke produktets MTBF og sikre normal drift.

1. Hardware Pålitelighetsdesign

Strømforsyningens støyavvisningsdesign for strømmålere

Ifølge analyse av ingeniørstatistiske data, kommer 70% av støy i strømmålersystemer inn gjennom strømforsyningen. Derfor er forbedring av strømkvaliteten av stor betydning for systemets pålitelige drift. Siden systemstrøm typisk kommer fra nettstrøm, fokuserer støyavvisningsdesign for strømforsyningen hovedsakelig på filtrering ved inngangsporten og undertrykkelse av kortvarig støy.

2. Jorde-design for strømmålere

Designet av jordesystemet påvirker direkte produktets evne til å motstå støy. Et godt design kan blokkere eksterne miljøstøy og effektivt undertrykke intern koblet støy. Betraktning av følgende to aspekter kan forbedre systemets pålitelighet:

Digital Jord og Analog Jord Pga. skarpe kantene på digitale signaler, viser strømmer i digitale kretser pulserende endringer. Derfor bør analog jord og digital jord designes separat i strømmålersystemer, kun forbundet på ett punkt. Analog- og digitalkretser på kretskortet skal kobles til deres respektive "jorder". Dette forebygger effektivt pulserende jordstrøm fra den digitale kretsen fra å kopple seg til den analoge kretsen via felles jordimpedans, danner kortvarig støy. Når det finnes høyfrekvente store signaler i systemet, blir denne støyen mer betydelig.

Enkelt-Punkt og Flere-Punkter Jording I lavfrekvenssystemer, kombineres generelt parallel enkelt-punkt jording med serie enkelt-punkt jording for å forbedre ytelsen. Parallel enkelt-punkt jording refererer til å koble flere moduljordtråder sammen på ett sted, hvor hver moduls jordpotensial relatert til dens egen strøm og motstand. Fordelen er at det ikke er koblingstøy fra felles jordtrådsmotstand; ulempe er overbruk av jordtråd. Serie enkelt-punkt jording betyr at flere moduler deler samme jordtrådsegment. Pga. den ekvivalente motstanden av jordtråden oppstår spenningstab, har forskjellige modulkoblinger ulike potensialer i forhold til jord. Strømendringer i noen modul påvirker jordpotensialet, endrer kretsutdata og fører til koblingstøy fra felles jordtrådmotstand. Denne metoden har enkel tråding. Flere-punkter jording brukes ofte i høyfrekvenssystemer, hvor hver moduls jordtråd kobles så nær som mulig til en jordbussbar. Fordeler inkluderer korte jordtråder, lav impedans, og eliminering av støy fra felles jordtrådmotstand.

3. Isolasjonsdesign for strømmålere

Et hovedmål med isolasjonsdesign er å separere støykilder fra sensitive kretser. Karakteren av isolasjonsdesign er at strømmåleren beholder signalsammkobling med sin driftsmiljø uten direkte elektrisk interaksjon. Hovedimplementeringsmetoder inkluderer transformatorisolasjon, opto-isolasjon, reléisolasjon, isolerende forsterkere, og layoutisolasjon.

• Transformatorisolasjon Pulstransformatorer, med få vindinger, liten distribuert kapasitans (bare noen pikofarad), og primær/sekundær vindinger viklet på motsatt side av kjernen, kan fungere som isolasjonskomponenter for puls-signaler, oppnå digitalsignalisolasjon.

• Opto-isolasjon Ved å legge til en optokoppler, kan spikimpulser og ulike støyforstyrrelser undertrykkes. Bruk av opto-isolasjon sikrer ingen elektrisk interaksjon mellom hoveddatasystemet og strømmålerens kommunikasjonsport, forbedrer systemets motstandsdyktighet mot forstyrrelser. Optokoppler kan isolere digitale signaler, men er ikke egnet for analoge signaler. Vanlige metoder for å isolere analoge signaler inkluderer: A. Spenning til frekvenskonvertering etterfulgt av opto-isolasjon, som resulterer i komplekse kretser; B. Differensialforsterkere, som gir lavere isolasjonsspenning; C. Isolerende forsterkere, som presterer godt, men er dyre.

• Reléisolasjon Siden det ikke er noen elektrisk kobling mellom en relés spole og kontakter, kan spolen motta signaler mens kontakter transmitterer dem, løser effektivt problemet med sterke og svake elektriske signalers interaksjon og oppnår forstyrrelsesisolasjon.

• Layoutisolasjon Oppnår isolasjon gjennom PCB-layout, hovedsakelig separerer sterke og svake elektriske kretser.

4. Printet Kretskort (PCB) Motstandsdesign for strømmålere

Printet kretskort fungerer som bærer for kretskomponenter og gir elektriske koblinger mellom dem. Kvaliteten av PCB-designet påvirker direkte systemets motstandsdyktighet. Generelle prinsipper som følges i PCB-design inkluderer:

• Plasser kristalloscillatorer så nær som mulig til sentral prosessorens (CPU) pinner. Jorde og sikre deres metallbeholder, deretter isoler klokkeområdet med en jordtråd—denne metoden forebygger mange vanskelige problemer;

• Bruk lavere frekvenskristaller for CPU-en og hold digitale kretser så sakte som mulig, gitt at systemets ytelseskrav er oppfylt;

• Ubrukte CPU-inngang/utgangspor skal ikke la være flytende; de skal kobles til systemstrøm eller jord, og det samme gjelder for andre chipper;

• Minimer sporlengden mellom høyfrekvente komponenter. Hold inngang og utgangsfunksjoner langt fra hverandre, og ikke plasser forstyrrelseseffektsusceptible komponenter for tett sammen;

• Unngå strømløkker i lavfrekvens og svake signal-kretser. Hvis unngåelig, minimiser løkkeareal for å redusere induksjonstøy;

• Unngå 90-graders knuter i systemtråding for å unngå høyfrekvent støyemisjon;

• Inngang og utgangslinjer i systemet bør unngå å gå parallelt. Legg til en jordlinje mellom to ledere for å effektivt forhindre reaktiv kobling.

5. Software Pålitelighetsdesign

5.1 Digitalt filterdesign for strømmålere

For tiden brukes ulike måle-IC-er bredt i strømmålere. Sentralprosessor kommuniserer med disse målechippene via Serial Peripheral Interface (SPI) eller Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) for å få parametre for strømsystemet. Hvis busen blir forstyrret eller målechippet opererer uregulært, vil sentralprosessor motta feilaktige data.

Derfor er det kritisk viktig å integrere programvarefiltre. For vanlige strømparametre kan gjennomsnitts-metoden benyttes: samle fem til seks datapunkter, fjerne maksimum og minimum verdier, beregne gjennomsnitt. For energidata, anslag dynamisk rekkevidde innen en enhet tid basert på målerens nominerte driftsmiljø; hvis abnorme energidata dukker opp, kan programvaren forkaste datasettet. Andre metoder inkluderer medianfiltering, aritmetisk gjennomsnitt, og førsteordens lavpassfilter. Praksis har bevist at bruk av programvarefiltre maksimerer påliteligheten av parameterlesninger.

5.2 Data Redundansdesign for strømmålere

For å forbedre systemets pålitelighet, kan systeminnstillingsparametre og kalibreringsparametre benytte flerbakupdesign. Hvis en datamengde blir ødelagt, kan en annen backup aktivert. For å sikre datasikkerhet og øke sannsynligheten for dataoverlevelse under feiloperasjoner, bør flere datasets lagres på spredte lokasjoner.

5.3 Data Verifisering og Operasjons Redundansdesign for strømmålere

Når sentralprosessor skriver innstillings- eller kalibreringsparametre til minne, kan forstyrrelser føre til at feilaktige data skrives, men prosessoren kan ikke bestemme riktig skrevet data. For å sikre riktig dataskrivning, utfører programvaredesignet en "sjekksum" på dataene som skal skrives og lagrer sjekksummen sammen med dataene. Etter hver skriveoperasjon utføres en lesing, og sjekksummen av lest data sammenlignes med den lagrede sjekksummen. Hvis de ikke samsvarer, repeteres skriveoperasjonen til dataene skrives riktig. Hvis prøvegrensen overskrides, vises en skrivefeil.