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超聲波液位計(jì)電磁干擾分析及應(yīng)對(duì)

2020-08-10

  在復(fù)雜多樣的工業(yè)環(huán)境中,工業(yè)儀表安裝現(xiàn)場(chǎng)必定伴隨著各種電磁干擾,要求測(cè)量設(shè)備或控制系統(tǒng)能在復(fù)雜電磁環(huán)境中可靠運(yùn)行,并具有不對(duì)周?chē)魏卧O(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力,即要求安裝在現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備或系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性(EMC)。
  超聲波液位計(jì)一般以超高運(yùn)算能力微處理器MCU的為核心,通過(guò)高精度濾波電路,捕獲、放大經(jīng)過(guò)各種復(fù)雜的液位/物位工況發(fā)射衰減后的超聲波脈沖信號(hào),微處理器MCU對(duì)該信號(hào)分析處理后輸出準(zhǔn)確液位/物位信息。超聲波液位計(jì)的這種電路結(jié)構(gòu)特別易受附近的大型工業(yè)設(shè)備的電磁干擾,導(dǎo)致工作不穩(wěn)定、測(cè)量精度下降、甚至死機(jī)等故障。在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中,計(jì)為工程師發(fā)現(xiàn)因大型電機(jī)或變電器產(chǎn)生的電瞬變快速脈沖群(EFT)干擾信號(hào),是導(dǎo)致MCU和高精度濾波電路無(wú)法正常工作的主要干擾源。
  針對(duì)EFT干擾信號(hào),一些客戶(hù)在采購(gòu)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表時(shí)會(huì)依據(jù)國(guó)際IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)標(biāo)GB/T17626.4電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)在工業(yè)環(huán)境中的性能標(biāo)準(zhǔn))提出特定技術(shù)指標(biāo)要求:帶MCU微處理器的儀器需通過(guò)±1KV的A級(jí)性能①測(cè)試和±2KV的B級(jí)性能①測(cè)試。
  計(jì)為自動(dòng)化在超聲波液位計(jì)產(chǎn)品研發(fā)初始階段,針對(duì)抗EFT干擾實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)以下現(xiàn)象:①±2KV條件下儀器出現(xiàn)自動(dòng)重啟和頻繁死機(jī)現(xiàn)象,且無(wú)法自行恢復(fù),必須重新上電才能恢復(fù)正常,該現(xiàn)象證實(shí)產(chǎn)品抗干擾性能較差;②在按下設(shè)置和選擇等按鈕調(diào)試時(shí),出現(xiàn)停機(jī)或死機(jī)現(xiàn)象;③測(cè)量不準(zhǔn)確,物位數(shù)據(jù)跳動(dòng)異常。
  我們上述測(cè)試結(jié)果分別深入分析,分別采取不同對(duì)策。
  首先,針對(duì)問(wèn)題①的停機(jī),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷IC(MCU)的RESET引腳和供電部分,受到嚴(yán)重干擾,一般的群脈沖干擾會(huì)通過(guò)電源線(xiàn)引入,雖然供電部分電路上已經(jīng)有不少濾波器件,但由于器件布局不科學(xué),間距及鋪地?zé)o法有效形成近地屏蔽。以此為方向我們重新規(guī)整電路布局,同時(shí)增加更合適的濾波器件。
  其次,綜合上述①和②問(wèn)題,同時(shí)對(duì)MCU其他連有外設(shè)的I/O口,采取增加隔離和濾波器件,并對(duì)MCU芯片作屏蔽處理。
  再次,針對(duì)問(wèn)題③,我們通過(guò)示波器波形圖中觀(guān)察到回波信號(hào)受到的嚴(yán)重的干擾,顯然這與信號(hào)處理電路的濾波能力息息相關(guān)。
  另外,由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足高隔爆設(shè)計(jì),計(jì)為自動(dòng)化超聲波液位計(jì)采用金屬外殼設(shè)計(jì),金屬外殼與內(nèi)部電路的之間形成分布電容,因此干擾信號(hào)會(huì)經(jīng)由敏感器件與金屬外殼之間的分布電容傳播。應(yīng)對(duì)方法是在布局上,敏感器件(特別是一些精密運(yùn)放,高精度電容和變壓器等)與外殼的距離盡量增大,以減小分布電容;對(duì)敏感器件增設(shè)屏蔽罩以防止近場(chǎng)空間干擾;原有插件式的元件盡可能替換成貼片式;參考地的鋪設(shè)也應(yīng)覆蓋敏感器件;在布線(xiàn)上換能器(探頭)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)回路也應(yīng)盡量的短,以減小近場(chǎng)耦合的影響;在信號(hào)輸出電路增加磁珠以增加抗干擾能力。
  經(jīng)上述整改后,結(jié)果測(cè)試效果非常好,原有的停機(jī)和死機(jī)現(xiàn)象得到消除,設(shè)備工作穩(wěn)定,測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,順利通過(guò)±2KV的EFT測(cè)試,抗EFT干擾性能達(dá)到國(guó)標(biāo)B級(jí)。
  計(jì)為自動(dòng)化超聲波液位計(jì)抗EFT干擾性能達(dá)到國(guó)標(biāo)±2KV的EFT測(cè)試B級(jí)性能后,計(jì)為工程師繼續(xù)跟蹤客戶(hù)對(duì)儀表后續(xù)使用情況,并實(shí)地考察了全國(guó)各地客戶(hù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),其中包括一些大型化工廠(chǎng)、污水處理廠(chǎng)、石油生產(chǎn)及加工企業(yè)等。我們了解到大型工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,儀表往往不可避免地安裝在大型的工業(yè)設(shè)備(如大型壓力泵、變電器、大功率電機(jī)等)附近,這些大型設(shè)備單一或多個(gè)同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)非常強(qiáng)烈,遠(yuǎn)超一般標(biāo)準(zhǔn),抗EFT干擾性能通過(guò)±2KV的B級(jí)性能測(cè)試的儀表也無(wú)法可靠工作。為了進(jìn)一步提高計(jì)為自動(dòng)化超聲波液位計(jì)抗干擾能力,以適應(yīng)類(lèi)似的極端工況,確保企業(yè)安全生產(chǎn),計(jì)為工程師以客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)需求作為產(chǎn)品最終設(shè)計(jì)目標(biāo),延續(xù)先前的設(shè)計(jì)和整改理念,繼續(xù)提升超聲波液位計(jì)儀表的EMC性能指標(biāo),以通過(guò)最高等級(jí)的EFT測(cè)試條件——±4KV的A級(jí)性能測(cè)試為目標(biāo)進(jìn)行后續(xù)整改。
  ±4KV的EFT測(cè)試結(jié)果及現(xiàn)象:①信號(hào)測(cè)量不準(zhǔn)確,回波信號(hào)再次受到干擾;②伴隨著測(cè)試設(shè)備群脈沖干擾信號(hào)的發(fā)射,電路板上一些器件出現(xiàn)放電打火現(xiàn)象。
  針對(duì)問(wèn)題①,計(jì)為工程師通過(guò)深入分析和大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),升壓變壓器為高匝比推挽變壓器,變壓器對(duì)電流變化敏感,而干擾信號(hào)經(jīng)由變壓器侵入后續(xù)放大電路,從而干擾到檢測(cè)電路。通過(guò)增加濾波電感,增設(shè)變壓器屏蔽罩,在線(xiàn)路布局上進(jìn)一步縮短變壓器與超聲波換能器(探頭)的回路距離,回波信號(hào)受干擾現(xiàn)象得以消除。
  針對(duì)問(wèn)題②,計(jì)為工程師發(fā)現(xiàn)一些高壓電容因?yàn)椴捎脴?biāo)準(zhǔn)的插件式器件,在PCB布局上引腳距離較短,無(wú)法滿(mǎn)足超高壓下放電間隙要求。在整改中增加更高規(guī)格的高壓濾波器件,PCB板間的接地金屬片與其他元器件距離拉大,器件盡量遠(yuǎn)離電路板邊緣,增加與外殼的電氣間隙。此外電路模塊增加刷涂防電膠工藝,增加靜電隔離,并且外殼改良采用高絕緣度的琺瑯烤漆。
  經(jīng)過(guò)上述整改后,放電現(xiàn)象消除。最終計(jì)為超聲波液位計(jì)順利通過(guò)了EFT±4KV的性能A級(jí)測(cè)試,成就了計(jì)為超聲波液位計(jì)遠(yuǎn)超同行同類(lèi)產(chǎn)品的抗干擾能力。
  計(jì)為超聲波液位計(jì)的產(chǎn)品研發(fā),自始至終以EMC性能作為產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),以最高等級(jí)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)和測(cè)試產(chǎn)品,該產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)符合IEC61000-4(GB/T17626.2)標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)了EFT±4KV的A級(jí)性能、ESD靜電釋放A級(jí)性能和浪涌的各項(xiàng)測(cè)試,確保儀表能在各種嚴(yán)酷嘈雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定可靠工作。
   ①附抗擾度試驗(yàn)的性能判據(jù):
  性能判據(jù)A級(jí):試驗(yàn)時(shí),在規(guī)定限值內(nèi)性能正常;
  性能判據(jù)B級(jí):試驗(yàn)時(shí),功能或性能暫時(shí)降低或喪失,但能自行恢復(fù)。
  性能判據(jù)C級(jí):試驗(yàn)時(shí),功能或性能暫時(shí)降低或喪失,但需要操作者干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位。
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(深圳計(jì)為自動(dòng)化技術(shù)有限公司市場(chǎng)部2020年8月10日發(fā)布)


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