Kompatybilność elektromagnetyczna - szybka analiza zaburzeń krótkotrwałych

Efekty zakłóceniowe związane z zaburzeniami krótkotrwałymi mają charakter nagły, powodując zakłócenia w transmisji sygnałów analogowych i cyfrowych, zmiany w informatycznych zbiorach danych itp. Te cechy powodują, że pomiary trzasków są skomplikowane i czasochłonne. W skrajnym przypadku badanie urządzenia może trwać nawet kilka dni. Ze względu na czasochłonność pomiarów i skomplikowany algorytm postępowania przewidziano w PN-EN 55014-1:2012 - "Kompatybilność elektromagnetyczna. Wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń.

Część 1: Emisja" pomiary trzasków jedynie na czterech częstotliwościach (0,15; 0,5; 1,4; 30 MHz) i tylko w odniesieniu do napięć zaburzeń występujących w przyłączu zasilania. Niemniej jednak, obserwowany w ostatnich latach znaczący rozwój techniki cyfrowej i jej zastosowanie w bardzo szerokiej grupie urządzeń, stawia problem zaburzeń impulsowych, w tym i trzasków, w nowym świetle. Istnieją przesłanki do rozszerzenia wymagań pomiarów trzasków w zakresie częstotliwości, nawet do 1 GHz, w odniesieniu do wszystkich przyłączy badanych urządzeń (nie tylko przyłącza zasilania), przy jednoczesnej rejestracji wielu parametrów mierzonych zaburzeń, takich jak: napięcie, moc, natężenie pola.

Zaburzenia krótkotrwałe

Zgodnie z definicją, przyjętą w normie PN-EN 55014-1, za trzask uważa się zaburzenie radioelektryczne, które pojawia się nie częściej niż 30 razy w ciągu minuty i trwa nie dłużej niż 200 ms, niezależnie od tego, czy jest to pojedynczy impuls, czy też grupa występujących blisko siebie impulsów. Przy czym następne tego typu zdarzenie występuje nie wcześniej niż po upływie kolejnych 200 ms. Jest to definicja podstawowa trzasków i przy takim podejściu wydawałoby się, że ich pomiar jest prosty.

W praktyce przy ustalaniu kryteriów "złagodzenia" wymagań dla takich zaburzeń wprowadzono szereg dodatkowych "kryteriów" (tzw. wyjątków - exceptions) uwzględniających interesy producentów sprzętu AGD i elektronarzędzi. W zależności od rodzaju urządzeń AGD (np. programowalnych) wprowadzono dodatkowe kryteria, pozwalające zaliczyć generowane przez nie zaburzenie krótkotrwałe jako trzaski, mimo że ich parametry czasowe odbiegają od definicji podstawowej. W efekcie takich złagodzeń procedura pomiarów trzasków jest złożona i czasochłonna.

Pomiary zaburzeń krótkotrwałych

Rys. 1. Widok analizatora zaburzeń krótkotrwałych ACA-4c

Pomiary trzasków radioelektrycznych obejmują nie tylko wyznaczanie ich poziomu w funkcji częstotliwości, lecz także badanie ich rozkładu w czasie, jak czas trwania, odstępy między poszczególnymi zdarzeniami, częstość pojawiania się poszczególnych trzasków. W procedurze pomiarów trzasków można wyróżnić następujące fazy:

• pomiar i analiza odpowiednich parametrów zaburzeń (czas trwania, odstępy, częstość) w celu zakwalifikowania ich do trzasków lub zaburzeń ciągłych,
• pomiar liczby trzasków przekraczających dopuszczalny poziom L₀ dla zaburzeń ciągłych (ocenę przeprowadza się tylko wtedy, jeśli wszystkie zaburzenia spełniają kryteria podstawowe wynikające z definicji trzasku i dopuszczalnych wyjątków),
• wyznaczenie dopuszczalnego podwyższonego poziomu L_q trzasków, zależnego od częstości występowania trzasków N,
• pomiar liczby trzasków na podwyższonym poziomie L_q.

Badane urządzenie uważa się za spełniające wymagania normy PN-EN 55014-1, jeśli liczba trzasków na podwyższonym poziomie L_q nie przekracza 25% liczby trzasków na poziomie właściwym dla zaburzeń ciągłych L₀. Przedstawiona wyżej procedura w sposób oczywisty wskazuje, że pomiar zaburzeń krótkotrwałych jest złożony i czasochłonny. Czas pomiarów urządzenia może w najgorszym przypadku trwać ponad 4 godziny dla jednej częstotliwości - po 2 godz. właściwych pomiarów na każdym poziomie analizy plus czas potrzebny do przygotowania stanowiska pomiarowego i wyrobu do badań, analizy wyników na poziomie L₀ i ustalenia poziomu L_q.

Jeśli wziąć pod uwagę konieczność powtórzenia tych czynności przy czterech częstotliwościach, to oczywiste staje się poszukiwanie przyrządu pomiarowego skracającego ten okres z kilkudziesięciu do kilku godzin i jednocześnie pozwalającego na jak największą automatyzację procesu pomiarowego, eliminację subiektywnych błędów operatora oraz oczywiście na niższe koszty usług.

Analizator zaburzeń krótkotrwałych ACA-4c

Rys. 2. Widok analizatora ACA-4c na stanowisku pomiarowym: 1 - badany obiekt, 2 - sieć sztuczna, 3 - czujnik przełączeń ACA-SS, 4 - analizator ACA-4c, 5 - komputer z oprogramowaniem

Rozwiązaniem tego złożonego problemu jest automatyczny analizator zaburzeń krótkotrwałych ACA-4c (rys. 1), opracowany i wdrożony do produkcji w Instytucie Łączności w Zakładzie Kompatybilności Elektromagnetycznej we Wrocławiu. Urządzenie skraca czas pomiarów z kilkudziesięciu do kilku godzin, spełniając jednocześnie wszystkie wymagania określone w obowiązujących normach.

Analizator ACA-4c, w jednym cyklu pomiarowym, równocześnie dla czterech znormalizowanych częstotliwości (0,15; 0,5; 1,4; 30 MHz):

• analizuje zarejestrowane czasy trwania zaburzeń i przerw między nimi,
• przeprowadza klasyfikację zarejestrowanych zdarzeń na trzaski krótkie (≤10 ms), trzaski długie (10 ms < t ≤ 200 ms) i zaburzenia ciągłe (t > 200 ms),
• uwzględnia wyjątki procedury pomiarowej wyszczególnione we właściwej normie, a dotyczące zaliczenia do trzasków zaburzeń o łącznym czasie trwania 200 ms < t < 600 ms,
• sumuje czasy trwania trzasków trwających dłużej niż 200 ms,
• rejestruje liczbę zarejestrowanych trzasków w poszczególnych torach pomiarowych,
• rejestruje całkowity czas analizy T,
• oblicza częstość trzasków N, w każdym torze pomiarowym, na podstawie zarejestrowanych trzasków lub zliczonych operacji przełączeń,
• oblicza dla każdego toru wartość podwyższonego poziom analizy L_q, na podstawie liczby zarejestrowanych trzasków, których amplituda przekracza poziom L_q, wydaje decyzję, czy badane urządzenie spełnia wymagania normy PN-EN 55014-1.

Po zakończeniu pomiarów analizator umożliwia wydruk zbiorczego dokumentu o wyniku oceny badanego urządzenia wraz ze stwierdzeniem, czy spełnia ono wymagania. Możliwy jest również szczegółowy wydruk zarejestrowanych zdarzeń (trzasków) z wyszczególnieniem momentu ich pojawienia się, czasu trwania oraz wartością amplitudy.

W przypadku wyznaczania częstości trzasków na podstawie liczby przełączeń analizator współpracuje z dostarczanym wraz z urządzeniem czujnikiem przełączeń ACA-SS. Widok kompletnego systemu pomiarowego na stanowisku pomiarowym przedstawia rysunek 2.

Analizator może pracować jako niezależne urządzenie z obsługą poprzez pulpit, jak również w trybie pracy zdalnej z rejestracją i analizą danych poprzez komputer wyposażony w odpowiedni program. Zarówno w trybie lokalnym, jak i zdalnym rejestrowane są wszystkie znormalizowane (wcześniej wymienione) parametry. Analizator wyposażony jest w łącze światłowodowe. Dzięki temu operator nie musi znajdować się w bezpośrednim sąsiedztwie badanego urządzenia, a jednocześnie zapewniona jest "czysta" elektromagnetycznie łączność z komputerem.

Podsumowanie

Wyroby elektryczne oraz elektroniczne wprowadzane na rynek ze znakiem CE powinny spełniać wymagania dyrektywy EMC, w myśl której znak CE stanowi deklarację producenta, że wyrób wprowadzany do obrotu spełnia zasadnicze wymagania określone w rozporządzeniach wydawanych na podstawie ustawy z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności, wprowadzającej do polskiego prawa tzw. dyrektywy nowego podejścia. Dotyczą one ponad dwudziestu grup produktów, między innymi urządzeń elektrycznych (w tym szerokiej grupy sprzętu elektronicznego i AGD), zabawek, środków ochrony indywidualnej, materiałów budowlanych, maszyn i wind.

Według Urzędu Ochrony Konkurencji i Konsumentów, wyroby, dla których istnieją zasadnicze wymagania określone w przepisach, powinny mieć znak CE. Wymaganie to jest równoznaczne ze spełnieniem wymagań odpowiednich, dla danej grupy produktów, norm PN-EN. Potwierdzeniem tego faktu jest wykonanie odpowiednich badań, przeprowadzanych we własnym zakresie przez producenta wyrobu lub potwierdzonych badaniami odpowiedniego akredytowanego laboratorium.

Oczywiście dopuszczalna jest sytuacja wprowadzania wyrobu bez odpowiednich badań, ale wówczas umieszczenie na wyrobie znaku CE niesie ze sobą duże ryzyko. W przypadku, gdy wyrób nie spełnia odpowiednich wymagań, producent jest narażony na duże kary.

Marek Jermakowicz
Krzysztof Maniak
Mirosław Pietranik
Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy
www.itl.waw.pl