وقد أصبح رصد الطاقة حجر الزاوية للنظم الكهربائية الحديثة، بدءا من المرافق الصناعية إلى المنازل الذكية، وتشكل دوائر قياس الطاقة الدقيقة أساس نظم الرصد هذه، وتوفر أجهزة الاستنشاق العاملة (الأجهزة المحمولة) الدقة والمرونة اللازمتين لبناء هذه النظم، وسواء كنت تصمم مترا ذكيا، أو جهازا لقياس الطاقة الشمسية، أو جهازا لقياس الطاقة الكهربائية، فهما للكيفية التي يمكن بها استخدام أجهزة الإنتاج الكلي والاستشعار الحالي هي دليل أساسي.

أساسيات قياس القوة على أساس السرعة

ويستلزم قياس الطاقة في نظام كهربائي الحصول على الفولط والزيوت الحالية في الوقت نفسه، وينتج الناتج الفوري لهذه الإشارة قدرة فورية، ويعطي متوسطه على دورة قوة حقيقية (الصفافير) ويستخدم في تكييف كل من النطاقات الفولطية والإشارة الحالية قبل أن يتم رقمنها أو تجهيزها، وينتج عن ذلك ارتفاع في المدخلات، وانخفاض معدل الضجيج الذي يعوضه، وقدرة على رفض الإشارات الشائعة.

التهاب الفولطية

يجب أن تقدم دوائر الاستشعار عن بعد مدخلاً عالياً لتجنب تحميل المصدر، النهج الأبسط هو متابع الفولطية، الذي يوفر مكسباً للوحدة وضخاً عالياً جداً للمدخلات، تشكيلة أكثر شيوعاً لرصد الطاقة، هي فارق مانع، يليها عازل، تُحدّد الأسهم إلى أسفل الفول (مثل 230 VMS) إلى مستوى متوافق مع المقياس

وبالنسبة للاستشعار التفاضلي في مجال الفول عبر حمولة، يقدم مضخم أجهزة (في طور) رفضاً عاماً أعلى، ويُبنى داخل العينات من ثلاثة أمتار أو يُدمج في مجموعة واحدة، ويرفضون الفولطية المشتركة (مثلاً، التطاير الذاتي) بينما يضخم الفول الضئيل الصغير من الاهتمامات، وهذا التضاريس ضروري في نظم التحميل ذات المراحل الثلاث أو عند قياس حجم الفول.

أساليب الاستشعار الحالية

ويقاس التيار في معظم الأحيان بتجاوزه من خلال مقاوم دقيق للقطعة واستشعار ما ينتج عن ذلك من انخفاض في الفولط، وهذا الانخفاض، الذي يخيم عادة على مئات الألياف، يتضخم بتضخم متمايزي أو صقل، ويستلزم اختيار مقاوم الشظية تداول بين تفكك القوى وضخ الإشارات: فالقيمة الأكبر تولد قدرا أكبر من الفولط لقياس الذات، ولكن تزيد من فقدان الطاقة.

وتشمل أساليب الاستشعار البديلة الحالية المحولات الحالية ومجسات التأثيرات الهالكة، وتوفر أشعة المقطعية عزلة غالوانية ولكنها تقتصر على قياسات الأشعة المقطعية، ويمكن لمستشعرات التأثيرات الهالوية قياسها على مستوى كل من الأشعة المقطعية وأجهزة التلقيم المميتة، ولكنها تتطلب في كثير من الأحيان معايرة دقيقة وتقابل انجرافاً أعلى، وفي جميع الحالات تستخدم أجهزة الاستنشاق في العزل والضخم وتصفية في إنتاج الاستشعار قبل التحويل الشعارات.

السلطة المحسوبة: تحليل وطرق رقمية

وبمجرد تكييف الإشارات الفولطية والحالية، يمكن حساب الطاقة باستخدام مضاعفات التناظر أو تجهيز الإشارات الرقمية، ومضاعفات المدوّنات، مثل AD633 أو MPY634، تقارن مباشرة المنتج الفوري للفولط والإشارات الحالية، والناتج هو تضخم يتناسب مع الطاقة الفورية، التي يمكن أن تُعاني في المتوسط من مقياس حرارة منخفض ولكنه محدود للحصول على طاقة مستمرة.

وفي التصميمات الحديثة، يفضل الحساب الرقمي، ويتم أخذ عينات من الفولط المكيف والإشارة الحالية عن طريق أخذ عينات من أجهزة التكييف المتزامنة (أو استخدام أجهزة التكييف المتعددة الأبعاد ذات التوقيت الدقيق) ويضاعف المحتويات الدقيقة أو نظام إدارة الدعم الميداني زوجات العينات في الوقت الحقيقي، ويتراكم المنتجات على دورة كاملة لضبط الطاقة النشطة، والكهرباء الرجعية، والكهرباء الواضحة، ومعامل القوة.

حقيقية، رد الفعل، وسلطة التقدير

ويجب على الدوائر المعنية بأجهزة مواجهة الصدمات أن تحافظ على المعلومات المتعلقة بالمراحل بين الفولط والقنوات الحالية، وأي تحول تدريجي يتم إدخاله على طريق تكييف الإشارات سيؤدي إلى أخطاء في حسابات عوامل القوة الرجعية والكهرباء، مما يضع متطلبات صارمة بشأن الاستجابة التدريجية للمرشحات المضادة للتحرير والتأخير الجماعي في مراحل التشغيل المفاجئ، كما يوصى بعناصر الرش المزودة بالأجهزة المزودة بالأجهزة المتطابقة للارتطام والحال.

الاعتبارات الرئيسية لتحديد الدقة

ويتطلب تصميم دائرة عالية الدقة لقياس القدرة إيلاء اهتمام دقيق لاختيار العناصر، ووضع الخطط، والمفاضلات على مستوى المنظومة، والعوامل التالية حاسمة.

Op Amp Selection Criteria

والاختبارات التي تنطوي على انخفاض في حجم المدخلات يقابلها فولت (VOS) دون 50 ميكروغرام، ومعدل الرفض المرتفع (بدرجة 1 ميكروغرام/س)، ونسبة الرفض المشتركة العالية (بدرجة مئوية فوق 100 د.م) وبالنسبة للاستشعار الحالي، يجب أن تعالج الأمبيرة ذات الفولوطيد المشترك الموجود في النموذج المقاوم للتشغيل.

Accuracy and Calibration

ويمكن تصحيح الأخطاء المنهجية الناجمة عن التسامح المقاوم، وقابلية الاختبار، والكسب العائم من خلال معايرة، ويمكن أن يؤدي معايرة من نقطتين على مستوى البرتقال المعروف والمستويات الحالية إلى تقليل الأخطاء إلى ما دون 0.1 في المائة أو أفضل، واستخدام مقاومات الدقة (0.1 في المائة من التسامح أو أفضل) مع معامل درجات الحرارة المنخفضة (10 في المائة/درجة مئوية أو أقل) في شبكة تحديد المكاسب.

العزل والسلامة

وفي مجال رصد الطاقة المزودة بأجهزة خطية، يلزم العزلة المجرية بين نطاق القياس العالي التطويع والوصلة الرقمية المنخفضة التقلبات، أما أجهزة التحلل العزل، مثل المعيار ISO124 أو AMC1301، فتجمع بين مرحلة مدخلات متطورة مع حاجز عزلي مكثف أو مستحث، وكبديل لذلك، يمكن أن تُعدل بيانات السلامة عن طريق المادة 5131M04.

Bandwidth and Transient Response

يجب أن تلتقط دوائر قياس الطاقة محتوى متناسقاً يصل إلى 31 كيلو متراً على الأقل (1.5 كيلوهرتز على نظام 50 هرتز أو 1.86 كيلوهرتز على 60 هرتز) من أجل فواتير دقيقة للطاقة، وبالنسبة لتحليل نوعية الطاقة، كثيراً ما تمتد النطاق الترددي إلى 10 كيلوهرتز أو أكثر، وينبغي أن يكون قياس القدرة على الدفع على أساس التردد 1 على الأقل 100 كيلو بي.

الحد من الضوضاء والعيون

وتُعتبر مسارات الإشارة المنخفضة المستوى عرضة للضوضاء من الدوائر الرقمية، ولوازم الطاقة، والتدخل الكهرومغناطيسي، واستخدام طائرة أرضية صلبة، وقطعة من الأنسجة والرقمية، وأزواج الإشارة المتمايزة عن طريق الطرق، ووضع المكثفات المتسربة على مقربة من دبابيس الإمداد بالمواد، وستخدم أجهزة الاستشعار من نوع كيلفين (4-الغربية) للقضاء على أثر الارتقاء والمقاومة.

أمثلة على الدائرة العملية

وتوضح الأمثلة التالية التلقائية القائمة على أساس التجربة المستخدمة في أجهزة رصد الطاقة.

قياس القوة الوحيدة

وتستخدم الدائرة النموذجية ذات المراحل الواحدة فاصلة مقاومة (مثلاً، 1 MM و 1 k) لتقليص حجم الطائرة إلى مستوى آمن، يليها مضخم احتياطي، أما بالنسبة للحال، فإن مقاوماً من نوع 1 ملغم من الشلن معزولاً له جهاز تكبير (غاء 50 إلى 100) ينتج إشارة فولتية تناسب مع الترميز الرقمي 1104.

قياس ثلاثي الأبعاد مع أجهزة التصقلص

وبالنسبة لنظم ثلاث مراحل، تتطلب كل مرحلة فولتاجا مستقلا واستشعارا حاليا، وتستخدم أجهزة مصطنعة للصكوك (مثلا AD8221 أو INA118) في كل من الفولط والحال للحفاظ على مستوى عال من الموارد البشرية في جميع المراحل، وتتعدد النواتج في معامل تركيز متعدد الوصلات أو عينة بواسطة قياس متعدد القنوات متزامن مع التركيزات (AD8221 أو INA118).

تحليل الميزانية المعايرة والأخطاء

ومن الضروري وضع إجراء للموازنة من أجل تحقيق درجة عالية من الدقة على درجة الحرارة والزمن، ويجب أن تُحسب ميزانية الخطأ لكل عنصر من عناصر سلسلة الإشارات: التسامح المقاوم، وقابلية الانجراف، وكسب الشركة وأخطائها، ودقة الفولط المرجعي، ويشمل النهج المنهجي قياس الدائرة في نقاط الاختبار المعروفة وتطبيق عوامل تصحيحية في إطار البرمجيات الثابتة.

وبالنسبة للإنتاج، يمكن أن يكسب كل وحدة ويقابلها كل وحدة على حدة، مع استخدام معايرة آلية تستخدم مصدرا دقيقا ومصفوفة إعادة شحن، كما أن العديد من البلدان الحديثة التي تعتمد على قياس الطاقة (مثلا، ADE9000 أو MCP39F511) تشمل سجلات معايرة مبنية وتعويضات رقمية، ولكن تصميمات مناظرة تتطلب في كثير من الأحيان تصحيحا خارجيا أو تصحيحا قائما على البرامجيات.

تطبيقات في أجهزة رصد الطاقة

وتوجد دوائر قياس الطاقة القائمة على أساس تجريبي في مجموعة واسعة من المنتجات التجارية والصناعية.

أجهزة قياس الذكاء وأجهزة القياس الفرعية

والمترات الذكية هي أكثر تطبيقات قياس دقيق للكهرباء، وهي تتطلب دقة عالية (التي غالبا ما تكون أفضل من 0.5 في المائة) على نطاق دينامي واسع (من 0.1 ألف إلى 100 ألف). ويجب أن تعمل دوائر التصوير الضوئي في القياسات الذكية بشكل موثوق به لعدة عقود وعبر درجات الحرارة القصوى، وتدمج الآن تصميمات كثيرة الأورام وسادس النبات في تصميم واحد للتصميمات الأمامية، ولكن لا تزال حلولاً مفصية.

نظم الطاقة المتجددة

وتستخدم المحولات الشمسية والمحولات الاضطرابات الريحية أجهزة قياس الطاقة لرصد وأكبر قدر من محاصيل الطاقة، ويُطلب من أجهزة الاستشعار الحالية ذات الاتجاه الثنائي قياس توليد الطاقة واستهلاكها، وتستخدم أجهزة التجميل ذات الوقت المنخفض والمستقر السريع لتتبع أجهزة قياس أقصى نقطة من نقاط القوة التي تضبط الفولطية الضوئية.

محطات شحن المركبات الكهربائية

وتحتاج أجهزة الشحن الإلكترونية إلى قياس دقيق للطاقة لأغراض إعداد الفواتير والسلامة، ويمكن أن تتجاوز المستويات الحالية 200 ألف، مما يتطلب مقاومة قوية للقطع ومضخمات ذات قدرة عالية على الفول السوداني، والعزلة المجرية إلزامية في هذه النظم لحماية المستخدمين والإلكترونيات للمركبات من الأخطاء الأرضية.

التشغيل الآلي للمبنى

وكثيرا ما يستخدم رصد الطاقة في نظم إدارة المباني أجهزة استشعار لاسلكية للوقود، ويجب أن تعمل هذه الأجهزة على مستوى منخفض من الطاقة مع الحفاظ على دقة القياس، كما أن هناك أجهزة متوقفة وبطاقات منخفضة (مثلا، 1 ميكروه لكل مضخم) تتيح تصميمات البطاريات أو لصيد الطاقة، وتُعد إشارة الإنتاج رقميا بواسطة جهاز توليد الطاقة المنخفض، وتُنقل عبر بروتوكول لاسلكي.

الاتجاهات والاتجاهات المستقبلية

ويتطور مجال قياس الطاقة مع التكنولوجيات الجديدة التي تبسط التصميم وتحسن الأداء.

المتكاملة

وتقدم شركات مثل أجهزة الأنالوك وأدوات تكساس والمايكراشب شركات متكاملة من سلسلة المفرقعات المتقدمة المشابهة تجمع بين عدة أجهزة منشطة، وأجهزة تحديد التعريفات، والإشارة، والتصفيف الرقمي في مجموعة واحدة، وتخفض هذه الأجهزة حيز اللوحات، وتحسن المطابقة بين القنوات، وتبسّط التصديق، غير أن التصميمات المتباينة لا تزال توفر المرونة في متطلبات العمليات غير القياسية، مثل ارتفاع درجة الحرارة.

التقاطعات الرقمية والترابط

وتشتمل التصميمات الحديثة القائمة على أساس التشغيل المسبق على ترابطات رقمية متزايدة مثل البرنامج الفرعي أو I2C للتشكيل وقراءة البيانات، وهذا الاتجاه يسمح بالتوازن عن بعد والرصد التشخيصي والتصفيف التكييفي، وتشمل بعض المؤسسات المزودة بأجهزة إرسال الإشارات الرقمية التي يمكن أن تقارن مقاييس الطاقة مباشرة، مما يزيل الناقلات الدقيقة الرئيسية.

موصلات شبه عسكرية واسعة النطاق

إن اعتماد أجهزة توليد الطاقة من السيليكون (SiC) وأجهزة النايت الراحل (GaN) يؤدي إلى زيادة سرعة التحول في نظم الطاقة، ويجب أن تكون لدوائر الطيف المستخدمة في هذه التطبيقات معدلات أعلى من النطاق الترددي وسرعة من السحب للقبض الدقيق على الفولطجة والوحات الحالية دون التلاعب أو التشويه.

التوصيات التقنية الختامية

(ب) يتطلب استحداث دائرة قياس قدرة معتمد عليها على أساس برمجي اتباع نهج منهجي في اختيار العناصر، وتصميم الدوائر، والمعايرة، والبدء بمواصفات واضحة لمدى القياس، والدقة، ومتطلبات العزلة، واختبارات تتجاوز الحد الأدنى لسلسلة الترددات، وسلسلة التصويب، والأداء الضجيجي اللازم، واستخدام عناصر مرنة دقيقة ذات أخطاء منخفضة في الحرارة.

لمزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى ملاحظات الطلب من كبار البائعين شبه الموصلين: تقنيات قياس الطاقة في جهاز الأنالوك (AN-684)، أدوات تكساس "حلول الاستشعار العصبي" (SBQA001)، و"أساسيات قياس الطاقة الدقيقة" (AN2369) هذه الموارد تقدم نماذج تفصيلية للتصميمات ومواد عملية