熱量表存在的電磁兼容問題及解決方法探討

●山西省計(jì)量科學(xué)研究院 高金法 袁淑芳

近幾年來，節(jié)能產(chǎn)品日趨推廣，熱量表的安裝越來越普遍，其計(jì)量的準(zhǔn)確性直接影響節(jié)能效果，因此其產(chǎn)品質(zhì)量也引起了政府高度關(guān)注。目前熱量表產(chǎn)品主要都是智能數(shù)字顯示，均包含電子部分。隨著電磁干擾環(huán)境的復(fù)雜化，要求的嚴(yán)酷等級(jí)也不斷升級(jí)。由于智能化程度的提高，其電子線路更加復(fù)雜，使以前在電子線路設(shè)計(jì)中很少出現(xiàn)的電磁兼容性（EMC）問題，現(xiàn)在也變成了主要問題。在國家相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和型式評(píng)價(jià)大綱中對(duì)電磁兼容性能也都提出了嚴(yán)格要求。因此，電磁兼容性能的合格與否直接關(guān)系到熱量表產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和計(jì)量的準(zhǔn)確性。

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，世界各國為了保護(hù)本地區(qū)的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，基本都設(shè)置了EMC相應(yīng)的市場(chǎng)準(zhǔn)入認(rèn)證，如北美的FCC、NEBC認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證、日本的VCCEI認(rèn)證、中國的3C認(rèn)證等，這些都是產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的“通行證”。所以，熱量表作為國家重點(diǎn)管理的計(jì)量器具和節(jié)能計(jì)量產(chǎn)品，其電磁兼容性能越來越受到國家監(jiān)管部門和計(jì)量器具生產(chǎn)企業(yè)的重視。

表1 電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目及要求

存在的問題及解決方案

1.熱量表工作原理

熱量表主要用于測(cè)量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收的熱量情況，廣泛用于集中供熱，分戶計(jì)量收費(fèi)等地域。其工作原理是將配對(duì)溫度傳感器分別安裝在熱交換回路的入口和出口的管道上，將流量傳感器安裝在入口或出口管上；流量傳感器發(fā)出流量信號(hào)，配對(duì)溫度傳感器給出入口和出口的溫度信號(hào)，計(jì)算器采集流量信號(hào)和溫度信號(hào)；經(jīng)過計(jì)算，顯示出載熱液體從入口至出口所釋放的熱量值。熱量表主要由流量傳感器、配對(duì)溫度傳感器和計(jì)算器等組成。按結(jié)構(gòu)主要分為一體式和組合式。

表2 靜電放電試驗(yàn)結(jié)果

2.EMC試驗(yàn)

熱量表在性能評(píng)價(jià)中存在問題的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目主要有靜電放電、脈沖群和浪涌試驗(yàn)。熱量表電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目及要求見表1。

（1）靜電放電（ESD）抗擾度試驗(yàn)

①存在問題

靜電放電抗擾度試驗(yàn)是評(píng)估被試物（EUT）在遭受人體靜電放電時(shí)的抗擾度。表2列出某種型號(hào)熱量表在靜電放電試驗(yàn)后結(jié)果。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：熱量表受到靜電放電的干擾，在干擾后數(shù)據(jù)丟失，出現(xiàn)故障，對(duì)熱量表系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生了影響，存儲(chǔ)位發(fā)生改變。根據(jù)試驗(yàn)情況分析，出現(xiàn)問題主要是在接觸金屬部位時(shí)，導(dǎo)致熱量表復(fù)位到某一天的信息。很可能是熱量表計(jì)量芯片主板與外部有接觸的點(diǎn)沒有防護(hù)好。打開熱量表外殼檢查，發(fā)現(xiàn)是信號(hào)線的屏蔽線與信號(hào)線一端接觸，而屏蔽線也與外部螺紋連接金屬部分有接觸，試驗(yàn)時(shí)部分放電電流可能被迫流經(jīng)內(nèi)部電路，出現(xiàn)軟件錯(cuò)誤。通過將信號(hào)線與屏蔽線分離，即排除干擾。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這類問題出現(xiàn)雖然沒有造成熱量表損壞，但卻在使用中會(huì)造成貿(mào)易結(jié)算糾紛。

②解決方案

雖然針對(duì)ESD，許多敏感電子器件芯片內(nèi)部都有一定的保護(hù)措施，但ESD作用從低到高，其作用是累積的，即一個(gè)元件可能經(jīng)受住一次ESD作用，但不一定能保證經(jīng)受住多次ESD作用。這就需要在ESD與敏感電子器件接觸之前就消除或衰減干擾。通常解決靜電干擾源有以下4種措施：a.與外部有接觸的點(diǎn)必須防護(hù)ESD（如與分流器連接的點(diǎn)），即減少源頭上靜電積累；b.外殼與電路板做好隔離，防止放電；c.給ESD電流提供泄放路徑，旁路敏感電路；d.對(duì)敏感電路采取屏蔽措施等。

（2）電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)

①存在問題

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)是評(píng)估EUT對(duì)來自操作瞬態(tài)過程（如斷開電感性負(fù)荷、繼電器接點(diǎn)彈跳等）中所產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖群的抗擾度。

從表1可知脈沖群試驗(yàn)主要對(duì)交流供電以及長度大于1.2m的直流電源線和信號(hào)控制線的熱量表進(jìn)行試驗(yàn)。表3是對(duì)某型號(hào)熱量表配對(duì)溫度傳感器信號(hào)線（長度為1.5m）進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果。

表3 脈沖群試驗(yàn)結(jié)果

信息丟失或信息內(nèi)容發(fā)生變化。熱量表由于其配對(duì)溫度傳感器的信號(hào)線大于1.5m，較長，需對(duì)其試驗(yàn)。在試驗(yàn)中出現(xiàn)信息變化。根據(jù)熱量表結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以上4種措施首先考慮第1種情況是否存在問題。經(jīng)檢查，溫度傳感器信號(hào)線的電纜無屏蔽層，而直接進(jìn)入計(jì)量芯片，在不能更換信號(hào)線或給電纜上安裝其他防護(hù)元件的情況下，對(duì)計(jì)量芯片敏感電路局部屏蔽后，試驗(yàn)通過。

②解決方案

快速脈沖通過信號(hào)/控制線注入時(shí)，由于是采用容性耦合夾注入，屬共模注入方式。通常采取措施有：信號(hào)電纜屏蔽，并且接地，但電纜屏蔽層必須能與試驗(yàn)中的參考接地端可靠連接；信號(hào)電纜上安裝共模扼流圈；信號(hào)電纜上安裝共模濾波電容；對(duì)敏感電路局部屏蔽。

（3）浪涌抗擾度試驗(yàn)

表4 浪涌試驗(yàn)結(jié)果

圖1 整改前整流橋

圖2 整改后整流橋

①存在問題

浪涌抗擾度試驗(yàn)是用于評(píng)估EUT對(duì)電力系統(tǒng)的操作瞬態(tài)、雷擊（不包括直擊雷）、瞬態(tài)系統(tǒng)故障等大能量的浪涌騷擾的抗擾度。

在對(duì)某一帶有控制部分組合式熱量表進(jìn)行浪涌試驗(yàn)中，出現(xiàn)表4描述現(xiàn)象。組合式熱量表除了流量傳感器、配對(duì)溫度傳感器和計(jì)算器外，還包括控制部分。該熱量表為交流供電，設(shè)計(jì)時(shí)電源部分單獨(dú)考慮，帶有整流濾波電路，但在試驗(yàn)后不合格。存在問題首先考慮電源板部分。

從表4現(xiàn)象可以看出，在交流電源端口施加2kV試驗(yàn)電壓類似擊穿現(xiàn)象。檢查電路板發(fā)現(xiàn)電源板供電部分電源板損壞，電源板上電容爆裂。通過分析，發(fā)現(xiàn)整流元件KBP210損壞，如圖1所示。查看該電源部分整流電路耐壓600V，耐壓不夠，造成擊穿。設(shè)計(jì)人員更換整流橋路耐壓1 600V二極管后，試驗(yàn)通過，如圖2所示。

②解決方案

浪涌信號(hào)是瞬間脈沖沖擊，電壓的瞬間變化引起回路中有瞬間的電流變化，并會(huì)在電感上產(chǎn)生高達(dá)上千伏的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電壓串?dāng)_到后續(xù)電路。后續(xù)電路沒有過壓保護(hù)措施，出現(xiàn)電容爆裂現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)電路中使用的浪涌保護(hù)器件的擊穿電壓或保護(hù)電壓應(yīng)適應(yīng)電壓保護(hù)的要求。而且應(yīng)以足夠大的分流能力使能量盡快泄放掉，即吸收大的能量而不損壞。

從上述存在問題分析和解決方法可知：熱量表類計(jì)量器具電路的電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)和性能檢測(cè)技術(shù)都很重要。其設(shè)計(jì)要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，是否能通過試驗(yàn)需要進(jìn)行性能評(píng)估檢測(cè)。性能評(píng)估后不合格整改和抗干擾設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮接地、屏蔽、印刷線路板的布局、元器件參數(shù)等問題，以此提高熱量表等計(jì)量器具的試驗(yàn)通過率。