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關於熱式煙氣流量計的抗幹擾與電磁兼容特性分析

點擊次數:2375 發布時間:2021-01-08 05:53:18
摘(zhāi)要: 文章(zhāng)主要對 JB/T 9249-2015 《熱式煙氣流量計機械行業標準》及 JJG 1029-2007 《熱式煙氣流(liú)量計檢定規程》附錄 A 型(xíng)式評價大綱電磁兼容性(xìng)能中的電磁抗擾度檢測部分中五個方麵進行了特性分析,並針對其相關電磁抗擾度(dù)特性,建議流量計(jì)型式評價大綱電磁兼容(róng)性能試驗部分增加電快速瞬(shùn)變脈衝群抗擾度、浪湧(yǒng)抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷、電壓變化的抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗,以提升流量計的產品性能。
電(diàn)磁兼容 ( EMC-Electromagnetic Compatibility)是一門新興(xìng)的綜合性學科,主要研究電磁騷擾( EMI) 和電磁抗擾度 ( EMS) 的(de)問題,即各種含有電子器件的設備、電路在一定的電(diàn)磁環境下,都(dōu)能正常工作,互不幹擾。簡單的來講,EMI 就是含有電子器件的設備、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磁騷擾(rǎo)的抵抗能力。
工業儀表,主要關注的是(shì)其 EMS 能力,這是因為工業儀表的使用環(huán)境,一般都(dōu)很惡劣,環境中會充斥著人們看不到的各種電磁幹(gàn)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、摸不著的電磁幹擾,往往是人們*容易忽略,也是影響工業儀表特性的關鍵。每種工業(yè)儀表的型式評價大綱也(yě)會(huì)依據(jù)其工作環境,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(de) EMS 能力(lì)。
本文主要對 JB/T 9249-2015 《熱式煙氣流量計機械行(háng)業標準(zhǔn)》及 JJG 1029—2007 《熱式煙氣流量計(jì)檢定規程》附錄 A 型式評價大綱中(zhōng)提到的靜電放(fàng)電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈(mò)衝群抗擾度、浪湧抗擾度及電壓暫(zàn)降、短時中斷和電壓變化的抗擾度等五方麵(miàn)流量計 EMS 特性,展開分析並提出改善建議。同時(shí),工頻磁場抗擾度(dù)雖然(rán)在(zài)兩種標準中未提到,但在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 熱式煙(yān)氣流量(liàng)計電磁幹擾的引入(rù)路徑
絕大多數的電(diàn)磁(cí)幹擾,都是通過(guò)電(diàn)源線、信號線進入到電子電(diàn)路內,同樣,流量計(jì)也是如此。圖 1 為常(cháng)見(jiàn)流量計電源及信號輸出部分設計。

從圖1 中可(kě)以看到,供電電源 +24 V, +12 V均可,直流電源通(tōng)過瓷片電容 C1 濾掉部分紋波,然(rán)後通過線性穩壓芯片 78M05,得到 + 5 V 電壓,為後麵的流量計信號處(chù)理電路供電(diàn),若要再得到 3. 3 V 電壓,通常(cháng)會在 78M05 後再加一片線性穩壓芯(xīn)片 LM1117-3. 3,為了節約成本,供電電路沒有做(zuò) EMS 設計。同時,脈衝輸出部分,僅通過一個 MOS 管和兩個穩壓管,也沒有 EMS 方麵(miàn)的設計考(kǎo)慮。
2 熱式煙氣流量計的電磁(cí)兼容特性
2. 1 靜電放(fàng)電抗擾度
靜電放電抗擾度 ESD,即對靜電(diàn)放電產生的脈衝(chōng)騷擾的抗擾(rǎo)度。靜電放電能量不(bú)大,但是電壓很高,有(yǒu)時高達上萬伏,雖(suī)然對人體沒有(yǒu)什麽傷害,但其對電子元器件的傷害卻是致命的,整個電路隻要有一個電子元器件(jiàn)失(shī)效,就可能會導致整個電路失效。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 靜(jìng)電放(fàng)電(diàn)抗擾度試驗》 ,在(zài)試驗過(guò)程中,會對人們能夠接觸到的流量計部位(wèi),進行放電試驗。流量計機械行業標準,接觸放電要求 4 kV,但型式評(píng)價(jià)試(shì)驗,接觸放電會做到6 kV,所以建議流量計生產廠家,流量計電子電路設計時(shí),ESD 接觸放電做到 6 kV。
熱式煙氣流量計型式評價試(shì)驗中(zhōng),靜電放電抗擾度試驗基本都能通過(guò),即使電路沒有靜電(diàn)保護器件,這不代表著電路不需要靜電保護。這(zhè)是因為 GB/T 17626. 2 要求隻對日常人們能夠接觸到(dào)部位進行放電(diàn)試驗,這也就意(yì)味著隻要流量計表體可靠接地,在進行靜電放電試驗時,電流會直接導入大地(dì),這也就不會對內部電子電路產生(shēng)影(yǐng)響。但在實際流量計的使用過程中,工(gōng)程師需要開蓋接(jiē)線、調整放大倍數、調整儀表(biǎo)係數等,這都給了靜電進入電(diàn)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,在需要保護的關(guān)鍵電子元器件旁加 TVS ( 瞬態電壓抑(yì)製器) 管來抑製靜電幹擾; 在流量計需要開蓋時,建議工程師提前(qián)把靜電釋放掉或帶靜(jìng)電手(shǒu)環等靜電防護設施作業。
2. 2 射頻電(diàn)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(bō)的抗擾度。空間中的騷擾電磁波(bō)是無處不在的,例如(rú)無線電廣播、電視台的發射機、手機等。熱式煙氣流量計射頻電磁場輻射抗(kàng)擾度試驗遵循 GB/T17626. 3 《電磁(cí)兼(jiān)容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度(dù)試驗》 ,要(yào)求試驗等級為(wéi) 3 級,即頻率範圍80 ~1 000 MHz,試驗場強 10 V/m。為了(le)防止外界電磁波影響試驗(yàn)結果,同時,為了工作人員身體健康(kāng)的考慮,試驗需要在半電波暗室內進行。空間騷擾電磁波對(duì)流(liú)量(liàng)計的影響相較於靜電(diàn)更加隨機(jī),若流量計此項指標不達標,會時刻影響其性能。熱式煙氣流(liú)量計工作信號頻率*高 3 000 Hz 左右,沒有高(gāo)頻信號處理電路,一般空間騷擾(rǎo)電磁波不會直接對電子電路產生影響(xiǎng)。在流量計實際使用過程中,其主(zhǔ)要的空間(jiān)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。在電子電路(lù)設計中,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(mó)塊。
2. 3 電快(kuài)速瞬變脈衝群抗擾度
電快速瞬(shùn)變脈衝群(qún)抗擾度,即某些電路產生的群脈衝的抗擾度,騷擾從導線引入。電(diàn)快速(sù)瞬變脈衝群主要產生原(yuán)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(děng)原因,在斷開處產生的暫態騷擾。流(liú)量計電快速瞬變脈衝群抗擾度試驗遵循GB/T 17626. 4 《電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬(shùn)變脈衝群抗擾度試驗(yàn)》,流量計機(jī)械行業標準要(yào)求,供電電源與保護地之間,峰值(zhí)電壓 2 kV,試驗時間 60 s,重複頻(pín)率 5 kHz。而其(qí)型式評價大綱對項指標暫未做要求。
電快速(sù)瞬變脈衝群的(de)特點為,脈衝(chōng)成群出現(xiàn)、脈衝的重複頻率較高、脈衝(chōng)波形(xíng)的上升時間短暫(zàn)、單個脈衝的能量較低(dī)。一般不會導致流量計的損壞,但是由於其頻譜分布寬,所以仍然(rán)會對熱式煙氣流量計內部電子器件可靠工作產生影響(xiǎng)。在(zài)流量計的實際使用(yòng)中,若(ruò)接 PLC 使用,繼電器的閉合斷開是(shì)難免的,這也就要求工程師在設計流量計電子電路時,做好相(xiàng)應防護的考慮。在電子電路設計(jì)中,加 TVS 二*管是比較好的選擇(zé),相較於 EMI 濾(lǜ)波器(qì)成本會較低很多。
2. 4 浪湧抗擾度
浪湧(yǒng)抗擾度,即對雷電或某些(xiē)電(diàn)路產生的脈(mò)衝騷擾的(de)抗(kàng)擾度,騷擾從導線加入。浪湧(yǒng)主要產生原因為: 雷電和電氣設備的啟停等,其(qí)中雷擊引起的浪湧危害尤為(wéi)嚴重,其(qí)為單脈衝型,且能量巨大,會在幾微妙內到達上萬伏,一旦進入沒(méi)有相關保護的流量計內部電子電路,會(huì)導致流量計直接損壞。流(liú)量計浪湧抗擾度(dù)試驗遵循 GB/T 17626. 5 《電磁兼容 試驗和測量技術 浪(làng)湧 ( 衝(chōng)擊) 擾度試驗》,熱式煙氣流量計機械行業標準要求,開路試驗電壓(yā) 1. 0 kV,浪湧波形1. 2/50 us ~8/20 us。而其型式評價大綱對此項指標(biāo)暫未做要求。
流量(liàng)計多用於蒸汽流量的(de)計量(liàng),通常需要裝在戶外,這也就時刻在雷(léi)電的考驗(yàn)之下。當然外殼可靠接(jiē)地,是避免雷擊*簡單有效的方式,但其也不可能完全避免浪湧(yǒng)進(jìn)入流量計(jì)內部電子電路。這也就要求工程師在設計流量計電子電路時,做好相應防(fáng)護的考慮。在(zài)電子電路設計中,這裏又會提到 TVS 二*管,確實,TVS二*管在應對脈衝型幹擾,作(zuò)用是相當(dāng)明顯的。TVS 二*管是目前普遍使用的一種新(xīn)型高(gāo)效電(diàn)路保(bǎo)護(hù)器件,它具(jù)有*快的(de)響(xiǎng)應時間 ( 亞納秒級)和相當(dāng)高的浪湧吸收能力。同時,在電子電路設計中,陶瓷放電管和壓敏電阻也是可以選擇(zé)配合TVS 二*管一起使用(yòng)。
2. 5 電壓暫降、短時中(zhōng)斷和電壓變化的抗擾度
電壓暫降(jiàng)、短(duǎn)時中斷和電壓變化的抗擾度,即對(duì)供電電源變化的抗擾度。熱式煙氣流量(liàng)計電壓暫(zàn)降、短(duǎn)時中斷和電壓(yā)變化的抗擾度(dù)試驗遵循 GB/T17626. 11 《電(diàn)磁兼容 試驗和測量技術 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)》,流(liú)量計機械行業標(biāo)準要求: 電源變化影響,直流供電的流量計在額定(dìng)電壓變化 ±10% 的情況(kuàng)各運行 15 min; 電源短時中(zhōng)斷,電源中斷 0% U T ,持續時間 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,試驗過程中允許流量計出錯,電壓恢複後應能自動恢複。而其型式評價大綱對此項指標暫未做(zuò)要求。
熱式煙氣(qì)流量計(jì)在實際使用過程中,電壓變化是在所難免的。在電子電路設計中,對於電源變化(huà),78M05 的(de)輸入電(diàn)壓(yā)範圍(wéi)為(wéi)( 8 ~35) V,就可以滿足;對於電源短時中斷,MCU 程(chéng)序上則需(xū)要(yào)及(jí)時做好參數保(bǎo)存。
2. 6 工頻磁場抗擾度
工頻磁場抗擾度,即對(duì) 50 Hz 交流電產生的強(qiáng)磁場的抗擾度。此項抗擾度指標在兩種標準中,均未提及,但在流量計的(de)使用過程中,經常會引入 50 Hz 工頻幹擾(rǎo),導致流(liú)量計偏快或工作不(bú)正常。工頻磁(cí)場抗擾(rǎo)度試驗遵循 GB/T 17626. 8《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術 工頻磁場抗擾度試驗》,參照電磁流量(liàng)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,建議工程師設計電子電(diàn)路時,按照試驗等級 3 級,即 10 A/m 設計。
隻(zhī)要有220 V 供電(diàn)設備的場所,就會(huì)產生(shēng)工頻磁場幹擾。這也就需要工程師采取相關措施,防止工頻幹擾(rǎo)進入熱式煙氣流量(liàng)計電(diàn)子(zǐ)電路。一般解決(jué)措施(shī)為: 加電源(yuán)濾波器、流(liú)量計良好接地、采用(yòng)高導磁材料做屏蔽(bì)層的線纜等。
3 結束(shù)語(yǔ)
目前,國內大多數流量計生產廠家不太(tài)重視流量計(jì)的電磁兼容特性。這也導致了在流量計使用過程中,諸如流量計存儲數據丟(diū)失、工頻(pín)幹(gàn)擾、流量計電子部分突然失靈(líng)等(děng)問題頻頻發生。隨著時代的發展,我們身邊電子設(shè)備日益增多,熱式煙氣(qì)流量計的工作電(diàn)磁環境也日趨複雜,這也要求流量計的電磁兼容特性經得起考驗。

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