氮氣流量計的電磁兼（jiān）容特性（xìng）分析

摘要: 文（wén）章主要對 JB/T 9249-2015 《氮氣流量計（jì）機械行業標準》及 JJG 1029-2007 《氮氣流量計檢定規程》附錄 A 型式評價大綱（gāng）電磁兼容性能中的電磁抗擾度檢測部分中五（wǔ）個方（fāng）麵（miàn）進行（háng）了特性分析，並針對其相關電磁（cí）抗擾度（dù）特性，建（jiàn）議氮氣流（liú）量（liàng）計型式評價大綱電磁（cí）兼容性能試驗部分增加電（diàn）快速（sù）瞬變脈（mò）衝群抗（kàng）擾度、浪（làng）湧抗（kàng）擾度、電壓暫降、短時中（zhōng）斷、電壓（yā）變化的抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗，以提升氮氣流量計的產品性能。
電磁兼容 ( EMC-Electromagnetic Compatibility)是一門新興（xìng）的綜（zōng）合性（xìng）學科，主（zhǔ）要研究電磁（cí）騷擾( EMI) 和電磁抗擾度 ( EMS) 的問題，即各種含有電子器件的設備、電路在一定的電（diàn）磁環境（jìng）下，都能正常工作，互不幹擾。簡單的來講，EMI 就是含有電子器（qì）件的設（shè）備（bèi）、電路對外發射（shè）的電磁騷擾的特性，而 EMS 就是含有電子（zǐ）器件的（de）設（shè）備、電（diàn）路對外界發射的電磁騷擾的抵抗能力（lì）。
工業儀表，主要關（guān）注的是（shì）其 EMS 能力（lì），這是因為工業（yè）儀表的使用環境，一般都很（hěn）惡劣，環境中會充斥著人們看不（bú）到的各種電磁（cí）幹擾，諸如工頻磁場幹擾、電快速脈衝群、靜電、浪湧等。這些看不見、摸不著的（de）電磁幹擾（rǎo），往往是人們*容易忽略，也是影響工業儀表特性（xìng）的關鍵。每（měi）種工業儀表的型式評價大綱也會依據其工作（zuò）環境，對其 EMS 能力做出具體要求，一款合格的儀表也（yě）是必（bì）須具有良好的 EMS 能力。
本文主要對 JB/T 9249-2015 《氮氣流量計機（jī）械行業標（biāo）準》及 JJG 1029—2007 《氮（dàn）氣流（liú）量計檢定規程》附錄（lù） A 型式評價大綱中（zhōng）提到的靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾（rǎo）度、電快速瞬變脈衝（chōng）群抗擾度、浪湧抗（kàng）擾度及電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度等五方麵氮氣流量計 EMS 特（tè）性，展開分析（xī）並提出改善建議。同時，工頻磁場抗擾度雖然（rán）在兩種標準中（zhōng）未提到（dào），但在氮氣流量計的實際（jì）使用過程中，工頻磁場也是影響其工作特性的主要因素。
1 氮氣流量（liàng）計電磁幹擾的引入路徑
絕大多數的電磁幹擾，都是通過電源線、信號線進入到電子電路內，同樣，氮氣流量計（jì）也是如此。圖（tú） 1 為常見氮（dàn）氣流量計電源及（jí）信號輸出部分設計（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（róng） C1 濾掉部分紋波，然後通過線性穩壓芯片（piàn） 78M05，得到 + 5 V 電壓，為後麵的氮氣流量（liàng）計信號處理電路供電，若要再（zài）得到（dào） 3. 3 V 電壓（yā），通常會在 78M05 後再加一片線（xiàn）性穩壓芯片 LM1117-3. 3，為了節約成本，供電電路沒有做 EMS 設計。同時，脈衝輸出部分，僅通過一（yī）個 MOS 管和兩（liǎng）個（gè）穩壓（yā）管，也沒有 EMS 方麵的設計考慮。
2 氮氣流量計的電（diàn）磁兼容特（tè）性
2. 1 靜電放電抗擾度（dù）
靜電放電抗擾度 ESD，即對靜電放電產生的脈衝騷擾的抗擾度。靜電放（fàng）電能量不大，但是電（diàn）壓很高，有時高達上（shàng）萬伏，雖然對（duì）人體沒有什麽（me）傷害，但其對電子元器件的傷害卻是致命的，整個電路隻要有一（yī）個電子元器件失效，就可能會導致整個電路失效。氮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（shì）驗和測量技術 靜電放電抗擾（rǎo）度試驗》 ，在試（shì）驗（yàn）過程中，會對人（rén）們能（néng）夠接（jiē）觸到的氮氣流量計部位，進行放電（diàn）試驗。氮氣流量計機械行（háng）業標準（zhǔn），接觸放（fàng）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廠家，氮氣流量計電子電路設計（jì）時，ESD 接觸放電做到 6 kV。
在氮氣（qì）流量計型式評（píng）價試驗中（zhōng），靜電放電抗擾度試驗基本都能通過，即使電（diàn）路沒有靜電保護器件（jiàn），這不代表著電路不需（xū）要（yào）靜電保護。這是因為 GB/T 17626. 2 要求隻對日常人們能夠接觸（chù）到部位進行（háng）放電試驗（yàn），這也就意味著隻要氮氣流量計表體可靠（kào）接地，在進行靜電放電試驗時，電流會直接導入大地，這也就不會對內部電子電路產生（shēng）影響。但在實（shí）際氮氣流量計的使用過程中，工（gōng）程師需要開蓋接（jiē）線、調整（zhěng）放大倍數（shù）、調（diào）整儀表係數等，這都給（gěi）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。在電子電路設計中，建議工程師在電源部分加壓敏電阻（zǔ），在需要保（bǎo）護的關鍵電子元（yuán）器件旁加 TVS ( 瞬態電壓抑製器) 管來抑製靜電（diàn）幹擾; 在流（liú）量計需要開蓋時，建議工程師提前把靜電釋放（fàng）掉或帶靜電手環等靜電防護設施作（zuò）業。
2. 2 射頻電（diàn）磁（cí）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。空間中的騷擾電磁波（bō）是無處不在的，例如無線電廣播（bō）、電視台的發射機、手（shǒu）機等。氮氣流量（liàng）計射頻電（diàn）磁場輻射（shè）抗擾度試驗遵循 GB/T17626. 3 《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻（fú）射抗擾度試（shì）驗》 ，要求試驗等級為 3 級，即頻率範圍80 ～1 000 MHz，試驗場（chǎng）強 10 V/m。為了防（fáng）止外界電磁波影響試驗結（jié）果，同時，為了工（gōng）作人員身體健（jiàn）康的考慮，試驗（yàn）需要在半電（diàn）波暗室內進行。空間騷擾電磁波對氮（dàn）氣流量計的影響（xiǎng）相較於靜電（diàn）更加隨機，若氮氣流量計此項指標不達（dá）標（biāo），會時刻影響其性能。氮氣（qì）流量計工作信號頻率*高 3 000 Hz 左右，沒（méi）有高頻信號處理電路，一般空間騷擾電磁波不會直接（jiē）對電子電路產生影響。在流量計實際（jì）使用過程中（zhōng），其（qí）主要的空間電磁波幹擾是由電（diàn）源線引入的，電（diàn）源線相當於接收天線（xiàn），將空間（jiān）騷擾電磁波接收到電子電路內部。在電（diàn）子電路設計中，建議在 PCB 空間允許的情況下，盡量加（jiā）粗電源線和地（dì）線，同時可采用 DC-DC 隔離電源模塊。
2. 3 電快速瞬變脈衝群抗擾度
電快速（sù）瞬變（biàn）脈（mò）衝群抗（kàng）擾度（dù），即某些電路產生的群脈衝的抗擾度，騷擾（rǎo）從導線引入。電快速瞬變脈衝（chōng）群主要產（chǎn）生原因為: 電感負載 ( 如繼電（diàn）器、接觸器) 斷開時，由於開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產生（shēng）的暫（zàn）態騷擾。氮氣流量計電快速瞬（shùn）變脈（mò）衝群抗擾度試驗遵（zūn）循GB/T 17626. 4 《電磁兼容 試驗和測量技術（shù） 電快速瞬（shùn）變脈衝群抗擾度試驗》，氮氣流量計機械行業標（biāo）準要求，供電電源（yuán）與保護地之間，峰值電壓 2 kV，試驗時間 60 s，重（chóng）複頻率 5 kHz。而其型式評價（jià）大綱對項指標暫未做要求。
電快速瞬變脈衝群的特點為，脈（mò）衝成群出現、脈衝的重複頻率較高、脈衝波形的上（shàng）升時（shí）間短暫、單個脈衝的能（néng）量較低。一般不會導（dǎo）致流量計的損壞，但（dàn）是由（yóu）於（yú）其頻譜分布寬，所以仍然會（huì）對氮氣流量計內部電子器件可靠工作產生影響。在氮（dàn）氣流量計（jì）的實際使用中，若接 PLC 使（shǐ）用，繼電器的（de）閉合斷開是難免的，這也就要求工程師在設計（jì）氮氣（qì）流量計電子電路時（shí），做好相應防護的考慮。在電子電路設計中，加 TVS 二*管是比（bǐ）較好的選擇，相較於 EMI 濾波器成本會較低很多。
2. 4 浪湧抗擾度
浪湧抗擾度，即對雷電（diàn）或某些電路產生的脈衝騷擾的抗擾度，騷擾從導線加入。浪（làng）湧主要產（chǎn）生原（yuán）因為: 雷電和電氣設備的啟停等，其中雷（léi）擊引起的浪湧危害尤（yóu）為嚴重，其為單脈衝型，且（qiě）能量巨（jù）大，會在幾微妙內（nèi）到達上萬伏，一（yī）旦進入沒有相（xiàng）關保護的氮氣流（liú）量計（jì）內部電子電路，會導致氮氣流量（liàng）計直接損壞（huài）。氮氣流量（liàng）計浪湧抗擾度試驗遵循 GB/T 17626. 5 《電磁（cí）兼容 試驗和測量技術 浪湧 ( 衝擊) 擾（rǎo）度試驗》，氮氣流量計機械行業標準要求，開路試驗電壓 1. 0 kV，浪湧波形1. 2/50 us ～8/20 us。而其型（xíng）式評價大綱對此項（xiàng）指標（biāo）暫未做要求。
氮氣流（liú）量計多用於蒸汽（qì）流量的計量，通常需要裝在戶外（wài），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（de）方式，但其也（yě）不可（kě）能（néng）完（wán）全避免浪湧進入氮氣流量（liàng）計內部電子電路。這也就要求工程師在設計氮氣流量計電子（zǐ）電路時，做好相應（yīng）防護的考慮。在電子電路設計中，這裏又會提到（dào） TVS 二*管，確實，TVS二*管在（zài）應對脈衝（chōng）型幹擾（rǎo），作用是相當明顯的。TVS 二*管是目前普（pǔ）遍使用的一種（zhǒng）新型（xíng）高效電路保護器件，它具有*快的（de）響應時間 ( 亞納秒級)和相當高的浪湧吸收能（néng）力。同時，在電子（zǐ）電路設計（jì）中，陶瓷放電管和壓敏（mǐn）電阻也是可以選擇配合TVS 二*管（guǎn）一起使用。
2. 5 電壓暫降（jiàng）、短時中斷和電壓變化的抗（kàng）擾度
電壓暫降、短時中（zhōng）斷和電壓變化的（de）抗擾度，即（jí）對供電電源變化的抗擾度。氮氣流量計電壓（yā）暫（zàn）降（jiàng）、短時（shí）中斷和電壓變化的抗擾度試驗遵（zūn）循（xún） GB/T17626. 11 《電（diàn）磁兼容 試驗（yàn）和（hé）測量（liàng）技術 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗》，氮氣流量計機械行業標準要求: 電源變化影（yǐng）響，直流供電的氮氣流量計在額（é）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 ，持續時間 250/300 周期 ( 50 Hz 試驗采（cǎi）用 250 周期，60 Hz 試驗（yàn）采用 300 周期（qī）) ，中斷 10 次（cì），試（shì）驗過程中允許氮氣（qì）流量計出錯，電壓恢複後應能自動恢複。而其（qí）型式（shì）評價（jià）大綱對此項（xiàng）指標暫未做要求。
氮氣流量計在實際使用過程中，電（diàn）壓變化是在所（suǒ）難免的。在電子電路設（shè）計中，對於（yú）電源變化，78M05 的輸（shū）入電壓範（fàn）圍為( 8 ～35) V，就可以滿足;對（duì）於電源短時中斷，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（gōng）頻磁場抗擾度，即對 50 Hz 交流電產生的（de）強磁場（chǎng）的抗擾度。此項抗擾度指標在兩種標準中，均未提（tí）及，但在氮氣流量計的使用過程中，經常會引入 50 Hz 工頻幹擾，導致流量計偏快或工作不正常。工頻磁場抗擾度（dù）試驗（yàn）遵循 GB/T 17626. 8《電磁兼容（róng） 試驗和測量技術 工頻磁場抗擾（rǎo）度試驗》，參照電（diàn）磁流量計和渦（wō）輪（lún）流量計附（fù）錄A 型式（shì）評價部分的工頻磁場抗擾度試驗（yàn）要（yào）求，建議工程師設計（jì）電子電路時，按照試驗等級 3 級，即 10 A/m 設計。
隻要有220 V 供電設備的（de）場所（suǒ），就會產生工頻磁場幹擾。這（zhè）也就需要工程師采取相關措施，防止工頻幹擾進入氮（dàn）氣流量計電子電路（lù）。一般解決措施（shī）為: 加電源濾波器、流量計良好接地、采用高導磁材料做屏蔽層的線纜等。
3 結束語（yǔ）
目前（qián），國內大多數（shù）氮氣流量計生產廠家不太重（chóng）視氮（dàn）氣流量計的電磁兼容特性。這也導致（zhì）了在流量計使用過程中，諸如流量計存儲數據丟失、工頻幹（gàn）擾、流（liú）量（liàng）計（jì）電（diàn）子（zǐ）部分突然失靈等問題頻頻發生。隨著時代的發（fā）展，我們身邊電（diàn）子設備日益增（zēng）多，氮氣流量（liàng）計的（de）工作電磁（cí）環境也日趨複雜，這也要求氮（dàn）氣流量計的電磁兼容特性經得起（qǐ）考驗。

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