船用儀表EMC與羅經(jīng)安全距離

0 引言
    從國家船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究巾心獲悉，去年我國造船總?cè)萘考s9×106t．新船汀單超過17×106t，占全球市場17％。另外，國內(nèi)船廠已手持船舶訂單37×106t，足夠未來3年建造。近兩年來，船用儀表每年以20％～30％高速增長，個(gè)別新興領(lǐng)域如船載航行數(shù)據(jù)記錄儀(500t以上的船舶均要安裝)，安保報(bào)警裝置(“9．11”后在公海行駛的船舶均要安裝)更是超速發(fā)展。

    電磁兼容(EMC)即設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾。它包含著干擾和抗干擾的雙重性。

    船用儀表由于特殊的使用場合決定了其空間狹小(船艙位置有限)，連續(xù)工作時(shí)間長(一個(gè)航程有幾個(gè)月，甚至一年)，安全性、可靠性要求高，儀表種類多(有操作、控制、圖像、聲音、報(bào)警、存儲、接收、回放等)，信號種類復(fù)雜(有數(shù)字信號、模擬信號、干擾信號)，頻率從高頻到低頻(50Hz～2GHz)。因此，防止各系統(tǒng)間的干擾，防止各儀器設(shè)備間的干擾，防止各導(dǎo)線間的干擾等上述的抗干擾形成了船用儀表的EMC，就成為迫切需要解決的問題。

l 船用儀表的EMC與羅經(jīng)安全距離
    船用儀表由于其特殊性和國際慣例(所有船上使用的系統(tǒng)、儀器設(shè)備、管線均要得到船舶所有國的船級社的認(rèn)可)成為最早和國際接軌的行業(yè)之一。船用儀表的電磁兼容成為強(qiáng)制性試驗(yàn)，主要的試驗(yàn)項(xiàng)目有：能源波動；傳導(dǎo)騷擾；外殼端口輻射騷擾；靜電放電抗擾度；射頻電磁場輻射抗擾度；電快速瞬變脈沖群抗擾度；浪涌抗擾度；低頻傳導(dǎo)抗擾度；射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度：羅經(jīng)安全距離等。

    羅經(jīng)，分為標(biāo)準(zhǔn)羅經(jīng)和舵羅經(jīng)，安裝在駕駛艙內(nèi)，作為船舶航行的最重要關(guān)鍵件，決定著船舶航行的方向、速度、時(shí)間，直接關(guān)系到船舶的安全。因此保證羅經(jīng)的安全，排除一切系統(tǒng)、儀器設(shè)備、管線的對它的干擾就成為船用儀表的關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)在，越來越多的駕駛艙內(nèi)的儀表被要求提供與羅經(jīng)的最小安全距離，從而來決定該產(chǎn)品在駕駛艙內(nèi)的安裝位置。相關(guān)的國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也正不斷地被制訂和強(qiáng)制執(zhí)行(如IEC60945)。

    樣品與羅經(jīng)的安全距離定義為被測試設(shè)備單元的最近點(diǎn)距羅經(jīng)中心點(diǎn)或磁力計(jì)的距離，這個(gè)距離是保證標(biāo)準(zhǔn)羅經(jīng)不產(chǎn)生超過5．4°/m的偏差。(H是水平方向在測試位置的磁通量密度)對舵羅經(jīng)、備用舵羅經(jīng)和緊急羅經(jīng)，要求偏差是18°/H。
    羅經(jīng)最小安全距離的測試方法是利用地球磁場強(qiáng)度與角度的關(guān)系，將對角度的測量轉(zhuǎn)化為對磁場強(qiáng)度的測最。
    在上海地區(qū)的測試方法如表1所示。

    (1)測試取得上海本地的磁場強(qiáng)度的水平分量；
    (2)在一個(gè)除了地磁場外無其他磁干擾的空曠地方，將磁力計(jì)距地面80cm水平放置，調(diào)整磁力計(jì)的方向，使之讀數(shù)為零；
    (3)將被測設(shè)備各部件也置于相同高度，移動被測設(shè)備組件，找到使磁力計(jì)讀數(shù)為表1中最后兩項(xiàng)的最長距離；
    (4)將被測設(shè)備的各個(gè)部件分別置放在直流場(103／4πA／m)、交流場(18x103／4πA/m，50Hz，)中進(jìn)行磁化，重復(fù)以上試驗(yàn)。
    在系統(tǒng)上電、不上電，磁化、不磁化狀態(tài)下重復(fù)上述試驗(yàn)，找出最大值，即為與羅經(jīng)的最小安全距離。越小的羅經(jīng)安全距離反映樣品對羅經(jīng)的干擾越小，樣品的抗干擾能力越好。
    測試與羅經(jīng)的最小安全距離，對特定的儀表來說，是一項(xiàng)綜合項(xiàng)目，是在完成并通過能源波動；傳導(dǎo)騷擾(CE)；外殼端口輻射騷擾(RE)；靜電放電抗擾度(ESD)；射頻電磁場輻射抗擾度(RS)；電快速瞬變脈沖群抗擾度(EFT)；浪涌抗擾度(Surge)；低頻傳導(dǎo)抗擾度；射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度(CS)等試驗(yàn)的基礎(chǔ)上最后實(shí)施的試驗(yàn)。
    羅經(jīng)最小安全距離是一項(xiàng)產(chǎn)品綜合EMC能力的反應(yīng)。

2 常見船用儀表的EMC問題
    綜合比較近兩年國內(nèi)和國際船用儀表的EMC問題，發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，即國內(nèi)樣品抗干擾能力非常強(qiáng)，如能源波動，低頻傳導(dǎo)抗擾度幾乎沒有不合格的；而傳導(dǎo)騷擾，外殼端口輻射騷擾，電快速瞬變脈沖群抗擾度，靜電放電抗擾度等常常會出現(xiàn)問題。而國外樣品干擾能力好，如傳導(dǎo)騷擾，外殼端口輻射騷擾一般都能通過；抗干擾能力卻很差，如能源波動，電快速瞬變脈沖群抗擾度，射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等往往較難通過。

    下面選取了48個(gè)樣品，生產(chǎn)地有中同(35個(gè))、法同(1個(gè))、德國(3個(gè))、美國(3個(gè))、新加坡(2個(gè))、日本(1個(gè))、瑞典(3個(gè))，樣品有船載航行數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)保護(hù)容器、安保報(bào)警裝置、船艙液位擋制系統(tǒng)、液位報(bào)警裝置、火災(zāi)報(bào)警裝置、航海雷達(dá)系統(tǒng)、便攜式計(jì)算機(jī)等。第一次試驗(yàn)不合格統(tǒng)計(jì)如表2所列。

3 幾點(diǎn)建議
    船用儀表的EMC是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須從設(shè)計(jì)開始統(tǒng)籌兼顧，一般可以從供電電源設(shè)計(jì)、印制線路板設(shè)計(jì)、機(jī)箱屏蔽、連接件選擇、電源線/控制信號線濾波、接地線和電纜選擇等方面加以考慮。

3．1 供電電源
    (1)盡可能將一、二級電路分離(減少干擾對后期信號的沖擊)；
    (2)額定電壓優(yōu)先選用220V(在EFT和Surge試驗(yàn)中，電源承受的沖擊電壓是相同的，但24V和220V相對沖擊電壓的倍率是不同的)；
    (3)工作電流超過5A最好單獨(dú)使用一根電源線。

3．2 印制線路板
    (1)數(shù)字電路和模擬電路分開(減少干擾)；
    (2)盡量加大線性電路地線的面積(干擾可以迅速從地線走)；
    (3)接地線構(gòu)成閉環(huán)(縮小電位差)；
    (4)關(guān)鍵零部件選用通過EMC試驗(yàn)的。

3．3 機(jī)箱
    (1)機(jī)箱考慮磁屏蔽和電屏蔽(輻射發(fā)射有磁場和電場二種)；
    (2)機(jī)箱連接處要用密封墊圈、導(dǎo)電橡膠(防止縫隙處的電磁泄漏)，開孔處絕緣漆一定要處理干凈(防止干擾聚集在機(jī)箱上)；
    (3)布線盡量遠(yuǎn)離干擾源(防止電路干擾和導(dǎo)線偶合干擾，信號線應(yīng)遠(yuǎn)離電源線)。

3.4 接地線
    (1)柜體盡量單獨(dú)接地(接地阻抗應(yīng)≤4Ω)；
    (2)接地線盡量加粗(最好≥3mm，因接地電位隨電流變化而變化)。

3．5 電源線／控制信號線濾波
    (1)在空間足夠的情況下，選用額定電壓高的濾波器(能承受足夠高的的沖擊電壓)；
    (2)鐵氧體磁環(huán)選用：
    ①選用和需抑制干擾頻段相同的頻段磁環(huán)；
    ②如原來共模同路阻抗較高，產(chǎn)生扼流圈所增加阻抗很小，則磁環(huán)作用不明顯，可考慮電源端的旁路電容或更換合適的濾波器；
    ③排除系統(tǒng)中其他干擾源。

3．6 電纜
    既是干擾發(fā)生器，也是干擾接收器，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸可靠性、誤碼率、圖象變形、控制信號等，選用合適的電纜是非常重要的。(可從電纜的屏蔽、材料、結(jié)構(gòu)等考慮)

4 結(jié)語
    上海工業(yè)自動化儀表研究所是中國首家開展羅經(jīng)安全距離測試的檢測機(jī)構(gòu)，在首次測試過程中，得到了美國同行的大力支持，測試程序和測試數(shù)據(jù)已得到中國船級社和FCC(美國)、GL(德國)、NK(日本)、BV(法國)、BSE(德國)、Lloyd’s Register(英國)的認(rèn)可。