油液光譜分析儀控制系統(tǒng)中的電磁兼容設(shè)計

劉日威 張冠文 倪樹標(biāo) 黎國標(biāo)

摘? 要：油液光譜分析儀利用2個電極之間的高壓產(chǎn)生火花放電，激發(fā)油液樣品中的金屬元素從而產(chǎn)生發(fā)射光譜，對各譜線光強信號檢測，得到多個元素的含量。火花光源電路本身是一個嚴(yán)重的電磁干擾源，因此控制系統(tǒng)中電磁兼容設(shè)計非常重要。該文講述控制系統(tǒng)中提高電磁兼容性的設(shè)計思路，并對其實現(xiàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：光譜;高壓;火花放電;電磁兼容;傳導(dǎo)

中圖分類號：TG115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

油液光譜分析儀是最早應(yīng)用于油液監(jiān)測的設(shè)備之一，也是最常用的油液監(jiān)測設(shè)備，可對油液中的磨?；蛭廴疚锏某煞趾秃窟M(jìn)行定性定量檢測，幫助診斷磨損發(fā)生的部位和嚴(yán)重程度或診斷污染產(chǎn)生的途徑，也可分析油液中主要添加劑的水平，從而判斷油液的衰變程度。它利用2個電極之間的高壓產(chǎn)生火花放電，激發(fā)油液樣品中的金屬元素從而產(chǎn)生發(fā)射光譜。經(jīng)過光柵分光后，不同波長的光照射到不同的電荷耦合器（CCD）上，通過對各譜線光強信號檢測和數(shù)字運算得出多個元素的含量。

1 油液光譜分析儀的結(jié)構(gòu)原理

油液光譜分析儀包括光源部分、分光系統(tǒng)、控制電路（如圖1所示）。光源部分由高壓發(fā)生器和棒電極、轉(zhuǎn)盤電極和用于光信號傳輸?shù)耐ǖ拦饫w組成。分光系統(tǒng)采用帕邢-龍格裝置，將入射間隙、凹面光柵和電荷耦合器固定安裝在羅蘭圓裝置上。油液分析光譜儀在原理上屬于原子發(fā)射光譜儀，其分光系統(tǒng)、檢測器等部件與其他原子發(fā)射光譜儀原理上類似，而在火花光源系統(tǒng)上，為適用油液分析的需要，采用石墨圓盤和石墨棒作為工作電極，并由電機驅(qū)動圓盤電極按恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，帶動樣品杯中的油液樣品到達(dá)火花間隙中進(jìn)行激發(fā)，從而實現(xiàn)了樣品的直接進(jìn)樣。

2 電磁兼容設(shè)計的一般原則

電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括2個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

提高電磁兼容的主要措施有使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進(jìn)入該系統(tǒng)，也可防止該系統(tǒng)的干擾能量向外輻射。屏蔽體應(yīng)保持完整性，對必不可少的門、縫、通風(fēng)孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地;設(shè)計合理的接地系統(tǒng)。小信號、大信號和產(chǎn)生干擾的電路盡量分開接地，接地電阻盡可能小。使用合適的濾波技術(shù)，濾波器的通帶經(jīng)過合理選擇，盡量減小漏電損耗;使用限幅技術(shù)，限幅電平應(yīng)高于工作電平，并且應(yīng)雙向限幅;正確選用連接電纜和布線方式，必要時可用光纜代替長電纜。采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術(shù)。系統(tǒng)頻率分配要恰當(dāng)。當(dāng)一個系統(tǒng)中有多個主頻信號工作時，盡量使各信號頻率避開，甚至避開對方的諧振頻率。共用走廊的各種設(shè)備，在條件許可時應(yīng)保持較大隔距，以減輕相互之間的影響。

3 針對本儀器的具體實施方案

油液光譜儀中的火花光源電路本身是一個嚴(yán)重的電磁干擾源，對控制電路存在干擾的可能。干擾方式有傳導(dǎo)干擾，通過供電線和信號線傳播，還有空間輻射干擾。因此電磁兼容的設(shè)計顯得非常重要。該儀器的電磁兼容設(shè)計主要重點在3個方面：傳導(dǎo)層面的干擾、空間輻射干擾還有接地。

（1）防止傳導(dǎo)層面的干擾主要通過光纖傳輸信號（如圖2所示），采用隔離變壓器供電解決。

光纖收發(fā)器（如圖3所示），其中發(fā)射端內(nèi)部是LED，將電信號轉(zhuǎn)為光信號，接收端內(nèi)部是光電池，又將光信號轉(zhuǎn)為電信號，中間采用光纖傳輸，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)5 MB/s。這樣就實現(xiàn)了電氣的隔離。

信號控制是用嵌入式系統(tǒng)中單片機的I/O口控制光纖發(fā)射器（如圖4所示），光纖發(fā)射器與接收器之間采用光纖連接，光纖接收器的輸出控制火花光源電路的輸入。

光纖發(fā)射器的A腳通過限流電阻R1接電源VCC，光纖發(fā)射器的K腳連接三極管Q1的C腳，三極管的E腳接地，三極管的B腳通過限流電阻R2接單片機的I/O口。當(dāng)單片機的I/O輸出高電平，Q1的C腳和E腳導(dǎo)通，光纖發(fā)射器內(nèi)部的LED就會發(fā)光。當(dāng)單片機的I/O輸出低電平，Q1的C腳和E腳截止，光纖發(fā)射器內(nèi)部LED就不發(fā)光。

AC/DC模塊將交流220 V轉(zhuǎn)為直流5 V輸出，給光纖接收器供電，當(dāng)光纖發(fā)射器內(nèi)部LED發(fā)光（如圖5所示），光纖接收器輸出低電平，反之輸出高電平。光纖接收輸出驅(qū)動火花光源電路，實現(xiàn)控制。

供電部分采用變壓比為1︰1的隔離變壓器（如圖6所示），隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組帶電氣隔離的變壓器，原、副繞組一般分置于不同的心柱上，在原、副繞組之間設(shè)置一片不閉合的銅片或非磁性導(dǎo)電紙，銅片或非磁性導(dǎo)電紙用導(dǎo)線與外殼連接。這樣可以取得很好的屏蔽效果。

（2）空間輻射干擾通過屏蔽解決。屏蔽就是對2個空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。因此儀器整機結(jié)構(gòu)設(shè)計以一體式焊接型材框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，用金屬薄板將放電部分和控制部分隔開空間放置（如圖7所示），可有效屏蔽內(nèi)部的電磁干擾，再用鈑金將框架四周密封，可起到屏蔽外部的電磁干擾的作用?？p隙用導(dǎo)電膠布黏貼，四周都要接觸良好，鈑金框架表面不能被陽極氧化或者被著色。門的四周貼上導(dǎo)電棉，把門的縫隙封住。

（3）接地是抑制噪聲，防止干擾的主要方法。接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和保證工作人員的人身安全，電子設(shè)備的機殼和機房的金屬構(gòu)件等，必須與接地良好，接地電阻不能超過規(guī)定值。該儀器采用的接地方式是單點接地，即在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點。其他各個需要接地的點都用寬銅帶直接接到這一點上。

4 結(jié)語

油液分析光譜儀由于采用高壓產(chǎn)生火花放電，電磁干擾非常大。電磁兼容設(shè)計非常重要。該儀器在采用光纖傳輸控制信號對高壓放電源進(jìn)行金屬罩屏蔽隔離，所有部件單點接地等處理后，對低壓部分嵌入控制電路的干擾就非常小了，整個系統(tǒng)一直運行正常。

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