Mijloace de masurare in compatibilitatea electromagnetica

MIJLOACE DE MASURARE IN COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA

Principala problema a masurarilor COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA consta in determinarea interactiunii dintre perturbatii si echipamentele electronice.

Marimile care se masoara cel mai frecvent in COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA sunt:

- tensiunile perturbatoare;

- curentii perturbatori.

In procesul de masurare pot apare si marimi de interferenta. O conditie primordiala a masurarilor COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA este aceea de asigurare a reproductibilitatii acestora. Acest lucru este posibil pentru perturbatiile care se transmit prin conductie sau sunt unde continue, insa la masurarea perturbatiilor tranzitorii pot apare probleme mari.

Cel mai usor se masoara curentii si campurile magnetice (celelalte tipuri de masuratori pot fi afectate de erori sistematice si incertitudini de masurare importante).

Masurarile COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA se pot clasifica in 2 categorii:

(1). Masurarea perturbatiilor emise de echipamente;

(2). Testarea imunitatii echipamentelor la perturbatii.

Avand in vedere fenomenele complexe ce iau nastere in procesul de producere, propagare si receptionare a perturbatiilor, o importanta deosebita o prezinta locul in care se face masurarea.

Astfel, masurarile COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA se pot efectua :

- in laboratoare special amenajate (ex: camere ecranate, camere anechoice, etc);

- in spatii libere (ex: masurarile de radiatie);

- in locul de montare al echipamentelor.

Primele tipuri asigura teste (reproductibile) si se folosesc la validarea echipamentelor conform normelor COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA.

Masurarile efectuate la locurile de montare pot ridica o serie de probleme din cauza prezentei unor surse de perturbatii suplimentare.

Masurarile privind emisia perturbatiilor folosesc mijloace de masurare specifice, care preiau informatia de masurare prin intermediul unor senzori (ex: sonde, clesti de curent, antene, etc).

Marimile masurate si mijloacele de masurare folosite in COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA sunt :

1^o Tensiuni

- tensiuni inalte statice sau in impuls (exemple de mijloace de masurare: divizoare de tensiune si voltmetre).

- tensiuni cu durata mare (exemple de mijloace de masurare: sisteme de achizitie a datelor);

- semnale de banda ingusta sau larga (exemple de mijloace de masurare: osciloscoape analogice, numerice sau cu memorie; analizoare spectrale).

2^o Curenti (exemple de mijloace de masurare: clesti de curent si mijloace de masurare a tensiunii)

3^o Campuri electromagnetice:

- campuri electrice (exemple de mijloace de masurare: electromete – aparate pentru masurarea intensitatii campului electric);

- campuri magnetice (exemple de mijloace de masurare: antena bucla sau sonde de curent si mijloace de masurare a tensiunii);

- campuri electromagnetice (antene si mijloace de masurare a tensiunii).

Testarea echipamentelor (a imunitatii acestora la perturbatii) este o operatie mai complexa, necesitand generatoare de perturbatii, dispozitive de cuplare, eventual echipamente de masurare suplimentare.

1 Senzori pentru marimi de tip ,,u” (tensiuni)

In tehnica COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA, in cazul in care tensiunea masurata este mai mare decat tensiunea acceptata la intrarea in aparatul electronic, se folosesc senzori numiti “divizoare de tensiune”.

Prin constructia divizoarelor de tensiune se urmareste ca timpul de raspuns intrinsec si timpul de crestere sa aiba valori cat mai reduse.

Conexiunea intre senzor (divizorul de tensiune) si aparatul electronic se realizeaza in mod normal cu ajutorul unui cablu coaxial.

Deoarece impendanta cablului coaxial (50 sau 75Ώ) si capacitatea proprie a acestui cablu difera foarte mult de impedanta de intrare (1MΏ) in aparatul de masurat, este necesar ca prin masuri tehnice adecvate sa se elimine fenomenele de reflexie la schimbarea de impedanta.

1.1 Divizorul rezistiv

Fig. 1

C = capacitatea parazita a divizorului fara de pamant

Z_c = impedanta caracteristica a cablului coaxial.

Rezistentele R₁, R₂ din constructia divizorului sunt cu inductivitate minima.

Adaptarea cablului coaxial la extremitatea spre aparatul electronic se face cu o rezistenta neinductiva egala cu impedanta caracteristica Z_c a cablului coaxial.

1.2 Divizorul capacitiv

Divizorul capacitiv se realizeaza intr-o structura coaxiala pentru a reduce inductivitatile parazite.

Acest divizor nu sesizeaza componentele de c.c. ale tensiunii masurate (din cauza rezistentei de intrare, 1MΏ, plasata in aparatul de masurat electronic, rezistenta care sunteaza capacitatea C₂).

Deoarece adaptarea nu se poate face la extremitatea spre aparatul de masurat electronic, aceasta adaptare se face cu impendanta Z_c asezata la plecare.

Fig. 2

1.3 Divizorul mixt de serie R-C

Fig. 3

Pentru tensiuni inalte divizorul pur capacitiv nu se poate construi in varianta coaxiala si de aceea este necesar sa se introduca rezistente de amortizare, atat in bratul de inalta tensiune (R₁), cat si in cel de joasa tensiune (R₂).

Adaptarea se face la intrarea in cablul coaxial, cu rezistenta Z_c-R₂ pentru ca, privit de la iesire, sa se vada, in cazul fenomenelor rapide, impedanta Z_c.

Divizorul mixt de serie R-C este acordat, adica R₁C₁=R₂C₂.

1.4 Divizorul universal

Divizorul universal permite si masurarea componentelor continue de tensiune datorita rezistentelor.

R₃ este in paralel cu bratul de inalta tensiune si R₄ in paralel cu bratul de joasa tensiune. Adaptarea se face ca si la divizorul mixt serie R-C.

Fig. 4

2 Sonde de curent (clesti)

De multe ori masurarea curentului ofera mai multe informatii referitoare la perturbatii decat masurarea tensiunii.

Senzorul de baza pentru masurarea curentului il reprezinta clestele de curent. Clestele de curent este un transformator de masurare compus din:

un miez toroidal din ferita, ce se poate desface in 2 jumatati;

primarul (realizat de obicei dintr-o spira, conductorul al carui curent se masoara);

secundarul (o infasurare cu un anumit numar de spire care determina raportul de transformare).

Fig. 5

In schema echivalenta din Fig. 5:

L_s – este inductivitatea infasurarii secundare;

R – impedanta de sarcina (de obicei, impedanta de intrare intr-un mijloc de masurare a tensiunii);

C_p – capacitatea parazita a infasurarii.

Pentru o functionare corecta se impune ca impedanta de sarcina sa fie mult mai mica decat impedanta de iesire a trasformatorului:

R<<2πf Ls

De obicei pentru R=50Ώ, frecventa minima din banda de frecvente este de 50Hz, iar frecventa maxima depinde de proprietatile miezului de ferita si de C_p, putand atinge 100MHz.

Sensibilitatea clestilor de curent este de 1 … 10 mV/mA. Fiind transformatoare de curent, nu trebuie sa ramana cu secundarul in gol. Pentru a elimina pericolul saturarii la frecvente joase, clestii de curent se realizeaza cu intrefier.

Etalonarea clestilor de curent se face dupa metoda cunoscuta la transformatoarele de curent, adaptata la frecventele inalte.

3 Dipolul electric

Dipolul electric este un senzor de camp electric care permite determinarea intensitatii campurilor electrice intense de joasa frecventa.

Constuctiv se realizeaza sub forma unui condensator sferic sau plan; este format din 2 jumatati de corpuri conductoare, izolate electric intre ele.

Daca dipolul este plasat intr-un camp electric variabil in timp, sarcina indusa pe una din jumatati este proportionala cu intensitatea campului electric (E).

Intercaland intre cele 2 armaturi un ampermetru, prin el se va stabili un curent electric proportional cu derivata sarcinii electrice.

Impreuna cu electronica aferenta, dipolul electric se poate realiza ca si un aparat portabil, fara plan de masa si pamant de referinta.

Fig. 6 Dipolul electric.

Pentru un dipol sferic de raza r_o, plasat intr-un camp electric cu intensitatea E_o, sarcina electrica indusa intr-o jumatate a sferei are valoarea (conform Teoremei lui Gauss):

E_med reprezinta intensitatea medie a campului electric pe suprafata sferei.

In general :

unde β este un coeficient de corectie ce depinde de natura si distributia campului electric.

Curentul care ia nastere intre cele 2 emisfere ale dipolului va fi :

Pentru un camp electric cu variatie sinusoidala, de pulsatie ω, se obtine:

Amplitudinea armonicilor creste cu ordinul acestora.

Masurarea valorii efective a curentului nu este corecta !!!

Pentru a elimina acest dezavantaj, in schema bloc a aparatului se introduce un circuit integrator, care va permite masurarea ulterioara a valorilor efective.

Etalonarea dipolului se poate efectua:

(1^o) in camp electric cunoscut (al unui condensator sferic sau plan);

(2^o) prin injectie de curent.

(1^o) Conform normelor Comisiei Internationale de Electrotehnica (CEI), etalonarea dipolului electric se face intr-un camp electric uniform obtinut intre 2 placi cu dimensiunile de cel putin 2 ori mai mari decat distanta dintre ele.

Se recomanda ca placile sa aiba dimensiunile 1,5x1,5 m², iar distanta ditre ele sa fie 0,75m, diagonala maxima a aparatului de verificat fiind de cel mult 0,23m.

Pentru condensatorul plan :

unde : U – este diferenta de potential dintre placi;

d – distanta dintre placi.

(2^o) Metoda injectiei de curent se foloseste mai mult pentru verificarea aparatului; aceasta metoda consta in conectarea aparatului intr-un circuit in care se masoara curentul.

Verificarea are la baza relatia : I =3πε _oωβr_o² (se considera β cunoscut !)

Surse de erori :

scurgerile de curent prin izolatia dipolului si a manerului;

umiditatea;

temperatura;

continutul de armonici;

frecventa;

apropirea (proximitatea) operatorului.

Daca dimensiunile aparatului de masurat sunt mai mici de 25cm, acesta nu perturba in mod esential campul electric.

Operatorul uman care foloseste aparatul poate perturba insa destul de puternic campul electric (prin scurtcircuitare).

Aparatele electronice cu dipol electric pentru masurarea intensitatii campului electric sunt prevazute cu maner izolator, avand lungimea de cel putin 25cm, masurarea facandu-se, de obicei, pentru campurile electrice intense, cum ar fi de ex. campul electric din statiile de I.T., la o inaltime de cel putin 1m fata de sol, pentru liniile de pana la 500 kV.

4 Bobina de curent

Bobina de curent este un senzor ce se foloseste la masurarea inductiei campului magnetic

Constructiv, bobina de curent este realizata dintr-o bucla ecranata cu N spire si suprafata A, urmata de un voltmetru.

Pentru a preintampina aparitia unei spire in s.c., ecranul este prevazut cu o intrerupere.

A

Fig. 7 Bobina de curent.

Apropierea senzorului de materiale dielectrice sau slab magnetice, precum si apropierea operatorului uman nu introduc erori suplimentare sesizabile.

Sensibilitatea poate fi crescuta daca in interiorul sondei se introduc materiale magnetice cu μ_r mare (magnetometre cu fluxgate).

In prezenta unui camp magnetic de inductie B_o, variabil in timp, la bornele voltmetrului se obtine tensiunea:

Din cauza derivarii, armonicile continute in campul magnetic pot introduce erori suplimentare. Reducerea erorii este posibila prin integrarea ulterioara a semnalului.

Deoarece curentul absorbit de voltmetru produce in bobina un flux magnetic de semn contrar celui masurat, este necesar ca voltmetru sa aiba un consum redus.

Rezistenta, respectiv capacitatea parazita a bobinei, fac ca indicatia sa fie dependenta de frecventa; pentru a obtine o caracteristica liniara sunt necesare circuite de corectie a caracteristicii de transfer in functie de frecventa.

Pentru calibrarea bobinelor de curent se pot folosi bobine Helmoltz si bobine plate, rectangulare, cu N spire.

OBS: In centrul unei bobine plate patrate, cu latura ,,a”, avand N spire, valoarea efectiva a inductiei magnetice este :

Limita inferioara a inductiei magnetice masurate este 0,25μT (sub aceasta valoare predomina inductia magnetica a campului magnetic ambiental, de aproximativ 0,1μT).

Sursele de erori sunt mai putine ca la masurarea campului electric (nu exista erori de proximitare; principalele erori sunt la masurarile in camp indepartat, datorate variatiilor spatiale si temporale).

Bobinele de curent se pot folosi si ca antene pentru masurarea componentei magnetice a campului electromagnetic (pt f = cativa KHz … 200 MHz).

Pentru cresterea frecventei de lucru trebuie ca diametrul spirelor sa fie redus, iar numarul de spire redus.

5 Antene

Antenele sunt senzori de captare a campului electromagnetic.

Ele pot fi : - pasive( daca nu contin elemente neliniare);

- active (in caz contrar).

Antenele passive sunt dispozitive reciproce, adica pot fi folosite atat in regim de emisie, cat si de receptie.

Dupa marimea pe care o determina, antenele pot fi :

antene pentru masurarea campului electric (sau de tip E);

antene pentru masurarea campului magnetic (sau de tip H).

Obs: Radiatia electromagnetica constituie o importanta sursa de interferenta asupra semnalelor utile din echipamentele electrice si electronice.

Sursele de radiatie electromagnetica sunt :

o      Posturile fixe de radioemisie, de TV, radar;

o      Posturile mobile de emisie, folosite in telecomunicatii si procese tehnologice;

o      Instalatiile energice, in care comutatia se realizeaza cu/fara arc electric;

o      Descarcarile electrice, atmosferice, etc.

In tehnica COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA radiatia electromagnetica intereseaza din 2 puncte de vedere :

a) Testarea imunitatii echipamentelor electrice si electronice la campuri electromagnetice.

In acest scot se genereaza in laborator radiatii electromagnetice cu un spectru mare de frecventa (9kHz .. 1 GHz) si se determina valoarea (amplitudinea) campului electric la care echipamentul mai lucreaza (imunitate electromagnetica).

Radiatia electromagnetica este produsa in laborator, in conditii standardizate, de o antena de emisie, excitata de un generator de semnal conectat la un amplificator de putere (antena de emisie transforma energia de conductie in energie de radiatie).

b) Determinarea nivelului semnalului de interferenta (perturbator)

La determinarea experimentala a nivelului semnalului perturbator se foloseste (in conditii standardizate) o antena de receptie.

Obs: Oricare antena de emisie poate fi antena de receptie. Insa, din punct de vedere termic antena de emisie se dimensioneaza pentru curentul introdus in antena (ex: 100 A), in timp ce antena de receptie se dimensioneaza pentru curentul receptionat (ex:10μA).

Variantele de baza pentru antenele de tip E sunt :

antena monopol;

antena dipol (deschis sau inchis)

Fig. 8 Antene dipol deschis si inchis

Obs: Antena monopol (baston) este formata dintr-un fir vertical si o baza (contragreutate) sub forma unei retele radiate de conductoare, care poate fi sau nu legata la pamant; are o sensibilitate redusa, fiind mai putin folosita in tehnica masurarilor.

Antena dipol deschis (cu lungimea λ/2), respectiv antena cu dipol inchis se foloseste in gama de frecvente 30 … 1000 Mhz.

5.1 Antena de receptie dipol

Antena de receptie dipol se foloseste la masurarea semnalelor de interferenta radio. Sarcina antenei de receptie utilizata in tehnica COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA este impendanta de intrare Z_r=50 Ώ a unui voltmetru de perturbatii sau a unui analizator de spectru. Conexiunea intre antena si aparatul de masurat (voltmetru sau analizator de spectru) este realizata printr-un cablu coaxial cu impendanta caracteristica Z_e=50Ω.

Impendanta de sarcina a antenei este: Z_s=Z_e=Z_c=50Ω

Fig. 9 Antena de receptie dipol. Schema electrica echivalenta.

In shema electrica echivalenta:

Z_a – impendanta antenei

Z_a=R_r – j × X_a ;

Rr – rezistenta de radiatie (datorita scurgerii de sarcina prin antena, acesta devine o sursa secundara de radiatie);

X_a= reactanta antenei (se datoreaza inductivitatii acesteia).

Z_s=impendanta de sarcina

Obs: Daca dimensiunile surselor de perturbatii, inclusiv liniile lor de alimentare au acelasi ordin de marime cu lungimile de unda, ele vor radia energie electromagnetica. Undele electromagnetice se pun in evidenta prin antene care produc la borne o tensiune proportionala cu intensitatea campului masurat.

In cazul antenei (de receptie) dipol, unda electromagnetica plana excita antena sub  unghiul de incidenta , cu viteza de propagare

Tensiunea in gol culeasa de antena este:

Parametrii antenei dipol sunt:

(*) Deschiderea antenei (apertura)

P_rec – puterea receptionata pe impendanta de sarcina;

S – densitatea de putere locala.

Z_s=R_r – j × X_a , daca antena este acordata .

Puterea medie receptata de antena este :

U_oc – tensiunea captata de antena in gol.

Densitatea de putere S este modulul vectorului Poynting local.

-impedanta de unda

Obs: In tehnica COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA Z_s este pur rezistiva si egala cu impendanta caracteristica a cablului coaxial, astfel incat relatia (*) are numa o valoare calitativa.

(**) Factorul de conversie al antenei

Antena (dipol) serveste la masurarea campului electric E. Milivoltmertrul sensibil nu masoara direct un camp electric, ci o tensiune pe impendanta de sarcina (Z_s=50Ω).

In scopul obtinerii unei informatii utile cu ajutorul voltmetrului de perturbatii, se foloseste un factor de conversie al antenei, in urmatoarele variante :

E-intensitatea campului electric; 

U-tensiunea masurata pe Zs cu milivoltmetrul

Factorul de conversie este determinat de producator, prin masurari pentru zona indepartata si se indica la fiecare antena sub forma de curbe sau tabele de calibrare. Multi producatori furnizeaza suplimentar factorul de conversie si pentru zona apropiata (apar diferente de 10dB sau mai mari).

Intensitatea campului electric va fi :

Obs: Daca intrumentul de masurat este etalonat in “dB”, adica tensiunea masurata este :

5.2 Antena de receptie cadru

- este sensibila la componenta de camp magnetic

- este formata in esenta dintr-o bucla conductoare (N spire), de cele mai multe ori circulara.

Daca componenta de camp magnetic (H) face un unghi  α cu planul buclei, tensiunea care se induce in gol va fi:

Fig. 10 Antena de receptie cadru.

Din punct de vedere constructiv se prefera N=1 pentru ca lungimea conductorului sa fie mica in raport cu lungimea de unda. De asemenea, conductorul bucla care formeaza antena de receptie se introduce intr-un ecran tubular nescurtcircuitat, in vederea eliminarii radiatiei secundare si a influentei campului electric.

6 Proprietatile generale ale antenelor

a) Directivitatea

Obs: Antenele sunt folosite la emisie in scopul conversiei energiei de conductie in energie de radiatie, iar la receptie, in scopul conversiei energiei de radiatie in energie de conductie.

Se poate introduce o notiune teoretica: radiatorul izotop, la care puterea specifica radiata este aceeosp in toate directiile, acest radiator ideal fin punctiform.

Puterea specifica radiata de radiatorul ideal va fi:

In realitate, antenele nu radiaza uniform in toate directiile, ci prezinta o anumita directivitate (concentreaza radiatia electromagnetica intr-o anumita directie, ceea ce este benefic pentru scopurile practice).

Directivitatea antenei va fi:

unde:

S_max – reprezinta valoarea maxima a puterii specifice;

S_o – puterea specifica a radiatorului izotop.

b) Randamentul

In cazul antenei de emisie, puterea radiata (P_n) este mai mica decat puterea (P_i) introdusa in antena:

R_p – rezistenta de pierderi Joule

R_r – rezistenta de radiatie

Obs: Randamentul antenei monopol este slab (pierderile Joule sunt mari, datorita efectului pelicular in conductorul activ care radiaza; intervine negativ si rezistenta prizei de pamant).

Obs: Antenele  care sunt isolate fara de pamant (ex: dipole cu excitatie la centru, periodic logaritmica), au randamentele superioare celor de tip monopol.

La o antena receptoare, puterea captata de antena (P_c) este mai mare decat puterea utila (P_u), transferata pe impendanta de variatie

   

P_p – pierderile (pajoritatea prin radiatie secundara)

c) Castigul antenei

G= D×η , sau :G[dB]=10 ×logG

d) Aria efectiva a antenei

Se defineste ca raport intre puterea ca raport intre puterea receptata (P_rec) pe impendanta de sarcina si puterea specifica a radiatorului izotop:

Pentru un caz idealizat :

Daca se tine cont de pierderile de putere datorate mediului de transmisie (prin factorul F₁), diferenta de polarizare a celor 2 antene (prin factorul F₂) si de factorul de directivitate (F_d):