Teoria i praktyka pomiarów zgodnie z normą EN50121

Spis treści

1. Zakres norm PN-EN 50121 istotnych dla pomiarów EMC pojazdów kolejowych
2. Ograniczenie do zaledwie 3 przejazdów pociągu
3. W pełni zautomatyzowana ocena i generowanie raportów
4. Pomiary komponentów i systemów
5. Doświadczenie i wsparcie ASTAT

W środowisku kolejowym występują silne źródła zakłóceń elektromagnetycznych (silniki trakcyjne, przekształtniki, sieć trakcyjna). Norma EN 50121 określa limity emisji i poziomy odporności, aby:

• zapewnić bezpieczne działanie systemów sterowania ruchem,
• zapobiegać zakłóceniom urządzeń telekomunikacyjnych,
• zagwarantować niezawodność elektroniki pokładowej i przytorowej,
• spełnić wymagania prawne dotyczące EMC w Unii Europejskiej.

Norma EN 50121 jest powszechnie stosowana przy projektowaniu, badaniach i certyfikacji urządzeń przeznaczonych do zastosowań kolejowych.

Zakres norm PN-EN 50121 istotnych dla pomiarów EMC pojazdów kolejowych

Norma PN-EN50121 składa się z kilku części, z których będą szczegółowo omówione tylko:

• PN-EN50121-1 - Postanowienia ogólne
• PN-EN50121-2 - Oddziaływanie systemu kolejowego na otoczenie
• PN-EN50121-3-1 - Tabor - Pociąg i kompletny pojazd.
• PN-EN50121-3-2 - Tabor - Aparatura.

Ponieważ te normy są bezpośrednio związane z pomiarami kompatybilności elektromagnetycznej samego pojazdu oraz dowolnej aparatury znajdującej się na pokładzie pojazdu.

Norma EN50121-1 - postanowienia ogólne. Norma ta podaje ogólny opis zjawisk elektromagnetycznych występujących na kolei, w tym opis zjawisk elektromagnetycznych dotyczących odporności/emisji, typów sprzężeń, opis wewnętrznych / zewnętrznych źródeł zaburzeń. Ponadto norma wprowadza kryteria oceny wyników badania odporności oraz opis systemów trakcji elektrycznej.

Norma EN50121-2 - oddziaływanie systemu kolejowego na otoczenie. Norma ta wydaje się ważna ze względu na określenie limitów emisji zaburzeń pochodzących ze szlaku kolejowego lub od kolejowych podstacji energetycznych. Podaje także podstawowe założenia niezbędne przy wykonaniu badań EMC pojazdów kolejowych (w tym komunikacji miejskiej), zakresy pomiarowe, metodę pomiarową emisji zaburzeń pochodzących od taboru w ruchu i wiele innych.

Norma podaje wymagania co do parametrów odbiornika pomiarowego, np. szerokość pasma (RBW) na poziomie -6dB zgodnie z normą EN55016-1-1 (CISPR-1-1). W praktyce jest to kompaktowy/przenośny odbiornik pomiarowy TDEMI M lub M+ z zakresem 9 kHz - 1 GHz w pełni zgodny z EN55016-1-1, wyposażony w baterie dla pracy autonomicznej. Wybór takiego odbiornika nie jest przypadkowy i związany głównie z wymaganiami norm PN-EN50121-2/3-1.

Norma EN50121-2 podaje 3 zakresy pomiarowe:

• 150 kHz - 30 MHz (zakres B), RBW 9 kHz zgodnie z EN55016-1-1
• 30 MHz - 300 MHz (zakres C), RBW 120 kHz zgodnie z EN55016-1-1
• 300 MHz - 1 GHz (zakres D), RBW 120 kHz zgodnie z EN55016-1-1

Co do parametrów anten pomiarowych, ich położenia względem torów i badanego pojazdu, to zgodnie z podanymi wyżej zakresami norma zaleca stosować niżej wymienione typy.

1. Antenę pętlową lub ramową dla zakresu 150 kHz - 30M Hz (zakres B) do pomiaru natężenia pola magnetycznego (H). W praktyce może być to antena pętlowa FMZB 1519C z zakresem (9 kHz) 150 kHz – 30 MHz firmy Schwarzbeck.

   

2. Antenę dipolową dla zakresu 300 MHz - 300 MHz (zakres C) do pomiaru pola elektrycznego (E). Norma opisuje antenę dwustożkowa, na przykład BBA9106 z zakresem 30 MHz - 300 MHz firmy Schwarzbeck.

   

3. Antenę logarytmiczno-periodyczną dla zakresu 300 MHz - 1 GHz (zakres D) do pomiaru pola elektrycznego (E). Z opisu w normie powinna to być antena logarytmiczno-periodyczna, na przykład VULP 9118A z zakresem 300 MHz - 1 GHz firmy Schwarzbeck.

   

W praktyce do tego typu pomiarów stosuje się anteny hybrydowe, na przykład VULB 9163 marki Schwarzbeck która pozwala na pomiar w zakresie pasma C/D, czyli 30 MHz - 1 GHz.

PN-EN50121-3-1 - Tabor-Pociąg i kompletny pojazd. Norma ta podaje dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń dla wszystkich typów taboru kolejowego. Normą objęto pojazdy trakcyjne i składy pociągów, łącznie z pojazdami miejskimi. Warto zaznaczyć, że norma EN50121 nie przewiduje żadnych badań odporności dla kompletnego pojazdu.

Norma wymaga oceny zaburzeń pochodzących z otoczenia i wykluczenia ich częstotliwości z pomiarów samego pojazdu przy spełnieniu określonych warunków.

Norma wprowadza 2 typy pomiarów - dla zespołu trakcyjnych na postoju za pomocą detektora quasi-szczytowego, przy szerokościach pasm RBW podanych w EN55016-1-1:

• 150 kHz - 30 MHz / pasmo RBW 9kHz
• 30 MHz - 1 GHz / pasmo RBW 120kHz

Dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń dla pojazdów na postoju

Dla pociągów podczas jazdy z małą prędkością pomiar wykonuje się za pomocą detektora szczytowego. Zalecany zakres prędkości wynosi (20±5) km/h dla pojazdów miejskich i (50±10) km/h dla kolei dalekobieżnych. Co więcej, dla pomiaru stosuje się metodę skanowania, przy której każdy zakres częstotliwości dzieli się na kilka podzakresów.

Konieczność wykonania wielokrotnych przejazdów pojazdu w celu wykonania pomiarów emisji zgodnie z wymaganiami normy EN50121-3-1, sprawiła że został wybrany odbiornik pomiarowy TDEMI M/M+ wyposażony w opcję TD_EN50121. Taki odbiornik w pełni zgodny z EN55016-1-1 (CISPR16-1-1), pozwala na zautomatyzowane pomiary według normy EN50121, analizę pomiarów emisji pojazdu i zaburzeń otoczenia oraz tworzenie odpowiednich raportów i wykresów danych. Najważniejszą korzyścią stosowania takiego odbiornika jest znaczące obniżenie liczby pomiarów przejeżdżających pociągów, co wiąże się z skróceniem czasu pomiarów oraz obniżeniem kosztów przeprowadzenia badań.

Kilka słów o praktycznym zastosowaniu odbiornika TDEMI M/M+ w pomiarach zgodnie z EN50121.

Zgodnie z normą EN50121-3-1, podczas pomiarów emisji przejeżdżających pociągów należy zmierzyć natężenie pola elektrycznego w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1 GHz. Zgodnie z normą należy również przeprowadzić pomiary emisji natężenia pola magnetycznego w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz.

W przeszłości stosowano analizatory widma. Stanowiło to wyzwanie, ponieważ czas przemiatania całego pasma częstotliwości, które należało zmierzyć, był zbyt długi, by uzyskać wiarygodny wynik. W związku z tym pasma częstotliwości musiały zostać podzielone na kilka podpasm, a przejazd pociągu należało przeprowadzić kilka razy dla kolejnych pasm - zamiast tylko raz.

Tabela powyżej przedstawia wszystkie szczegółowe podzakresy, które należy zmierzyć przy użyciu konwencjonalnego analizatora widma. W ten sposób całkowita liczba przejeżdżających pociągów wynosi dziewięć, co oznacza, że trzeba powtórzyć przejazd pociągu dziewięć razy wzdłuż torów.

Ograniczenie do zaledwie 3 przejazdów pociągu

Dzięki zastosowaniu odbiorników serii TDEMI®, które zapewnia szerokość pasma przetwornika analogowo-cyfrowego wynoszącą 1 GHz, obecnie można z łatwością osiągnąć czasy przemiatania wymagane do pomiaru całego pasma. W ten sposób każde pasmo można obecnie zmierzyć w ciągu zaledwie jednego przejazdu po torze. Dzięki temu cała procedura testowa została uproszczona z wcześniejszych 10 przejazdów do zaledwie 3 przejazdów obecnie. Tabela poniżej przedstawia uproszczony proces tego pomiaru zgodnie z normą EN50121-3-1 przy użyciu odbiornika serii TDEMI® w zaledwie trzech podzakresach. W zakresie pasm C/D (30 MHz - 1 GHz) należy wykonać pomiar dla każdej z dwóch polaryzacji (pionowej i poziomej).

Liczbę przejazdów pociągów, a także całkowity czas trwania testów, można ograniczyć do minimum, stosując odbiornik serii TDEMI® w połączeniu z oprogramowaniem TD_EN50121, które zostało opracowane specjalnie do tego zastosowania przez firmę GAUSS INSTRUMENTS. Pozwala to na ogromną oszczędność czasu testowania, a także na dodatkowe koszty, np. związane z wynajmem torów. Wyniki są zgodne z wymaganiami normy EN50121, a także aktualnej normy CISPR 16-1-1. Wprowadzone limity, a także współczynniki antenowe, tłumienności kabli, wzmocnienia przedwzmacniacza, zgodnie z konfiguracją testową można wczytać bezpośrednio do oprogramowania. Dzięki temu natychmiast po przejeździe pociągu przez stanowisko pomiarowe można zobaczyć i ocenić, czy zmierzone wartości nie przekraczają dopuszczalnych poziomów emisji.

Pomiary komponentów i systemów

Wszystkie stanowiska pomiarowe bazujące na wydajnych odbiornikach pomiarowych serii TDEMI® oferują dodatkowe funkcje i tryby pracy, np. analizator widma oraz tryb analizatora widma działającego w czasie rzeczywistym. Dzięki zastosowaniu odbiornika TDEMI®, opartego na wyjątkowej i opatentowanej technologii TDEMI®, można znacznie skrócić całkowity czas testowania badanych urządzeń (DUT), takich jak podsystemy lub komponenty. W ten sposób można znacznie obniżyć zarówno koszty testowania, jak i koszty rozwoju, co sprawia, że TDEMI® jest najbardziej opłacalnym rozwiązaniem na rynku. Pomiar można przeprowadzić równolegle za pomocą detektorów Quasipeak i CISPR-AVG, a w zakresie od 150 kHz do 30 MHz zajmuje to zaledwie sekundy. Również pomiar w zakresie częstotliwości 30 MHz - 1 GHz przy użyciu detektorów Quasipeak i CISPR-AVG zajmuje zaledwie kilka sekund.

W celu przeprowadzenia zaawansowanej analizy mierzonych zaburzeń można skorzystać z trybu spektrogramu (odbiornika w czasie rzeczywistym), co pozwala na pomiar zmian emisji badanego urządzenia w czasie bez żadnych przerw oraz na analizę w wybranym zakresie częstotliwości. W ten sposób po raz pierwszy możliwe jest wykonywanie pomiarów w czasie rzeczywistym przy użyciu dwóch detektorów równolegle z rejestracją w czasie charakterystyki emisji testowanego urządzenia. Tryb spektrogramu w czasie rzeczywistym urządzenia TDEMI® spełnia wszystkie wymagania normy CISPR 16-1-1.

Doświadczenie i wsparcie ASTAT

Pomiary kompatybilności elektromagnetycznej w sektorze kolejowym wymagają nie tylko odpowiedniej aparatury pomiarowej, ale również praktycznej znajomości norm, metod badawczych oraz specyfiki środowiska kolejowego. Właściwy dobór odbiorników pomiarowych, anten, przedwzmacniaczy i oprogramowania ma bezpośredni wpływ na czas realizacji badań, ich koszt oraz wiarygodność uzyskanych wyników.

ASTAT od wielu lat wspiera laboratoria badawcze, producentów taboru kolejowego, integratorów systemów oraz jednostki naukowo-badawcze w zakresie pomiarów EMC. Oferujemy zarówno specjalistyczną aparaturę pomiarową renomowanych producentów, jak i wsparcie techniczne przy doborze rozwiązań spełniających wymagania norm serii EN 50121.

W naszym portfolio znajdują się między innymi odbiorniki pomiarowe TDEMI®, anteny pomiarowe Schwarzbeck oraz oprogramowanie dedykowane do automatyzacji badań zgodnych z EN 50121. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań możliwe jest znaczące skrócenie czasu pomiarów, ograniczenie liczby wymaganych przejazdów testowych oraz automatyzacja procesu analizy i raportowania wyników.

Nasi specjaliści pomagają na każdym etapie projektu - od konsultacji technicznych i doboru wyposażenia, przez prezentacje oraz szkolenia, aż po wsparcie podczas wdrożeń i eksploatacji systemów pomiarowych. Dzięki połączeniu wiedzy aplikacyjnej oraz doświadczenia w obszarze EMC pomagamy klientom efektywnie realizować wymagania normatywne i optymalizować proces badań kompatybilności elektromagnetycznej.