Hur man förbättrar pålitligheten i strömmätarsystem

Med den snabba utvecklingen av elektronikindustrin används olika instrument och mätare brett inom industriell kontroll och alla aspekter av det sociala livet. Samtidigt ställs kraven på instrumentets tillförlitlighet allt högre, och strömmätare är inget undantag. Krav på tillförlitlighet för strömmätare anges i smarta mätartekniska standarder.

Dessa standarder anger att medellivslängden för strömmätare måste vara minst tio år, vilket gör tillförlitlighetsdesign under utvecklingsprocessen särskilt viktig. Sannolikheten att slutföra de krävda funktionerna under angivna förhållanden och inom en angiven tid kallas Medel Tid Mellan Fel (MTBF), även känd som medelvärdet mellan felintervall. MTBF är ett vanligt mått för att mäta tillförlitlighet. Syftet med tillförlitlighetsdesign för strömmätare är att öka produkten's MTBF och säkerställa normal drift.

1. Hårdvara Tillförlitlighetsdesign

Strömförsörjningens Störningsundertryckande Design för Strömmätare

Enligt ingenjörers statistisk analys intränger 70% av störningar i strömmätarsystem genom strömförsörjningen. Därför är det av stor betydelse att förbättra strömförsörjningens kvalitet för hela systemets tillförlitliga drift. Eftersom systemströmmen vanligtvis hämtas från nätström fokuserar strömförsörjningens störningsundertryckande design främst på filtrering vid ingångsporten och undertryckande av transient störning.

2. Jorderingsdesign för Strömmätare

Designen av jordningssystemet påverkar direkt hela produktens motståndskraft mot störningar. En bra design kan blockera externa miljöstörningar och effektivt undertrycka intern kopplad brus. Genom att överväga följande två aspekter kan systemets tillförlitlighet förbättras: 

Digital Jording och Analog Jording På grund av de skarpa kanterna hos digitala signaler uppvisar strömmar i digitala kretsar pulserande förändringar. Därför bör analog jording och digital jording designas separat i strömmätarsystem, anslutna endast vid en enda punkt. Analog och digitala kretsar på kretskortet bör anslutas till sina respektive "jordningar". Detta förhindrar effektivt den pulserande jordströmmen i den digitala kretsen från att kopplas in i den analoga kretsen via delad jordimpedans, vilket bildar transient störning. När det finns högfrekventa stora signaler i systemet blir denna störning ännu mer betydande.

Enpunktig och Multipunktig Jording I lågfrekventa system kombineras vanligtvis parallell enpunktig jording med serie enpunktig jording för att förbättra prestanda. Parallell enpunktig jording innebär att flera moduljordledningar sammanförs vid en plats, där varje moduls jordpotential relateras till dess egen ström och resistans. Fördelen är frånvaron av kopplingsstörning från gemensam jordtrådsresistans; nackdelen är överdriven användning av jordtrådar.

Serie enpunktig jording innebär att flera moduler delar samma jordtrådsegment. Eftersom den ekvivalenta resistansen i jordtråden skapar spänningsfall har anslutningspunkterna för olika moduler olika potentialer relativt mark. Strömändringar i någon modul påverkar jordpotentialen, vilket ändrar kretsutgången och orsakar kopplingsstörning från gemensam jordtrådsresistans. Denna metod har enkel trådning. Multipunktig jording används ofta i högfrekventa system, där varje moduls jordtråd ansluts så nära som möjligt till en jordbusbar. Fördelarna inkluderar korta jordtrådar, låg impedans och eliminering av störningsbrus orsakat av gemensam jordtrådsimpedans.

3. Isoleringsdesign för Strömmätare

Ett primärt mål med isoleringsdesign är att separera bruskällor från känsliga kretsar. Karaktäristiken för isoleringsdesign är att strömmätaren bibehåller signal kommunikation med sin driftmiljö utan direkta elektriska interaktioner. Huvudsakliga implementeringsmetoder inkluderar transformerisolering, opto-isolering, reläisolering, isolerade förstärkare och layoutisolering. 

• Transformerisolering Pulstransformatorer, med få vikningar, liten distribuerad kapacitans (bara några pikofarad) och primär/sekundär vindning virade på motsatta sidor av kärnan, kan fungera som isoleringskomponenter för puls-signaler, vilket uppnår digital signalisolering.

• Opto-isolering Genom att lägga till en optokoppling kan spikpulsar och olika brusstörningar undertryckas. Genom att använda opto-isolering säkerställs ingen elektrisk interaktion mellan huvudsystemet och strömmätarens kommunikationsport, vilket förbättrar systemets motståndskraft mot störningar. Optokopplingar kan isolera digitala signaler men är inte lämpliga för analoga signaler. Vanliga metoder för att isolera analoga signaler inkluderar: A. Spännings-frekvenskonvertering följt av opto-isolering, vilket ger komplexa kretsar; B. Differentialförstärkare, vilket ger lägre isoleringsvoltag; C. Isolerade förstärkare, vilka presterar bra men är dyra. 

• Reläisolering Eftersom det inte finns någon elektrisk anslutning mellan en reläs spole och kontakter, kan spolen ta emot signaler medan kontakterna skickar dem, vilket effektivt löser problemet med starka och svaga elektriska signalers interaktion och uppnår störningsisolering.

• Layoutisolering Att uppnå isolering genom PCB-layout, främst genom att separera starka och svaga elektriska kretsar.

4. Tryckt Kretskorts (PCB) Störningsmotståndskraftsdesign för Strömmätare

Tryckt kretskort fungerar som bärande för kretskomponenter och ger elektriska anslutningar mellan dem. Kvaliteten på PCB-designen påverkar direkt systemets motståndskraft mot störningar. Allmänna principer som följs i PCB-design inkluderar:

• Placera kristaller så nära som möjligt till centralprocessorernas (CPU) pinnar. Jorda och säkra deras metallkroppar, sedan isolera klockområdet med en jordtråd—denna metod förhindrar många svåra problem;

• Använd lägre frekvenskristaller för CPU och håll digitala kretsar så långsamma som möjligt, givet att systemets prestandekrav uppfylls;

• Oanvända CPU-ingångs/utgångsporter bör inte lämnas flytande; de bör anslutas till systemström eller jord, och samma gäller för andra chip;

• Minimera längden på ledningar mellan högfrekventa komponenter. Håll ingångs- och utgångsfunktionella komponenter långt ifrån varandra, och placera inte störningskänsliga komponenter för nära varandra;

• Undvik strömlöpp i lågfrekventa och svaga signaler. Om det är oundvikligt, minimera loppareas för att minska inducerat brus;

• Undvik 90-graders böjningar i systemtrådning för att förhindra högfrekvent brussignal;

• Ingångs- och utgångslinjer i systemet bör undvika att gå parallellt. Lägg till en jordtråd mellan två ledare för att effektivt förhindra reaktiv koppling.

5. Programvarutillförlitlighetsdesign

5.1 Digital Filterdesign för Strömmätare 

För närvarande används olika mätning IC:s brett i strömmätare. Centralprocessorn kommunicerar med dessa mätchips via Serial Peripheral Interface (SPI) eller Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) för att erhålla parametrar för strömsystemet. Om busen störs eller om mätchippet fungerar ogiltigt kommer centralprocessorn att ta emot felaktiga data.

Därför är det ytterst viktigt att inkludera programvarufilter. För vanliga strömparametrar kan medelvärdesmetoden antas: samlar fem till sex datapunkter, tar bort maximala och minimala värden, beräknar sedan medelvärdet. För energidata, estimerar dynamiskt område inom en enhetlig tid baserat på mätarens nominella driftmiljö; om ogiltig energidata uppträder, kan programvaran ignorera datamängden. Andra metoder inkluderar medianfiltrering, aritmetisk medelvärdesbildning och första ordningens lågpassfilter. Praxis har visat att användning av programvarufilter maximiserar tillförlitligheten av parametertilldelning.

5.2 Data Redundansdesign för Strömmätare

För att förbättra systemets tillförlitlighet kan systeminställningsparametrar och kalibreringsparametrar använda flerbackupdesign. Om en datamängd blir korrupt kan en annan backup-mängd aktiveras. För att säkerställa datasekretessen och öka sannolikheten för datatillvaro vid felaktiga åtgärder bör flera datamängder lagras på spridda platser.

5.3 Data Verifiering och Åtgärdsredundansdesign för Strömmätare

När centralprocessorn skriver inställnings- eller kalibreringsparametrar till minnet kan störningar orsaka felaktig data att skrivas, men processorn kan inte avgöra rättigheten av de skrivna data. För att säkerställa korrekt datainskrivning utför programvarudesignen en "kontrollsumma" på de data som ska skrivas och lagrar kontrollsumman tillsammans med data. Efter varje skrivoperation utförs en läsoperation, och kontrollsumman av de lästa data jämförs med den lagrade kontrollsumman. Om de inte matchar upprepas skrivoperationen tills data är korrekt skrivna. Om gränsen för omförsök överskrids visas ett skrivfel.