数据采集器的浪涌抗扰度试验研究
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数据采集器的浪涌抗扰度试验研究 发布于:2018/05/18
    【摘 要】数据采集器广泛地应用于工业环境中,运行环境比较复杂,现场一些地方出现传感器损坏的情况。针对此现象,论文进行了试验验证、原因分析与整改,并进行了分析和总结。
  【Abstract】 The data collector is widely used in the industrial environment. The operating environment is very complex, and the damage of the sensor occurred in some places. According to this phenomenon, this article has carried out the test verification, reason analysis, rectification, and has carried on the analysis and summary.
  【關键词】数据采集器;浪涌抗扰度;测试方法;结果分析;抑制元件
  【Keywords】data collector; surge immunity; test method; result analysis; suppressor element
  【中图分类号】TM93 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069(2018)03-0135-02
  1 引言
  数据采集器广泛地应用于电力、化工、煤炭、冶金等行业大型设备振动、温度等数据的采集,其工作环境较为复杂,现场一些地方出现传感器损坏的情况。经分析,其损坏路径如下:220V电网波动造成采集器电源24V输出波动,进而可能造成传感器的损坏。现场的实际安装情况为:采集器放置的位置都在控制室内,周围为钢结构,甚至旁边就有避雷针,我们所有设备包括传感器的安装位置都不算高,不存在被雷直接击中的可能性,但如果是感应雷(间接雷击)还是有可能的。
  部分地区雷击的发生较为频繁,它可以通过大地感应耦合到供电网络中,从而产生较大的能量脉冲,给在此网络里工作的电子产品、设备或系统造成影响甚至是不可修复的损坏。另外,供电回路中一些开关的闭合也会产生较高能量的脉冲,会严重影响电子产品或系统的可靠性。因此,浪涌(冲击)抗扰度试验就逐步出现在了许多的国际和国内标准中。浪涌(冲击)抗扰度试验的主要任务是找出电子设备在规定的工作状态下,对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的反应,主要目的是为评定电气和电子设备在遭受浪涌(冲击)时的性能提供一个评判依据。
  本文主要针对现场出现的问题,参照GB/T17626.5-2008《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》规定的方法来进行测试、验证和分析。
  2 浪涌抗扰度试验
  2.1 试验计划(参数)
  ①试验波形:对于链接到对称通信线的端口,应使用10/700μS的组合波信号发生器。对于其他情况,特别是连接到电源线和短距离信号互连接的端口,应使用1.2/50μS的组合波信号发生器,这里我们对电源端口选择1.2/50μS的试验波形,对信号口选择10/700μS的试验波形。②试验等级:鉴于采集器主要应用于工业环境中,目前无相应的产品标准。但其实际运行环境与电力产品相同,参考国网标准,选择通过级别。这里我们选择电源端口:共模±4kV,差模±2kV;信号端口:±1kV。首次试验时,由于不了解产品实际情况,需从较低试验等级开始进行测试,这里我们从±0.5kV开始进行,逐级递增。③浪涌发生次数:除非相关的产品标准有规定,施加在直流电源端和互联线上的浪涌脉冲次数为正、负极性各5次,对交流电源端口,应分别对0°、90°、180°、270°四个相位施加正、负极性各5次的浪涌脉冲。[1]④连续脉冲间隔:60s或者更短。这里选择60s,目的是为给内部元件提供充足的散热时间。⑤试验结果的评价:推荐的分类有四类,这里我们选择b类:试验中功能或性能可暂时丧失或降低,但在骚扰停止后能自行恢复,不需要操作者进行干预。
  2.2 试验步骤
  ①检查试验环境是否满足国标要求,不满足的话需要进行加湿/除湿等操作直至满足条件,记录试验的环境条件(温度、湿度、气压等),以提高试验的复现性。②对EUT进行初始检测并记录,功能正常后按标准的试验布置连接好EUT。③打开试验设备,设置好试验条件后(从±0.5kV开始进行,逐级递增),开始试验。④试验过程中注意观察并记录受试样品的状态;试验后,在不进行人为干预的情况下检查产品功能是否正常。
  2.3 试验结果与分析
  ①电源口:共模±0.5kV,±1kV,±2kV,±4kV试验后功能正常,均满足B级要求;差模±0.5kV,±1kV,±2kV试验试验后功能正常,满足B级的要求。②信号端(信号通道):±0.5kV试验后功能正常,满足B级要求;±1kV试验后采集器不采数,不满足要求。经分析为传感器损坏,与现场情况较为相似。③信号端(网口):±2kV,试验后网络不通,不满足要求。经分析为网口芯片损坏,在现场环境较恶劣时存在因网口芯片损害而致网络不通的隐患。
  3 常用的抑制浪涌的器件介绍
  压敏电阻主要是由氧化锌压敏电阻片构成,每个压敏电阻都有一定的开关电压即压敏电压,当施加在压敏电阻两端的电压低于该数值时,呈现高阻态,即阻值无穷大,内部几乎无电流流过。当施加在压敏电阻两端的电压高于该数值时,会迅速被击穿导通,由高阻态瞬间变为低阻态。压敏电阻的优点是启动电压范围宽,反应快,通流容量大,无续流,寿命长。缺点为存在老化和性能不够稳定的问题,压敏电阻器的电容较大,影响其在高频、超高频领域的应用。
  气体放电管是一种间隙式的防雷保护器件,采用陶瓷或玻璃作为管子的封装外壳,放电管内部充以性能稳定的惰性气体。当外加电压达到使极间场强超过气体的绝缘强度时,两级间的间隙将放电击穿,并由绝缘状态变为导电状态。气体放电管的放电时延较大,响应较慢,一般为μS级,对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效抑制[2]。
  TVS管也就是瞬态电压抑制器,是一种二极管形式的高效能保护元件。当 TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以极快的速度,瞬间将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值。TVS管具有动作响应快、箝位电压低等显著优点,适合用于多级防护电路的最末几级防护。
  通常,采用单个元件一般无法满足要求电子产品的防雷保护,需要将几种保护器件组合起来,构成多级防护才可满足要求。一个完整的浪涌防护方案,需要采用三级防护:一般将气体放电管用作第一级,压敏电阻放做第一或第二级,而TVS管(暂态抑制二极管)用做第二或第三级防护。通过各级防护器件的配合,将幅值较高的雷电暂态过电压限制到产品可耐受的范围内,从而达到对电子产品的可靠保护。
  4 整改措施与验证
  为加强数据采集器的防浪涌能力,经过对抑制浪涌的器件的研究,对数据采集器做出了如下的整改措施:①主板电源入口:增加600W的TVS管和防倒插二极管。②信号通道入口:增加400W的TVS管,在振动信号采集通道中增加自恢复保险丝,在温度信号采集通道中增加限流值为20mA的限流二极管。③网络(以太网)端口:鉴于目前产品已经定型,内部已无法增加防护,只能通过在外部增加浪涌防护器进行防护。
  经过以上整改后,再次进行了雷击浪涌抗扰度测的试。电源口、信号口均顺利通过测试;网口加上浪涌防护器后也顺利通过测试。此更改已应用于现场一段时间,运行良好,未再次出现类似的情况。
  5 结语
  经过一系列的整改,数据采集器的质量得到大幅提升,极大地缓解了现场问题,但是对于网口的问题因为产品已经定型,无法从根本上解决,只能通过在外部添加浪涌防护器来解决。这也警醒我们一定要将EMC的设计融入电子产品的设计过程中,同时也希望可以对电子产品生产企业的产品研发部和质量管理部有一定的指导意义。
  【参考文献】
  【1】GB/T 17626.5-2008.电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验[S].
  【2】郭远东. 浪涌(冲击)电压波形与浪涌抑制元件[J].电子产品可靠性与环境试验,2011,29(2):16-19.作者:李明月 邓记才 来源:中小企业管理与科技·下旬刊
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