Дизайн та вдосконалення тестів електромагнітної сумісності для електронних вольтметрів

1 Огляд електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
1.1 Визначення та вимоги до електромагнітної сумісності

Електромагнітна сумісність (ЕМС) позначає здатність пристрою/системи працювати без перешкод у заданому електромагнітному середовищі та уникнути неприйнятного електромагнітного завадження іншим сутностям. Для електронних вольтметрів ЕМС потребує стабільної вимірювальної продуктивності у складних умовах, не заважаючи іншим пристроям. Їхня ЕМС повинна враховуватися та забезпечуватися під час проектування та виробництва.

1.2 Принцип роботи

Електронні вольтметри використовують електромагнітну індукцію та високоточне електронне вимірювання для перетворення сигналів високого напруги в системах живлення на сигнали низької напруги. Зазвичай вони складаються з первинного датчика, вторинного перетворювального контуру та блоку обробки сигналів: первинний датчик перетворює сигнали високої напруги на слабкий струм/напругу, пропорційний первинній напрузі; вторинний контур подальше перетворює їх на стандартні цифрові/аналогові сигнали; блок обробки фільтрує, підсилює та калібрує сигнали для покращення точності та стабільності вимірювань. Вони можуть вимірювати напругу, струм та потужність одного контуру (як показано на рисунку 1), або напругу/струм одного або декількох контурів.

1.3 Аналіз електромагнітних завад та чутливості

Електронні вольтметри піддаються електромагнітним завадам від іншого електричного обладнання (наприклад, грозові імпульси, переходні перенапруги від операцій з вмикачем), що погіршує якість вимірювань (наприклад, збільшення помилок, нестабільні показники).

2 Аналіз електромагнітної сумісності електронних вольтметрів (EVT)
2.1 Зміст тестів та критерії оцінки

Тест електромагнітної сумісності EVT є ключовим кроком для забезпечення його стабільної та точної роботи в реальних умовах. Тест зосереджується на оцінці здатності EVT протистояти завадам та його продуктивності при різних електромагнітних завадах. Критерії оцінки розділяються на клас A та клас B залежно від тяжкості результатів тесту:

• Клас A: Зберігає нормальну продуктивність в межах специфікацій точності. Оцінка вимагає, щоб коли EVT піддавався електромагнітним завадам, його точність вимірювання залишалася в межах встановлених границь. Це гарантує, що вихідний сигнал напруги відповідає фактичному значенню та не порушує нормального моніторингу та контролю системи живлення.

• Клас B: Дозволяє тимчасове погіршення продуктивності вимірювання, не пов'язане з функціями захисту. Критерії дозволяють тимчасове погіршення продуктивності вимірювання під впливом електромагнітних завад, якщо це не впливає на нормальну роботу функцій захисту або не спричиняє перезавантаження/перезапуск пристрою. Вихідна напруга повинна бути контролювана в межах 500 В, щоб уникнути непотрібного завадження або пошкодження системи живлення.

2.2 Тести проводного завадження

Проводне завадження означає електромагнітні завади, які передаються через провідні шляхи (наприклад, дроти, металеві труби). Для EVT проводне завадження є важливим викликом.

• Тест електричних швидких трансієнтів/спалахів (EFT/B): Симулює трансієнтні завади від індуктивних навантажень (наприклад, реле, контактори) під час комутації, які мають широкий частотний спектр та можуть завадити роботі EVT. Тест застосовує серію швидких трансієнтних спалахів до EVT, спостерігаючи за стабільністю та точністю вихідного сигналу напруги для оцінки здатності протистояти завадам.

• Тест стійкості до вибухів (імпульсів): Симулює трансієнтні перенапруги/струми від операцій з вмикачем, ударів блискавок тощо. Ці події мають високу енергію та коротку тривалість, сильно впливаючи на ізоляцію та точність вимірювання EVT. Тест застосовує вибухові напруги до EVT, щоб перевірити його здатність протистояти завадам без пошкодження або погіршення продуктивності.

2.3 Тести радіованого завадження

• Тест стійкості до магнітного поля мережевої частоти: Оцінює продуктивність EVT в умовах магнітного поля мережевої частоти. За допомогою контролюваного магнітного поля мережевої частоти тест спостерігає за стабільністю та точністю вихідного сигналу напруги для оцінки здатності протистояти завадам.

• Тест стійкості до затухаючого осциляційного магнітного поля: Симулює затухаючі осциляційні магнітні поля, що генеруються при роботі ізоляційних вмикачів високовольтних підстанцій на високовольтних шинах. Ці поля мають швидкі темпи затухання та високі частоти, що можуть завадити точності вимірювання EVT. Тест застосовує затухаючі осциляційні магнітні поля, щоб перевірити, чи зберігає EVT стабільну продуктивність вимірювання.

• Тест стійкості до імпульсного магнітного поля: Симулює імпульсні магнітні поля від ударів блискавок на будівлях або інших металевих конструкціях. Ці поля мають швидкі темпи наростання та високі пікові інтенсивності, що загрожують ізоляції та точності вимірювання EVT. Тест застосовує імпульсні магнітні поля, щоб перевірити здатність EVT протистояти завадам без пошкодження або погіршення продуктивності.

• Тест стійкості до радіочастотного радіаційного електромагнітного поля: Оцінює продуктивність EVT в умовах радіочастотного (RF) радіаційного середовища (наприклад, промислові електромагнітні джерела, радіопередачі, базові станції мобільного зв’язку). За допомогою контролюваного RF радіаційного поля тест спостерігає за стабільністю та точністю вихідного сигналу напруги для оцінки здатності протистояти завадам.

3 Принципи проектування електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
3.1 Принципи проектування схем

• Дизайн з плавучим заземленням: У проектуванні схем використовуйте технологію плавучого заземлення, щоб ізоляція ліній сигналів від корпусу. Це запобігає прямому з'єднанню завадних струмів на корпусі з лінією сигналу, зменшуючи шумове завадження та покращуючи точність та стабільність сигналу.

• Раціональне розташування проводів: Правильне розташування ліній живлення, заземлення та різноманітних ліній сигналів — це ключ до мінімізації купльового завадження. У дизайні схеми EVT забезпечте мінімальне купльове завадження між лініями. Методи, такі як шарування проводів та ортогональне маршрутизація (щоб уникнути паралельних прокладок), зменшують електромагнітну індукцію та капацітну куплю.

• Дизайн фільтруючих конденсаторів: Реалізуйте фільтруючі конденсатори на вході живлення модулів, щоб приглушити завадні сигнали, які потрапляють через живлення. Оберіть конденсатори на основі параметрів, таких як ємність, напруга та частотні характеристики, щоб ефективно фільтрувати високочастотний шум та завади від джерела живлення.

• Дизайн низькорівневої логіки: Уникайте непотрібних високих логічних рівнів, щоб зменшити споживання енергії та високочастотне завадження. У дизайні схеми EVT надавайте перевагу низькорівневим логічним пристроям (наприклад, пристроям на 3.3 В) для мінімізації високочастотного випромінювання та прийому.

• Контроль часу наростання/спаду: Оберіть найповільніший дозволений час наростання та спаду (в межах функцій схеми), щоб уникнути створення непотрібних високочастотних компонентів. Це допомагає зменшити високочастотний шум у схемі та покращує стабільність та точність сигналу.

3.2 Принципи проектування внутрішньої структури

• Повністю закрита екранируюча структура: Використовуйте повністю закритий екран для корпусу, забезпечуючи добре контакт між всіма поверхнями та правильне заземлення. Це ефективно блокує зовнішнє електромагнітне поле, захищаючи внутрішні електронні схеми від зовнішніх завад.

• Мінімізація довжини відкритих проводів: Залишайте всі відкриті дроти всередині корпусу якомога коротшими, щоб зменшити електромагнітне випромінювання та куплю. У внутрішньому дизайні EVT оптимізуйте розташування та розміщення компонентів, щоб зменшити довжину відкритих дротів.

• Групування та зв'язування кабелів: Групуйте дроти за типом сигналу (наприклад, відокреміть цифрові та аналогові лінії) та зберігайте правильну відстань між групами. Це зменшує взаємне завадження між дротами, покращуючи якість та точність сигналу.

• З'єднання провідними клеями: Використовуйте провідні клеї на всіх сполученнях корпусу, щоб забезпечити добре електричне з'єднання та ефективність екрану. Це знижує опір контакту та підвищує продуктивність екрану.

4 Стратегії покращення електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
4.1 Антитінтерференційний дизайн порту живлення
4.1.1 Встановлення фільтрів живлення

Фільтр живлення є ефективним пристроєм приглушення електромагнітних завад, який може фільтрувати високочастотний шум та трансієнтні імпульси в системі живлення, забезпечуючи чистоту вхідного живлення. При виборі фільтра живлення оберіть відповідну модель та специфікацію відповідно до номінальної потужності та робочого середовища EVT, та забезпечте, щоб фільтр був встановлений близько до входу живлення для найкращого фільтруючого ефекту.

4.1.2 Впровадження дизайну резервного живлення

Для підвищення надійності живлення EVT впроваджується дизайн резервного живлення, тобто налаштовуються два або більше модулі живлення. Коли один модуль живлення виходить з ладу, інші модулі можуть швидко прийняти задачу живлення, щоб забезпечити нормальне функціонування EVT. Це не тільки підвищує здатність EVT протистояти завадам, але й підвищує його загальну стабільність.

4.1.3 Покращення екранування та заземлення ліній живлення

Лінії живлення є одним з важливих шляхів поширення електромагнітних завад. Для зменшення електромагнітних завад на лініях живлення використовуються екрановані кабелі, які обгортають лінії живлення металевим екраном, зменшуючи випромінювання та куплю електромагнітних хвиль. Одночасно забезпечте добре заземлення ліній живлення, направляючи завадний струм в землю, щоб уникнути пошкодження EVT.

4.2 Захист від електростатичного випробування портів сигналів
4.2.1 Встановлення компонентів поглинання трансієнтних завад

Компоненти поглинання трансієнтних завад, такі як підсилювачі трансієнтного напруги (TVS) та варистори, можуть швидко поглинають енергію випробування під час електростатичного випробування та контролювати напругу на безпечному рівні, захищаючи внутрішні електронні компоненти EVT від пошкодження. При виборі компонентів поглинання трансієнтних завад оберіть відповідну модель та специфікацію відповідно до характеристик сигналу та робочого середовища EVT.

4.2.2 Впровадження методу диференційного передавання сигналу

Метод диференційного передавання сигналу може ефективно протистояти спільному режиму завад та покращити здатність сигналу протистояти завадам. У дизайні портів сигналів EVT використовується метод диференційного передавання сигналу, розподіляючи сигнал на позитивні та негативні канали для передачі. Ефективна інформація витягується шляхом порівняння різниці між двома каналами, що не тільки покращує якість передачі сигналу, але й зменшує завади електростатичного випробування на EVT.

4.3 Оптимізація екрануючої продуктивності корпусу
4.3.1 Вибір матеріалів з високою магнітною проникністю

Вибір матеріалу для корпусу є важливим для ефективності екранування. Для підвищення здатності екранування магнітного поля корпусу використовуються матеріали з високою магнітною проникністю, такі як залізні плити, які можуть ефективно поглинаючи та розподіляючи енергію магнітного поля, зменшуючи завади магнітного поля всередині EVT. Відносна магнітна проникність металів показана в таблиці 1.

4.3.2 Оптимізація конструкції корпусу

Конструкція корпусу також є важливим фактором, що впливає на ефективність екранування. У дизайні корпусу EVT використовується повністю закрита екрануюча структура, щоб забезпечити добре з'єднання та заземлення між різними поверхнями.

4.3.3 Покращення заземлення корпусу

Заземлення корпусу є важливим для ефективності екранування. У дизайні корпусу EVT необхідно забезпечити добре заземлення між корпусом та землею, направляючи завадний струм в землю.

Вони також випромінюють завади, такі як високочастотні гармоніки та електромагнітне випромінювання, впливаючи на інші пристрої. Проектування їх потребує врахування цих завад та проблем чутливості з застосуванням заходів приглушення та захисту.

5 Висновок

Ця стаття проводить глибоке дослідження та проектування електромагнітної сумісності електронних вольтметрів. Представлена серія заходів, включаючи принципи проектування схем, принципи проектування внутрішньої структури та стратегії покращення електромагнітної сумісності. Мета полягає в тому, щоб підвищити здатність EVT протистояти завадам та стабільність у складних електромагнітних середовищах, забезпечивши його здатність точно та надійно вимірювати сигнали напруги в системах живлення, та забезпечити надійну гарантію для безпечного та стабільного функціонування систем живлення.