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超声波液位计抗干扰设计
2020-08-10
在复杂多样的工业环境中，工业仪表安装现场必定伴随着各种电磁干扰，要求测量设备或控制系统能在此复杂电磁环境中可靠运行，并具有不对周围任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力，即要求安装在现场的各种设备或系统具有良好的电磁兼容性（EMC）。
超声波液位计一般以超高运算能力微处理器MCU的为核心，通过高精度滤波电路，捕获、放大经过各种复杂的液位/物位工况发射衰减后的超声波脉冲信号，微处理器MCU对该信号分析处理后输出准确液位/物位信息。超声波液位计的这种电路结构特别易受附近的大型工业设备的电磁干扰，导致工作不稳定、测量精度下降、甚至死机等故障。在产品研发过程中，计为工程师发现因大型电机或变电器产生的电瞬变快速脉冲群(EFT)干扰信号，是导致MCU和高精度滤波电路无法正常工作的主要干扰源。
针对EFT干扰信号，一些客户在采购工业现场仪器仪表时会依据国际IEC61000-4-4标准（国标GB/T17626.4电快速瞬变脉冲群抗扰度试验在工业环境中的性能标准）提出特定技术指标要求：带MCU微处理器的仪器需通过±1KV的A级性能①测试和±2KV的B级性能①测试。
计为自动化在超声波液位计产品研发初始阶段，针对抗EFT干扰实验中出现以下现象：①±2KV条件下仪器出现自动重启和频繁死机现象，且无法自行恢复，必须重新上电才能恢复正常，该现象证实产品抗干扰性能较差。②在按下设置和选择等按钮调试时，出现停机或死机现象。③测量不准确，物位数据跳动异常。
我们上述测试结果分别深入分析，分别采取不同对策。
首先，针对问题①的停机，根据经验判断IC（MCU）的RESET引脚和供电部分，受到严重干扰，一般的群脉冲干扰会通过电源线引入，虽然供电部分电路上已经有不少滤波器件，但由于器件布局不科学，间距及铺地无法有效形成近地屏蔽。以此为方向我们重新规整电路布局，同时增加更合适的滤波器件。其次，综合上述①和②问题，同时对MCU其他连有外设的I/O口，采取增加隔离和滤波器件，并对MCU芯片作屏蔽处理。再次，针对问题③，我们通过示波器波形图中观察到回波信号受到的严重的干扰，显然这与信号处理电路的滤波能力息息相关。另外，由于产品结构必须满足高隔爆设计，计为自动化超声波液位计采用金属外壳设计，金属外壳与内部电路的之间形成分布电容，因此干扰信号会经由敏感器件与金属外壳之间的分布电容传播。应对方法是在布局上，敏感器件（特别是一些精密运放，高精度电容和变压器等）与外壳的距离尽量增大，以减小分布电容；对敏感器件增设屏蔽罩以防止近场空间干扰；原有插件式的元件尽可能替换成贴片式；参考地的铺设也应覆盖敏感器件；在布线上换能器（探头）的驱动和检测回路也应尽量的短，以减小近场耦合的影响；在信号输出电路增加磁珠以增加抗干扰能力。经上述整改后，结果测试效果非常好，原有的停机和死机现象得到消除，设备工作稳定，测量数据准确可靠，顺利通过±2KV的EFT测试，抗EFT干扰性能达到国标B级。
计为自动化超声波液位计抗EFT干扰性能达到国标±2KV的EFT测试B级性能后，计为工程师继续跟踪客户对仪表后续使用情况，并实地考察了全国各地客户作业现场，其中包括一些大型污水处理厂、化工厂、石油生产及加工企业等。我们了解到大型工业现场中，仪表往往无法避免地的安装在大型的工业设备（如大型压力泵、变电器、大功率电机等）附近，这些大型设备单一或多个同时工作时产生的电磁干扰信号非常强烈，远超一般标准，抗EFT干扰性能通过±2KV的B级性能测试的仪表也无法可靠工作。为了进一步提高计为自动化超声波液位计抗干扰能力，以适应类似的极端工况，确保企业安全生产，计为工程师以客户现场需求作为产品最终设计目标，延续先前的设计和整改理念，继续提升超声波液位计仪表的EMC性能指标，以通过最高等级的EFT测试条件--——±4KV的A级性能测试为目标进行后续整改。
±4KV的EFT测试结果及现象：①信号测量不准确，回波信号再次受到干扰；②伴随着测试设备群脉冲干扰信号的发射，电路板上一些器件出现放电打火现象。针对问题①，计为工程师通过深入分析和大量实验发现，升压变压器为高匝比推挽变压器，变压器对电流变化敏感，而干扰信号经由变压器侵入后续放大电路，从而干扰到检测电路。通过增加滤波电感，增设变压器屏蔽罩，在线路布局上进一步缩短变压器与超声波换能器（探头）的回路距离，回波信号受干扰现象得到消除。针对问题②，计为工程师发现一些高压电容因为采用标准的插件式器件，在PCB布局上引脚距离较短，无法满足超高压下放电间隙要求。在整改中增加更高规格的高压滤波器件，PCB板间的接地金属片与其他元器件距离拉大，器件尽量远离电路板边缘，增加与外壳的电气间隙。此外电路模块增加刷涂防电胶工艺，增加静电隔离，并且外壳改良采用高绝缘度的珐琅烤漆。经过上述整改后，放电现象消除。最终计为超声波液位计顺利通过了EFT±4KV的性能A级测试，成就了计为超声波液位计远超同行同类产品的抗干扰能力。
计为超声波液位计的产品研发，自始至终以EMC性能作为产品质量的重要指标，以最高等级的试验标准来设计产品和测试产品，该产品EMC设计符合IEC61000-4(GB/T17626.2)标准，通过-了EFT±4KV的A级性能、ESD静电释放A级性能和浪涌的各项测试，有效确保仪表能在各种严酷嘈杂的工业环境中稳定可靠工作。
①附抗扰度试验的性能判据：
性能判据A级：试验时，在规定限值内性能正常；
性能判据B级：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复。
性能判据C级：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但需要操作者干预或系统复位。
超声波液位计一般以超高运算能力微处理器MCU的为核心，通过高精度滤波电路，捕获、放大经过各种复杂的液位/物位工况发射衰减后的超声波脉冲信号，微处理器MCU对该信号分析处理后输出准确液位/物位信息。超声波液位计的这种电路结构特别易受附近的大型工业设备的电磁干扰，导致工作不稳定、测量精度下降、甚至死机等故障。在产品研发过程中，计为工程师发现因大型电机或变电器产生的电瞬变快速脉冲群(EFT)干扰信号，是导致MCU和高精度滤波电路无法正常工作的主要干扰源。
针对EFT干扰信号，一些客户在采购工业现场仪器仪表时会依据国际IEC61000-4-4标准（国标GB/T17626.4电快速瞬变脉冲群抗扰度试验在工业环境中的性能标准）提出特定技术指标要求：带MCU微处理器的仪器需通过±1KV的A级性能①测试和±2KV的B级性能①测试。
计为自动化在超声波液位计产品研发初始阶段，针对抗EFT干扰实验中出现以下现象：①±2KV条件下仪器出现自动重启和频繁死机现象，且无法自行恢复，必须重新上电才能恢复正常，该现象证实产品抗干扰性能较差。②在按下设置和选择等按钮调试时，出现停机或死机现象。③测量不准确，物位数据跳动异常。
我们上述测试结果分别深入分析，分别采取不同对策。
首先，针对问题①的停机，根据经验判断IC（MCU）的RESET引脚和供电部分，受到严重干扰，一般的群脉冲干扰会通过电源线引入，虽然供电部分电路上已经有不少滤波器件，但由于器件布局不科学，间距及铺地无法有效形成近地屏蔽。以此为方向我们重新规整电路布局，同时增加更合适的滤波器件。其次，综合上述①和②问题，同时对MCU其他连有外设的I/O口，采取增加隔离和滤波器件，并对MCU芯片作屏蔽处理。再次，针对问题③，我们通过示波器波形图中观察到回波信号受到的严重的干扰，显然这与信号处理电路的滤波能力息息相关。另外，由于产品结构必须满足高隔爆设计，计为自动化超声波液位计采用金属外壳设计，金属外壳与内部电路的之间形成分布电容，因此干扰信号会经由敏感器件与金属外壳之间的分布电容传播。应对方法是在布局上，敏感器件（特别是一些精密运放，高精度电容和变压器等）与外壳的距离尽量增大，以减小分布电容；对敏感器件增设屏蔽罩以防止近场空间干扰；原有插件式的元件尽可能替换成贴片式；参考地的铺设也应覆盖敏感器件；在布线上换能器（探头）的驱动和检测回路也应尽量的短，以减小近场耦合的影响；在信号输出电路增加磁珠以增加抗干扰能力。经上述整改后，结果测试效果非常好，原有的停机和死机现象得到消除，设备工作稳定，测量数据准确可靠，顺利通过±2KV的EFT测试，抗EFT干扰性能达到国标B级。
计为自动化超声波液位计抗EFT干扰性能达到国标±2KV的EFT测试B级性能后，计为工程师继续跟踪客户对仪表后续使用情况，并实地考察了全国各地客户作业现场，其中包括一些大型污水处理厂、化工厂、石油生产及加工企业等。我们了解到大型工业现场中，仪表往往无法避免地的安装在大型的工业设备（如大型压力泵、变电器、大功率电机等）附近，这些大型设备单一或多个同时工作时产生的电磁干扰信号非常强烈，远超一般标准，抗EFT干扰性能通过±2KV的B级性能测试的仪表也无法可靠工作。为了进一步提高计为自动化超声波液位计抗干扰能力，以适应类似的极端工况，确保企业安全生产，计为工程师以客户现场需求作为产品最终设计目标，延续先前的设计和整改理念，继续提升超声波液位计仪表的EMC性能指标，以通过最高等级的EFT测试条件--——±4KV的A级性能测试为目标进行后续整改。
±4KV的EFT测试结果及现象：①信号测量不准确，回波信号再次受到干扰；②伴随着测试设备群脉冲干扰信号的发射，电路板上一些器件出现放电打火现象。针对问题①，计为工程师通过深入分析和大量实验发现，升压变压器为高匝比推挽变压器，变压器对电流变化敏感，而干扰信号经由变压器侵入后续放大电路，从而干扰到检测电路。通过增加滤波电感，增设变压器屏蔽罩，在线路布局上进一步缩短变压器与超声波换能器（探头）的回路距离，回波信号受干扰现象得到消除。针对问题②，计为工程师发现一些高压电容因为采用标准的插件式器件，在PCB布局上引脚距离较短，无法满足超高压下放电间隙要求。在整改中增加更高规格的高压滤波器件，PCB板间的接地金属片与其他元器件距离拉大，器件尽量远离电路板边缘，增加与外壳的电气间隙。此外电路模块增加刷涂防电胶工艺，增加静电隔离，并且外壳改良采用高绝缘度的珐琅烤漆。经过上述整改后，放电现象消除。最终计为超声波液位计顺利通过了EFT±4KV的性能A级测试，成就了计为超声波液位计远超同行同类产品的抗干扰能力。
计为超声波液位计的产品研发，自始至终以EMC性能作为产品质量的重要指标，以最高等级的试验标准来设计产品和测试产品，该产品EMC设计符合IEC61000-4(GB/T17626.2)标准，通过-了EFT±4KV的A级性能、ESD静电释放A级性能和浪涌的各项测试，有效确保仪表能在各种严酷嘈杂的工业环境中稳定可靠工作。
①附抗扰度试验的性能判据：
性能判据A级：试验时，在规定限值内性能正常；
性能判据B级：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复。
性能判据C级：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但需要操作者干预或系统复位。
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