Aparatura pomiarowa

Laboratoria badania urządzeń elektronicznych

Badania urządzeń elektronicznych pod kątem kompatybilności elekromagnetycznej, odporności na wpływ środowiska oraz na narażenia mechaniczne stały się w ostatnich latach częścią zapewnienia jakości w elektronice oraz istotną częścią procesu projektowania. Spełnienie wymagań zapisanych w normach wymaga od inżynierów wiedzy i doświadczenia wynikającego z wielu wcześniejszych opracowań oraz dużej wyobraźni pozwalającej na prognozowanie możliwych problemów i podejmowanie z góry środków zaradczych. Sukcesem jest niewątpliwie otrzymanie pozytywnego protokołu z badań wykonanych przez akredytowane laboratorium, niemniej zanim dojdzie do tego momentu, liczą się badania i kontrole etapowe wykonywane w czasie tworzenia, konsultacje i wsparcie specjalistów zajmujących się badaniami na co dzień.

Czynniki sprzyjające zlecaniu badań do laboratoriów

 

Na liście czynników, które w największym stopniu sprzyjają zlecaniu badań urządzeń do wyspecjalizowanych placówek badawczych, wyróżniają się trzy pozycje: wymagania prawne, złożoność zagadnień oraz to, że placówki te zatrudniają kompetentnych specjalistów. Wspólnym mianownikiem dla tych trzech zagadnień jest wiedza na temat tego, co badać, w jaki sposób i jeśli wyniki są złe, to co z tym można zrobić. To ostatnie zagadnienie staje się coraz ważniejsze, bo sprzęt jest coraz bardziej złożony, a wymagań stale przybywa.

Normy i przepisy

Norm definiujących wymagania techniczne dla urządzeń, warunki pomiarów parametrów i testowania funkcjonalności przybywa, gdyż z jednej strony jak wspomniano nasycenie elektroniką stale rośnie i tym samym ryzyko wzajemnych interakcji, a z drugiej strony sprzęt pełni coraz bardziej odpowiedzianą funkcję w naszym życiu. Bierze się to także ze stale rosnącego stopnia skomplikowania urządzeń oraz z tego, że ewolucja techniczna jest coraz szybsza. Normy muszą być tym samym stale aktualizowane, rozszerzane, pojawiają się nowe regulacje po to, aby objąć kontrolą nowy obszar rynku. Przykładem z ostatnich lat mogą być stacje ładowania samochodów elektrycznych i ogólnie zagadnienia związane z elektryczną motoryzacją, gdzie zachodzi konieczność sprawdzania punktów ładowania pod kątem bezpieczeństwa, współpracy z siecią energetyczną oraz oczywiście także EMC.

Odpowiedzialne zadania oznaczają to, że bardzo często awaria lub zakłócenie działania wiąże się z dużym ryzykiem finansowym i zagrożeniem dla zdrowia, dlatego normy tworzą granice wyznaczające, co jest akceptowalne, a co nie. Porażenie prądem elektrycznym, zagrożenie pożarem są najbardziej wymownymi przykładami takich obszarów, gdzie regulacje wynikają z ograniczania zagrożeń dla życia ludzkiego, ale poza tymi najbardziej wymownymi jest więcej.

Podejście do badań krajowych firm produkcyjnych i handlowych

 

Co drugi pytany specjalista był zdania, że tylko wybrane firmy badają swoje produkty pod kątem spełnienia wymagań lub też firmy badają wyroby tylko, gdy zostaną do tego zmuszone, np. warunkami przetargu lub też dopuszczeniem do współpracy z partnerem z zagranicy. Co piąty pytany był nawet zdania, że większość firm nie bada swoich produkowanych/dystrybuowanych urządzeń, bo nie czuje przymusu ze strony klientów oraz nie czuje się zagrożona karą.

Normy, dyrektywy i przepisy są potrzebne, gdyż bez jasnych wskazówek rynek nie doszedłby do konsensusu w zakresie wymagań. Nawet przy szczegółowych normach zawsze ktoś znajdzie jakiś wyjątek, jak żarówka wolframowa do celów technicznych, zasilacz dwuwyjściowy lub jeszcze coś innego na wymiganie się od obowiązków.

W dalszej kolejności takie akty prawne wymuszają zmiany na rynku elektroniki w sposób celowy i są tym samym częścią polityki państw lub wspólnot związanych z ochroną klimatu i środowiska. Przykładem mogą być wymagania dyrektyw RoHS i WEEE w zakresie ochrony środowiska, wymagania Ekoprojektu związane ze sprawnością energetyczną zasilaczy. Normy i przepisy definiują też pośrednio jakość, bo umożliwiają porównanie urządzeń różnych producentów, tworząc jednakowe warunki kontrolne, a przykładem mogą być etykiety energetyczne.

Nie tylko kompatybilność

Pełne spektrum badań urządzeń elektronicznych to obszerny katalog testów obejmujący badania związane z kompatybilnością elektromagnetyczną, bezpieczeństwem użytkowania, a w dalszej kolejności klimatyczne, mechaniczne i funkcjonalne (m.in. poziomu hałasu). Takie specjalistyczne obszary to także badania odporności na impulsy HPEM (dużej mocy), badania odporności urządzeń na anomalie występujące w sieciach zasilających, m.in. zmiany częstotliwości sieci zasilającej, wahania napięcia, zniekształcenia przebiegu napięcia itp., badania zaburzeń od urządzeń PLC pracujących w liniach niskiego napięcia. Jeszcze bardziej specjalistycznie wyglądają badania fotobiologiczne, temperatury barwowej i wskaźnika oddawania barw, a także oddziaływania fal elektromagnetycznych na organizm ludzki.

Częścią oferty usług badawczych są także okresowe badania aparatury pomiarowej. Takie usługi są wymagane w stosunku do mierników wykorzystywanych do wymaganych prawnie kontroli instalacji związanych z bezpieczeństwem pracy (BHP), okresową kontrolą instalacji elektrycznych, kontrolą mierników do badań klimatu itd. Aparatura w takich działaniach musi zapewniać bezdyskusyjny poziom jakości metrologicznej, co oznacza jej okresową kalibrację. Te usługi bardzo często świadczą producenci aparatury pomiarowej, bo oni i tak muszą mieć kalibratory do celów realizowanej produkcji, więc na ich bazie mogą świadczyć usługi, a poza tym są najlepiej przygotowani merytorycznie do takich działań. Kalibracja aparatury pomiarowej jest też częścią usług posprzedażnych, a więc takich jak serwis gwarancyjny i pogwarancyjny dla dystrybutorów aparatury pomiarowej, którzy traktują ją jako element kompleksowej obsługi klienta.

Istotne dla elektroników zmiany z ostatnich miesięcy

Od 1 września 2021 roku nowo wprowadzane na rynek źródła światła powinny mieć nową etykietę energetyczną określającą ich wydajność świetlną, zużycie energii w ciągu 1000 godzin pracy oraz kategorię energetyczną. Były one na źródłach światła od dawna, ale nie na wszystkich źródłach były wymagane. Od 1 września 2021 roku lampy LED- owe i większość innych źródła światła (np. taśmy LED) też muszą być etykietowane, a dodatkowo zmieniony został wzór etykiety na wersję bardziej dopasowaną do realiów, bez plusów przy kategorii A. Z obowiązku wyłączono komponenty (diody LED, moduły COB) oraz źródła o wydajności poniżej 60 lm, czyli w praktyce oświetlenie sygnalizacyjne.

Od 1 stycznia 2023 w Wielkiej Brytanii obowiązywał będzie znak UKCA, którym musi być oznaczony sprzęt kierowany na tamtejszy rynek. Europejski "CE" straci ważność i nie będzie już honorowany, a zamiast niego obowiązywać będzie "UKCA" (UK Conformity Assessment). Jest to odpowiednik znaku CE na rynku brytyjskim.

Szczęśliwie UKCA i CE to w zasadzie to samo, bo praktycznie wszystkie zharmonizowane normy europejskie zostały wyznaczone jako podstawa do wydania UKCA. Może się to kiedyś zmieni, ale na razie jedyna zmiana oznacza w większości przypadków konieczność innego oznakowania produktów na tamtejszy rynek i dokonania aktualizacji deklaracji zgodności.

Przenośne urządzenia pomiarowe

Przenośne urządzenia pomiarowe od lat towarzyszą służbom utrzymania ruchu, elektroinstalatorom i wielu innym osobom w ich codziennej pracy. Zapewniają one istotne rozszerzenie możliwości zastosowania tradycyjnej aparatury, pozwalając na pomiary większości popularnych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych i stanowią częste elementy ofert dostawców obsługujących przemysł, sektory energetyki oraz budownictwa.

Przenośne urządzenia pomiarowe stanowią przede wszystkim wyposażenie serwisantów, zakładowych służb utrzymania ruchu, elektroinstalatorów oraz innych osób dokonujących pomiarów oraz zajmujących się diagnostyką instalacji, a także badaniem stanu technicznego urządzeń i kontrolą czynników środowiskowych. Patrząc na to pod kątem branż będących najczęstszymi odbiorcami aparatury, należy tu wskazać przede wszystkim przemysł (procesy ciągłe, serwis, utrzymanie ruchu), sektor laboratoryjny / R&D oraz energetykę.

Aparaturę tego typu dzielimy na związaną z pomiarami elektrycznymi i nieelektrycznymi. W obszarze pomiarów wielkości nieelektrycznych najczęściej mierzoną wartością jest temperatura. Obejmuje to, oprócz wersji do pomiarów dotykowych, przede wszystkim te bezdotykowe – kamery termowizyjne i pirometry. Kolejne często mierzone wielkości to m.in. ciśnienie, przepływ, wymiary i siły. Dotyczy to zarówno urządzeń do pomiarów jednorazowych, ale też ciągłych, a także rejestracji wyników.

W zakresie pomiarów wielkości nieelektrycznych istnieje szereg nisz i zastosowań specjalistycznych, co powoduje dodatkowe rozdrobnienie na rynku urządzeń pomiarowych z tym związanych. Wymienione mierniki są uzupełniane przez dziesiątki urządzeń przeznaczonych do pomiarów większości popularnych wielkości fizycznych (hałas, promieniowanie, oświetlenie, czynniki fizykochemiczne, stężenie gazów, czynniki korozyjne, itd.). Urządzenia do tego typu pomiarów znaleźć można w ofertach części przedsiębiorstw, specjalizujących się w obszarze techniki pomiarowej.

Grup przyrządów związanych z pomiarami wielkości elektrycznych jest mniej. Typowo wyróżniamy tu: multimetry, mierniki cęgowe i podobne urządzenia o dużym stopniu uniwersalności, a także aparaturę do zastosowań w energetyce służącą do pomiarów większych napięć i prądów oraz kontroli instalacji elektrycznych (testowanie zabezpieczeń, pomiary rezystancji izolacji, pomiar impedancji i rezystancji pętli zwarcia, itd.). W grupie przenośnych przyrządów energetycznych klasyfikowane są także mierniki takie jak testery, wskaźniki kolejności faz czy mierniki prądów upływu. To także urządzenia do pomiarów pracy cyfrowych sieci komunikacyjnych.

Poszukiwane funkcje w miernikach przenośnych

 

Klienci oczekują przyrządów uniwersalnych: kombajnów pomiarowych pozwalających nosić ze sobą tylko jeden miernik. Tak jest taniej i z pewnością jest to wygodniejsze rozwiązanie przy pracy w terenie. Przyrząd uniwersalny musi być oczywiście dobry jakościowo i niezawodny, gdyż droga ku uniwersalności nie może prowadzić przez ograniczenia. Kolejne kryteria, a więc rozdzielczość, dokładność, szybkość pomiarów wskazują, że liczą się też dobre parametry metrologiczne. One są brane pod uwagę w drugiej kolejności, a więc po ustaleniu budżetu zakupowego, a więc ile można wydać na miernik.

Bezprzewodowość i coraz większa funkcjonalność

Większość zmian technologicznych w aparaturze pomiarowej jest, oprócz samych zmian w dziedzinie metrologii, pochodną rozwoju elektroniki oraz IT. Innowacje dotyczą często zwiększania rozdzielczości, poprawy prezentacji informacji i funkcjonalności, aczkolwiek niezmiennie wspólnym trendem dla sporej części aparatury jest jedno – rozwój komunikacji. Zapewnia to możliwość prowadzenia zdalnych pomiarów i mobilność samego operatora.

Większa funkcjonalność to np. łączenie wielu funkcji pomiarowych w jednym mierniku. Takimi przyrządami są te służące do pomiarów np. wilgotności i temperatury, ale też łączące różne funkcje – np. analizatora i rejestratora. Rozwojowi podlega również sama funkcjonalność urządzeń – przykładowo do mierników "dokładane" są automatyczne sekwencje pomiarowe. Zmiany te zachodzą wraz z procesami miniaturyzacji oraz zwiększania łatwości obsługi (kolorowe ekrany dotykowe). Mniej widoczne zmiany dotyczą lepszych parametrów przetworników pomiarowych, zabezpieczeń aparatury czy zwiększania jej wytrzymałości środowiskowej. Można uznać, że w tych obszarach mamy do czynienia z postępującą ewolucją, zaś pewne parametry techniczne muszą być przez producentów po prostu zapewniane.

Konkurencja i popyt wpływają na ceny

Rynek produkcji i dystrybucji przenośnych urządzeń pomiarowych, jako całość, to branża konkurencyjna, w przypadku której mamy do czynienia z dużą podażą produktów. Atrakcyjność rynku, a także łatwość włączania mierników do ofert handlowych sprawiają, że w branży tej miejsca szukają zarówno producenci, dystrybutorzy specjalizowani, jak też wiele firm zajmujących się obsługą przemysłu i klientów z innych sektorów – np. ochrony środowiska.

Wymogi stawiane urządzeniom pomiarowym mają charakter utylitarny. Aparatura przenośna powinna przede wszystkim realizować podstawowe zadania w zakresie pomiarów wybranych wielkości, zapewniać żądaną dokładność, łatwości użytkowania (intuicyjności obsługi i odczytu), a także być bezawaryjna. Przede wszystkim jednak liczy się dokładność pomiarów i atrakcyjna cena zakupu. Owe dwa wymogi są od lat niezmienne, nawet w kontekście rosnącej funkcjonalności omawianych urządzeń.

Im dalej idziemy w stronę zastosowań profesjonalnych, tym bardziej rośnie znaczenie parametrów technicznych, zabezpieczeń urządzeń pomiarowych i ich innych cech. Z kolei im bardziej urządzenia mają charakter powszechny, tym bardziej na czoło listy wymogów wysuwa się kwestia cenowa – szczególnie dzisiaj, gdy do porównania cen aparatury wystarczy komputer z dostępem do Internetu. W tym kontekście sposobem na wyróżnianie się na rynku jest m.in. wbudowywanie w aparaturę przenośną nowych funkcji i jej rozbudowa o interfejsy komunikacyjne, a także tworzenie oferty systemowej i produktów markowych.

Aparatura na szynę DIN

Nieodłączoną cechą wielu aplikacji przemysłowych jest szafa sterownicza wyposażona w szynę DIN. Poszczególne komponenty montowane są z wykorzystaniem szyny, co pozwala zaoszczędzić miejsce oraz zapewnić bezpieczne, pewne i estetyczne rozmieszczenie elementów systemu, jak również szybkie wykonanie połączeń między nimi. W takim wykonaniu dostępna jest też aparatura pomiarowa.

Szyna DIN jest w zasadzie odpowiednio uformowanym paskiem metalu, który stanowi główny element standardu używanego powszechnie na całym świecie podczas montażu urządzeń elektrycznych oraz elektronicznych w szafach sterowniczych. Szyna pozwala na bezpieczny montaż całej gamy różnych elementów wykorzystywanych w rozwiązaniach przemysłowych, np. w systemach zarządzania produkcją. Tak naprawdę do szyny DIN przymocowany może jednak zostać każdy układ, pod warunkiem, że umieszczony zostanie w obudowie przystosowanej do takiego montażu.

przystosowanej do takiego montażu. Do montażu na szynę DIN dostępne są mierniki temperatury, regulatory, rejestratory, liczniki energii i podobne. Wiele osób ceni je za prostotę i łatwość kontroli stanu. Są to często zaawansowane konstrukcje, które bazują na mikrokontrolerach, pozwalają na konfigurowanie prezentowanej informacji, ustawienie alarmów.

W takim wykonaniu są wytwarzane także regulatory i rejestratory niezbędne do kontroli procesów ciągłych i pracy różnych systemów, gdzie konieczna jest regulacja i sterowanie urządzeniami.

Najważniejsze cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu sprzętu pomiarowego

 

Zestawienie najważniejszych z punktu widzenia klientów kupujących aparaturę cech ofert handlowych zaskakująco nie rozpoczyna cena, tylko parametry techniczne. Na trzecim miejscu uplasowała się jakość i niezawodność, ale widać wyraźnie, że słupki na wykresie odpowiadające tym kryteriom wyraźnie wybijają się nad całą resztę. Mniejsze znaczenie ceny wynika zapewne z tego, że większość tego typu aparatury kupowanej do celów profesjonalnych zakłada eksploatację przez długi czas. Przy takich założeniach cena spada na drugi plan, a do głosu dochodzą czynniki powiązane z jakością i pewnością działania.

Zalety szyny DIN

Największą siłą systemu montażowego opartego na szynie DIN jest wysoki poziom standaryzacji. Rozwiązanie to było projektowane oraz rozwijane z myślą o całkowitej kompatybilności urządzeń pochodzących od różnych producentów. Decydując się na skorzystanie z tej technologii, zarówno projektant układu jak i jego instalator mogą mieć praktycznie stuprocentową pewność, że poszczególne elementy systemu montażowego będą ze sobą kompatybilne, bez względu na nazwę ich producenta. Dzięki temu z ogromną łatwością korzystać można z komponentów oferowanych przez różnych wytwórców, integrując je wszystkie w jeden system.

Nazwy oraz określenia stosowane w opisie systemu montażowego opartego na szynie DIN mogą różnić się w zależności od kraju, nie wpływa to jednak na faktyczne cechy oraz kompatybilność produktu. Przykładowo, rodzaj szyny o szerokości 35 mm w Europie określany jest zazwyczaj jako Top Hat lub TH35, zaś w Stanach Zjednoczonych jako TS35.

Najważniejsze techniczne cechy aparatury

 

Zestawienie na wykresie przekonuje, że kupujący profesjonalną aparaturę pomiarową oczekują, by mieć jeden miernik do wszystkiego który po dokonaniu pomiarów można będzie podłączyć do peceta. Podobne znaczenie ma automatyka pomiarów i obróbki wyników, pozwalająca operatorowi dokonać badań za pomocą naciśnięcia pojedynczego klawisza, który wywołuje wykonanie całe procedury i zapisanie wyników pamięci. Taka wygoda jest dzisiaj bardzo pożądana. Wysoka rozdzielczość i dokładność pomiarów to z kolei podstawowe wymaganie, jakie można mieć w zakresie metrologicznym i wydaje się ono być oczekiwaniem, jakie stawia się w stosunku do wszystkich przyrządów.

Rodzaje szyny DIN

Większość dostępnych w sprzedaży szyn DIN należy do jednej z czterech głównych kategorii, określanych przede wszystkim przez kształt przekroju poprzecznego szyny. Podczas projektowania systemu oraz doboru komponentów bardzo ważne jest zatem upewnienie się, że wszystkie obudowy kompatybilne są z wybranym kształtem oraz rozmiarem szyny. Dostępne są również specjalne akcesoria (adaptery) pozwalające na montaż obudowy do szyny innego rodzaju. Niektóre z typów szyny DIN opisane zostały w europejskich (EN) lub międzynarodowych normach (IEC).

Najważniejsze czynniki pozytywne dla rynku aparatury

 

Sprzedaż aparatury pomiarowej wspiera wiele procesów w gospodarce i powyższy wykres należy traktować jako próbę oceny które z nich mają słabsze, a które silniejsze oddziaływanie. Wykres przekonuje, że duża liczba inwestycji oraz ogólna presja na jakość i zapewnienie bezpieczeństwa wybijają się ponad całą resztę. W tym kontekście kolejna pozycja związana z zaawansowaniem technicznym mierników i ich potencjałem technicznym też jest naturalna i świadczy o dojrzałości rynku.

Szyna jako element uziemienia

Używając specjalnego typu komponentu, możliwe jest wykorzystanie szyny jako elementu uziemienia ochronnego. Blok uziemiający posiada metalowy fragment dociskany do szyny, szyna połączona jest z obudową szafy, zaś szafa z punktem uziemienia. Pozwala to w prosty sposób rozwiązać problem uziemienia ochronnego wszystkich komponentów, obniżając koszt oraz wielkość instalacji. Należy jedynie zwrócić uwagę na właściwości elektryczne szyny, które zależą od materiału jej wykonania. Najlepszymi osiągami charakteryzować się będą szyny wykonane z miedzi.