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      專用系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置電磁兼容性優(yōu)化方案研究

      2022-05-07 18:42:38李菊談小虎
      機電信息 2022年9期
      關鍵詞:電磁環(huán)境

      李菊 談小虎

      摘 要:電氣設備的多樣性使專用系統(tǒng)試驗現(xiàn)場存在復雜的電磁環(huán)境,而保證數(shù)據(jù)采集裝置采集信號的可靠性是對整個系統(tǒng)的關鍵要求,作為專用系統(tǒng)中的敏感設備,數(shù)據(jù)采集裝置的抗擾度指標應達到標準要求?,F(xiàn)首先依據(jù)GJB 151B—2013完成數(shù)據(jù)采集裝置的電磁兼容性試驗,給出各項測試結果;然后針對測試項CS114 10 kHz~400 MHz電纜束注入傳導敏感度進行分析整改;最后采取增加共模、差模電感以及濾波電解電容等措施,使其通過測試。

      關鍵詞:數(shù)據(jù)采集裝置;電磁環(huán)境;敏感設備;CS114

      中圖分類號:TM937.3 ?文獻標志碼:A ?文章編號:1671-0797(2022)09-0037-04

      DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.010

      0 ? ?引言

      數(shù)據(jù)采集裝置作為專用系統(tǒng)保護裝置的一部分,其可靠性直接影響著整個系統(tǒng)試驗的順利實施,這種可能受電磁干擾影響的設備被稱為敏感類設備。在專用系統(tǒng)試驗現(xiàn)場,多種電氣設備形成的電磁環(huán)境中存在各式各樣的傳導干擾和輻射干擾,干擾以傳導和輻射的方式進入EUT內(nèi)部電路,會使模擬信號的輸入/輸出與預期偏離,造成數(shù)字電路的控制失效或誤動作,甚至引起微處理電路的程序出錯、存儲和讀取數(shù)據(jù)錯誤。通過系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗,得到了系統(tǒng)中存在的干擾類型及干擾強度。但干擾源的非理想化及寬頻率范圍的特點[1],導致現(xiàn)場存在的干擾源無法直接模擬,因此,依據(jù)《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》(GJB 151B—2013)標準,選取接近的干擾波型及干擾等級對數(shù)據(jù)采集裝置進行EMC摸底試驗,給出試驗結果。其中,在CS114 10 kHz~400 MHz電纜束注入傳導敏感度項目中,在低頻段出現(xiàn)了監(jiān)測電流值超出合理范圍的情況,通過對內(nèi)部結構進行分析,找出整改方案,并驗證其有效性。

      1 ? ?數(shù)據(jù)采集裝置

      信號采集作為狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的前端,其主要功能是通過傳感器將現(xiàn)場物理信號轉換為模擬信號,再經(jīng)過調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟轉化為數(shù)字信號,并由計算機進行處理、存儲、發(fā)送[2]。信號采集的準確性和可靠性直接影響監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能,因此對于信號采集的要求非常高。

      1.1 ? ?裝置組成及原理

      數(shù)據(jù)采集裝置由電源模塊、信號采集及處理模塊、信號轉換模塊、預置顯示模塊和故障輸出模塊組成。信號采集及處理模塊采集電信號,再通過信號轉換模塊,將其轉換為4~20 mA標準信號,發(fā)送至安全監(jiān)控單元;故障信號輸出至電控裝置,實現(xiàn)相應的保護功能。數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖如圖1所示。

      1.2 ? ?裝置EMC測試及結果

      依據(jù)專用系統(tǒng)現(xiàn)場存在的電磁干擾類型及強度,參照《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》(GJB 151B—2013)標準,選取了10個測試項目,開展數(shù)據(jù)采集裝置電磁兼容性摸底試驗。試驗要求及結果如表1所示。

      本次測試首先開展的是CS114 10 kHz~400 MHz電纜束注入傳導敏感度項目的測試,優(yōu)化整改通過測試后,其他項目在此基礎上均通過測試。

      2 ? ?CS114試驗過程及結果

      CS114 10 kHz~400 MHz電纜束注入傳導敏感度試驗的目的是確保采集裝置受到內(nèi)外天線發(fā)射電磁場在其線纜上形成的電流的影響下,性能不下降。干擾采用對地共模方式施加到EUT各個被測接口電纜上[3]。依據(jù)標準確定的測試頻段為10 kHz~400 MHz,電流注入,正弦波,1 kHz,占空比50%的脈沖調(diào)制;試驗等級根據(jù)GJB 151B—2013中陸軍限值的規(guī)定,10 kHz~2 MHz按照曲線3規(guī)定的校驗限值,2~400 MHz按照曲線4規(guī)定的校驗限值的試驗信號(陸軍地面標準)進行試驗,限值曲線如圖2所示。

      2.1 ? ?試驗布置

      數(shù)據(jù)采集裝置安裝在金屬接地平板上,模擬實際安裝情況。將檢測探頭置于距數(shù)據(jù)采集裝置5 cm處,將注入探頭置于距檢測探頭5 cm處,干擾信號通過電流鉗感性耦合注入到被測電纜上。試驗布置如圖3所示。

      2.2 ? ?敏感度判據(jù)

      在整個試驗過程中,輸出端串接電流表進行測試,要求數(shù)據(jù)采集裝置的輸出電流范圍為:干擾未施加時的輸出值±20 mA×1%F.S.,判定合格。

      2.3 ? ?試驗結果

      2.3.1 ? ?完整的電源電纜

      干擾注入電源線纜(正負兩根)。干擾未施加時,輸出電流值為4.002 mA。干擾信號施加過程中的電流值范圍如表2所示。

      2.3.2 ? ?電源線正極

      在電源線正極單獨施加干擾信號:全頻段正常。

      2.3.3 ? ?輸入信號線(正常4.112 mA)

      輸入信號線上施加干擾時的電流值范圍如表3所示。

      2.3.4 ? ?輸出信號線(正常4.09 mA)

      輸出信號線上施加干擾時的電流值范圍如表4所示。

      試驗分別對輸入、輸出信號線及電源線進行了電纜束注入傳導敏感度項目的測試。電源線單線不受注入干擾的影響;雙線及信號線均有影響,其中在2~100 MHz干擾最強,最強頻點為37 MHz。

      3 ? ?優(yōu)化改進及結果

      3.1 ? ?原因分析

      針對2~100 MHz電流超標情況進行分析,此干擾是由射頻連續(xù)波感應引起的傳導干擾,頻率較低的輻射干擾波長較長,主要通過EUT接口線接收進入內(nèi)部,若接口處有濾波器,則部分干擾信號會被濾波器衰減,剩余干擾信號沿電纜進入EUT內(nèi)部形成干擾。干擾通過外殼直接進入的效率非常低,此采集裝置為金屬外殼,若該電纜為屏蔽電纜,則干擾信號會部分分流到外殼,可以通過在線纜上加超微晶磁環(huán)的方式,來增強電纜的屏蔽效能。因此,首先在輸入電源線接口處接入濾波器,并在電源線上加超微晶磁環(huán)。

      3.2 ? ?優(yōu)化改進

      3.2.1 ? ?電源線優(yōu)化及測試

      針對電源線注入傳導干擾的超標問題,現(xiàn)場優(yōu)化措施如表5所示。

      考慮到最終實施過程中,濾波器占據(jù)的空間比較大,因此最終整改方案為電源線加6.2 mH白色共模電感及22×14×8超微晶小磁環(huán)兩個,分別穿4匝及7匝。

      3.2.2 ? ?整機優(yōu)化及測試

      對數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)部線纜進行屏蔽處理,信號輸入線采用屏蔽效果好的屏蔽線纜。電源線增加了共模、差模電感以及濾波電解電容,套屏蔽網(wǎng)并接地;輸入、輸出信號線增加共模電感。插箱24 V電源端加10 mH共模電感,優(yōu)化實物圖如圖4所示。

      最終試驗結果如表6所示,因條件限制4~20 mA輸出線在沒有屏蔽網(wǎng)及輸出電感的條件下,在2~100 MHz測試時不能達標,也需按上述條件進行整改;其他所有線在上述條件都滿足的情況下測試,都能達標。

      3.3 ? ?整改電路分析

      被測電纜回路的阻抗變化會對實際加載的干擾電流產(chǎn)生影響,尤其是低頻段,干擾影響比較明顯,阻抗越小,施加到被測電纜上的干擾電流就越大,可以在設計時增加負載阻抗,或者使用磁環(huán)等可以使被測電纜阻抗發(fā)生變化的措施,來增強被測系統(tǒng)的抗干擾能力[4-5]。實際整改措施如圖5所示,通過直接在數(shù)據(jù)采集裝置電源模塊內(nèi)部電路增加20 mH差模電感以及增大濾波電解電容CP2的方式,有效抑制了CS114在2~100 MHz傳導干擾,數(shù)據(jù)采集裝置順利通過CS114試驗。

      4 ? ?結語

      對于數(shù)據(jù)采集裝置這類極易受到電磁干擾影響的敏感類設備,可通過增加輸入/輸出共模、差模電感和濾波電解電容的方式,利用共模和差模濾波方式來增大回路阻抗,降低原有電磁干擾影響,減少傳導干擾對數(shù)據(jù)采集準確性的影響。本文通過對輸入/輸出線采取屏蔽措施,對電源線及信號線增加共模、差模電感以及濾波電解電容的措施,降低了傳導干擾對數(shù)據(jù)采集準確性的影響。未來,可以對輸入和輸出線屏蔽線纜材質(zhì)、屏蔽措施做進一步分析和優(yōu)化,也可以進一步研究設備整體的電磁屏蔽性能。

      [參考文獻]

      [1] 鄧建球,郝翠.強電磁脈沖耦合與電源防護研究[J].微波學報,2017,33(6):85-89.

      [2] 賈民平,張洪亭,周劍英.測試技術[M].北京:高等教育出版社,2006.

      [3] 軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量:GJB 151B—2013[S].

      [4] 朱文立,陳燕,郭遠東.電子電器產(chǎn)品電磁兼容質(zhì)量控制及設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.

      [5] 趙東杰.關于CS114 4 kHz~400 MHz電纜束注入傳導敏感度的研究[J].電子質(zhì)量,2020(11):117-120.

      收稿日期:2022-02-14

      作者簡介:李菊(1988—),女,河北廊坊人,碩士研究生,工程師,研究方向:專用電源可靠性技術。

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