電磁流量計抗干擾設計中的硬件處理措施

電磁流量計抗干擾問題的對策措施
   4.1 硬件抗干擾措施
   對于硬件電路而言主要的抗干擾措施主要是針對電源損壞和信號波動大這兩個問題而展開的。主要的方法為：
   4.1.1 元器件的可靠性提高
   1. 基本阻容器件的減額
   考慮到2.1.1 所述的反饋電阻/三級管在設計時余量不足的情況，我們對整個儀表的器件作了排查，分析后將流量計中使用的電阻從片阻全部替換為BC 公司的金屬膜貼片電阻以提高它的功耗（從1/4 瓦到1/2 瓦），同時提高電阻中感抗的性能。
   2. 嚴格的器件采購控制
   在公司的采購過程中，為了加強對采購產品的控制，避免不合格產品的流入，我們建立了元器件清冊數據庫。器件的采購必須要經過一個認證－> 入清冊數據庫－>ERP 系統中根據需求下單采購的過程執行。這樣做可以保證只有研發部認可的器件和器件供應商才能夠被公司采購管理。從而保證整機設備的可靠性。
   3. 使用專用模擬信號處理芯片-紫芯1 號
   公司為智能電磁流量計自行研發的儀表專用芯片-紫芯1 號。紫芯1 號芯片將信號處理電路中的儀表放大、有源低通濾波、模擬信號量程切換、無失真噪聲抑制、流量積分等主要信號處理電路集中其中，以提高電路的抗力和穩定性。 使用專用芯片比使用分立元件組成的電路對噪聲的抑制有明顯的改善。專用芯片的溫度系數可以達到20ppm，芯片整體的信噪比為80-90dB.
   4. 加強整機老化試驗的要求
   從溫度試驗中可以篩選出那些可靠性差，抗力差的信號轉換器，同時也可以發現那些可靠性不足的元件，以提示我們改進的方向。 加強后的老化溫度試驗更加嚴格，其主要的要求為
   1) 溫度周期 如圖 4-1： 圖4-1：溫度周期 Fig.4-1: the cycle of temperature 分別在常溫20 攝氏度，高溫60 攝氏度，低溫-20 攝氏度下穩定30 分鐘后測試流量計的輸出數據。48 小時不停循環試驗。
   2) 測試條件
  (1) 溫試檢測必須在信號轉換器上電，加上勵磁負載和信號后正常工作的情況下進行；
  (2)在每一個溫度點上必須穩定30 分鐘以上之后才可以進行測試；
  (3)輸出要求： 電流輸出約為20 mA 頻率輸出約為 1000 Hz
   3) 溫度試驗標準
   溫度試驗評定-20 攝氏度和+60 攝氏度時測定值和在+20 攝氏度時測定值之間存在的偏差。要求如表4-1： 表4-1：溫度試驗標準
   4.1.2 針對電源損壞問題
   我們使用了兩種方法處理這個問題
   1. 在電源輸入端增加保護措施。
   我們在電源輸入端增加了扼流線圈L101 和壓敏電阻 R119，二極放電管FR101 如圖4-2： 項目 讀數誤差/10 攝氏度 讀數誤差/40 攝氏度 頻率信號輸出 < 0.08 % < 0.32 % 電流信號輸出 < 0.13 % < 0.50 % 圖4-2：電源輸入端原理圖 Fig.4-1: The principle of power input
   1) 扼流線圈 L101 的作用
   扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制電源干擾信號（如雷電干擾），而對電源的正常供電無影響。
   2) 壓敏電阻 R119 的作用
   我們選用的壓敏電阻為EPCOS 公司的SIOV-S14K275。它是以ZnO 為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數值后，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個半導體P-N 的串并聯。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CUα 中的非線性系數α），通流容量大（～2KA/cm2），常態泄漏電流小（10-7～10-6A），殘壓低（取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓響應時間快（～10-8s），無續流。壓敏電阻的技術參數為：壓敏電壓（即開關電壓） 為275V，通流容量為4500A；響應時間<25ns。
   3) 氣體放電管 FR101 的作用
   我們選用的氣體放電管為 EPCOS 公司的L71-A470X：它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提高放電管的觸發概率，在放電管內還有助觸發劑。這種二極型的充氣放電管的技術參數為： 直流放電電壓為400V。對于100V/us 的沖擊放電電壓為600V，對于1kV/us 的沖擊放電電壓為700V。
   2. 增加抗干擾電源降壓變壓器
   我們在信號轉換器與接入電源之間增加一個抗干擾電源降壓變壓器目的有兩個：
   1) 降額使用電源：
   我們設計的開關電源可以在85Vac-253Vac 之間使用。為了保護電源的安全，我們使用一個降壓變壓器，將供電電源從220VAC 降到110VAC 使用。
   2) 抗干擾
   在變壓器的前端設置抑制二極管。抑制二極管可以起到箝位限壓功能。同時由于變壓器的原因，即使有干擾進入信號轉換器也被削弱了一半。
   4.1.3 對于信號信號波動大問題
   1. 電源方面
  將模擬電路直流電源與數字電路的電源分開，以減小數字電路對模擬電路的影響。同時對于每一路電源都是用三端穩壓器，以降低電源的噪聲干擾。 電源輸出結構如圖4-3： 圖4-3：電源輸出結構 Fig.4-1: The principle of power output 如圖所示模擬/數字電路的電源5VD和5VA 分別從電源中產生，三端穩壓器采用ON Semiconductor的三端可調正穩壓器集成電路LM317。 LM317 的輸出電壓范圍是 1.2V 至 37V，負載電流為 1.5A。它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。LM117/LM317 內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。我們的設計中LM117/LM317使用輸出電容C115能改變瞬態響應，得到比標準三端穩壓器高的多的紋波抑制比。同時LM317具有輸出短路保護。過流、過熱保護等功能。 在我們的設計中LM317調整輸出電壓為5V，輸出電流電流為750mA，線性調整率 0.01%，負載調整率 0.1%， 80dB 紋波抑制比。
   2. 專用儀表芯片設計
   在我們的紫芯1 號專用芯片中設有專用儀表放大器和低通濾波器。他們的基本結構為圖4-4： 圖4-4：紫芯芯片內部電路(部分) Fig.4-4: the internal circuit of Zhixing chip (part)
   1) 專用儀表放大器
   我們使用的是三運放儀表放大器組成的儀表放大器。一般而言，如果四個調節電阻R5=R9=R8=R10 時，儀表放大器的共模增益的為0。在實際的電路中，如果用分立元件搭電路，很難實現四個調節電阻相等。但是我們由于是專用芯片，芯片的制作工藝可以保證他們的相等的精度。
   2) 低通濾波器： 利用低通濾波器進一步將信號中高頻信號去除掉。
   3. PCB 板的電磁兼容性問題也是我們關注的焦點。我們在參考了PCB 電磁兼容技術的理論[10] 后，對電源模塊和信號處理模塊都作了重新布線。 其中包括: 1) 利用電源線和地線將各模塊分割分高壓/低壓區，模擬/數字區等 2) 通過局部去耦減少沿著電源干線的噪聲傳播。 3) 將芯片的去耦電容盡可能的接近芯片引腳。 4) 用地線將可能會有互相干擾的信號線分離。 5) 接地線或接地層重新規劃。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：