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超聲波液位計(jì)抗干擾設(shè)計(jì)
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)能在此復(fù)雜電磁環(huán)境中可靠運(yùn)行，并具有不對(duì)周圍任何設(shè)備產(chǎn)生無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，通過高精度濾波電路，捕獲、放大經(jīng)過各種復(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法正常工作的主要干擾源。
針對(duì)EFT干擾信號(hào)，一些客戶在采購工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表時(shí)會(huì)依據(jù)國際IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)（國標(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±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)通過電源線引入，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)問題③，我們通過示波器波形圖中觀察到回波信號(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±2KV的EFT測(cè)試，抗EFT干擾性能達(dá)到國標(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)跟蹤客戶對(duì)儀表后續(xù)使用情況，并實(shí)地考察了全國各地客戶作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其中包括一些大型污水處理廠、化工廠、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，儀表往往無法避免地的安裝在大型的工業(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±2KV的B級(jí)性能測(cè)試的儀表也無法可靠工作。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)問題①，計(jì)為工程師通過深入分析和大量實(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。通過增加濾波電感，增設(shè)變壓器屏蔽罩，在線路布局上進(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)象得到消除。針對(duì)問題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，無法滿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)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品和測(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-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，有效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。
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，通過高精度濾波電路，捕獲、放大經(jīng)過各種復(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法正常工作的主要干擾源。
針對(duì)EFT干擾信號(hào)，一些客戶在采購工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表時(shí)會(huì)依據(jù)國際IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)（國標(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±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)通過電源線引入，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)問題③，我們通過示波器波形圖中觀察到回波信號(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±2KV的EFT測(cè)試，抗EFT干擾性能達(dá)到國標(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)跟蹤客戶對(duì)儀表后續(xù)使用情況，并實(shí)地考察了全國各地客戶作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其中包括一些大型污水處理廠、化工廠、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，儀表往往無法避免地的安裝在大型的工業(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±2KV的B級(jí)性能測(cè)試的儀表也無法可靠工作。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)問題①，計(jì)為工程師通過深入分析和大量實(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。通過增加濾波電感，增設(shè)變壓器屏蔽罩，在線路布局上進(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)象得到消除。針對(duì)問題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，無法滿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)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品和測(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-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，有效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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