氯氣流量計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，這是因為工業(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 《氯氣流量計機械行業(yè)標準》及 JJG 1029—2007 《氯氣流量計檢定規(guī)程》附錄 A 型式評價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、短時中斷和電壓變化的抗擾度等五方面氯氣流量計 EMS 特性，展開分析并提出改善建議。同時，工頻磁場抗擾度雖然在兩種標準中未提到，但在氯氣流量計的實際使用過程中，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、信號線進入到電子電路內(nèi)，同樣，氯氣流量計也是如此。圖 1 為常見氯氣流量計電源及信號輸出部分設(shè)計。

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。同時，脈沖輸出部分，僅通過一個 MOS 管和兩個穩(wěn)壓管，也沒有 EMS 方面的設(shè)計考慮。
2 氯氣流量計的電磁兼容特性
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，有時高達上萬伏，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，整個電路只要有一個電子元器件失效，就可能會導(dǎo)致整個電路失效。氯氣流量計靜電放電抗擾度試驗遵循標準 GB/T 17626. 2 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗》 ，在試驗過程中，會對人們能夠接觸到的氯氣流量計部位，進行放電試驗。氯氣流量計機械行業(yè)標準，接觸放電要求 4 kV，但型式評價試驗，接觸放電會做到6 kV，所以建議流量計生產(chǎn)廠家，氯氣流量計電子電路設(shè)計時，ESD 接觸放電做到 6 kV。
在氯氣流量計型式評價試驗中，靜電放電抗擾度試驗基本都能通過，即使電路沒有靜電保護器件，這不代表著電路不需要靜電保護。這是因為 GB/T 17626. 2 要求只對日常人們能夠接觸到部位進行放電試驗，這也就意味著只要氯氣流量計表體可靠接地，在進行靜電放電試驗時，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。但在實際氯氣流量計的使用過程中，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，這都給了靜電進入電子電路的機會，這種隨機性電路破壞*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)計中，建議工程師在電源部分加壓敏電阻，在需要保護的關(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; 在流量計需要開蓋時，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、手機等。氯氣流量計射頻電磁場輻射抗擾度試驗遵循 GB/T17626. 3 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》 ，要求試驗等級為 3 級，即頻率范圍80 ～1 000 MHz，試驗場強 10 V/m。為了防止外界電磁波影響試驗結(jié)果，同時，為了工作人員身體健康的考慮，試驗需要在半電波暗室內(nèi)進行?？臻g騷擾電磁波對氯氣流量計的影響相較于靜電更加隨機，若氯氣流量計此項指標不達標，會時刻影響其性能。氯氣流量計工作信號頻率*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。在流量計實際使用過程中，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)生原因為: 電感負載 ( 如繼電器、接觸器) 斷開時，由于開關(guān)觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。氯氣流量計電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗遵循GB/T 17626. 4 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》，氯氣流量計機械行業(yè)標準要求，供電電源與保護地之間，峰值電壓 2 kV，試驗時間 60 s，重復(fù)頻率 5 kHz。而其型式評價大綱對項指標暫未做要求。
電快速瞬變脈沖群的特點為，脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)頻率較高、脈沖波形的上升時間短暫、單個脈沖的能量較低。一般不會導(dǎo)致流量計的損壞，但是由于其頻譜分布寬，所以仍然會對氯氣流量計內(nèi)部電子器件可靠工作產(chǎn)生影響。在氯氣流量計的實際使用中，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)計氯氣流量計電子電路時，做好相應(yīng)防護的考慮。在電子電路設(shè)計中，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)生原因為: 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重，其為單脈沖型，且能量巨大，會在幾微妙內(nèi)到達上萬伏，一旦進入沒有相關(guān)保護的氯氣流量計內(nèi)部電子電路，會導(dǎo)致氯氣流量計直接損壞。氯氣流量計浪涌抗擾度試驗遵循 GB/T 17626. 5 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 浪涌 ( 沖擊) 擾度試驗》，氯氣流量計機械行業(yè)標準要求，開路試驗電壓 1. 0 kV，浪涌波形1. 2/50 us ～8/20 us。而其型式評價大綱對此項指標暫未做要求。
氯氣流量計多用于蒸汽流量的計量，通常需要裝在戶外，這也就時刻在雷電的考驗之下。當然外殼可靠接地，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入氯氣流量計內(nèi)部電子電路。這也就要求工程師在設(shè)計氯氣流量計電子電路時，做好相應(yīng)防護的考慮。在電子電路設(shè)計中，這里又會提到 TVS 二*管，確實，TVS二*管在應(yīng)對脈沖型干擾，作用是相當明顯的。TVS 二*管是目前普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有*快的響應(yīng)時間 ( 亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。同時，在電子電路設(shè)計中，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、短時中斷和電壓變化的抗擾度
電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度，即對供電電源變化的抗擾度。氯氣流量計電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗遵循 GB/T17626. 11 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗》，氯氣流量計機械行業(yè)標準要求: 電源變化影響，直流供電的氯氣流量計在額定電壓變化 ±10% 的情況各運行 15 min; 電源短時中斷，電源中斷 0% U T ，持續(xù)時間 250/300 周期 ( 50 Hz 試驗采用 250 周期，60 Hz 試驗采用 300 周期) ，中斷 10 次，試驗過程中允許氯氣流量計出錯，電壓恢復(fù)后應(yīng)能自動恢復(fù)。而其型式評價大綱對此項指標暫未做要求。
氯氣流量計在實際使用過程中，電壓變化是在所難免的。在電子電路設(shè)計中，對于電源變化，78M05 的輸入電壓范圍為( 8 ～35) V，就可以滿足;對于電源短時中斷，MCU 程序上則需要及時做好參數(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)生的強磁場的抗擾度。此項抗擾度指標在兩種標準中，均未提及，但在氯氣流量計的使用過程中，經(jīng)常會引入 50 Hz 工頻干擾，導(dǎo)致流量計偏快或工作不正常。工頻磁場抗擾度試驗遵循 GB/T 17626. 8《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 工頻磁場抗擾度試驗》，參照電磁流量計和渦輪流量計附錄A 型式評價部分的工頻磁場抗擾度試驗要求，建議工程師設(shè)計電子電路時，按照試驗等級 3 級，即 10 A/m 設(shè)計。
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，防止工頻干擾進入氯氣流量計電子電路。一般解決措施為: 加電源濾波器、流量計良好接地、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)氯氣流量計生產(chǎn)廠家不太重視氯氣流量計的電磁兼容特性。這也導(dǎo)致了在流量計使用過程中，諸如流量計存儲數(shù)據(jù)丟失、工頻干擾、流量計電子部分突然失靈等問題頻頻發(fā)生。隨著時代的發(fā)展，我們身邊電子設(shè)備日益增多，氯氣流量計的工作電磁環(huán)境也日趨復(fù)雜，這也要求氯氣流量計的電磁兼容特性經(jīng)得起考驗。

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