Moderní měřicí technika a metody pro předcertifikační zkoušky EMC

Technickou oblast EMC – elektromagnetické kompatibility je nutné charakterizovat nejen z pohledu teoretických znalostí, omezení a parametrů, avšak také samotnými metodami měření a technickým vybavením, které je využitelné pro měření a analýzu předcertifikačních zkoušek EMC. Tyto zkoušky jsou v praxi zejména zaměřeny do oblasti měření možných problematických parametrů zařízení z hlediska produkování nežádoucích rušivých signálů, identifikace těchto rušivých signálů a v neposlední řadě na syntézu technických opatření k jejich potlačení. Provedení předběžných zkoušek shody EMC je výhodné řešit tam, kde jsou k dispozici nejen teoretické znalosti odborníků, kteří se problematikou měření EMC zabývají již mnoho let, avšak také moderní vybavení měřicí technikou, která poskytuje možnosti měřit, analyzovat, navrhovat a zpracovávat signály ve frekvenční oblasti 0 Hz až do jednotek GHz. Metody, postupy a přístroje používané pro EMC zkoušky elektronických (technologických) zařízení jsou přesně definovány v příslušných normách. Jedná se zejména o normy řady ČSN EN 55016 (CISPR 16). V uvedených normách lze nalézt specifikaci jednotlivých potřebných přístrojů a příslušenství, které se používají pro měření jak rušivých signálů šířících se vedením tak i vyzařovaných rušivých signálů šířících se prostředím. Pro měření a analýzu EMC parametrů testovaného zařízení je ve většině případů nezbytná měřicí technika složená z následujících přístrojů a komponentů:

• spektrální a signálový analyzátor, případně EMI přijímač
• osciloskop
• umělá 1fázová a 3fázová síť (LISN)
• oddělovací transformátor
• DC oddělovače a výkonové a RF filtry
• sondy pro blízké pole
• výkonové sondy
• měřicí antény
• programové vybavení pro analýzu a postprocessing.

Metody pro předcertifikační měření

Nejčastější požadavky předcertifikačního měření jsou výsledky analýz úrovní rušivých signálů v daných frekvenčních pásmech specifikovaných v příslušné normě, kterým musí zkoušené zařízení (EUT, Equipment Under Test) vyhovovat. Samotné měření lze rozdělit do dvou základních etap. První z nich je zaměřena na měření rušivých signálů produkovaných zařízením do napájecí sítě, známá pod názvem měření indukovaného rušení (Conducted Emission). Pro testování se používá zejména signálového analyzátoru (měřicího přijímače, spektrálního analyzátoru) spolu s umělou sítí (LISN) a oddělovacím transformátorem. Norma pro tento typ zkoušky uvádí následující uspořádání pro EUT, které může nebo nemusí být uzemněno a je umístěno na speciálně upraveném stole z nevodivého materiálu:

• ve vzdálenosti 40 cm od zemní roviny je umístěna spodní nebo zadní stěna EUT. Zemní rovinou se myslí stěna, podlaha stíněné místnosti nebo uzemněná kovová deska o minimálních rozměrech 2×2 m. Realizace měřicího místa lze provést takovým způsobem, že:
  • Stůl je alespoň 80 cm vysoký, kde EUT je nutné umístit 40 cm od stěny stíněné místnosti.
  • Stůl je 40 cm vysoký, tedy spodní část EUT je 40 cm nad zemní rovinou.
• ostatní vodivé části EUT musí být alespoň 80 cm od referenční zemní roviny.

Obr. 1 Uspořádání technického vybavení při měření rušení šířeného vedením na napájecím vedení EUT

Testované zařízení se proměřuje ve frekvenčním pásmu od 150 kHz do 30 MHz. Měřicí rozsahy jsou předem známy dle příslušné normy, které musí testované zařízení vyhovět. Např. pro normu ČSN EN 55011 (Průmyslová, vědecká a lékařská (ISM) vysokofrekvenční zařízení – Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení – Meze a metody měření) jsou to frekvenční pásma 0,15 až 0,5 MHz; 0,5 až 5 MHz; 5 až 30 MHz. Při použití moderních měřicích přijímačů nebo signálových analyzátorů je velmi praktické a žádoucí využít speciálních softwarových aplikací dodávaných s přístroji, které jsou určeny přímo pro testování a měření EMC parametrů. Konkrétně pro AGILENT N9010A je to aplikace N9010AK-EMC Basic EMC Functionality, která umožňuje velice efektně provádět předcertifikační měření EMC. Softwarová aplikace v sobě obsahuje širokou paletu předdefinovaných norem včetně analyzování výsledků dle limitních hodnot.

Druhou etapu testování EUT zařízení tvoří měření vyzařovaných signálů (Radiated Emission). Pro testování se zejména používá signálového analyzátoru (měřicího přijímače, spektrálního analyzátoru) spolu s řadou měřicích antén pro jednotlivá frekvenční pásma, případně antén pro blízké pole. Měření mohou být prováděna na zkušebním stanovišti ve venkovním prostoru, ve stíněné komoře obložené absorbérem, v odrazové komoře nebo s použitím systému velké smyčkové antény (LLA). Nejčastější měřená frekvenční pásma jsou (např. dle normy ČSN EN 55011) ve dvou frekvenčních pásmech 30 až 230 MHz, 230 MHz až 1 GHz.

Při druhé etapě testování EUT zařízení je nutné omezit vliv vysokofrekvenčního rušení a signálů šířených z okolního prostředí. Z těchto důvodů se měření nejčastěji provádí ve stíněných komorách, které zaručí odizolování měřicího pracoviště od okolních nežádoucích vlivů. Vybudování této komory je však finančně náročné, proto lze na předcertifikační měření využít určitá doporučení z norem řady ČSN EN 55016 (CISPR 16). Za určitých podmínek lze provádět testování také na otevřeném prostranství (OATS) a v laboratorních podmínkách. Zde je ale nutno uvést, že získané hodnoty nelze považovat za 100% a jsou zatíženy chybou měření. Při měření vyzařovaných rušivých signálů je nutné zajistit otáčecí podložku pro testované zařízení (ve výšce 80 cm) a posunování měřicí antény do výšky od 1 m do 4 m nad zemí.

Obr. 2 Uspořádání zkušebního stanoviště při měření intenzity elektrického pole vyzařovaných signálů

Technické vybavení na pracovišti

Kombinací značných teoretických znalostí norem, metod měření a samotným moderním technickým vybavením disponují pracovníci Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství (dříve Katedra měřicí a řídicí techniky) Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. Moderní přístrojová technika se používá nejen ve výuce předmětů zabývajících se oblastí měření, analýzy signálů a systémů, EMC, avšak moderní měřicí přístroje s příslušenstvím jsou také využívány pro praktická a experimentální měření v rámci řešení výzkumných projektů (GAČR, MPO, TAČR, FRVŠ) a rovněž také při spolupráci s průmyslovými podniky a institucemi nejen v České republice (formou výzkumných hospodářských smluv). Mezi řešená komerční měření u zákazníka z oblasti EMC lze z posledního období uvést:

• identifikace vysokofrekvenčních rušivých signálů a měření frekvenčního spektra signálů na PVE Vojkovice
• předcertifikační měření EMC parametrů modulu tepelného čerpadla
• identifikace rušivých signálů a návrh opatření k jejímu potlačení tramvají TRIO
• identifikace rušivých signálů a návrh opatření k jejímu potlačení diagnostického SONO přístroje pro FNO – Fakultní nemocnici v Ostravě.

V rámci komerčních aktivit jsou nabízena také školení pro firmy i jednotlivce v kurzech Měřicí techniky a její použití pro měření a analýzy signálů a systémů s vybavením moderními přístroji Agilent Technologies a softwarovými prostředky pro vývoj, simulace, měření a analýzu zaměřenou na signály a systémy.

Obr. 3 Vybrané přístrojové vybavení využitelné pro měření a analýzu předcertifikačních zkoušek EMC

Pro měření a analýzu EMC parametrů testovaných zařízení je k dispozici následující technické vybavení:

• spektrální analyzátor HP 8590L
• spektrální analyzátor HP 35660
• signálový analyzátor AGILENT N9010A
• spektrální analyzátor R&S FSH6
• umělá 1fázová a 3fázová síť (LISN)
• sondy pro blízké pole
• výkonové sondy
• měřicí antény
• programové vybavení pro analýzu a post-processing (GENESYS RF Design & simulation, Vector Signal Analyzer 89600SPC, programovací vývojový nástroj VEE).