INTERLABORATORY TESTS AND TRANSFER ...prev.pt-conf.org/proceeding/15_Coatu_PTS_O_P0077_marines...putut adopta modelul de calcul pentru incertitudinea instrumentaţiei de măsurare,

The First

International Proficiency Testing Conference

Sinaia, România 11th − 13th October, 2007

105

INTERLABORATORY TESTS AND TRANSFER STANDARDS FOR

CONDUCTED ELECTROMAGNETIC DISTURBANCES

Sorin Coatu1, Dan Rucinschi1, Ileana Baran1, Alimpie Ignea 2

Adrian Constantinescu3, Andrei Marinescu4, George Mihai4, Alina Scornea4 1Universitatea Politehnica din Bucureşti, 2Universitatea Politehnica Timisoara

3ICPE Bucureşti, 4ICMET Craiova [email protected] , [email protected] , [email protected] , [email protected]

Abstract In the regulated field of electromagnetic compatibility, under the Directive 2004/108/EC, problems regarding the calibration and verification of the mesuring instrumentation of electromagnetic disturbances are not yet solved in Romania. This paper deals with the development and the putting into operation of a specialised calibration stand, equipped with a working standard which is traceable to european standards. It is presented the working procedure and an example for the estimation of the uncertainty. In the frame of the same project the research team developped a mobile calibration generator (in fact a Comb generator) dedicated to the periodic verification of the measuring receivers, during round-robin tests. Keywords Interlaboratory test, Comb generator, electromagnetic disturbance, measuring uncertainty 1. INTRODUCERE

Stabilirea şi declararea incertitudinii de măsurare este o obligaţie a laboratoarelor care efectuează încercări de stabilire a conformităţii unui produs, cu limite impuse de standarde sau alte reglementări cu caracter obligatoriu. Această cerinţă se aplică şi în domeniul compatibilităţii electromagnetice, în primul rând, la măsurarea emisiilor electromagnetice, radiate sau transmise prin conducţie, ale diferitelor aparate de factură electrică/electronică sau care conţin subansambluri de această natură.

Sorin Coatu, Dan Rucinschi, Ileana Baran, Alimpie Ignea, Adrian Constantinescu, Andrei Marinescu, George Mihai, Alina Scornea: Încercări interlaboratoare şi sursă etalon mobilă pentru perturbaţii electromagnetice conduse

106

Determinarea incertitudinii de măsurare a unui laborator implică:

(i) stabilirea unui model de calcul, specific măsurandului, instrumentaţiei şi aranjamentului de măsurare, procedurii de măsurare;

(ii) estimarea incertitudinilor standard şi a coeficienţilor de sensibilitate, pentru toate mărimile de influenţă specificabile.

Validarea estimărilor obţinute de diferite laboratoare, pentru incertitudinile de măsurare proprii se poate face prin efectuarea unui test round-robin (TRR) şi evaluarea – prin metode statistice – a rezultatelor acestuia. Lucrarea prezintă rezultatele obţinute în cadrul unui proiect INFRAS [1], de laboratoarele partenere, privind incertitudinea de măsurare a emisiilor electromagnetice conduse, în domeniul de frecvenţă 1 MHz...1 GHz. Pentru efectuarea TRR, s-a realizat în prealabil un generator de tip comb, ca sursă etalon mobilă, a măsurandului, iar receptoarele de perturbaţii folosite de laboratoarele participante au fost etalonate pe un stand specializat, realizat tot în cadrul proiectului menţionat mai sus. 2. SURSA ETALON MOBILĂ ŞI ARANJAMENTUL EXPERIMENTAL

Sursa etalon mobilă (SEM), realizată în laboratorul de compatibilitate electromagnetică al Universităţii Politehnica Timişoara [2] este un generator de linii spectrale, cu următoarele caracteristici principale:

• frecvenţa de repetiţie a impulsurilor: - în banda B................. 1 MHz; - în benzile C şi D........20 MHz;

• niveluri ale semnalului: - ieşire directă..............80...100 dBμV - ieşire prin atenuator...70...80 dBμV

• impedanţă de ieşire: 50 Ω; • alimentare de la un acumulator 9 V, 150 mAh, încorporat

Instabilitatea semnalelor produse de SEM, în condiţiile de utilizare prevăzute, atât ca frecvenţe de repetiţie, cât şi ca niveluri ale semnalelor de ieşire, s-a dovedit a fi cu cel puţin un ordin de mărime mai mică decât incertitudinile de măsurare estimate, proprii fiecărui laborator participant. În Figura 1 este prezentată înregistrarea unei scanări a liniilor spectrale produse de SEM. Aranjamentul experimental (Figura 2) folosit pentru măsurarea semnalelor produse de SEM de către toţi participanţii la TRR, derivat din cel indicat de standardul CISPR 16-2-1 [3], a constat din:

• amplasarea SEM şi a receptorului de perturbaţii pe o suprafaţă conductoare (plan de masă de referinţă), care depăşea cu cel puţin 50 cm, în toate direcţiile, perimetrul ocupat de instrumentaţie;


107

• conectarea ieşirii SEM cu intrarea receptorului de perturbaţii, printr-un cablu coaxial, cu impedanţa caracteristică de 50 Ω şi lungimea de 1 m, propriu fiecărui participant la TRR;

• conectarea carcasei receptorului la planul de masă de referinţă printr-o conexiune cât mai scurtă;

• degajarea spaţiului din jurul aranjamentului experimental de orice corpuri conductoare, aflate la o distanţă mai mică decât 0,5 m.

Figura 1 – Spectrul semnalului produs de SEM, în banda B, ieşire directă

Figura 2 – Aspect al aranjamentului experimental


108

Cu excepţia laboratorului ICMET Craiova, care dispune de o cameră ecranată, ceilalţi

participanţi la TRR au efectuat măsurările în incinte neecranate. 3. PLANUL TESTULUI ROUND-ROBIN Pentru desfăşurarea TRR s-au prevăzut următoarele etape şi operaţii:

(a) Transmiterea SEM fiecărui laborator participant la TRR; (b) Efectuarea, de către fiecare laborator participant, a măsurărilor semnalelor

produse de SEM, în aranjamentul experimental precizat în cap. 2, după următoarea procedură: • încărcarea acumulatorului SEM, cel puţin 12 ore înainte de începerea

măsurărilor şi oprirea acestora, dacă tensiunea de alimentare a SEM scade sub 8,3 V (semnalizare optică); măsurarea tensiunii de alimentare la începutul şi la sfârşitul fiecărei serii de măsurări;

• investigarea nivelurilor perturbaţiilor ambientale, în tot domeniul frecvenţelor de măsurare, înainte şi după terminarea unei serii de măsurări, prin conectarea la intrarea receptorului de perturbaţii a unei antene monopol, de 15 cm, amplasată în locul SEM; reţinerea nivelurilor semnificative (apropiate la mai puţin de 20 dBµV, de nivelurile estimate ale semnalelor produse de SEM);

• setarea receptoarelor de perturbaţii, pentru: – mod de detecţie.......................................valoare de vârf – lăţimea benzii de trecere..........................10 kHz, în banda B

120 kHz, în benzile C şi D – durata evaluării, pe fiecare frecvenţă.......10 ms

• pregătirea receptoarelor de perturbaţii, pentru măsurări, în conformitate cu instrucţiunile din cărţile tehnice ale acestora;

• efectuarea a cinci serii de măsurări, în cinci zile consecutive, – la frecvenţele de referinţă 1-2-5-11-19 MHz, cu frecvenţa de repetiţie a

SEM de 1 MHz şi la frecvenţele de referinţă 20-60-100-220-500-980 MHz, cu frecvenţa de repetiţie a SEM de 20 MHz,

– atât pentru semnalele produse de SEM la ieşirea directă, cât şi pentru cele produse la ieşirea prin atenuator;

• urmărirea obţinerii valorii nivelului maxim, prin reglarea frecvenţei de acord a receptorului, în jurul frecvenţei de referinţă, într-un interval de ±0,1 MHz şi cu un pas de 1 kHz, la măsurările în banda B, respectiv într-un interval de ±1 MHz, cu un pas de 10 kHz, la măsurările în benzile C şi D.

(c) Înregistrarea datelor măsurate şi a altor informaţii utile. Datele obţinute din măsurări (niveluri ale semnalelor măsurate şi frecvenţele de acord corespunzătoare), ca şi alte informaţii care ar fi putut fi utile în interpretarea ulterioară a rezultatelor prelucrărilor statistice, au fost înregistrate într-un formular tip completat de fiecare laborator participant şi transmis partenerului U.P.B. spre centralizare şi procesare finală a TRR.


109

4. INCERTITUDINEA INSTRUMENTAŢIEI DE MĂSURARE Instrumentaţia de măsurare a fiecărui laborator participant la TRR a constat din receptorul de perturbaţii şi cablul coaxial de conectare la SEM, proprii. În vederea stabilirii incertitudinilor aferente instrumentaţiilor de măsurare, în prealabil, s-a efectuat o verificare a încadrării caracteristicilor receptoarelor de perturbaţii în prevederile standardului relevant, CISPR 16-1-1 [4]. Verificările au fost făcute pe ştandul specializat, realizat la ICMET Craiova, în cadrul proiectului INFRAS 247. Detalii privind ştandul de etalonare, instrumentaţia şi procedurile folosite sunt prezentate în [5]. În urma verificărilor efectuate, stabilindu-se că toate receptoarele de perturbaţii se încadrează în prevederile esenţiale ale standardului CISPR [4], s-a putut adopta modelul de calcul pentru incertitudinea instrumentaţiei de măsurare, recomandat tot de CISPR, în publicaţia CISPR 16-4-2 [6], adaptat la experimentul prevăzut de TRR. Drept măsurand V a fost considerat nivelul semnalului emis de SEM, la ieşirea acesteia, în condiţiile în care această sursă ar fi conectată la o impedanţă identică cu impedanţa sa de ieşire. În consecinţă, relaţia de calcul a măsurandului a fost:

V = Vr + Lc + δVSW + δVpa + δVpr + δM (1) în care, Vr este indicaţia receptorului de perturbaţii, Lc este atenuarea introdusă de cablul coaxial dintre SEM şi receptorul de perturbaţii, δVSW, δVpa, δVpr sunt corecţiile aferente receptorului de perturbaţii, relative la, respectiv, răspunsul în tensiune sinusoidală, răspunsul la impuls, în amplitudine şi răspunsul la frecvenţa de repetiţie a impulsurilor, iar δM este o corecţie pentru neadaptarea dintre SEM şi instrumentaţia de măsurare În principiu toţi termenii sumei din relaţia (1) constituie mărimi de intrare (mărimi de influenţă), pentru determinarea incertitudinii instrumentaţiei de măsurare, aşa cum este prezentat în Tabelul 1:

Tabelul 1 – Calculul incertitudinii instrumentaţiei de măsurare

Estimaţie, xi Mărime de intrare, Xi

dB

Funcţia distribuţiei de probabilitate

Incertitudine standard, u(xi), dB

Coeficient de

influenţă, ci

ci · u(xi)

dB

Indicaţia receptorului Vr ±0,1 normală; k=1 0,10 1 0,10 Atenuarea introdusă de cablul coaxial Lc

±0,1

normală; k=2

0,05

1

0,05

Corecţii aferente receptorului: δVSW δVpa δVpr

±1,0 ±1,5 ±1,5

normală; k=2rectangularărectangulară

0,50 0,87 0,87

1 1 1

0,50 0,87 0,87

Corecţie pentru neadaptare: δM

+0,7 / -0,8

“în U”

0,53

1

0,53


110

Incertitudinea standard combinată, a instrumentaţiei de măsurare, calculată cu relaţia

( ) ( )∑ ⋅=i

iii,c xucu 22V (2)

şi cu datele din Tabelul 1, a fost de 1,43 dBµV. În consecinţă, fiecare dintre participanţii la TRR şi-au declarat drept incertitudine standard combinată, de măsurare, o valoare uc = 1,5 dBµV, acoperitoare faţă de valoarea corespunzătoare doar instrumentaţiei de măsurare, rămânând ca TRR să confirme sau să infirme această ipoteză. Detalii privind consideraţiile în baza cărora s-au stabilit datele din Tabelul 1 se găsesc în [6]. 5. TESTUL ROUND-ROBIN (TRR) Datorită unor disfuncţionalităţi apărute pe parcurs, în final, la TRR au fost considerate doar rezultatele măsurărilor provenite de la trei din laboratoarele participante la proiect: U.P.B.-TICEM, ICPE şi ICMET Craiova. Prelucrarea statistică a rezultatelor măsurărilor, comunicate de aceste laboratoare, a fost efectuată de un colectiv al U.P.B.-TICEM, ai cărui membri nu au participat la măsurări. În urma prelucrării statistice au rezultat graficele din Figurile 3 şi 4, în care sunt prezentate mediile valorilor măsurate de fiecare dintre cei 3 parteneri, precum şi valoarea de consens rezultată din prelucrarea valorilor măsurate.

Valorile medii si valoarea de consensBanda A&B

50

60

70

80

90

100

110

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

FRECVENTA [MHz]

NIV

EL [d

B]

TICEM ICPE ICMET MedGen TICEM-AT ICPE-AT ICMET-AT MedGen-AT

Figura 3 – Rezultatele pentru banda B: sus - ieşire directă; jos – ieşire prin atenuator


111

Figura 4 – Rezultatele pentru benzile C şi D: sus - ieşire directă; jos – ieşire prin

atenuator Aplicarea testului Z pentru rezultatele obţinute de cele trei laboratoare a condus la concluziile prezentate sintetic în Tabelul 2. După cum se poate observa, pentru toate categoriile de măsurări efectuate (banda B şi benzile C&D pentru ieşire directă respectiv prin atenuator), scorurile Z aferente au valori inferioare valorii critice |Z| = 2,0 ceea ce poate fi interpretat ca o concordanţă satisfăcătoare a rezultatelor obţinute de cei trei parteneri. Ca o consecinţă, media globală care a rezultat pentru fiecare categorie de măsurări poate fi adoptată drept valoare de consens.

Tabelul 2 – Rezultatele testului Z pentru compararea măsurărilor Banda B – ieşire directă Banda C&D – ieşire directă

Banda B – ieşire prin atenuator Banda C&D – ieşire prin atenuator

TICEM ICPE ICMET 1 MHz -0,28 1,11 -0,46 2 MHz 0,58 -1,15 0,57 5 MHz 0,47 -1,11 0,66

11 MHz -0,99 0,98 0,00 19 MHz -0,88 1,01 -0,20

TICEM ICPE ICMET 1 MHz -0,41 -0,72 0,65 2 MHz 0,58 -1,15 0,58 5 MHz -0,87 0,44 0,05

11 MHz -0,64 -0,35 1,10 19 MHz -1,08 0,79 0,27

TICEM ICPE ICMET 40 MHz -0,17 -0,26 0,99 60 MHz 0,33 -0,38 0,23 100 MHz -0,54 1,11 -0,29 220 MHz -0,81 1,08 -0,19 500 MHz 0,05 0,26 -0,34 980 MHz -1,05 0,64 0,49

TICEM ICPE ICMET 40 MHz -0,13 0,04 0,83 60 MHz -0,12 0,50 -0,31 100 MHz -0,50 1,11 -0,31 220 MHz -0,91 1,06 -0,14 500 MHz -0,08 0,57 -0,17 980 MHz -1,10 0,55 0,59

Valorile medii si valoarea de consensBanda CD

50

60

70

80

90

100

110

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

FRECVENTA [MHz]

NIV

EL

[dB

]

TICEM ICPE ICMET MedGen TICEM-AT ICPE-AT ICMET-AT MedGen-AT


112

6. CONCLUZII Analiza rezultatelor măsurărilor efectuate de laboratoarele participante la TRR a permis stabilirea următoarelor concluzii:

a) Sursa etalon mobilă, realizată în laboratorul de compatibilitate electromagnetică, al Universităţii Politehnica Timişoara prezintă o stabilitate a semnalului produs, atât ca frecvenţă, cât şi ca nivel, corespunzătoare scopurilor propuse – verificări de rutină, ale instrumentaţiei de măsurare, respectiv compararea rezultatelor măsurărilor efectuate în laboratoare diferite;

b) S-au validat modelul de calcul al incertitudinii de măsurare şi incertitudinile de măsurare declarate de laboratoarele participante la TRR;

c) S-a probat capabilitatea laboratoarelor participante la TRR de a efectua măsurări compatibile, ale perturbaţiilor de radiofrecvenţă, transmise prin conducţie.

BIBLIOGRAFIE [1] Proiect INFRAS 247 Încercări interlaboratoare pentru evaluarea incertitudinii de

măsurare în compatibilitatea electromagnetică. Receptoare de perturbaţii [2] Petriţa T., Mihăiuţi A.: Generator comb pentru verificarea receptoarelor de

măsurare, Simpozionul interdisciplinar de compatibilitate electromagnetică SICEM 2005, Bucureşti, 21 septembrie 2005, ISBN 973-718-306-1

[3] CISPR 16-2-1:2003 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods – Part 2-1: Methods of measurement of disturbances and immunity – Conducted disturbance measurements

[4] CISPR 16-1-1:2003 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods – Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus – Measuring apparatus

[5] Marinescu A., s.a.: Verificarea şi etalonarea receptoarelor de perturbaţii – Se poate face azi în România!, Simpozionul interdisciplinar de compatibilitate electromagnetică SICEM 2006, Bucureşti, 9 noiembrie 2006, ISBN 978-973-718-634-8

[6] CISPR 16-4-2:2003 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods – Part 4-2: Uncertainties, statistics and limits modelling – Uncertainty in EMC measurements

Documents

INTERLABORATORY TESTS AND TRANSFER ...prev.pt-conf.org/proceeding/15_Coatu_PTS_O_P0077_marines...putut adopta modelul de calcul pentru incertitudinea instrumentaţiei de măsurare,