仪控系统中EMI的控制与消除
[摘 要]随着电子技术、通信技术及计算机技术的飞速发展和广泛应用,精密仪控设备的应用领域日益扩大,并且它们对微弱信号的检测能力日趋升级。但是精密的仪控设备对电磁环境比较敏感,同时还会污染局部电磁环境对其他设备形成干扰。全面了解电磁干扰的来源和传播途径,采取有效预防措施,改善精密仪器设备的运行环境,是使其稳定工作的先决条件。本文分析了电磁干扰对仪器仪表系统的危害,并介绍了几种的抗电磁干扰设计。
[关键词]电磁干扰 屏蔽 滤波 接地
[中图分类号]TN[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0032-02
1 电磁干扰的危害
电磁干扰即EMI(Electromagnetic Interference),指系统通过传导或者辐射,发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。无论何种干扰源,对仪器仪表的干扰一般是通过传导和直接辐射两种途径进入仪器仪表控制系统中的,如通过容性耦合或感性耦合把电磁场干扰直接辐射到控制系统中。或者通过输入输出信号线、电源线和地线,把干扰传导到控制系统中。仪器仪表的低电平电子电路,其正常的输入峰值电压在0.05~2 V范围内,当受到中等场强辐射时就会发生故障。由脉冲宽度和脉冲重复频率的改变所引起的敏感度变化是轻微的,信号的极化是重要的,通常仪器仪表对垂直极化信号更为敏感。在恶劣的电磁环境中或信息技术设备之间的相互干扰,会导致仪器仪表运转失灵。主要是由于指令传输的错误而进入错误工作程序,或造成仪器仪表停止运行,数据库信息遭到破坏等故障。
1.1 EMI的控制
我们知道,造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素,首先是有一个电磁场所,其次是有干扰源和被干扰源,最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路,以便把能量从干扰源传递到受干扰源。因此,为解决设备的电磁兼容性,必须围绕这三点来分析。一般情况下,对于EMI的控制,我们主要采用三种措施:屏蔽、滤波、接地。这三种方法虽然有着独立的作用,但是相互之间是有关联的,良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求,而良好的屏蔽也可以使滤波器的要求低一些。下面,我们来分别介绍屏蔽、滤波和接地。
1.2 屏蔽
屏蔽能够有效的抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个,一个是限制内部的辐射电磁能量外泄出控制区域,另一个就是防止外来的辐射电磁能量入内部控制区。按照屏蔽的机理,我们可以将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、和电磁场屏蔽。
1.2.1 电场屏蔽
一般情况下,电场感应可以看成是分布电容间的耦合,图1是一个电场感应的示意图。
其中A为干扰源,B为受感应设备,其中Ua和Ub之间的关系为
Ub=C1*Ua/(C1+C2)
C1为A、B之间的分布电容;C2为受感应设备的对地电容。根据示意图和等式,为了减弱B上面的地磁感应,使用的方法有
(1)增大A和B之间的距离,减小C1
(2)减小B和地之间的距离,增大C2
(3)在AB之间放置一金属薄板或将A使用金属屏蔽罩罩住A,C1将趋向0数值;使用电场屏蔽时屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显的影响,并且屏蔽金属板靠近受保护设备比较好,屏蔽板的材料以良性导体为佳,对厚度并无特殊要求。
1.2.2 磁场屏蔽
由于磁场屏蔽通常是对直流或很低频场的屏蔽,其效果和电场屏蔽和电磁场屏蔽相比要差很多,磁场屏蔽的主要手段就是依赖高导磁材料具有的低磁阻,对磁通起分路的作用,使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。对于磁场屏蔽需要注意的几点:
(1)减小屏蔽体的磁阻(通过选用高导磁率材料和增加屏蔽体的厚度)
(2)被屏蔽设备和屏蔽体间保持一定距离,减少通过屏蔽设备的磁通。
(3)对于不可避免使用缝隙或者接风口的,尽量使缝隙或者接风口呈条形,并且顺沿着电磁线的方向,减少磁通。
(4)对于强电场的屏蔽,可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的,则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料,如硅钢等;而内部可选用容易到达饱和的高导磁材料。因为第一次屏蔽削弱部分,第二次削弱大部分,如果都使用高导磁,会造成进入一层屏蔽的在一层和二层间造成反射。如果要屏蔽内部的磁场,则相反。而屏蔽体一般通过非磁性材料接地。
1.2.3 电磁场屏蔽
电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻隔电磁场在空间传播的一种措施。和前面电场和磁场的屏蔽机理不同,电磁屏蔽对电磁波的衰减有三个过程:
(1)当电磁波在到达屏蔽体表面时,由于空气与金属的交界面上阻抗不连续,对入射波产生反射,这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度,只需要交界面上的不连续。
(2)进入屏蔽体的电磁波,在屏蔽体中被衰减。
(3)穿过屏蔽层后,到达屏蔽层另一个屏蔽体,由于阻抗不连续,产生反射,重新回到屏蔽体内
从上面三个过程看来,电磁屏蔽体对电磁波的衰减主要是反射和吸收衰减。
1.2.4 滤波
滤波技术是抑制干扰的一种有效措施,任何电源线上的传导干扰信号均可用差模和共模干扰干扰信号来表示。差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰;共模干扰在导线与地之间传输,属于非对称性干扰。一般情况下,差模干扰幅度小,频率低,所造成的干扰较小;共模干扰幅度大,频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。因此,欲降低电磁干扰,除了改进开关电源本身外,最有效的办法就是在开关电源输入与输出电路中加装EMI滤波器。
采用适当的EMI滤波器,可以很有效地抑制交流电源输入端的低频段差模骚扰和高频段共模骚扰。在EMI滤波器中,差模电容用来短路差模噪声电流,而中间连线接地的共模电容则用来短路共模噪声电流。共模扼流圈(电感)是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成。当负载电流流过共模扼流圈时,串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反,它们在磁芯中相互抵消。因此,即使在大负载电流的情况下,磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流,两个线圈产生的磁场是同方向的,会呈现较大电感,从而起到衰减共模干扰信号的作用。
接地仪表接地系统有信号回路地、屏蔽地、本质安全地和保护地之分,在工程设计中各种接地都单独设置接地极,势必造成不必要的浪费,且容易造成接地混乱。一般把仪表系统分成两大类,即保护接地和工作接地。工作接地包括信号回路地、屏蔽地、本质安全地。一些计算机系统生产厂家要求只采用一个地,且接地电阻要不大于1Ω,以减少其它接地系统的影响。目前有一些计算机系统开始采用浮空方式,即把模拟地、逻辑地屏蔽浮置起来,与外界隔离,不接大地,可完全避免接地带来的干扰。
信号线屏蔽层的接地必须保证单点接地。如果屏蔽层在两端接地,则屏蔽层中将有电流流过,在屏蔽层上形成电位差,通过屏蔽层与信号线间的分布电容而耦合到信号线中去,从而造成干扰。所以必须保证屏蔽层的单点接地。当信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;信号源不接地时,屏蔽层应在室内接地。信号线中间有接头时,屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理,一定要避免多点接地。
2 保护接地
通常需要做接地的自控设备如:仪表盘、仪表柜、仪表箱、DCS/PLC/EDS的机柜和操作站、仪表供电设备、电缆桥架、穿线管、接线盒及铠装电缆的铠装层,以及控制室内的防静电地板。一般来讲,使用DC24V为电源的现场仪表、变送器等无特殊要求的可不作保护接地。
保护接地的方法现场仪表桥架、穿线管应每隔30m用接地线与已接地的金属构件相连。特别要指出的是,现场接地绝不能利用储存、输送可燃性介质的金属设备、管道以及与之相连的金属构件进行接地。控制室的仪表自控设备、机柜、仪表盘等应单独设置保护接地汇流排。其接地体可与电力系统的接地体共用。仪表保护接地连接线标识颜色为绿色。
3 工作接地
工作接地包括信号回路接地、屏蔽接地、本质安全接地。
3.1 信号回路接地
在非隔离的信号系统中,应建立一个统一的信号参考点。即进行信号回路接地。通常为直流电源的负极接地。使用非隔离的信号系统这是我在设计中一般的首选方法。在运行时,系统受到干扰的情况极其少见。在隔离的信号系统中,隔离信号可不接地。这里指的隔离是每一个输入/输出信号与其他输入输出信号的电路是绝缘的。做到电源独立、相互隔离、参考点浮空。我认为在回路较多的系统,不要轻易使用这种方法。在控制内应设置信号及屏蔽接地汇流排。
3.2 屏蔽接地
电缆的屏蔽层、排扰线应作屏蔽接地。在强雷击区,室外架空不带屏蔽的普通多芯电缆,备用芯应屏蔽接地。主要是为了避免雷电在信号线路感应出高电压。现场接线箱内,端子两侧的电缆屏蔽线应在箱内进行跨接。同一信号回路,同一屏蔽层应该单点接地。一般屏蔽接地应在控制室一侧接地。在控制内应设置信号及屏蔽接地汇流排。接地线颜色标识为黄/绿线。
4 本质安全接地
齐纳安全栅的汇流排必须与直流电源公共端相连(主要是保证当电源故障时能够对危险场所进行保护)。其汇流排或导轨作本安接地。在控制内应设置本安接地汇流排。接地线颜色标识为兰/绿线。工作接地的方法;信号及屏蔽接地汇流排、本安接地汇流排通过各自的接地线接至工作接地汇流排。
[参考文献]
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