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涡街流量计

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涡街流量计的电磁兼容特性分析

来源:作者:发表时间:2019-12-31

    摘要: 文章主要对 JB/T 9249—2015 《涡街流量计机械行业标准》及 JJG 1029—2007 《涡街流量计检定规程》附录 A 型式评价大纲电磁兼容性能中的电磁抗扰度检测部分中五个方面进行了特性分析,并针对其相关电磁抗扰度特性,建议涡街流量计型式评价大纲电磁兼容性能试验部分增加电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、电压暂降、短时中断、电压变化的抗扰度和工频磁场抗扰度试验,以提升涡街流量计的产品性能。

    电磁兼容 ( EMC-Electromagnetic Compatibility)是一门新兴的综合性学科,主要研究电磁骚扰( EMI) 和电磁抗扰度 ( EMS) 的问题,即各种含有电子器件的设备、电路在一定的电磁环境下,都能正常工作,互不干扰。简单的来讲,EMI 就是含有电子器件的设备、电路对外发射的电磁骚扰的特性,而 EMS 就是含有电子器件的设备、电路对外界发射的电磁骚扰的抵抗能力。

    工业仪表,主要关注的是其 EMS 能力,这是因为工业仪表的使用环境,一般都很恶劣,环境中会充斥着人们看不到的各种电磁干扰,诸如工频磁场干扰、电快速脉冲群、静电、浪涌等。这些看不见、摸不着的电磁干扰,往往是人们好容易忽略,也是影响工业仪表特性的关键。每种工业仪表的型式评价大纲也会依据其工作环境,对其 EMS 能力做出具体要求,一款合格的仪表也是必须具有良好的 EMS 能力。

    本文主要对 JB/T 9249—2015 《涡街流量计机械行业标准》[1] 及 JJG 1029—2007 《涡街流量计检定规程》[2] 附录 A 型式评价大纲中提到的静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度及电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度等五方面涡街流量计 EMS 特性,展开分析并提出改善建议。同时,工频磁场抗扰度虽然在两种标准中未提到,但在涡街流量计的实际使用过程中,工频磁场也是影响其工作特性的主要因素。

    1 涡街流量计电磁干扰的引入路径
    绝大多数的电磁干扰,都是通过电源线、信号线进入到电子电路内,同样,涡街流量计也是如此。图 1 为常见涡街流量计电源及信号输出部分设计。

 

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    从图1 中可以看到,供电电源 +24 V, +12 V均可,直流电源通过瓷片电容 C1 滤掉部分纹波,然后通过线性稳压芯片 78M05,得到 + 5 V 电压,为后面的涡街流量计信号处理电路供电,若要再得到 3. 3 V 电压,通常会在 78M05 后再加一片线性稳压芯片 LM1117-3. 3,为了节约成本,供电电路没有做 EMS 设计。同时,脉冲输出部分,仅通过一个 MOS 管和两个稳压管,也没有 EMS 方面的设计考虑。

    2 涡街流量计的电磁兼容特性
    2. 1 静电放电抗扰度
    静电放电抗扰度 ESD,即对静电放电产生的脉冲骚扰的抗扰度。静电放电能量不大,但是电压很高,有时高达上万伏,虽然对人体没有什么伤害,但其对电子元器件的伤害却是致命的,整个电路只要有一个电子元器件失效,就可能会导致整个电路失效。涡街流量计静电放电抗扰度试验遵循标准 GB/T 17626. 2 《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》[3] ,在试验过程中,会对人们能够接触到的涡街流量计部位,进行放电试验。涡街流量计机械行业标准,接触放电要求 4 kV,但型式评价试验,接触放电会做到6 kV,所以建议流量计生产厂家,涡街流量计电子电路设计时,ESD 接触放电做到 6 kV。

    在涡街流量计型式评价试验中,静电放电抗扰度试验基本都能通过,即使电路没有静电保护器件,这不代表着电路不需要静电保护。这是因为 GB/T 17626. 2 要求只对日常人们能够接触到部位进行放电试验,这也就意味着只要涡街流量计表体可靠接地,在进行静电放电试验时,电流会直接导入大地,这也就不会对内部电子电路产生影响。但在实际涡街流量计的使用过程中,工程师需要开盖接线、调整放大倍数、调整仪表系数等,这都给了静电进入电子电路的机会,这种随机性电路破坏极难察觉,也就给仪表的维修带来了极大的困难。在电子电路设计中,建议工程师在电源部分加压敏电阻,在需要保护的关键电子元器件旁加 TVS ( 瞬态电压抑制器) 管来抑制静电干扰; 在流量计需要开盖时,建议工程师提前把静电释放掉或带静电手环等静电防护设施作业。

    2. 2 射频电磁场辐射抗扰度
    射频电磁场辐射抗扰度,即对空间骚扰电磁波的抗扰度。空间中的骚扰电磁波是无处不在的,例如无线电广播、电视台的发射机、手机等。涡街流量计射频电磁场辐射抗扰度试验遵循 GB/T17626. 3 《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》[4] ,要求试验等级为 3 级,即频率范围80 ~1 000 MHz,试验场强 10 V/m。为了防止外界电磁波影响试验结果,同时,为了工作人员身体健康的考虑,试验需要在半电波暗室内进行。空间骚扰电磁波对涡街流量计的影响相较于静电更加随机,若涡街流量计此项指标不达标,会时刻影响其性能。涡街流量计工作信号频率好高 3 000 Hz 左右,没有高频信号处理电路,一般

    空间骚扰电磁波不会直接对电子电路产生影响。在流量计实际使用过程中,其主要的空间电磁波干扰是由电源线引入的,电源线相当于接收天线,将空间骚扰电磁波接收到电子电路内部。在电子电路设计中,建议在 PCB 空间允许的情况下,尽量加粗电源线和地线,同时可采用 DC-DC 隔离电源模块。

    2. 3 电快速瞬变脉冲群抗扰度
    电快速瞬变脉冲群抗扰度,即某些电路产生的群脉冲的抗扰度,骚扰从导线引入。电快速瞬变脉冲群主要产生原因为: 电感负载 ( 如继电器、接触器) 断开时,由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因,在断开处产生的暂态骚扰。涡街流量计电快速瞬变脉冲群抗扰度试验遵循GB/T 17626. 4 《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》[5] ,涡街流量计机械行业标准要求,供电电源与保护地之间,峰值电压 2 kV,试验时间 60 s,重复频率 5 kHz。而其型式评价大纲对项指标暂未做要求。

    电快速瞬变脉冲群的特点为,脉冲成群出现、脉冲的重复频率较高、脉冲波形的上升时间短暂、单个脉冲的能量较低。一般不会导致流量计的损坏,但是由于其频谱分布宽,所以仍然会对涡街流量计内部电子器件可靠工作产生影响。在涡街流量计的实际使用中,若接 PLC 使用,继电器的闭合断开是难免的,这也就要求工程师在设计涡街流量计电子电路时,做好相应防护的考虑。在电子电路设计中,加 TVS 二极管是比较好的选择,相较于 EMI 滤波器成本会较低很多。

    2. 4 浪涌抗扰度
    浪涌抗扰度,即对雷电或某些电路产生的脉冲骚扰的抗扰度,骚扰从导线加入。浪涌主要产生原因为: 雷电和电气设备的启停等,其中雷击引起的浪涌危害尤为严重,其为单脉冲型,且能量巨大,会在几微妙内到达上万伏,一旦进入没有相关保护的涡街流量计内部电子电路,会导致涡街流量计直接损坏。涡街流量计浪涌抗扰度试验遵循 GB/T 17626. 5 《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌 ( 冲击) 扰度试验》[6] ,涡街流量计机械行业标准要求,开路试验电压 1. 0 kV,浪涌波形1. 2/50 us ~8/20 us。而其型式评价大纲对此项指标暂未做要求。

    涡街流量计多用于蒸汽流量的计量,通常需要装在户外,这也就时刻在雷电的考验之下。当然外壳可靠接地,是避免雷击好简单有效的方式,但其也不可能完全避免浪涌进入涡街流量计内部电子电路。这也就要求工程师在设计涡街流量计电子电路时,做好相应防护的考虑。在电子电路设计中,这里又会提到 TVS 二极管,确实,TVS二极管在应对脉冲型干扰,作用是相当明显的。TVS 二极管是目前普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间 ( 亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。同时,在电子电路设计中,陶瓷放电管和压敏电阻也是可以选择配合TVS 二极管一起使用。

    2. 5 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度
    电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度,即对供电电源变化的抗扰度。涡街流量计电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验遵循 GB/T17626. 11 《电磁兼容 试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验》[7] ,涡街流量计机械行业标准要求: 电源变化影响,直流供电的涡街流量计在额定电压变化 ± 10% 的情况各运行 15 min; 电源短时中断,电源中断 0% U T ,持续时间 250/300 周期 ( 50 Hz 试验采用 250 周期,60 Hz 试验采用 300 周期) ,中断 10 次,试验过程中允许涡街流量计出错,电压恢复后应能自动恢复。而其型式评价大纲对此项指标暂未做要求。

    涡街流量计在实际使用过程中,电压变化是在所难免的。在电子电路设计中,对于电源变化,78M05 的输入电压范围为( 8 ~35) V,就可以满足;对于电源短时中断,MCU 程序上则需要及时做好参数保存。

    2. 6 工频磁场抗扰度
    工频磁场抗扰度,即对 50 Hz 交流电产生的强磁场的抗扰度。此项抗扰度指标在两种标准中,均未提及,但在涡街流量计的使用过程中,经常会引入 50 Hz 工频干扰,导致流量计偏快或工作不正常。工频磁场抗扰度试验遵循 GB/T 17626. 8《电磁兼容 试验和测量技术 工频磁场抗扰度试验》[8] ,参照电磁流量计 [9] 和涡轮流量计 [10] 附录A 型式评价部分的工频磁场抗扰度试验要求,建议工程师设计电子电路时,按照试验等级 3 级,即 10 A/m 设计。

    只要有220 V 供电设备的场所,就会产生工频磁场干扰。这也就需要工程师采取相关措施,防止工频干扰进入涡街流量计电子电路。一般解决措施为: 加电源滤波器、流量计良好接地、采用高导磁材料做屏蔽层的线缆等。

    3 结束语
    目前,国内大多数涡街流量计生产厂家不太重视涡街流量计的电磁兼容特性。这也导致了在流量计使用过程中,诸如流量计存储数据丢失、工频干扰、流量计电子部分突然失灵等问题频频发生。随着时代的发展,我们身边电子设备日益增多,涡街流量计的工作电磁环境也日趋复杂,这也要求涡街流量计的电磁兼容特性经得起考验。

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