Paano Pataasin ang Katatagan ng Sistema ng Power Meter

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

Ang mga pamantayan na ito ay nagtatalaga na ang kasagaran na haba ng serbisyo ng mga power meter ay dapat hindi bababa sa sampung taon, kaya mahalagang espesyal ang disenyo ng kapani-paniwala sa proseso ng pagbuo. Ang probabilidad ng pagkumpleto ng kinakailangang mga punsiyon sa tiyak na kondisyon at panahon ay tinatawag na Mean Time Between Failures (MTBF), o kilala rin bilang kasagaran na pagitan ng pagkasira. Ang MTBF ay isang karaniwang sukat para sa pagsukat ng kapani-paniwala. Ang layunin ng disenyo ng kapani-paniwala para sa mga power meter ay palakihin ang MTBF ng produkto at siguruhin ang normal na operasyon.

1. Disenyo ng Kapani-paniwala ng Hardware

Disenyo ng Pagpapabawas ng Interference ng Power Supply para sa Mga Power Meter

Ayon sa analisis ng engineering statistical data, 70% ng interference sa 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 mapagkakatiwalaang operasyon ng buong sistema. Dahil ang system power ay tipikal na galing sa grid electricity, ang disenyo ng anti-interference para sa power supply ay pangunahing nakatuon sa pag-filter sa input port at pagpapabawas ng transient interference.

2. Disenyo ng Grounding para sa Mga Power Meter

Ang disenyo ng sistema ng grounding ay direktang nakakaapekto sa kabuuang kakayahan ng produktong labanan ang interference. Ang isang mahusay na disenyo ay maaaring hadlangin ang panlabas na environmental interference at epektibong suppresyon ng internally coupled noise. Ang pag-consider ng sumusunod na dalawang aspeto ay maaaring mapabuti ang kapani-paniwala ng sistema: 

Digital Ground at Analog Ground Dahil sa mga matinding edge ng mga digital signal, ang mga current sa digital circuit ay nagpapakita ng pulsed changes. Kaya, ang analog ground at digital ground ay dapat disenyan nang hiwalay sa mga sistema ng power meter, konektado lamang sa iisang punto. Ang mga analog at digital circuits sa circuit board ay dapat konektado sa kanilang sariling "ground." Ito ay epektibong nagbabawas ng pulsed ground current ng digital circuit mula sa coupling sa analog circuit sa pamamagitan ng shared ground impedance, na nagbibuo ng transient interference. Kapag mayroong mataas na frequency na malalaking signal sa sistema, ang interference na ito ay naging mas makabuluhan.

Single-Point at Multi-Point Grounding Sa mga low-frequency systems, ang grounding ay karaniwang naglalaman ng 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 kanyang sariling current at resistance. Ang kanyang benepisyo ay walang coupling interference mula sa common ground wire resistance; ang di-paborito naman ay ang sobrang paggamit ng ground wiring.

Ang series single-point grounding naman ay nangangahulugan na maraming modules ang nagbabahagi ng iisang segment ng ground wire. Dahil sa equivalent resistance ng ground wire na lumilikha ng voltage drops, ang connection points ng iba't ibang modules ay may iba't ibang potentials relative sa lupa. Ang pagbabago ng current sa anumang module ay nakakaapekto sa ground potential, na nagbabago ng output ng circuit at nagdudulot ng coupling interference mula sa common ground wire resistance. Ang metodyong ito ay may simpleng 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 sa pinakamalapit na posible. Ang mga benepisyo nito ay maikling ground wires, mababang impedance, at pagalis ng interference noise dahil sa common ground wire impedance.

3. Disenyo ng Isolation para sa Mga Power Meter

Ang isa sa pangunahing layunin ng disenyo ng isolation ay ang paghihiwalay ng mga source ng noise mula sa sensitive circuits. Ang katangian ng disenyo ng isolation ay ang power meter ay nagpapanatili ng komunikasyon ng signal sa kanyang operating environment nang walang direkta na electrical interaction. Ang mga pangunahing paraan ng implementasyon ay kinabibilangan ng 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 nawind sa magkabilang bahagi ng core, ay maaaring gamitin bilang mga komponente ng isolation para sa mga pulse signal, na nagtatamo ng digital signal isolation.

• Opto-Isolation Ang pagdaragdag ng optocoupler ay maaaring suppresyon ng spike pulses at iba't ibang noise interference. Ang paggamit ng opto-isolation ay nag-uugnay ng walang electrical interaction sa pagitan ng host computer system at communication port ng power meter, na nagpapabuti ng performance ng anti-interference ng sistema. Ang mga optocouplers ay maaaring i-isolate ang mga digital signals ngunit hindi ito angkop para sa mga analog signals. Ang mga karaniwang paraan para sa pag-iisolate ng mga analog signals ay kinabibilangan ng: 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 mahusay ngunit mahal. 

• Relay Isolation Dahil wala ring electrical connection sa pagitan ng coil at contacts ng isang relay, ang coil ay maaaring tumanggap ng mga signal habang ang contacts ay naghahatid nito, na epektibong nagreresolba ng problema ng pakikipag-ugnayan ng malakas at mahinang electrical signals at nagtatamo ng interference isolation.

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

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

Ang printed circuit board ay gumagamit bilang carrier ng mga component ng circuit at nagbibigay ng electrical connections sa pagitan nito. Ang kalidad ng disenyo ng PCB ay direktang nakakaapekto sa kakayahang labanan ng sistema ang interference. Ang mga pangkalahatang prinsipyong sinusunod sa disenyo ng PCB ay kinabibilangan ng:

• Ilagay ang mga crystal oscillators nang may pinakamalapit na posible sa mga pins ng central processing unit (CPU). Ilagay ang kanilang metal cases sa ground at i-isolate ang clock area sa pamamagitan ng ground wire—ang paraang ito ay nagpapabawas ng maraming mahirap na problema;

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

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

• Iminimize ang haba ng traces sa pagitan ng mga high-frequency components. Panatilihin ang mga input at output functional components nang malayo, at huwag ilagay ang mga prone sa interference components nang masyadong malapit;

• Iwasan ang mga current loops sa low-frequency at weak-signal circuits. Kung hindi maiiwasan, iminimize ang loop area upang mabawasan ang induced noise;

• Iwasan ang 90-degree bends sa system wiring upang maprevent 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 conductors upang epektibong maprevent ang reactive coupling.

5. Disenyo ng Kapani-paniwala ng Software

5.1 Digital Filtering Design para sa Mga Power Meter 

Kasalukuyan, ang iba't ibang measurement ICs ay malawakang ginagamit sa mga power meter. Ang central processor ay nagko-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 na gumagana, ang central processor ay tatanggap ng maling data.

Kaya, mahalagang ipasok ang software filtering. Para sa ordinaryong power parameters, maaaring gamitin ang averaging method: kunin ang lima hanggang anim na datapoints, alisin ang pinakamataas at pinakamababang values, at kalkulahin ang average. Para sa energy data, tantiyahin ang dynamic range sa loob ng isang yunit ng oras batay sa rated operating environment ng meter; kung may abnormal na energy data, ang software ay maaaring ihuwag ang set ng data. Ang iba pang mga paraan ay kinabibilangan ng median filtering, arithmetic averaging, at first-order low-pass filtering. Ang praktika ay nagpatunay na ang paggamit ng software filtering ay maximaizes ang kapani-paniwala ng pagbasa ng mga parameter.

5.2 Data Redundancy Design para sa Mga Power Meter

Upang mapabuti ang kapani-paniwala ng sistema, ang mga setting parameters at calibration parameters ng sistema ay maaaring gumamit ng multi-backup designs. Kung isang set ng data ay nasira, maaaring aktibahin ang isa pang backup set. Upang siguruhin ang seguridad ng data at mapalaki ang probabilidad ng survival ng data sa maling operasyon, dapat na ilagay ang ilang set ng data sa iba't ibang lokasyon.

5.3 Data Verification at Operation Redundancy Design para sa Mga Power Meter

Kapag ang central processor ay sumulat ng setting o calibration parameters sa memory, ang interference ay maaaring magsulat ng maling data, ngunit ang processor ay hindi maaaring deteminahin ang tama ng sulat na data. Upang siguruhin ang tama na pagsulat ng data, ang disenyo ng software ay gumagawa ng "checksum" sa data na sasulatin at ini-store ang checksum kasama ang data. Pagkatapos ng bawat operasyon ng pagsulat, isinasagawa ang operasyon ng pagbasa, at kinokompara ang checksum ng nabasang data sa istored na checksum. Kung hindi sila tugma, inuulit ang operasyon ng pagsulat hanggang sa maging tama ang data. Kung lumampas sa limit ng retry, ipinapakita ang error sa pagsulat.