氯氣流量計（jì）的電磁幹擾路徑與電磁兼容特性分析

工（gōng）業儀表，主要關注的是（shì）其 EMS 能力，這是因為工業儀表的（de）使用環境，一般都很惡劣（liè），環境中會充斥著人們看（kàn）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（rén）們*容易忽略，也是（shì）影響工業儀表特性的關鍵。每種工業儀表的（de）型式（shì）評價大綱也會依（yī）據其工作環境，對其 EMS 能力做出（chū）具體要求，一款合格的儀表也是必須具（jù）有良好的（de） EMS 能（néng）力。
本文主（zhǔ）要對（duì） JB/T 9249-2015 《氯氣流量計機械行業標準》及 JJG 1029—2007 《氯氣流量計檢定規程》附錄 A 型式評價大綱中提到的（de）靜（jìng）電放電抗擾度（dù）、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變（biàn）脈衝群抗擾度、浪湧抗擾度及電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾（rǎo）度等五方麵（miàn）氯氣流量（liàng）計 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兩種標準中未提到，但在氯氣流量計的實際使用過程中，工頻磁場也是影響（xiǎng）其工作特性的主要（yào）因素。
1 氯氣流量計電磁幹（gàn）擾的引入路徑
絕大多數的電磁幹擾，都是通過（guò）電源線、信號線進入到電子（zǐ）電路內（nèi），同樣，氯氣流量計也是如此。圖 1 為常見氯氣流（liú）量計電源及信號輸出（chū）部分設計。

從圖1 中可（kě）以看到，供電電源 +24 V， +12 V均可（kě），直流電源通過瓷片電容 C1 濾掉部分紋波，然後通過線性穩壓芯片 78M05，得到 + 5 V 電壓，為後麵的（de）氯氣流量計信號處理電路供電，若要再得（dé）到 3. 3 V 電（diàn）壓，通常會在 78M05 後再加一片線性穩壓芯片 LM1117-3. 3，為了節約成本，供電電路沒有做 EMS 設計。同時，脈（mò）衝輸出（chū）部分，僅（jǐn）通過一個 MOS 管和兩個穩壓管，也沒有 EMS 方麵的設（shè）計考慮。
2 氯氣流量計的電磁（cí）兼容特性
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（mò）衝騷擾（rǎo）的抗擾度。靜電（diàn）放（fàng）電能量不（bú）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（diàn）子元器件的傷害（hài）卻是致命的，整個電路隻要有一個電子元器件失效，就可能會導致整個電路失效。氯氣流量計靜電放電抗（kàng）擾度試（shì）驗遵循標準 GB/T 17626. 2 《電磁兼（jiān）容 試驗和測量（liàng）技術 靜電放（fàng）電抗擾度試驗》 ，在試驗過程中，會對人們能夠接觸到（dào）的氯氣流量計（jì）部位，進行（háng）放電試驗。氯氣流量計機械行業標準（zhǔn），接觸放電要求 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（jì）生（shēng）產廠家，氯氣流量計電子電路設計時，ESD 接（jiē）觸放電做到 6 kV。
在氯氣流量計型式評價試驗中，靜電放電（diàn）抗擾度試驗基本都能通過（guò），即使電路（lù）沒有靜電保護器件，這不代（dài）表著電路不需要靜電保護。這是因為（wéi） GB/T 17626. 2 要求隻對日常人們能夠接觸（chù）到（dào）部位進（jìn）行放電試（shì）驗，這也就意（yì）味著隻要氯氣流量計表體可靠接地（dì），在進行靜電放電試（shì）驗時（shí），電流會直接導入大地，這（zhè）也就不會對內（nèi）部電子電路產生影（yǐng）響。但在實際氯氣流量計的使用過程中，工程師需要開蓋接線、調整放大倍數、調整儀表係數（shù）等，這都給了（le）靜電進入電（diàn）子（zǐ）電路的機會，這種隨機性電路破壞*難察覺，也就（jiù）給儀表的維修帶來了*大的困難（nán）。在電子電路設計中，建議工程師在電源部分加壓敏電阻，在需要保護的關鍵電子元器件旁加 TVS ( 瞬態電壓抑製器) 管（guǎn）來抑製靜電幹擾（rǎo）; 在流量計需要開蓋時（shí），建議工（gōng）程師提前（qián）把靜電（diàn）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（rǎo）度
射頻電磁場輻射抗擾度，即對空間（jiān）騷（sāo）擾電磁波的抗擾度。空間中的騷擾電磁波是無處不在的，例如無線電廣播、電視台的發射機、手機等（děng）。氯氣流量計射頻（pín）電磁場輻射抗擾度試驗遵循 GB/T17626. 3 《電磁兼容 試驗和測量（liàng）技術 射頻電磁（cí）場（chǎng）輻射抗擾度試驗》 ，要求試驗等級為 3 級，即頻率範圍（wéi）80 ～1 000 MHz，試驗（yàn）場強 10 V/m。為了防止外界電磁波影響試驗結果，同時，為了工作人員身體健康的考慮（lǜ），試驗需要在半電波暗室內進行。空間騷擾電磁波對（duì）氯氣流量計的影響相較於靜電更加隨機（jī），若氯氣流量計此項指標不達（dá）標，會時刻影響其性能。氯氣流量計工作信號頻率*高（gāo） 3 000 Hz 左右，沒有高頻信號處理電路，一般空間騷擾電磁波（bō）不（bú）會直（zhí）接對電子電路產生影響。在流量計實際使用過程中，其主（zhǔ）要的（de）空間電磁波幹擾是由電源（yuán）線引（yǐn）入的，電源線相當於接收（shōu）天線，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（jiàn）議在 PCB 空間允許（xǔ）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 電快速（sù）瞬變脈衝群抗擾度
電快速瞬變脈衝群抗擾度，即（jí）某些電路產生的（de）群脈衝的抗（kàng）擾度，騷擾（rǎo）從導（dǎo）線引入。電（diàn）快速瞬變脈衝群主要產生原因為（wéi）: 電感負載 ( 如繼電器、接觸器) 斷開時，由於開關觸點間隙的絕（jué）緣擊穿或觸點彈（dàn）跳等原因，在斷開處（chù）產生的暫（zàn）態騷擾。氯氣流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（diàn）快速（sù）瞬變脈衝群（qún）抗擾（rǎo）度試驗》，氯氣流量計機械（xiè）行業標準要求，供電電源與保護地之間，峰值電壓（yā） 2 kV，試驗時間 60 s，重複頻率 5 kHz。而其型（xíng）式評價（jià）大綱（gāng）對項（xiàng）指標暫未做要求。
電快速瞬變脈衝群的特點為，脈衝成（chéng）群出（chū）現、脈衝的重（chóng）複頻率較（jiào）高、脈衝波形的（de）上升時間短暫、單個脈衝的能量（liàng）較低。一般不會導（dǎo）致流量計的損壞，但（dàn）是（shì）由於其頻譜分布寬，所（suǒ）以（yǐ）仍然會對氯氣流量計內部（bù）電子器（qì）件可（kě）靠工作產生（shēng）影響。在氯氣（qì）流量計的（de）實際使用中，若（ruò）接 PLC 使（shǐ）用，繼電器的閉合斷（duàn）開是難免的（de），這也就要求（qiú）工程師（shī）在設計氯氣流量計電（diàn）子電路時（shí），做好相應防護的（de）考慮。在電（diàn）子電路設計中，加 TVS 二*管是（shì）比較好的選擇，相較於 EMI 濾波（bō）器（qì）成本會較低很多。
2. 4 浪湧抗擾度
浪湧（yǒng）抗擾度，即對雷電或某些電路產生的脈衝騷擾的抗擾度，騷擾從導線加入。浪湧主要產生原因（yīn）為: 雷電和（hé）電氣設備的啟停等，其中雷擊引起的浪湧危害尤為嚴重，其為單脈衝型（xíng），且能量巨大，會在（zài）幾微妙內到達上萬伏，一旦進入（rù）沒有相關保護的氯氣流量（liàng）計內部電子電路，會導致氯（lǜ）氣流量計直接損壞（huài）。氯氣流量計浪湧抗擾度試（shì）驗遵循 GB/T 17626. 5 《電磁兼容 試驗和測量技術 浪湧 ( 衝擊) 擾度（dù）試驗》，氯氣流量計機械行業標準要求，開路試驗電壓 1. 0 kV，浪湧（yǒng）波形1. 2/50 us ～8/20 us。而其型式評價大綱對此項指標暫未做要求。
氯氣流量計多用於蒸（zhēng）汽流量的計量，通（tōng）常需要裝在（zài）戶（hù）外，這也（yě）就（jiù）時刻在雷（léi）電的考驗之下。當然外殼可（kě）靠接地，是避免雷擊*簡單有效的方式，但其（qí）也不可（kě）能完全避免浪湧進（jìn）入氯（lǜ）氣流量計（jì）內部電子電路。這也就要求工程師在設計氯氣流（liú）量計電子（zǐ）電路時，做好相應防護（hù）的考慮（lǜ）。在電子電路設計中，這裏又會提（tí）到 TVS 二*管，確實，TVS二（èr）*管在應對脈（mò）衝型幹擾，作用是相當明顯的（de）。TVS 二*管（guǎn）是目前普遍使用（yòng）的一種新型高效電（diàn）路保護器件，它具有*快的響應時間 ( 亞納秒級)和相當高的浪湧吸（xī）收（shōu）能力。同（tóng）時，在電子電路設計（jì）中，陶（táo）瓷放電管和壓（yā）敏電（diàn）阻（zǔ）也是可（kě）以選擇配合TVS 二*管一起使用。
2. 5 電壓暫降、短時（shí）中斷和電壓（yā）變化的抗擾度
電壓暫降、短（duǎn）時中斷和電壓變化的抗擾度，即對（duì）供電電源（yuán）變化的抗擾度。氯氣流量計電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗遵循（xún） GB/T17626. 11 《電磁（cí）兼容 試驗和測量技術 電壓暫降、短時中斷（duàn）和電壓變化的（de）抗擾度試驗》，氯氣流量計機械行業標準要求: 電源變化影響，直（zhí）流供電的氯氣流量計（jì）在額定電壓變化（huà） ±10% 的情況各運行 15 min; 電源短時（shí）中斷，電源中斷 0% U T ，持續時間 250/300 周期 ( 50 Hz 試驗（yàn）采用（yòng） 250 周（zhōu）期，60 Hz 試驗采用 300 周期) ，中斷 10 次，試驗過程中允許氯氣流（liú）量計出錯，電壓恢（huī）複後應能自動恢複。而其型式評價大（dà）綱對此項指標暫未做要求。
氯氣流量計在（zài）實際使用過程中，電（diàn）壓變化（huà）是在所難免（miǎn）的。在電子電路設計（jì）中，對（duì）於電（diàn）源變化，78M05 的輸（shū）入電壓範圍為（wéi）( 8 ～35) V，就可以滿（mǎn）足;對於電源短時中斷，MCU 程序上（shàng）則需要及時做好參數保存（cún）。
2. 6 工頻磁場抗擾度（dù）
工頻磁場抗擾度，即對 50 Hz 交流電產生的強磁場的抗擾度。此項（xiàng）抗擾（rǎo）度指標在兩種標準中，均未提及，但在氯氣流量計（jì）的（de）使用過程（chéng）中，經（jīng）常會引（yǐn）入 50 Hz 工頻幹擾，導致流（liú）量（liàng）計（jì）偏快或工作不正常。工頻磁場抗擾（rǎo）度試驗遵循 GB/T 17626. 8《電磁兼容 試驗和測量技術 工頻磁場抗擾度試驗》，參照電磁流量計和渦輪（lún）流量計附錄（lù）A 型式評價部分的工頻（pín）磁場抗擾度試驗要求，建議工程師（shī）設計電子電路時（shí），按照試驗等級 3 級，即 10 A/m 設計。
隻要（yào）有220 V 供電（diàn）設備的（de）場所，就會產（chǎn）生工頻磁場幹擾。這也就需要工程師采取相關措施，防止工頻幹（gàn）擾進入（rù）氯氣流量計（jì）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（dǎo）磁（cí）材（cái）料做屏蔽層的線纜等。
3 結束語
目前，國內大多數氯氣流量計生產（chǎn）廠（chǎng）家不太重視氯氣流量計的（de）電磁兼容特性。這也導致了在流量（liàng）計使用（yòng）過程（chéng）中，諸如流（liú）量（liàng）計存儲（chǔ）數據丟失、工頻幹（gàn）擾、流量計電子部分突（tū）然失靈等問題頻頻發生。隨著時代的發展，我們身邊電子設備日益增多，氯氣流量計的工作電磁環境（jìng）也日趨（qū）複雜，這也要求氯氣流（liú）量計的電磁兼（jiān）容特性（xìng）經得起考驗。

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