专用系统数据采集装置电磁兼容性优化方案研究

引言

数据采集装置作为专用系统保护装置的一部分,其可靠性直接影响着整个系统试验的顺利实施,这种可能受电磁干扰影响的设备被称为敏感类设备。在专用系统试验现场,多种电气设备形成的电磁环境中存在各式各样的传导干扰和辐射干扰,干扰以传导和辐射的方式进入EUT内部电路,会使模拟信号的输入/输出与预期偏离,造成数字电路的控制失效或误动作,甚至引起微处理电路的程序出错、存储和读取数据错误。通过系统电磁环境试验,得到了系统中存在的干扰类型及干扰强度。但干扰源的非理想化及宽频率范围的特点,导致现场存在的干扰源无法直接模拟,因此,依据《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》(GJB151B一2013)标准,选取接近的干扰波型及干扰等级对数据采集装置进行EMC摸底试验,给出试验结果。其中,在CS11410kkHz400M~H电缆束注入传导敏感度项目中,在低频段出现了监测电流值超出合理范围的情况,通过对内部结构进行分析,找出整改方案,并验证其有效性。

1数据采集装置

信号采集作为状态监测与诊断系统的前端,其主要功能是通过传感器将现场物理信号转换为模拟信号,再经过调理、采样、量化、编码等步骤转化为数字信号,并由计算机进行处理、存储、发送。信号采集的准确性和可靠性直接影响监测系统的整体性能,因此对于信号采集的要求非常高。

1.1装置组成及原理

数据采集装置由电源模块、信号采集及处理模块、信号转换模块、预置显示模块和故障输出模块组成。信号采集及处理模块采集电信号,再通过信号转换模块,将其转换为4H20mA标准信号,发送至安全监控单元:故障信号输出至电控装置,实现相应的保护功能。数据采集装置原理框图如图1所示。

1.2装置EMC测试及结果

依据专用系统现场存在的电磁干扰类型及强度,参照《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》(GJB151B一2013)标准,选取了10个测试项目,开展数据采集装置电磁兼容性摸底试验。试验要求及结果如表1所示。

本次测试首先开展的是CS11410kkH~400M~H电缆束注入传导敏感度项目的测试,优化整改通过测试后,其他项目在此基础上均通过测试。

2CS114试验过程及结果

CS11410k~H~400M~H电缆束注入传导敏感度试验的目的是确保采集装置受到内外天线发射电磁场在其线缆上形成的电流的影响下,性能不下降。干扰采用对地共模方式施加到EUT各个被测接口电缆上。依据标准确定的测试频段为10kHz~400MHz,电流注入,正弦波,1kHz,占空比50%的脉冲调制:试验等级根据GJB151B一2013中陆军限值的规定,10kHz~2MHz按照曲线3规定的校验限值,2~400MHz按照曲线4规定的校验限值的试验信号(陆军地面标准)进行试验,限值曲线如图2所示。

2.1试验布置

数据采集装置安装在金属接地平板上,模拟实际安装情况。将检测探头置于距数据采集装置5cm处,将注入探头置于距检测探头5cm处,干扰信号通过电流钳感性耦合注入到被测电缆上。试验布置如图3所示。

2.2敏感度判据

在整个试验过程中,输出端串接电流表进行测试,要求数据采集装置的输出电流范围为:干扰未施加时的输出值土20mA×1%F.S.,判定合格。

2.3试验结果

2.3.1完整的电源电缆

干扰注入电源线缆(正负两根)。干扰未施加时,输出电流值为4.002mA。干扰信号施加过程中的电流值范围如表2所示。

2.3.2电源线正极

在电源线正极单独施加干扰信号:全频段正常。

2.3.3输入信号线(正常4.112mA)

输入信号线上施加干扰时的电流值范围如表3所示。

2.3.4输出信号线(正常4.09mA)

输出信号线上施加干扰时的电流值范围如表4所示。

试验分别对输入、输出信号线及电源线进行了电缆束注入传导敏感度项目的测试。电源线单线不受注入干扰的影响:双线及信号线均有影响,其中在2~100MHz干扰最强,最强频点为37MHz。

3优化改进及结果

3.1原因分析

针对2~100MHz电流超标情况进行分析,此干扰是由射频连续波感应引起的传导干扰,频率较低的辐射干扰波长较长,主要通过EUT接口线接收进入内部,若接口处有滤波器,则部分干扰信号会被滤波器衰减,剩余干扰信号沿电缆进入EUT内部形成干扰。干扰通过外壳直接进入的效率非常低,此采集装置为金属外壳,若该电缆为屏蔽电缆,则干扰信号会部分分流到外壳,可以通过在线缆上加超微晶磁环的方式,来增强电缆的屏蔽效能。因此,首先在输入电源线接口处接入滤波器,并在电源线上加超微晶磁环。

3.2优化改进

3.2.1电源线优化及测试

针对电源线注入传导干扰的超标问题,现场优化措施如表5所示。

考虑到最终实施过程中,滤波器占据的空间比较大,因此最终整改方案为电源线加6.2mH白色共模电感及22×14×8超微晶小磁环两个,分别穿4匝及7匝。

3.2.2整机优化及测试

对数据采集装置内部线缆进行屏蔽处理,信号输入线采用屏蔽效果好的屏蔽线缆。电源线增加了共模、差模电感以及滤波电解电容,套屏蔽网并接地:输入、输出信号线增加共模电感。插箱24V电源端加10mH共模电感,优化实物图如图4所示。

最终试验结果如表6所示,因条件限制4~20mA输出线在没有屏蔽网及输出电感的条件下,在2~100MHz测试时不能达标,也需按上述条件进行整改:其他所有线在上述条件都满足的情况下测试,都能达标。

3.3整改电路分析

被测电缆回路的阻抗变化会对实际加载的干扰电流产生影响,尤其是低频段,干扰影响比较明显,阻抗越小,施加到被测电缆上的干扰电流就越大,可以在设计时增加负载阻抗,或者使用磁环等可以使被测电缆阻抗发生变化的措施,来增强被测系统的抗干扰能力。实际整改措施如图5所示,通过直接在数据采集装置电源模块内部电路增加20mH差模电感以及增大滤波电解电容CP2的方式,有效抑制了CS114在2~100MHz传导干扰,数据采集装置顺利通过CS114试验。

4结语

对于数据采集装置这类极易受到电磁干扰影响的敏感类设备,可通过增加输入/输出共模、差模电感和滤波电解电容的方式,利用共模和差模滤波方式来增大回路阻抗,降低原有电磁干扰影响,减少传导干扰对数据采集准确性的影响。本文通过对输入/输出线采取屏蔽措施,对电源线及信号线增加共模、差模电感以及滤波电解电容的措施,降低了传导干扰对数据采集准确性的影响。未来,可以对输入和输出线屏蔽线缆材质、屏蔽措施做进一步分析和优化,也可以进一步研究设备整体的电磁屏蔽性能。