船用仪表EMC与罗经安全距离

0 引言
    从国家船舶工业经济研究巾心获悉，去年我国造船总容量约9×106t．新船汀单超过17×106t，占全球市场17％。另外，国内船厂已手持船舶订单37×106t，足够未来3年建造。近两年来，船用仪表每年以20％～30％高速增长，个别新兴领域如船载航行数据记录仪(500t以上的船舶均要安装)，安保报警装置(“9．11”后在公海行驶的船舶均要安装)更是超速发展。

    电磁兼容(EMC)即设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰。它包含着干扰和抗干扰的双重性。

    船用仪表由于特殊的使用场合决定了其空间狭小(船舱位置有限)，连续工作时间长(一个航程有几个月，甚至一年)，安全性、可靠性要求高，仪表种类多(有操作、控制、图像、声音、报警、存储、接收、回放等)，信号种类复杂(有数字信号、模拟信号、干扰信号)，频率从高频到低频(50Hz～2GHz)。因此，防止各系统间的干扰，防止各仪器设备间的干扰，防止各导线间的干扰等上述的抗干扰形成了船用仪表的EMC，就成为迫切需要解决的问题。

l 船用仪表的EMC与罗经安全距离
    船用仪表由于其特殊性和国际惯例(所有船上使用的系统、仪器设备、管线均要得到船舶所有国的船级社的认可)成为最早和国际接轨的行业之一。船用仪表的电磁兼容成为强制性试验，主要的试验项目有：能源波动；传导骚扰；外壳端口辐射骚扰；静电放电抗扰度；射频电磁场辐射抗扰度；电快速瞬变脉冲群抗扰度；浪涌抗扰度；低频传导抗扰度；射频场感应的传导抗扰度：罗经安全距离等。

    罗经，分为标准罗经和舵罗经，安装在驾驶舱内，作为船舶航行的最重要关键件，决定着船舶航行的方向、速度、时间，直接关系到船舶的安全。因此保证罗经的安全，排除一切系统、仪器设备、管线的对它的干扰就成为船用仪表的关键技术。现在，越来越多的驾驶舱内的仪表被要求提供与罗经的最小安全距离，从而来决定该产品在驾驶舱内的安装位置。相关的国际国内标准也正不断地被制订和强制执行(如IEC60945)。

    样品与罗经的安全距离定义为被测试设备单元的最近点距罗经中心点或磁力计的距离，这个距离是保证标准罗经不产生超过5．4°/m的偏差。(H是水平方向在测试位置的磁通量密度)对舵罗经、备用舵罗经和紧急罗经，要求偏差是18°/H。
    罗经最小安全距离的测试方法是利用地球磁场强度与角度的关系，将对角度的测量转化为对磁场强度的测最。
    在上海地区的测试方法如表1所示。

    (1)测试取得上海本地的磁场强度的水平分量；
    (2)在一个除了地磁场外无其他磁干扰的空旷地方，将磁力计距地面80cm水平放置，调整磁力计的方向，使之读数为零；
    (3)将被测设备各部件也置于相同高度，移动被测设备组件，找到使磁力计读数为表1中最后两项的最长距离；
    (4)将被测设备的各个部件分别置放在直流场(103／4πA／m)、交流场(18x103／4πA/m，50Hz，)中进行磁化，重复以上试验。
    在系统上电、不上电，磁化、不磁化状态下重复上述试验，找出最大值，即为与罗经的最小安全距离。越小的罗经安全距离反映样品对罗经的干扰越小，样品的抗干扰能力越好。
    测试与罗经的最小安全距离，对特定的仪表来说，是一项综合项目，是在完成并通过能源波动；传导骚扰(CE)；外壳端口辐射骚扰(RE)；静电放电抗扰度(ESD)；射频电磁场辐射抗扰度(RS)；电快速瞬变脉冲群抗扰度(EFT)；浪涌抗扰度(Surge)；低频传导抗扰度；射频场感应的传导抗扰度(CS)等试验的基础上最后实施的试验。
    罗经最小安全距离是一项产品综合EMC能力的反应。

2 常见船用仪表的EMC问题
    综合比较近两年国内和国际船用仪表的EMC问题，发现一个非常有趣的现象，即国内样品抗干扰能力非常强，如能源波动，低频传导抗扰度几乎没有不合格的；而传导骚扰，外壳端口辐射骚扰，电快速瞬变脉冲群抗扰度，静电放电抗扰度等常常会出现问题。而国外样品干扰能力好，如传导骚扰，外壳端口辐射骚扰一般都能通过；抗干扰能力却很差，如能源波动，电快速瞬变脉冲群抗扰度，射频场感应的传导抗扰度等往往较难通过。

    下面选取了48个样品，生产地有中同(35个)、法同(1个)、德国(3个)、美国(3个)、新加坡(2个)、日本(1个)、瑞典(3个)，样品有船载航行数据记录仪、数据保护容器、安保报警装置、船舱液位挡制系统、液位报警装置、火灾报警装置、航海雷达系统、便携式计算机等。第一次试验不合格统计如表2所列。

3 几点建议
    船用仪表的EMC是一项系统工程，必须从设计开始统筹兼顾，一般可以从供电电源设计、印制线路板设计、机箱屏蔽、连接件选择、电源线/控制信号线滤波、接地线和电缆选择等方面加以考虑。

3．1 供电电源
    (1)尽可能将一、二级电路分离(减少干扰对后期信号的冲击)；
    (2)额定电压优先选用220V(在EFT和Surge试验中，电源承受的冲击电压是相同的，但24V和220V相对冲击电压的倍率是不同的)；
    (3)工作电流超过5A最好单独使用一根电源线。

3．2 印制线路板
    (1)数字电路和模拟电路分开(减少干扰)；
    (2)尽量加大线性电路地线的面积(干扰可以迅速从地线走)；
    (3)接地线构成闭环(缩小电位差)；
    (4)关键零部件选用通过EMC试验的。

3．3 机箱
    (1)机箱考虑磁屏蔽和电屏蔽(辐射发射有磁场和电场二种)；
    (2)机箱连接处要用密封垫圈、导电橡胶(防止缝隙处的电磁泄漏)，开孔处绝缘漆一定要处理干净(防止干扰聚集在机箱上)；
    (3)布线尽量远离干扰源(防止电路干扰和导线偶合干扰，信号线应远离电源线)。

3.4 接地线
    (1)柜体尽量单独接地(接地阻抗应≤4Ω)；
    (2)接地线尽量加粗(最好≥3mm，因接地电位随电流变化而变化)。

3．5 电源线／控制信号线滤波
    (1)在空间足够的情况下，选用额定电压高的滤波器(能承受足够高的的冲击电压)；
    (2)铁氧体磁环选用：
    ①选用和需抑制干扰频段相同的频段磁环；
    ②如原来共模同路阻抗较高，产生扼流圈所增加阻抗很小，则磁环作用不明显，可考虑电源端的旁路电容或更换合适的滤波器；
    ③排除系统中其他干扰源。

3．6 电缆
    既是干扰发生器，也是干扰接收器，直接关系到数据传输可靠性、误码率、图象变形、控制信号等，选用合适的电缆是非常重要的。(可从电缆的屏蔽、材料、结构等考虑)

4 结语
    上海工业自动化仪表研究所是中国首家开展罗经安全距离测试的检测机构，在首次测试过程中，得到了美国同行的大力支持，测试程序和测试数据已得到中国船级社和FCC(美国)、GL(德国)、NK(日本)、BV(法国)、BSE(德国)、Lloyd’s Register(英国)的认可。