Güç Ölçüm Sistemi Güvenilirliğini Nasıl Artırabilirsiniz
Elektronik endüstrisinin hızlı gelişmesiyle birlikte, çeşitli araçlar ve ölçüm cihazları endüstri kontrolünde ve sosyal hayatın her alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda, ölçüm cihazlarının güvenilirlik talepleri de giderek artmaktadır ve güç metrleri bu konuda istisna değildir. Güç metrlerinin güvenilirlik gereksinimleri akıllı metr teknik standartları içinde belirtilmiştir.
Bu standartlar, güç metrlerinin ortalama hizmet ömrünün en az on yıl olması gerektiğini belirtmektedir, bu nedenle geliştirme sürecindeki güvenilirlik tasarımı özellikle önemlidir. Belirli koşullar altında ve belirli bir süre içinde gerekli işlevleri tamamlama olasılığı, Ortalama Arıza Arası Süre (MTBF) olarak adlandırılır, aynı zamanda ortalama arıza arası zaman olarak da bilinir. MTBF, güvenilirliği ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir metriktir. Güç metrleri için güvenilirlik tasarımının amacı, ürünün MTBF'sini artırmak ve normal işlemesini sağlamak içindir.
1. Donanım Güvenilirlik Tasarımı
Güç Metrleri İçin Güç Kaynağı Araç Gürültüsü Bastırma Tasarımı
Mühendisliksel veri analizine göre, güç metr sistemlerine giren interferansın %70'i güç kaynağı üzerinden girer. Bu nedenle, güç kalitesini iyileştirmek, tüm sistemin güvenilir işlemesi açısından büyük önem taşımaktadır. Sistem gücü genellikle elektrik şebekesinden elde edildiği için, güç kaynağı için anti-interferans tasarımı, giriş noktasındaki filtreleme ve geçici interferans bastırma üzerine odaklanır.
2. Güç Metrleri İçin Yerleştirme Tasarımı
Yerleştirme sistemi tasarımının doğrudan tüm ürünün anti-interferans yeteneğini etkilediği görülür. İyi bir tasarım, dış ortamdan gelen interferansı engelleyebilir ve dahili olarak kombine edilen gürültüyü etkili bir şekilde bastırabilir. Aşağıdaki iki yönü göz önünde bulundurarak sistem güvenilirliğini artırabilirsiniz:
Dijital Yer ve Analog Yer Dijital sinyallerin keskin köşeleri nedeniyle, dijital devrelerdeki akımlar pulslu değişiklik gösterir. Bu nedenle, güç metr sistemlerinde analog yer ve dijital yer ayrı olarak tasarlanmalı ve sadece tek bir noktada bağlanmalıdır. Devre kartındaki analog ve dijital devreler kendi "yer"lerine bağlanmalıdır. Bu, dijital devrenin pulslu yer akımının ortak yer impedansı yoluyla analog devreye kombine olmasını etkili bir şekilde önler ve geçici interferans oluşturur. Sistemde yüksek frekanslı büyük sinyaller varsa, bu interferans daha da önemlidir.
Tek Nokta ve Çok Nokta Yerleştirme Düşük frekansta sistemlerde, yerleştirme genellikle paralel tek nokta yerleştirmeyi serili tek nokta yerleştirmeye birleştirerek performansı artırır. Paralel tek nokta yerleştirmesi, birden fazla modül yerleme telini tek bir noktada bir araya getirmek anlamına gelir, burada her modülün yer potansiyeli kendi akımı ve direncine bağlıdır. Bu yöntemin avantajı, ortak yer teline olan kombine interferansın olmamasıdır; dezavantajı ise çok fazla yer teli kullanımıdır.
Serili tek nokta yerleştirmesi, birden fazla modülün aynı yer teli segmentini paylaşması anlamına gelir. Yer teli eşdeğer direnci nedeniyle, farklı modüllerin bağlantı noktalarının toprağa göre değişken potansiyelleri vardır. Herhangi bir modüldeki akım değişiklikleri, yer potansiyelini etkiler, devre çıktısını değiştirir ve ortak yer teline ait kombine interferans oluşur. Bu yöntem, basit kablolamayı içerir. Yüksek frekanslı sistemlerde genellikle çok nokta yerleştirmesi kullanılır, burada her modülün yer teli mümkün olduğunca yakın bir şekilde toprak busbar'a bağlanır. Bu yöntemin avantajları, kısa yer telleri, düşük impedans ve ortak yer teline ait interferans gürültüsünü ortadan kaldırmasıdır.
3. Güç Metrleri İçin İzolasyon Tasarımı
İzolasyon tasarımının birincil hedefi, gürültü kaynaklarını hassas devrelerden ayırmaktır. İzolasyon tasarımının özelliği, güç metrinin çalıştığı ortamla sinyal iletişimini korurken doğrudan elektriksel etkileşim olmadan işlemesidir. Ana uygulama yöntemleri, dönüşüm izolasyonu, opto-izolasyon, röle izolasyonu, izolasyon amplifikatörleri ve düzen izolasyonudur.
Dönüşüm İzolasyonu Az sayıda sarım, küçük dağıtılmış kapasitans (sadece birkaç pikofarad) ve çekirdeğin karşı taraflarında sarılmış birincil/ikincil bobinler olan darbe dönüştürücüleri, darbe sinyalleri için izolasyon bileşeni olarak kullanılabilir ve dijital sinyal izolasyonunu sağlayabilir.
Opto-İzolasyon Bir optokopleyi eklemek, darbe püskürtmelerini ve çeşitli gürültü interferanslarını baskılayabilir. Opto-izolasyon, ana bilgisayar sistemi ile güç metrinin iletişim portu arasında hiçbir elektriksel etkileşim olmadığını sağlar, böylece sistem anti-interferans performansını artırır. Optokopler, dijital sinyalleri izole edebilir ancak analog sinyaller için uygun değildir. Analog sinyalleri izole etmenin yaygın yöntemleri şunlardır: A. Voltaj-frekans dönüşümü ardından opto-izolasyon, bu karmaşık devreler sonuçlanır; B. Diferansiyel amplifikatörler, düşük izolasyon voltajı sunar; C. İzolasyon amplifikatörleri, iyi performans gösterir ancak pahalıdır.
Röle İzolasyonu Rölenin bobini ve kontakları arasında herhangi bir elektriksel bağlantı olmadığından, bobin sinyal alırken kontaklar sinyal aktarabilir, bu da güçlü ve zayıf elektrik sinyallerinin etkileşim sorununu çözerek interferans izolasyonunu sağlar.
Düzen İzolasyonu PCB düzeni aracılığıyla izolasyonu sağlama, genellikle güçlü ve zayıf elektrik devrelerini ayırma.
4. Güç Metrleri İçin Basılı Devre Kartı (PCB) Anti-Interferans Tasarımı
Basılı devre kartı, devre bileşenlerinin taşıyıcısı olarak görev yapar ve onların aralarında elektriksel bağlantılara imkan tanır. PCB tasarımının kalitesi, sistemin anti-interferans yeteneğini doğrudan etkiler. PCB tasarımında genel olarak takip edilen prensipler şunlardır:
Kristal osilatörleri merkezi işlem birimi (CPU) pinlerine mümkün olduğunca yakın yerleştirin. Metal kasalarını topraklayın ve güvenleştirin, ardından saat bölgesini toprak teli ile izole edin—bu yöntem birçok zorlu sorunu önlemeye yardımcı olur;
Sistemin performans gereksinimlerini karşılamak üzere CPU için daha düşük frekanslı kristaller kullanın ve dijital devreleri mümkün olduğunca yavaş tutun;
Kullanılmayan CPU giriş/çıkış portları asla boş bırakılmamalıdır; bunlar sistem gücüne veya toprağa bağlanmalıdır, diğer çipler için de aynı uygulanır;
Yüksek frekanslı bileşenler arasındaki hat uzunluğunu minimize edin. Giriş ve çıkış işlevsel bileşenleri birbirinden uzak tutun ve interferansa açık bileşenleri birbirine çok yakın yerleştirmeyin;
Düşük frekanslı ve zayıf sinyal devrelerinde akım döngülerini önleyin. Eğer kaçınılmazsa, indüklenmiş gürültüyü azaltmak için döngü alanını minimize edin;
Sistemin kablosunda 90 derecelik bükülmelerden kaçının, yüksek frekanslı gürültü yayılmasını önlemek için;
Sistemin giriş ve çıkış hatları paralel gitmemelidir. İki iletken arasında bir toprak hatı ekleyerek reaktif kombine etkileşimi etkili bir şekilde önleyebilirsiniz.
5. Yazılım Güvenilirlik Tasarımı
5.1 Güç Metrleri İçin Dijital Filtreleme Tasarımı
Şu anda, güç metrlerinde çeşitli ölçüm IC'leri yaygın olarak kullanılmaktadır. Merkezi işlemci, Seri Periferik Arabirim (SPI) veya Evrensel Asenkron Alıcı/Gönderici (UART) aracılığıyla bu ölçüm çipleriyle iletişim kurarak güç sisteminin parametrelerini elde eder. Eğer veri yolu interferans altında kalırsa veya ölçüm çipi normal çalışmazsa, merkezi işlemci yanlış veri alır.
Bu nedenle, yazılım filtrelemesini entegre etmek son derece önemlidir. Normal güç parametreleri için, ortalama alma yöntemi kullanılabilir: beş ila altı veri noktası toplanır, maksimum ve minimum değerler çıkarılır, ardından ortalama hesaplanır. Enerji verileri için, metrelerin nominal çalışma ortamına dayanarak birim zaman içinde dinamik aralığı tahmin edilir; eğer anormal enerji verisi ortaya çıkarsa, yazılım bu veri setini atabilir. Diğer yöntemler, medyan filtreleme, aritmetik ortalama alma ve birinci dereceden düşük geçiş filtrelemesi içerir. Uygulamalar, yazılım filtrelemenin parametre okuma güvenilirliğini maksimize ettiğini kanıtlamıştır.
5.2 Güç Metrleri İçin Veri Yedeklilik Tasarımı
Sistem güvenilirliğini artırmak için, sistem ayar parametreleri ve kalibrasyon parametreleri çoklu yedekli tasarımlar kullanabilir. Eğer bir veri seti bozulursa, başka bir yedek set etkinleştirilebilir. Veri güvenliğini sağlamak ve hatalı işlemler altında veri hayatta kalma olasılığını artırmak için, birkaç veri seti dağılmış konumlarda saklanmalıdır.
5.3 Güç Metrleri İçin Veri Doğrulama ve İşlem Yedeklilik Tasarımı
Merkezi işlemci, ayar veya kalibrasyon parametrelerini belleğe yazarken, interferans yanlış verinin yazılmasına neden olabilir, ancak işlemci yazılan verinin doğru olup olmadığını belirleyemez. Doğru veri yazılmasını sağlamak için, yazılım tasarımı, yazılacak verinin "checksum" değerini hesaplar ve veriyle birlikte depolar. Her yazma işleminden sonra bir okuma işlemi gerçekleştirilir ve okunan verinin checksum değeri depolanan checksum değeriyle karşılaştırılır. Eğer eşleşmezse, yazma işlemi tekrarlanır, veri doğru yazılmaya kadar. Eğer deneme sınırı aşıldıysa, bir yazma hatası gösterilir.
