關(guān)于熱式煙氣流量計的抗干擾與電磁兼容特性分析

摘要: 文章主要對 JB/T 9249-2015 《熱式煙氣流量計機械行業(yè)標準》及 JJG 1029-2007 《熱式煙氣流量計檢定規程》附錄 A 型式評價(jià)大綱電磁兼容性能中的電磁抗擾度檢測部分中五個(gè)方面進(jìn)行了特性分析，并針對其相關(guān)電磁抗擾度特性，建議流量計型式評價(jià)大綱電磁兼容性能試驗部分增加電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷、電壓變化的抗擾度和工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗，以提升流量計的產(chǎn)品性能。
電磁兼容 ( EMC-Electromagnetic Compatibility)是一門(mén)新興的綜合性學(xué)科，主要研究電磁騷擾( EMI) 和電磁抗擾度 ( EMS) 的問(wèn)題，即各種含有電子器件的設備、電路在一定的電磁環(huán)境下，都能正常工作，互不干擾。簡(jiǎn)單的來(lái)講，EMI 就是含有電子器件的設備、電路對外發(fā)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(fā)射的電磁騷擾的抵抗能力。
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(huì )充斥著(zhù)人們看不到的各種電磁干擾，諸如工頻磁場(chǎng)干擾、電快速脈沖群、靜電、浪涌等。這些看不見(jiàn)、摸不著(zhù)的電磁干擾，往往是人們最容易忽略，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(huì )依據其工作環(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 《熱式煙氣流量計機械行業(yè)標準》及 JJG 1029—2007 《熱式煙氣流量計檢定規程》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(chǎng)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流量計 EMS 特性，展開(kāi)分析并提出改善建議。同時(shí)，工頻磁場(chǎng)抗擾度雖然在兩種標準中未提到，但在流量計的實(shí)際使用過(guò)程中，工頻磁場(chǎng)也是影響其工作特性的主要因素。
1 熱式煙氣流量計電磁干擾的引入路徑
絕大多數的電磁干擾，都是通過(guò)電源線(xiàn)、信號線(xiàn)進(jìn)入到電子電路內，同樣，流量計也是如此。圖 1 為常見(jiàn)流量計電源及信號輸出部分設計。

從圖1 中可以看到，供電電源 +24 V， +12 V均可，直流電源通過(guò)瓷片電容 C1 濾掉部分紋波，然后通過(guò)線(xiàn)性穩壓芯片 78M05，得到 + 5 V 電壓，為后面的流量計信號處理電路供電，若要再得到 3. 3 V 電壓，通常會(huì )在 78M05 后再加一片線(xiàn)性穩壓芯片 LM1117-3. 3，為了節約成本，供電電路沒(méi)有做 EMS 設計。同時(shí)，脈沖輸出部分，僅通過(guò)一個(gè) MOS 管和兩個(gè)穩壓管，也沒(méi)有 EMS 方面的設計考慮。
2 熱式煙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(shí)高達上萬(wàn)伏，雖然對人體沒(méi)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(huì )導致整個(gè)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(shù) 靜電放電抗擾度試驗》 ，在試驗過(guò)程中，會(huì )對人們能夠接觸到的流量計部位，進(jìn)行放電試驗。流量計機械行業(yè)標準，接觸放電要求 4 kV，但型式評價(jià)試驗，接觸放電會(huì )做到6 kV，所以建議流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家，流量計電子電路設計時(shí)，ESD 接觸放電做到 6 kV。
在熱式煙氣流量計型式評價(jià)試驗中，靜電放電抗擾度試驗基本都能通過(guò)，即使電路沒(méi)有靜電保護器件，這不代表著(zhù)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(jìn)行放電試驗，這也就意味著(zhù)只要流量計表體可靠接地，在進(jìn)行靜電放電試驗時(shí)，電流會(huì )直接導入大地，這也就不會(huì )對內部電子電路產(chǎn)生影響。但在實(shí)際流量計的使用過(guò)程中，工程師需要開(kāi)蓋接線(xiàn)、調整放大倍數、調整儀表系數等，這都給了靜電進(jìn)入電子電路的機會(huì )，這種隨機性電路破壞極難察覺(jué)，也就給儀表的維修帶來(lái)了極大的困難。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(tài)電壓抑制器) 管來(lái)抑制靜電干擾; 在流量計需要開(kāi)蓋時(shí)，建議工程師提前把靜電釋放掉或帶靜電手環(huán)等靜電防護設施作業(yè)。
2. 2 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度
射頻電磁場(chǎng)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(wú)處不在的，例如無(wú)線(xiàn)電廣播、電視臺的發(fā)射機、手機等。熱式煙氣流量計射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗遵循 GB/T17626. 3 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 射頻電磁場(chǎng)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(chǎng)強 10 V/m。為了防止外界電磁波影響試驗結果，同時(shí)，為了工作人員身體健康的考慮，試驗需要在半電波暗室內進(jìn)行?？臻g騷擾電磁波對流量計的影響相較于靜電更加隨機，若流量計此項指標不達標，會(huì )時(shí)刻影響其性能。熱式煙氣流量計工作信號頻率最高 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(huì )直接對電子電路產(chǎn)生影響。在流量計實(shí)際使用過(guò)程中，其主要的空間電磁波干擾是由電源線(xiàn)引入的，電源線(xiàn)相當于接收天線(xiàn)，將空間騷擾電磁波接收到電子電路內部。在電子電路設計中，建議在 PCB 空間允許的情況下，盡量加粗電源線(xiàn)和地線(xiàn)，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，騷擾從導線(xiàn)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(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開(kāi)處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。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》，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(shí)間 60 s，重復頻率 5 kHz。而其型式評價(jià)大綱對項指標暫未做要求。
電快速瞬變脈沖群的特點(diǎn)為，脈沖成群出現、脈沖的重復頻率較高、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(huì )導致流量計的損壞，但是由于其頻譜分布寬，所以仍然會(huì )對熱式煙氣流量計內部電子器件可靠工作產(chǎn)生影響。在流量計的實(shí)際使用中，若接 PLC 使用，繼電器的閉合斷開(kāi)是難免的，這也就要求工程師在設計流量計電子電路時(shí)，做好相應防護的考慮。在電子電路設計中，加 TVS 二極管是比較好的選擇，相較于 EMI 濾波器成本會(huì )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，騷擾從導線(xiàn)加入。浪涌主要產(chǎn)生原因為: 雷電和電氣設備的啟停等，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(huì )在幾微妙內到達上萬(wàn)伏，一旦進(jìn)入沒(méi)有相關(guān)保護的流量計內部電子電路，會(huì )導致流量計直接損壞。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》，熱式煙氣流量計機械行業(yè)標準要求，開(kāi)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(jià)大綱對此項指標暫未做要求。
流量計多用于蒸汽流量的計量，通常需要裝在戶(hù)外，這也就時(shí)刻在雷電的考驗之下。當然外殼可靠接地，是避免雷擊最簡(jiǎn)單有效的方式，但其也不可能完全避免浪涌進(jìn)入流量計內部電子電路。這也就要求工程師在設計流量計電子電路時(shí)，做好相應防護的考慮。在電子電路設計中，這里又會(huì )提到 TVS 二極管，確實(shí)，TVS二極管在應對脈沖型干擾，作用是相當明顯的。TVS 二極管是目前普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時(shí)間 ( 亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。同時(shí)，在電子電路設計中，陶瓷放電管和壓敏電阻也是可以選擇配合TVS 二極管一起使用。
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。熱式煙氣流量計電壓暫降、短時(shí)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(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗》，流量計機械行業(yè)標準要求: 電源變化影響，直流供電的流量計在額定電壓變化 ±10% 的情況各運行 15 min; 電源短時(shí)中斷，電源中斷 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)程中允許流量計出錯，電壓恢復后應能自動(dòng)恢復。而其型式評價(jià)大綱對此項指標暫未做要求。
熱式煙氣流量計在實(shí)際使用過(guò)程中，電壓變化是在所難免的。在電子電路設計中，對于電源變化，78M05 的輸入電壓范圍為( 8 ～35) V，就可以滿(mǎn)足;對于電源短時(shí)中斷，MCU 程序上則需要及時(shí)做好參數保存。
2. 6 工頻磁場(chǎng)抗擾度
工頻磁場(chǎng)抗擾度，即對 50 Hz 交流電產(chǎn)生的強磁場(chǎng)的抗擾度。此項抗擾度指標在兩種標準中，均未提及，但在流量計的使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )引入 50 Hz 工頻干擾，導致流量計偏快或工作不正常。工頻磁場(chǎng)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(chǎng)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(jià)部分的工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗要求，建議工程師設計電子電路時(shí)，按照試驗等級 3 級，即 10 A/m 設計。
只要有220 V 供電設備的場(chǎng)所，就會(huì )產(chǎn)生工頻磁場(chǎng)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)入熱式煙氣流量計電子電路。一般解決措施為: 加電源濾波器、流量計良好接地、采用高導磁材料做屏蔽層的線(xiàn)纜等。
3 結束語(yǔ)
目前，國內大多數流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家不太重視流量計的電磁兼容特性。這也導致了在流量計使用過(guò)程中，諸如流量計存儲數據丟失、工頻干擾、流量計電子部分突然失靈等問(wèn)題頻頻發(fā)生。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，我們身邊電子設備日益增多，熱式煙氣流量計的工作電磁環(huán)境也日趨復雜，這也要求流量計的電磁兼容特性經(jīng)得起考驗。

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