מדידה חשמלית – הדור הבא

בשנים האחרונות אנו עדים להחלפה קבועה של מוני החשמל המכניים הישנים במוני חשמל אלקטרוניים. הסיבה לכך אינה נעוצה רק בדרישה להגדלת היקף התכונות, כגון אינטגרציית מערכת, חוזק מכני, צמצום הגודל הפיסי ושיפור רמת הדיוק, אלא גם בגלל שהטיעון העתיק בזכות אמינותם של המונים המכניים – אינו תקף יותר. בזמן האחרון חלה עלייה מתמידה באיכות של מוני חשמל אלקטרוניים וגם היקף התכונות שלהם הולך ומתרחב. פתרונות המבוססים על שבב בודד מחליפים את מוני החשמל האנלוגיים לחלוטין וגם את אלה המשלבים טכנולוגיה אנלוגית עם מעבדי מיקרו. פתרונות המדידה האלקטרוניים של ימינו מסוגלים לספק את כל הפונקציות והרכיבים הנדרשים, כגון: מדידת אותות אנלוגיים, חישוב הנתונים הנדרשים, אחסון נתוני כיול וערכי מדידה, רכיבי תצוגה וערוצי תקשורת – כל אלה משולבים בשבב אחד.

ההתפתחות המהירה שחלה בתחום מעבדי האותות הדיגיטליים ומעבדי המיקרו מאפשרת ליצור מגוון עצום של פתרונות חלופיים, תוך שהאינטגרציה של רכיבים דיגיטליים ופונקציות אנלוגיות בפרוסת סיליקון משותפת פותרת את רוב הבעיות שאפיינו בעבר את מוני החשמל האלקטרוניים. קיימים היום מעבדי מיקרו הכוללים ממירי ADC ‏(analogue to digital converters) מובנים, דבר המאפשר להשיג אינטגרציית מערכת הדוקה ביותר ובנוסף – להפחית משמעותית את עלויות המערכת. לא זאת בלבד, אלא שמוצרי ASSP (מוצרים סטנדרטיים ספציפיים ליישום – application specific standard products) למדידת צריכת חשמל כוללים גם ממשק חזית (front-end) מיוחד להעברת תוצאות החישוב של צריכת האנרגיה. טווח היישומים של מעבדים חדישים אלה, כמו ה-MSP430FE427 של טקסס אינסטרומנטס, רחב בהרבה, וכך ניתן לפנות את המעבד המרכזי לטובת משימות חשובות אחרות.

מאחר שרמות הביצועים הנדרשות מממשקי החזית הללו גבוהות מאוד, חשוב שהם יתפקדו כמערכות עצמאיות בעלות יכולת חישוב מקיפה באופן עצמאי. המערכת המרכזית נדרשת לבצע פעולות ספורות בלבד כדי לאתחל את פרמטרי הכיול של ממשק החזית, לקבוע את מצב הפעולה ולשלוח לו אות אתחול. לאחר שפעולות אלו בוצעו, ממשק החזית אמור לפעול ללא התערבות המעבד המרכזי (או התערבות מועטה ביותר). תפקיד המעבד מצטמצם לאיסוף הנתונים וניתוחם, ולכן הוא פנוי לבצע משימות אחרות, כמו בקרה של החלפת תעריפים (control of tariff switching). החלפת תעריפים היא פונקציה שחשיבותה עולה בהתמדה, במיוחד במזרח אירופה. היא מאפשרת לספקי החשמל לשפר את יציבות העומס ברשתות החשמל שהם מפעילים. מתן מענה על צריכת השיא במהלך היום, בשעה שמגזר התעשייה עובד במלוא התפוקה, כרוך בעלויות גבוהות ביותר. בשעות הלילה, לעומת זאת, חלק מהגנרטורים מושבתים, עקב ירידת הצריכה. מצב זה אינו יעיל בעליל וגם קשה לפקח עליו. אם נצליח לגרום למגזר הביתי להפעיל את מכונת הכביסה ומדיח הכלים בשעות הלילה ולא באמצע היום, נוכל להשיב את האיזון על כנו.

תכונה חשובה נוספת היא אפשרות התקשורת באמצעות מספר ערוצים עצמאיים. ערוץ התקשורת הסטנדרטי של המונה (בטכנולוגיית אינפרא אדום), כפי שהוא מוגדר בתקני EN, מבוסס על פרוטוקול ארוך ועל תחביר (command syntax) מורכב מאוד, דבר הגוזל מהמעבד משאבי מיחשוב וזיכרון. בנוסף, הסיכוי לראות בעתיד הקרוב מערכת שתנהל פרוטוקולים פשוטים של קווי חשמל, הופכת להיות אפשרות מושכת.

כיום מתקיים דיון במספר אפשרויות ליישם זאת. אלו נעות בין טיפול בקצבי תקשורת גבוהים, הדורשים שילוב של מעבדי אותות דיגיטליים (DSP) נוספים, ועד שימוש בפרוטוקול FSK ‏(frequency shift keying) פשוט יותר. במוני חשמל סטנדרטיים, הדבר אינו כרוך בבעיה מיוחדת, מכיוון שהנתונים שיש לקרוא, מיוצגים באמצעות בתים (bytes) אחדים בלבד, וקצב החזרה שלהם אינו גבוה במיוחד. במקרה כזה, מעבד חזק בארכיטקטורה של 16 סיביות, כגון MSP430, מסוגל לטפל בפרוטוקול FSK בעזרת מספר קטן ביותר של רכיבים חיצוניים.

שילוב של רכיבי אלקטרוניקה מתקדמים מאפשר לבצע את תהליך הכיול במלואו באמצעות תוכנה, ולשם כך נחוצים בסך הכל מספר פרמטרים: הגדרות הֶגְבר (gain), בעיקר בערוץ הזרם; היסט (offset) ופיצוי היסט הפאזה (phase shift compensation). ניתן לאחסן את הפרמטרים הללו בזיכרון Flash של מעבדים בני ימינו ולשלוח אותם משם אל מנוע החישוב בממשק החזית של המונה. 

פיצוי להיסט פאזה (phase shift compensation) מהווה בעיה כבדת משקל הדורשת פתרון, מאחר שרוב המערכות עושות שימוש בחיישני זרם טולרנטים לזרם ישר, הסובלים מחיסרון משמעותי: הסטת פאזה בשיעור של כ-‏4 מעלות (4‎ Degrees phase shift). ערך זה גבוה למדי, וכאשר חל גם היסט פאזה של העומס בקו המתח, אי מתן פיצוי מתאים עלול לגרום לשגיאת קריאה של יותר מ-‏10% במונה החשמל. מצב זה מתרחש בתדירות הולכת וגוברת, מאחר שרוב העומס מקורו במנועים ובספקי כוח ממותגים. לעומת זאת, שימוש בנגד מיצדי (shunt) בתור חיישן זרם ממזער את הבעיה, על אף שבמקרה זה יש צורך להוסיף מגבר שבח (gain amplifier), שתפקידו להגדיל את עוצמת אות המבוא שמתקבל בנגד המיצדי לטווח המדידה של ממיר ה-ADC. נגד מיצדי של 200‎ uOhm‎, למשל, יפיק רמת אות מרבית (peak signal) של ‎22 mV‎ בלבד, בזרם של ‎60 A. לפיכך, לאחר הגברה פי 32, המתח המתקבל עומד על כ-‏700‎ mV‎ בלבד, ערך המתאים לרוב הממירים ועם זאת עדיין מספק את הטווח הדינמי הדרוש.

כדי לאפשר פיתוח מהיר ואמין של פתרונות לשוק זה המתאפיין בקצב גידול גבוה, יש צורך בנגישות ויכולת שימוש קלה ופשוטה בכל התכונות שתוארו.

ה-MSP430FE42x הוא אחד המעבדים הסוללים את הדרך למגוון רחב של מוני חשמל, בזכות מעבד האותות ESP430CE1 המובנה, המותאם למדידת חשמל חד-פאזי ולממשק החזית המשולב אשר פותח במיוחד ליישומי מדידת חשמל. מעבד ה-ESP430CE1 מבצע אוטומטית את רוב פונקציות המדידה ללא צורך במעבד המרכזי, ולכן זה האחרון מתפנה לביצוע משימות אחרות, כמו ניהול תקשורת. ה-ESP430CE1 מקנה לחיישני הזרם גמישות רבה, ולכן ניתן להשתמש במיצד, בשנאי זרם (כולל שנאי זרם טולרנטים לזרם ישר) או בסלילי רוגובסקי (Rogowski coils) ללא צורך ברכיבי חומרה נוספים. נוסף לכך, זיכרון ה-Flash ברכיב ה-MSP430 מאפשר לבצע מספר רב של מחזורי קריאה-ומחיקה,
דבר המאפשר לנצל את הזיכרון לתכנות, כיול ורישום נתונים ועל ידי כך לפתח מונה חשמל ממשי בשבב יחיד.

הלחץ המופעל על מפתחי היישומים במיוחד בשוק מוני החשמל, אינו מכוון רק להפחתת עלויות, אלא בו-זמנית גם להגדלת מגוון תכונות המערכת. הפתרון בר הקיימא היחיד מחייב שילוב מראש של רוב התכונות הנדרשות במעבד, דבר שיאפשר פיתוח מהיר יותר של מוני חשמל ויעניק לחברות את היתרון התחרותי המבוקש בזכות הקדמת היציאה לשוק עם מוצר חדש.