氯氣流量計(jì)的電磁干擾路徑與電磁兼容特性分析

工業(yè)儀表，主要關(guān)注的是其 EMS 能力，這是因?yàn)楣I(yè)儀表的使用環(huán)境，一般都很惡劣，環(huán)境中會充斥著人們看不到的各種電磁干擾，諸如工頻磁場干擾、電快速脈沖群、靜電、浪涌等。這些看不見、摸不著的電磁干擾，往往是人們*容易忽略，也是影響工業(yè)儀表特性的關(guān)鍵。每種工業(yè)儀表的型式評價(jià)大綱也會依據(jù)其工作環(huán)境，對其 EMS 能力做出具體要求，一款合格的儀表也是必須具有良好的 EMS 能力。
本文主要對 JB/T 9249-2015 《氯氣流量計(jì)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》及 JJG 1029—2007 《氯氣流量計(jì)檢定規(guī)程》附錄 A 型式評價(jià)大綱中提到的靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度及電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度等五方面氯氣流量計(jì) EMS 特性，展開分析并提出改善建議。同時(shí)，工頻磁場抗擾度雖然在兩種標(biāo)準(zhǔn)中未提到，但在氯氣流量計(jì)的實(shí)際使用過程中，工頻磁場也是影響其工作特性的主要因素。
1 氯氣流量計(jì)電磁干擾的引入路徑
絕大多數(shù)的電磁干擾，都是通過電源線、信號線進(jìn)入到電子電路內(nèi)，同樣，氯氣流量計(jì)也是如此。圖 1 為常見氯氣流量計(jì)電源及信號輸出部分設(shè)計(jì)。

從圖1 中可以看到，供電電源 +24 V， +12 V均可，直流電源通過瓷片電容 C1 濾掉部分紋波，然后通過線性穩(wěn)壓芯片 78M05，得到 + 5 V 電壓，為后面的氯氣流量計(jì)信號處理電路供電，若要再得到 3. 3 V 電壓，通常會在 78M05 后再加一片線性穩(wěn)壓芯片 LM1117-3. 3，為了節(jié)約成本，供電電路沒有做 EMS 設(shè)計(jì)。同時(shí)，脈沖輸出部分，僅通過一個(gè) MOS 管和兩個(gè)穩(wěn)壓管，也沒有 EMS 方面的設(shè)計(jì)考慮。
2 氯氣流量計(jì)的電磁兼容特性
2. 1 靜電放電抗擾度
靜電放電抗擾度 ESD，即對靜電放電產(chǎn)生的脈沖騷擾的抗擾度。靜電放電能量不大，但是電壓很高，有時(shí)高達(dá)上萬伏，雖然對人體沒有什么傷害，但其對電子元器件的傷害卻是致命的，整個(gè)電路只要有一個(gè)電子元器件失效，就可能會導(dǎo)致整個(gè)電路失效。氯氣流量計(jì)靜電放電抗擾度試驗(yàn)遵循標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17626. 2 《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》 ，在試驗(yàn)過程中，會對人們能夠接觸到的氯氣流量計(jì)部位，進(jìn)行放電試驗(yàn)。氯氣流量計(jì)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，接觸放電要求 4 kV，但型式評價(jià)試驗(yàn)，接觸放電會做到6 kV，所以建議流量計(jì)生產(chǎn)廠家，氯氣流量計(jì)電子電路設(shè)計(jì)時(shí)，ESD 接觸放電做到 6 kV。
在氯氣流量計(jì)型式評價(jià)試驗(yàn)中，靜電放電抗擾度試驗(yàn)基本都能通過，即使電路沒有靜電保護(hù)器件，這不代表著電路不需要靜電保護(hù)。這是因?yàn)?GB/T 17626. 2 要求只對日常人們能夠接觸到部位進(jìn)行放電試驗(yàn)，這也就意味著只要氯氣流量計(jì)表體可靠接地，在進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)時(shí)，電流會直接導(dǎo)入大地，這也就不會對內(nèi)部電子電路產(chǎn)生影響。但在實(shí)際氯氣流量計(jì)的使用過程中，工程師需要開蓋接線、調(diào)整放大倍數(shù)、調(diào)整儀表系數(shù)等，這都給了靜電進(jìn)入電子電路的機(jī)會，這種隨機(jī)性電路破壞*難察覺，也就給儀表的維修帶來了*大的困難。在電子電路設(shè)計(jì)中，建議工程師在電源部分加壓敏電阻，在需要保護(hù)的關(guān)鍵電子元器件旁加 TVS ( 瞬態(tài)電壓抑制器) 管來抑制靜電干擾; 在流量計(jì)需要開蓋時(shí)，建議工程師提前把靜電釋放掉或帶靜電手環(huán)等靜電防護(hù)設(shè)施作業(yè)。
2. 2 射頻電磁場輻射抗擾度
射頻電磁場輻射抗擾度，即對空間騷擾電磁波的抗擾度?？臻g中的騷擾電磁波是無處不在的，例如無線電廣播、電視臺的發(fā)射機(jī)、手機(jī)等。氯氣流量計(jì)射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)遵循 GB/T17626. 3 《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)》 ，要求試驗(yàn)等級為 3 級，即頻率范圍80 ～1 000 MHz，試驗(yàn)場強(qiáng) 10 V/m。為了防止外界電磁波影響試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，為了工作人員身體健康的考慮，試驗(yàn)需要在半電波暗室內(nèi)進(jìn)行。空間騷擾電磁波對氯氣流量計(jì)的影響相較于靜電更加隨機(jī)，若氯氣流量計(jì)此項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，會時(shí)刻影響其性能。氯氣流量計(jì)工作信號頻率*高 3 000 Hz 左右，沒有高頻信號處理電路，一般空間騷擾電磁波不會直接對電子電路產(chǎn)生影響。在流量計(jì)實(shí)際使用過程中，其主要的空間電磁波干擾是由電源線引入的，電源線相當(dāng)于接收天線，將空間騷擾電磁波接收到電子電路內(nèi)部。在電子電路設(shè)計(jì)中，建議在 PCB 空間允許的情況下，盡量加粗電源線和地線，同時(shí)可采用 DC-DC 隔離電源模塊。
2. 3 電快速瞬變脈沖群抗擾度
電快速瞬變脈沖群抗擾度，即某些電路產(chǎn)生的群脈沖的抗擾度，騷擾從導(dǎo)線引入。電快速瞬變脈沖群主要產(chǎn)生原因?yàn)? 電感負(fù)載 ( 如繼電器、接觸器) 斷開時(shí)，由于開關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。氯氣流量計(jì)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)遵循GB/T 17626. 4 《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》，氯氣流量計(jì)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，供電電源與保護(hù)地之間，峰值電壓 2 kV，試驗(yàn)時(shí)間 60 s，重復(fù)頻率 5 kHz。而其型式評價(jià)大綱對項(xiàng)指標(biāo)暫未做要求。
電快速瞬變脈沖群的特點(diǎn)為，脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)頻率較高、脈沖波形的上升時(shí)間短暫、單個(gè)脈沖的能量較低。一般不會導(dǎo)致流量計(jì)的損壞，但是由于其頻譜分布寬，所以仍然會對氯氣流量計(jì)內(nèi)部電子器件可靠工作產(chǎn)生影響。在氯氣流量計(jì)的實(shí)際使用中，若接 PLC 使用，繼電器的閉合斷開是難免的，這也就要求工程師在設(shè)計(jì)氯氣流量計(jì)電子電路時(shí)，做好相應(yīng)防護(hù)的考慮。在電子電路設(shè)計(jì)中，加 TVS 二*管是比較好的選擇，相較于 EMI 濾波器成本會較低很多。
2. 4 浪涌抗擾度
浪涌抗擾度，即對雷電或某些電路產(chǎn)生的脈沖騷擾的抗擾度，騷擾從導(dǎo)線加入。浪涌主要產(chǎn)生原因?yàn)? 雷電和電氣設(shè)備的啟停等，其中雷擊引起的浪涌危害尤為嚴(yán)重，其為單脈沖型，且能量巨大，會在幾微妙內(nèi)到達(dá)上萬伏，一旦進(jìn)入沒有相關(guān)保護(hù)的氯氣流量計(jì)內(nèi)部電子電路，會導(dǎo)致氯氣流量計(jì)直接損壞。氯氣流量計(jì)浪涌抗擾度試驗(yàn)遵循 GB/T 17626. 5 《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 浪涌 ( 沖擊) 擾度試驗(yàn)》，氯氣流量計(jì)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，開路試驗(yàn)電壓 1. 0 kV，浪涌波形1. 2/50 us ～8/20 us。而其型式評價(jià)大綱對此項(xiàng)指標(biāo)暫未做要求。
氯氣流量計(jì)多用于蒸汽流量的計(jì)量，通常需要裝在戶外，這也就時(shí)刻在雷電的考驗(yàn)之下。當(dāng)然外殼可靠接地，是避免雷擊*簡單有效的方式，但其也不可能完全避免浪涌進(jìn)入氯氣流量計(jì)內(nèi)部電子電路。這也就要求工程師在設(shè)計(jì)氯氣流量計(jì)電子電路時(shí)，做好相應(yīng)防護(hù)的考慮。在電子電路設(shè)計(jì)中，這里又會提到 TVS 二*管，確實(shí)，TVS二*管在應(yīng)對脈沖型干擾，作用是相當(dāng)明顯的。TVS 二*管是目前普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有*快的響應(yīng)時(shí)間 ( 亞納秒級)和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。同時(shí)，在電子電路設(shè)計(jì)中，陶瓷放電管和壓敏電阻也是可以選擇配合TVS 二*管一起使用。
2. 5 電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度
電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度，即對供電電源變化的抗擾度。氯氣流量計(jì)電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)遵循 GB/T17626. 11 《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)》，氯氣流量計(jì)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求: 電源變化影響，直流供電的氯氣流量計(jì)在額定電壓變化 ±10% 的情況各運(yùn)行 15 min; 電源短時(shí)中斷，電源中斷 0% U T ，持續(xù)時(shí)間 250/300 周期 ( 50 Hz 試驗(yàn)采用 250 周期，60 Hz 試驗(yàn)采用 300 周期) ，中斷 10 次，試驗(yàn)過程中允許氯氣流量計(jì)出錯(cuò)，電壓恢復(fù)后應(yīng)能自動恢復(fù)。而其型式評價(jià)大綱對此項(xiàng)指標(biāo)暫未做要求。
氯氣流量計(jì)在實(shí)際使用過程中，電壓變化是在所難免的。在電子電路設(shè)計(jì)中，對于電源變化，78M05 的輸入電壓范圍為( 8 ～35) V，就可以滿足;對于電源短時(shí)中斷，MCU 程序上則需要及時(shí)做好參數(shù)保存。
2. 6 工頻磁場抗擾度
工頻磁場抗擾度，即對 50 Hz 交流電產(chǎn)生的強(qiáng)磁場的抗擾度。此項(xiàng)抗擾度指標(biāo)在兩種標(biāo)準(zhǔn)中，均未提及，但在氯氣流量計(jì)的使用過程中，經(jīng)常會引入 50 Hz 工頻干擾，導(dǎo)致流量計(jì)偏快或工作不正常。工頻磁場抗擾度試驗(yàn)遵循 GB/T 17626. 8《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 工頻磁場抗擾度試驗(yàn)》，參照電磁流量計(jì)和渦輪流量計(jì)附錄A 型式評價(jià)部分的工頻磁場抗擾度試驗(yàn)要求，建議工程師設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，按照試驗(yàn)等級 3 級，即 10 A/m 設(shè)計(jì)。
只要有220 V 供電設(shè)備的場所，就會產(chǎn)生工頻磁場干擾。這也就需要工程師采取相關(guān)措施，防止工頻干擾進(jìn)入氯氣流量計(jì)電子電路。一般解決措施為: 加電源濾波器、流量計(jì)良好接地、采用高導(dǎo)磁材料做屏蔽層的線纜等。
3 結(jié)束語
目前，國內(nèi)大多數(shù)氯氣流量計(jì)生產(chǎn)廠家不太重視氯氣流量計(jì)的電磁兼容特性。這也導(dǎo)致了在流量計(jì)使用過程中，諸如流量計(jì)存儲數(shù)據(jù)丟失、工頻干擾、流量計(jì)電子部分突然失靈等問題頻頻發(fā)生。隨著時(shí)代的發(fā)展，我們身邊電子設(shè)備日益增多，氯氣流量計(jì)的工作電磁環(huán)境也日趨復(fù)雜，這也要求氯氣流量計(jì)的電磁兼容特性經(jīng)得起考驗(yàn)。

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