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气体流量计产生干扰及抑制的方法方案

时间:2017/08/28来源:未知

摘要:本文以气体流量计研制过程中出现的干扰问题为背景 , 从形成干扰的条件出发 , 分析了电磁继电器在通电瞬间的电流变化趋势及对外部小信号检测电路的电磁干扰。然后从切断干扰的耦合路径出发 ,从干扰产生的源头抑制干扰的生成。该方法对以继电器为弱电控制强电部件的各类微弱信号检测与控制仪器也同样适用。

1、引言:
  在超声波气体流量计的研制中, 大家选用小型继电器作为控制部件 , 由于其频繁动作 , 在吸合瞬间对外部环境造成的电磁干扰比较大, 而气体流量计是对毫伏级的小信号进行放大, 经过单片机处理之后来控制继电器的闭合, 从而实现流量的准确测量。因此只要放大器的输入端信号有微小的变化, 都将引起较大的误差, 导致测量不准。人机对话界面液晶模块的选用引入了另一个对干扰能量敏感的接受单元。本文针对气体流量计研制中出现的电磁干扰现象 , 分析了产生电磁干扰的原因 ,  提出了一套行之有效的解决方案。该方法对以继电器为弱电控制强电部件的各类微弱信号检测与控制仪器也同样适用。
 
2、气体流量计中干扰产生的原因分析:
  在任何系统中 ,  形成电磁干扰需要具备三个条件 : 干扰源的存在 ; 对干扰源产生的干扰能量敏感的接受单元; 耦合通道。
2.1、干扰源:
  系统中的干扰源主要有: 继电器干扰等。继电器干扰的产生原因分析:继电器的干扰主要来自衔铁中电流的两次突变和触点断合瞬间产生的电弧。继电器是由一个或若干个线圈及铁芯、磁轭、衔铁、触点等构成。当电磁继电器线圈上电时 , 由于线圈的电感性 , 使得其中的电流不能突变 , 在电源接通的瞬间 , 电流不能马上从 0 跃变为工作电流, 而是按( 1) 式的规律上升, 上升的快慢取决于线圈的电感 L 和电阻 R。
图1 继电器简易模型

图1 继电器简易模型
继电器计算公式

  继电器的动触点与静触点接触瞬间, 由于两触点间的瞬间电位差很大, 在触点间形成熔融的金属桥 ,其间自由电子迅速地获得足够的能量 , 从金属表逃逸出来, 将产生电弧。而电弧在电流为 1~20A 时的特性可用( 7) 式来描述
E—电场强度
 
P—压力( 帕) 在空气中 C0=80  n=0.6  m=0.31
 由电磁感应定律可知, 变化的电场又将引起磁场的变化, 这就会使继电器线圈中电流进一步波动, 能产生极大的能量泄放,它会进入控制回路,对系统中其它电子装置产生相当大的电能冲击和激励, 干扰系统中其它电子装置的正常工作,会导致设备、系统的基本计算和逻辑判断出错。
 
2.2 敏感的接受单元干扰敏感的接受单元是指受干扰危害的对象。干扰的危害是指受干扰的影响, 使设备、装置本身的性能、特性有轻微的、严重的或毁灭性的损伤或损害,干扰的危害因仪表的敏感程度不同而不同。轻度干扰造成仪表性能下降, 重度干扰使仪表及控制系统无法工作,甚至损坏。
 
2.3 耦合路径及干扰对象耦合路径是传输电磁干扰的路径, 其传输路径可分为两种,一种是通过金属导体,将电磁干扰传输到能接收到的部位;另一种是通过空间场,将电磁干扰辐射到有效的地方。为此大家在继电器不动作的情况下 , 利用手机这一能量极强的电磁波发生器在试验仪工作的环境中发出电磁波 , 无论手机离试验仪多远 , 用 FLUKE 45 数显式万用表对放大电路的输入端进行检测 , 都没有发现输入电压的异常变化 ; 液晶显示块也没有出现黑屏现象, 基本可以排除通过空间场的电磁干扰。本系统中的耦合路径主要是地线传导和线间耦合感应。

3、抑制干扰的措施:
 仪器仪表及控制系统在进行设计时, 需研究分析设备可能产生干扰的部位、可能传输干扰的路径和可能接收干扰的敏感元件, 并有针对性地采取抑制电磁干扰的方法。
 
3.1、采用光电隔离电路为了有效地抑制干扰,提高系统的可靠性,在控制 部件与实行部件回路中可利用光电耦合器件 TLP521 组成隔离电路。其作用是切断了控制部件与实行部件回路之间电的直接联系, 实现了控制部件与实行部件回路系统地线的分别联接, 防止处于大电流感性负载下工作的实行部件电路产生的干扰信号以及电网负载突变产生的干扰信号通过线路串入控制部件, 影响采样和液晶的正常工作。
 
3.2、合理设计印制电路板 ( 1) 零件布局成一些子系统或区域, 以减少信号路径长度及反射现象,更容易布线,信号品质更佳。为防止不同频宽区域互相耦合,大家将功能上的区域作实体分割, 功率驱动电路的输入与输出严格分开。在大家这个系统中采用图 2 所示的零件布局。
图2零件布局图

图2零件布局图
在环境温度为 27℃, 其余条件相同, 测得的放大电路输入端电压数据如下:
电路输入端电压数据

电路输入端电压数据

( 2) 正确处理电源线和地线.
   电源线和地线的正确设计是克服电磁干扰的***重要的手段。相当多的干扰源是通过电源和地线产生的, 其中地线引起的噪声干扰***大, 地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗, 当电流流过地线时, 会在地线上产生电压, 这就是地线噪声。当 2 个或 2 个以上电路共用一段地线时, 会形成公共阻抗耦合。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗, 或采用并联单点接地, 彻底消除公共阻抗。单点接地要求每个电路模块的接地线***终汇流于公共电位参考点。由于只存在一个参考点, 因此没有公共阻抗耦合存在, 从而也就没有干扰问题。由 R=ρL/s 可知, 减小公共地线部分的阻抗有两种途经, 一是减小地线的长度, 二是增加地线的宽度。大家将电源线和地线分别加粗; 模拟地和数字地通过单点接地。
   在室温为 27℃, 电气隔离后, 其余条件相同, 测得的放大电路输入端电压数据如下:
 测得的放大电路输入端电压数
 测得的放大电路输入端电压数
( 3) 尽可能地缩短液晶显示模块与电路板间的导线长度导线的长度在很大程度上决定了电磁干扰进入电路的几率。导线越长, 受干扰的可能性就越大。
(4)在App上采用中值平均值滤波。

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4、结论:
  综上所述, 如何准确识别干扰的产生, 干扰传播的途径以及对干扰能量敏感的接受单元是克服干扰影响的关键。采用上述方法设计的气体流量计在使用过程中很好地解决了干扰问题, 达到了设计目的和要求。
  本文编辑创新点: 在芯片的两排管脚挖槽以及在同一块 PCB 电路板利用挖槽将强电与弱电部分在电气上分开,从而达到抗干扰的目的.

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