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渦街蒸汽流量計的電磁幹擾路徑(jìng)與電磁兼容特性分析

點擊次數:2208 發布時間:2021-01-07 15:10:10
摘要: 文章(zhāng)主要對 JB/T 9249-2015 《渦(wō)街蒸汽流量計機械行業標準》及 JJG 1029-2007 《渦(wō)街蒸汽流量計檢定規程》附錄 A 型式評價大綱電磁兼容性能中的電磁抗擾度檢測(cè)部分中五個方麵(miàn)進行了特性分析,並(bìng)針對其相(xiàng)關電磁抗擾度特性,建議渦(wō)街蒸汽(qì)流量計型式評(píng)價大綱電磁兼容性能試驗部分增加電快速瞬變脈衝群抗擾度、浪湧抗擾(rǎo)度、電壓(yā)暫降、短時中斷、電壓變化的抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗,以提升渦街蒸汽流量計的產品性能。
電磁兼容 ( EMC-Electromagnetic Compatibility)是一門新興的綜(zōng)合性學(xué)科,主要(yào)研究(jiū)電磁騷擾( EMI) 和(hé)電磁抗擾度 ( EMS) 的問題,即各種含有(yǒu)電子(zǐ)器件的設備、電路在一定的(de)電磁環境下(xià),都能正常工作,互(hù)不幹擾。簡單的來講,EMI 就是含有(yǒu)電(diàn)子器件的設備、電路對外發射的電磁騷擾的特性,而 EMS 就是含有電子器件的設備、電路對外界發射的電(diàn)磁騷擾的抵抗能力。
工業儀表,主要(yào)關(guān)注的是其(qí) EMS 能力,這是因為(wéi)工業儀表的使用環境,一般都很惡劣,環境中會充斥著(zhe)人們(men)看不到的各種電磁幹擾,諸如(rú)工頻磁場幹擾、電快速脈衝群、靜電、浪湧等。這些看不見、摸不著的電磁幹擾,往往是人們*容易忽略,也(yě)是影響工業儀表特性的關鍵。每種工業儀表的型式(shì)評價大綱也會依(yī)據其(qí)工作環境,對其 EMS 能力做(zuò)出具體要求(qiú),一款合格的儀表也是必須具有良好的(de) EMS 能力。
本文主要對 JB/T 9249-2015 《渦(wō)街蒸汽(qì)流量計機械(xiè)行業標準》及 JJG 1029—2007 《渦街蒸汽(qì)流量計檢定規程》附錄 A 型式評價大綱中提到的靜電放電抗擾度、射頻電磁(cí)場輻射抗擾度、電快速瞬變脈衝群抗擾度(dù)、浪湧抗擾度及電壓暫降、短時中斷和(hé)電壓變化(huà)的抗擾度等五方麵渦街蒸汽流(liú)量計(jì) EMS 特性,展開分析並提出改善建議。同時,工頻磁場抗擾度雖然在(zài)兩種標準中未提(tí)到,但在渦街蒸(zhēng)汽流量計的實(shí)際使用過(guò)程中(zhōng),工頻磁場也是影響其工作特性的主要因素。
1 渦街蒸汽流量(liàng)計電磁幹擾的引入路徑
絕大(dà)多數的電磁幹(gàn)擾,都(dōu)是通過電(diàn)源線、信號線進入到電子電路內,同樣,渦街蒸汽流量計也是如此。圖 1 為常見渦街蒸汽流量計電源及(jí)信號輸出部(bù)分設計。

從圖1 中可以看到,供電電源 +24 V, +12 V均可,直(zhí)流電源通過瓷片電(diàn)容 C1 濾掉部分(fèn)紋波,然後通過線(xiàn)性穩壓芯(xīn)片 78M05,得到 + 5 V 電壓,為(wéi)後麵的(de)渦街(jiē)蒸汽流量計信(xìn)號處理(lǐ)電路(lù)供電,若要再得到 3. 3 V 電(diàn)壓,通常會在 78M05 後再加一片(piàn)線性穩壓芯片 LM1117-3. 3,為了節約成本,供電電路沒有做 EMS 設計。同時,脈衝(chōng)輸出部分,僅通過一個 MOS 管和(hé)兩個穩壓管,也沒有 EMS 方麵的(de)設計(jì)考慮(lǜ)。
2 渦街蒸(zhēng)汽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,即對靜電放電產生的脈衝騷擾的抗擾度。靜電放電能量不大,但是電壓很高,有時高達上萬伏,雖然對人體沒有什麽傷害,但其對電子元器件的傷害卻是致命(mìng)的,整個(gè)電路隻(zhī)要有一個電子元器(qì)件失效,就(jiù)可能會導致(zhì)整個電路失效。渦街蒸汽流量(liàng)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(zài)試(shì)驗過程中(zhōng),會對人們能夠接觸到的渦街蒸汽流量計部位,進行放電試驗。渦街蒸汽流量計機械行業標準,接觸放(fàng)電要(yào)求 4 kV,但型式(shì)評價試驗,接觸放電會做到6 kV,所以建議(yì)流量計生(shēng)產廠家,渦街蒸汽流量計電子(zǐ)電路設(shè)計時,ESD 接觸放電(diàn)做到 6 kV。
渦街蒸汽流量計型式評價試驗中,靜電(diàn)放電抗擾度試驗基(jī)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 要求隻對日(rì)常人們能夠接觸到部位(wèi)進行放電試驗,這也就(jiù)意味著隻要渦街蒸汽流量計表體可靠接地,在進行(háng)靜電放電(diàn)試驗時(shí),電流會直(zhí)接(jiē)導入大地,這也就不會對內部電子電路產生影(yǐng)響。但在實際渦街蒸汽流量計的使用過(guò)程中,工程師需要開蓋接(jiē)線、調整放大倍數、調整儀表係數等,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(gěi)儀表的維修帶來了(le)*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,在需要保護的關鍵電(diàn)子元器件旁加 TVS ( 瞬態電壓抑製器) 管(guǎn)來抑製靜電幹擾; 在流量計需要(yào)開(kāi)蓋(gài)時,建議工程師提前把靜電釋放掉或帶靜電手環等靜電防護設施作業。
2. 2 射頻電磁場輻射抗擾度
射頻電磁(cí)場輻射抗擾度,即對空間騷擾電(diàn)磁(cí)波的抗擾(rǎo)度。空間中的騷(sāo)擾電磁波(bō)是無處不在的,例如無(wú)線電(diàn)廣播(bō)、電視台(tái)的發射機、手機等。渦街蒸汽流量計射(shè)頻電(diàn)磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗遵循 GB/T17626. 3 《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁(cí)場輻射抗擾度試驗》 ,要求(qiú)試驗等(děng)級為 3 級,即頻率範圍80 ~1 000 MHz,試驗場強 10 V/m。為了防止外界電磁波影響試(shì)驗結果,同時,為(wéi)了工作人員身體健康的考慮(lǜ),試驗需要在半電波暗(àn)室內進行。空間騷擾電磁波對渦街蒸汽流量(liàng)計的影響相較於靜電更加隨(suí)機,若渦街蒸汽(qì)流量計此項指標不達標,會時刻影響其性能。渦街蒸汽流量計工作信號頻率*高 3 000 Hz 左右,沒有高頻信號處理(lǐ)電路,一般(bān)空間騷擾電磁波不會直接對電子電路產生影響。在流(liú)量計實際使用過程中,其主要的空間電磁波幹擾是由電源線引入的,電源線相當於接收天線,將空間騷擾電磁波接收到電子電路內部(bù)。在電子(zǐ)電路設計中,建議在 PCB 空間允(yǔn)許的情況下,盡量加粗電源線(xiàn)和地線,同(tóng)時可采用 DC-DC 隔離(lí)電源模塊。
2. 3 電快速瞬變脈(mò)衝群抗擾度
電快速瞬變脈衝群抗(kàng)擾度,即某些電路產生的群脈衝的抗(kàng)擾度,騷擾從導線引入。電快速瞬變脈衝群主要(yào)產生原因為: 電感負載 ( 如繼電器、接觸器) 斷開時,由於開關觸點間(jiān)隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原(yuán)因,在斷開處產生的暫態騷擾。渦街蒸汽流(liú)量計電快(kuài)速瞬變脈衝群抗(kàng)擾度試驗(yàn)遵循GB/T 17626. 4 《電磁兼容 試驗和(hé)測量技術 電快速瞬變脈衝群抗擾度試驗》,渦街蒸汽流(liú)量計機械行業標準要求,供電電源(yuán)與保(bǎo)護地之間,峰值電壓 2 kV,試驗時間 60 s,重複頻率 5 kHz。而其型式評價大綱對(duì)項指標暫未做(zuò)要求。
電快速瞬變脈衝群的特點(diǎn)為,脈衝成群出現、脈(mò)衝的重複頻率較高、脈衝波形的上升時間(jiān)短暫、單個脈衝的能量較低。一般不會導致流量計的損(sǔn)壞,但是由於其頻譜分布寬,所以仍然會(huì)對渦街蒸(zhēng)汽流(liú)量計(jì)內部(bù)電子器件可靠工作產生影響。在(zài)渦街蒸汽流(liú)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計渦街蒸汽流量計電子電路(lù)時,做好相應防護的考慮。在電子電路設計中,加 TVS 二*管是比較好的選擇,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(lù)產生的脈衝騷擾的抗擾度,騷擾從導線加入。浪湧主要產生原(yuán)因為: 雷電和電氣設備的啟停等,其中雷擊引起的浪湧危害(hài)尤為嚴(yán)重,其為單脈衝型,且能量巨大,會在幾微妙內到達上萬伏(fú),一旦進入沒有相關保護(hù)的渦街蒸汽(qì)流量(liàng)計內部電子電路(lù),會導致渦街蒸汽流量計直(zhí)接損壞。渦街蒸汽流量計浪湧抗擾度試(shì)驗遵循 GB/T 17626. 5 《電(diàn)磁(cí)兼容 試驗和測量技術 浪湧 ( 衝擊) 擾度試驗》,渦街蒸汽流量計機械行業標準要(yào)求,開路試驗電壓 1. 0 kV,浪湧波形1. 2/50 us ~8/20 us。而(ér)其型式評價大綱對此項指標暫未做要求。
渦街蒸汽流量計多用於蒸汽(qì)流量的計量,通常需要裝在戶外,這也就時刻在雷(léi)電的考驗之下。當然外殼可靠接地,是避免雷擊*簡單(dān)有效(xiào)的(de)方式,但其也不可能完全(quán)避免浪湧進入渦街蒸汽流量計內部電子(zǐ)電路。這也就要求工程師在設計渦(wō)街(jiē)蒸汽流量(liàng)計電子(zǐ)電路時,做好相應防護的考慮。在電子(zǐ)電路設計中,這裏又會提到 TVS 二*管,確實,TVS二(èr)*管在應(yīng)對脈衝型幹擾,作用是相當明顯(xiǎn)的。TVS 二(èr)*管是目前普遍(biàn)使用的一種新型高效電(diàn)路保護器件,它具有(yǒu)*快的響應時間 ( 亞納秒級)和相(xiàng)當高的浪湧吸收能力。同時,在電子電路設計中,陶瓷放電管和壓敏(mǐn)電阻也是可以(yǐ)選擇配合(hé)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(diàn)壓暫降、短時中斷(duàn)和(hé)電壓變化的抗擾度,即對供電電源變化的抗擾度。渦街蒸汽流量計電壓暫降、短時(shí)中斷和(hé)電壓變化的抗擾度試驗遵(zūn)循 GB/T17626. 11 《電(diàn)磁兼容 試驗和測量技術 電壓暫降、短時中斷和(hé)電壓變化的抗擾度試驗》,渦街蒸汽流量計機械行業標準要求: 電(diàn)源變化影響,直流供電的渦街蒸汽流量計在額定電壓(yā)變化 ±10% 的情(qíng)況各運行 15 min; 電源短時(shí)中斷,電源中斷(duàn) 0% U T ,持續時(shí)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(guò)程中(zhōng)允許渦街(jiē)蒸汽流量計出錯,電壓恢複後應能自動恢(huī)複。而其型(xíng)式評價大綱對此項指標暫未做要(yào)求。
渦街蒸汽流量計在實(shí)際使用過程中,電壓(yā)變化是在所難免的。在電子電路設計中,對於電源變化,78M05 的輸入電壓範圍為( 8 ~35) V,就可以滿足;對(duì)於電源短(duǎn)時中斷,MCU 程序上則需要及時做好參數保存。
2. 6 工頻磁場抗擾度
工頻磁場抗擾(rǎo)度,即對 50 Hz 交流電產生的強磁場的抗擾度。此項抗擾度指標在兩種標準中(zhōng),均未提及,但在渦街蒸汽流(liú)量計的使用過程中,經常會引入 50 Hz 工頻幹擾,導致(zhì)流量計偏快或工作不正常。工頻磁場抗擾度試驗遵(zūn)循 GB/T 17626. 8《電磁兼容 試驗和測量技術 工頻磁場抗(kàng)擾度試驗》,參照電磁流量計和渦輪流量計附(fù)錄A 型式評價部分的工頻磁場抗擾度試驗要(yào)求,建議工程師(shī)設計(jì)電子電路(lù)時,按照(zhào)試驗等級 3 級,即 10 A/m 設(shè)計。
隻要有220 V 供電設備的場所,就會產生工頻磁場幹擾。這也就需要工(gōng)程師采(cǎi)取相關措施,防止工頻幹擾進入渦街蒸汽(qì)流量計電子電路。一般解決措施為: 加電源濾波器(qì)、流量計良好接地、采用高(gāo)導磁(cí)材料做屏(píng)蔽層的線纜等。
3 結束語
目前,國內大多數渦街蒸汽流量計生產廠家不太(tài)重視(shì)渦街蒸汽流量計的電磁兼容特(tè)性(xìng)。這也導致(zhì)了在流量計使用(yòng)過程中,諸如流量計存儲(chǔ)數據丟失、工頻幹擾、流量計電子部分突然失靈等問題頻頻發生。隨著(zhe)時代的發展,我們身邊電子設備日益增多,渦街蒸汽(qì)流量計的工作電磁環(huán)境也日趨複雜,這也要求渦街蒸汽流量(liàng)計的電磁兼容特性(xìng)經得起考驗。

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