热量表存在的电磁兼容问题及解决方法探讨

●山西省计量科学研究院 高金法 袁淑芳

近几年来，节能产品日趋推广，热量表的安装越来越普遍，其计量的准确性直接影响节能效果，因此其产品质量也引起了政府高度关注。目前热量表产品主要都是智能数字显示，均包含电子部分。随着电磁干扰环境的复杂化，要求的严酷等级也不断升级。由于智能化程度的提高，其电子线路更加复杂，使以前在电子线路设计中很少出现的电磁兼容性（EMC）问题，现在也变成了主要问题。在国家相关产品标准和型式评价大纲中对电磁兼容性能也都提出了严格要求。因此，电磁兼容性能的合格与否直接关系到热量表产品质量可靠性和计量的准确性。

随着经济的全球化，世界各国为了保护本地区的电磁环境和本土产品的竞争优势，基本都设置了EMC相应的市场准入认证，如北美的FCC、NEBC认证、欧盟的CE认证、日本的VCCEI认证、中国的3C认证等，这些都是产品进入市场的“通行证”。所以，热量表作为国家重点管理的计量器具和节能计量产品，其电磁兼容性能越来越受到国家监管部门和计量器具生产企业的重视。

表1 电磁兼容试验项目及要求

存在的问题及解决方案

1.热量表工作原理

热量表主要用于测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收的热量情况，广泛用于集中供热，分户计量收费等地域。其工作原理是将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上，将流量传感器安装在入口或出口管上；流量传感器发出流量信号，配对温度传感器给出入口和出口的温度信号，计算器采集流量信号和温度信号；经过计算，显示出载热液体从入口至出口所释放的热量值。热量表主要由流量传感器、配对温度传感器和计算器等组成。按结构主要分为一体式和组合式。

表2 静电放电试验结果

2.EMC试验

热量表在性能评价中存在问题的电磁兼容试验项目主要有静电放电、脉冲群和浪涌试验。热量表电磁兼容试验项目及要求见表1。

（1）静电放电（ESD）抗扰度试验

①存在问题

静电放电抗扰度试验是评估被试物（EUT）在遭受人体静电放电时的抗扰度。表2列出某种型号热量表在静电放电试验后结果。

从试验结果可以看出：热量表受到静电放电的干扰，在干扰后数据丢失，出现故障，对热量表系统正常运行产生了影响，存储位发生改变。根据试验情况分析，出现问题主要是在接触金属部位时，导致热量表复位到某一天的信息。很可能是热量表计量芯片主板与外部有接触的点没有防护好。打开热量表外壳检查，发现是信号线的屏蔽线与信号线一端接触，而屏蔽线也与外部螺纹连接金属部分有接触，试验时部分放电电流可能被迫流经内部电路，出现软件错误。通过将信号线与屏蔽线分离，即排除干扰。通过试验发现，这类问题出现虽然没有造成热量表损坏，但却在使用中会造成贸易结算纠纷。

②解决方案

虽然针对ESD，许多敏感电子器件芯片内部都有一定的保护措施，但ESD作用从低到高，其作用是累积的，即一个元件可能经受住一次ESD作用，但不一定能保证经受住多次ESD作用。这就需要在ESD与敏感电子器件接触之前就消除或衰减干扰。通常解决静电干扰源有以下4种措施：a.与外部有接触的点必须防护ESD（如与分流器连接的点），即减少源头上静电积累；b.外壳与电路板做好隔离，防止放电；c.给ESD电流提供泄放路径，旁路敏感电路；d.对敏感电路采取屏蔽措施等。

（2）电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

①存在问题

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验是评估EUT对来自操作瞬态过程（如断开电感性负荷、继电器接点弹跳等）中所产生的瞬态脉冲群的抗扰度。

从表1可知脉冲群试验主要对交流供电以及长度大于1.2m的直流电源线和信号控制线的热量表进行试验。表3是对某型号热量表配对温度传感器信号线（长度为1.5m）进行试验的结果。

表3 脉冲群试验结果

信息丢失或信息内容发生变化。热量表由于其配对温度传感器的信号线大于1.5m，较长，需对其试验。在试验中出现信息变化。根据热量表结构特点，以上4种措施首先考虑第1种情况是否存在问题。经检查，温度传感器信号线的电缆无屏蔽层，而直接进入计量芯片，在不能更换信号线或给电缆上安装其他防护元件的情况下，对计量芯片敏感电路局部屏蔽后，试验通过。

②解决方案

快速脉冲通过信号/控制线注入时，由于是采用容性耦合夹注入，属共模注入方式。通常采取措施有：信号电缆屏蔽，并且接地，但电缆屏蔽层必须能与试验中的参考接地端可靠连接；信号电缆上安装共模扼流圈；信号电缆上安装共模滤波电容；对敏感电路局部屏蔽。

（3）浪涌抗扰度试验

表4 浪涌试验结果

图1 整改前整流桥

图2 整改后整流桥

①存在问题

浪涌抗扰度试验是用于评估EUT对电力系统的操作瞬态、雷击（不包括直击雷）、瞬态系统故障等大能量的浪涌骚扰的抗扰度。

在对某一带有控制部分组合式热量表进行浪涌试验中，出现表4描述现象。组合式热量表除了流量传感器、配对温度传感器和计算器外，还包括控制部分。该热量表为交流供电，设计时电源部分单独考虑，带有整流滤波电路，但在试验后不合格。存在问题首先考虑电源板部分。

从表4现象可以看出，在交流电源端口施加2kV试验电压类似击穿现象。检查电路板发现电源板供电部分电源板损坏，电源板上电容爆裂。通过分析，发现整流元件KBP210损坏，如图1所示。查看该电源部分整流电路耐压600V，耐压不够，造成击穿。设计人员更换整流桥路耐压1 600V二极管后，试验通过，如图2所示。

②解决方案

浪涌信号是瞬间脉冲冲击，电压的瞬间变化引起回路中有瞬间的电流变化，并会在电感上产生高达上千伏的感应电动势，这个电压串扰到后续电路。后续电路没有过压保护措施，出现电容爆裂现象。因此，在设计电路中使用的浪涌保护器件的击穿电压或保护电压应适应电压保护的要求。而且应以足够大的分流能力使能量尽快泄放掉，即吸收大的能量而不损坏。

从上述存在问题分析和解决方法可知：热量表类计量器具电路的电磁兼容设计技术和性能检测技术都很重要。其设计要根据标准要求，是否能通过试验需要进行性能评估检测。性能评估后不合格整改和抗干扰设计都应考虑接地、屏蔽、印刷线路板的布局、元器件参数等问题，以此提高热量表等计量器具的试验通过率。