Просьба не беспокоить. Как ЭМС повышает безопасность.

Просьба не беспокоить

Отсутствие помех при сосуществовании множества электрических и радиотехнических устройств нельзя считать само собой разумеющимся. Только целенаправленные меры по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) могут гарантировать, что кардиостимуляторы не выйдут из строя, а самолеты безопасно доставят пассажиров в место назначения.

Со всей электромагнитной мощью

Самое крупное из известных происшествий, связанных с ЭМС, могло привести к глобальной катастрофе, но закончилось без серьезных последствий. Просто электрических устройств, на которые оно могло повлиять, еще не существовало. Однако то, что произошло с телеграфными системами того времени, стало предупреждением об огромной мощи электромагнитных явлений в случае высокой напряженности поля. Телеграфные столбы сыпали искрами, телеграфисты в ужасе отскакивали от оборудования, телеграфные ленты загорались сами собой, а аппараты выдавали странные сообщения, которые никто не отправлял. Полярное сияние, обычно видимое только в высоких широтах, можно было наблюдать даже у экватора. Эксперты уверены, что, случись столь же сильная магнитная буря, как в 1859 году, сегодня, это имело бы катастрофические последствия для нашей высокотехнологичной инфраструктуры. По статистике, буря такой силы происходит примерно каждые 500 лет. С природными явлениями справиться нелегко, но защита электрических устройств от помех, вызываемых действием другого оборудования, уже давно является обычным делом. В свете повсеместного распространения беспроводных сетей это станет еще более важным в будущем.

Начало эпохи радио
1920+
Основание CISPR
1934
Первый тестовый приемник R&S
1937

Проблема становится слышимой

Распространение радиоволн было обнаружено только около 1900 года и уже вскоре начало использоваться для связи. До этого момента в мире не существовало ни одной сенсорной системы, с помощью которой человек мог бы воспринять диапазон низких частот электромагнитного спектра. Таким образом, люди долгое время не имели представления о количестве электромагнитного загрязнения, генерируемого электрическими устройствами, особенно двигателями, и в течение нескольких десятилетий оно никого не беспокоило. Только с появлением радиовещания в 1920-х годах и началом непрерывного «мониторинга» части диапазона радиочастот (сначала очень небольшой) проблема стала очевидной. Сильный шум снижал и без того скромное удовольствие от прослушивания и ясно показывал, что электромагнитный спектр только один и с ним нужно обращаться осторожно.

Только с появлением радиовещания в 1920-х годах и началом непрерывного «мониторинга» части диапазона радиочастот проблема стала очевидной.

Электромагнитные волны не признают государственных границ

Решение поручить разработку рекомендаций по технической защите международной организации было очевидным и дальновидным. В 1934 году был основан Международный специальный комитет по радиопомехам (Comité international spécial des perturbations radioélectriques, CISPR), действующий под эгидой Международной электротехнической комиссии (IEC), который до сих пор остается авторитетным органом, публикующим стандарты электромагнитной совместимости. Другие комитеты и комиссии, такие как CENELEC, ETSI, FCC и ANSI, дополняют работу CISPR и следят за тем, чтобы продукты, содержащие электрические детали, не продавались без разрешения надзорных органов. Все участники рынка и уполномоченные государственные органы делегируют своих представителей в комитеты этих некоммерческих общественных организаций, чьи рекомендации имеют юридическую силу на основании законодательных решений. Как ведущий производитель контрольно-измерительного оборудования, компания Rohde & Schwarz принимает активное участие в процессе стандартизации, поскольку даже самые лучшие правила бесполезны, если их соблюдение невозможно проверить путем измерений по разумной цене.

В ЕС маркировка CE на продукте означает, что он соответствует требованиям всех применимых стандартов, включая стандарты ЭМС. В США той же цели служит знак соответствия FCC. Однако официальное утверждение каждого продукта является нецелесообразным из-за огромного количества продуктов и связанных с этим затрат, поэтому эта ответственность возложена на производителей. Они должны следить за тем, чтобы их продукция соответствовала стандартам. В случае поимки нарушители подлежат суровому наказанию — как минимум, запрету на продажу их продукта. Проблемы возникают даже у дорогостоящих продуктов. Например, испытание электровелосипедов, проведенное Фондом тестирования качества товаров (известной германской потребительской организацией) несколько лет назад, вызвало резонанс в СМИ, потому что некоторые велосипеды оказались источниками помех. Даже сейчас характеристики ЭМС многих продуктов оставляют желать лучшего. По результатам исследования, проведенного Федеральным сетевым агентством Германии в 2019 году, оказалось, что 21,5 % исследованных продуктов не соответствуют нормативным требованиям.

Для всех групп продуктов, включая мониторы, существуют те или иные стандарты ЭМС. На фотографии представлен тестовый приемник, используемый для измерения кондуктивных помех, то есть сигналов помех, излучаемых устройством по линиям питания.

Измерения ЭМС производятся в экранированных от электромагнитного излучения камерах, так что учитываются только излучения, исходящие от ИУ. Они также предотвращают утечку излучения помех, которое воздействует на ИУ при испытаниях на помехоустойчивость. Как и в случае безэховой камеры, внутренние стены, потолок и пол покрыты поглощающим материалом, который преобразует рассеянную электромагнитную энергию в тепло для создания «спокойной» электромагнитной обстановки.

Бытовая техника также нуждается в проверке. Стиральная машина стоит на поворотном столе, что позволяет проводить измерения с учетом угла.

Для проверки устойчивости к сильным полям транспортные средства, самолеты и вертолеты подвергаются воздействию таких полей. Для этого их необходимо целиком поместить в достаточно большую испытательную камеру.

Учет аспектов ЭМС на ранних этапах разработки продукта снижает затраты на их внедрение. Нежелательные излучения цепи могут быть обнаружены и локализованы с помощью пробников поля.

От раздражающих до опасных

Стандарты ЭМС созданы для того, чтобы продукт (например, двигатель или микроволновая печь), который не должен излучать сигналы помех, выполнял это требование, а продукт, одобренный для работы в радио- или широковещании (например, устройство WLAN), соответствовал требованиям применимого стандарта и не нарушал работу других беспроводных служб. Кроме того, все продукты должны быть невосприимчивы к внешним электромагнитным помехам в установленных пределах. Несоблюдение этих условий может привести к любым последствиям от простого раздражения пользователей до серьезных происшествий.

Например, из-за реакции бортовой авионики на сильный радиосигнал от коротковолнового передатчика, над которым на малой высоте пролетел немецкий самолет Tornado, он потерпел крушение. В результате производитель самолета был вынужден внести изменения в конструкцию. А в японской прессе сообщалось о том, что на одном из заводов промышленные роботы начали перемещаться в присутствии людей, что привело к нескольким смертельным случаям. Предположительной причиной стало воздействие излучения завода. Незначительные инциденты происходят гораздо чаще. Например, в кабине самолета может вдруг раздаться плач ребенка из-за использования неодобренной радионяни, гаражные ворота может заклинить из-за работы военной радиостанции, а владелец автомобиля не сможет в него попасть из-за того, что система удаленного бесключевого доступа внезапно перестала работать, потому что сигнал забивается электромагнитными помехами той же частоты.

Транспортные средства как ориентир

Заблокированная система бесключевого доступа раздражает, но обычно не представляет опасности. Однако в современных автомобилях становится все больше электрических и электронных компонентов, которые отвечают за безопасность. Электромагнитная совместимость всех бортовых систем крайне важна, так как к продаже допускаются только безопасные транспортные средства. С этой целью специально для автомобильного сектора было разработано несколько стандартов ЭМС, например стандарт невосприимчивости к помехам в проводке. Дополнительные правила регулируют работу радиоустройств, которые все чаще устанавливаются в транспортных средствах. Помимо классической электромагнитной совместимости, все более важным становится мирное сосуществование широкого спектра служб радиосвязи, причем не только в транспортных средствах. Технологии мобильной связи и связи ближнего действия, такие как Wi-Fi и Bluetooth®, а также функции GPS, радио и дистанционного управления и радары (в случае транспортных средств) часто используются в составе одного и того же продукта и должны работать вместе, не вызывая взаимных помех. При неправильной реализации беспроводной технологии полезные сигналы могут легко превратиться в помехи. Поставщики и производители транспортных средств очень серьезно относятся к этому вопросу, хотя бы потому, что на них возложена юридическая ответственность, и используют сложные испытательные установки.

EMC Story
Камеры для испытаний на ЭМС являются одними из самых впечатляющих испытательных установок в мире. Самые большие из них могут вместить целый самолет.

На кону жизнь и здоровье

Особенно серьезные последствия проблем с ЭМС — в здравоохранении, где от надежной работы оборудования или имплантатов зависят жизнь и здоровье пациентов. Известны многочисленные случаи, когда более ранние поколения кардиостимуляторов оказывались чувствительны к внешним помехам и пропускали удары, поскольку в то время присутствие радиосигналов не требовалось учитывать так детально. Компания Nintendo прямо указала в инструкциях по безопасности своей игровой консоли DS, что, если включена функция беспроводной связи, консоль следует держать на расстоянии не менее 23 сантиметров от кардиостимулятора. Также подобными рекомендациями сопровождались (и до сих пор сопровождаются) мобильные телефоны. Хотя современные имплантаты и считаются невосприимчивыми к такому воздействию, поскольку производители осведомлены об опасности, при разработке продукта необходимо соблюдать особую осторожность. Не зря национальное Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США оставляет за собой право утверждать медицинские устройства с беспроводными интерфейсами, за которые обычно отвечает Федеральная комиссия по связи (FCC). Производители медицинских устройств должны развернуто продемонстрировать, какие меры были приняты для противодействия потенциальным опасностям и какие методы испытаний применялись для подтверждения электромагнитной совместимости. Если в отношении инновационного устройства еще не принято никаких стандартов, производитель должен по собственной инициативе убедиться, что устройство работает без помех в предполагаемой области применения, и, если необходимо, разработать подходящие методы испытаний. Например, в настоящее время специалисты по ЭМС из Rohde & Schwarz совместно с испытательной лабораторией разрабатывают процедуру испытаний следующего поколения мониторов пациента для крупного производителя медицинского оборудования.

В больницах, особенно в отделениях интенсивной терапии, для лечения пациентов и контроля их состояния должно использоваться помехоустойчивое оборудование. Из соображений безопасности распространенной практикой остается запрет на использование всех без исключения мобильных устройств, по крайней мере, в операционных. Кроме того, все больше и больше медицинских устройств начинают излучать радиосигналы, поскольку проводные соединения для передачи данных заменяются беспроводными соединениями, такими как Bluetooth®. Развертывание мобильных сетей 5G с низкой задержкой поддерживает работу приложений реального времени в сфере телемедицины. Интегрированные испытательные решения, например решения Rohde & Schwarz, проверяют не только ЭМС и возможность сосуществования ИУ, но и их функциональные параметры (характеристики радиосвязи и передачи данных). Это ускоряет процесс и снижает стоимость испытания все более сложных технологий.

Защита нашего цифрового образа жизни

С начала века количество радиотехнических продуктов резко возросло и уже значительно превышает численность людей на планете. Интеллектуальные облачные и беспроводные сервисы проникают во все сферы жизни. Широкое распространение получили беспроводные домашние сети, а в обозримом будущем реальностью станут автомобили, взаимодействующие по сети с окружающими объектами. Все эти достижения требуют осторожного использования ограниченных частотных ресурсов. Стандарты устанавливают границы, в пределах которых могут работать технологии, но проверить, всё ли в порядке, можно только с помощью специального контрольно-измерительного оборудования.

Хорошее начало

В 1937 году, через четыре года после основания компании, Rohde & Schwarz представила свой первый измеритель напряженности ВЧ-поля — вероятно, один из первых в мире. Производители получили возможность измерять излучение своих устройств в радиочастотных диапазонах, которые подвергались воздействию помех, и принимать определенные меры противодействия. Компания продолжает работать с этой группой продуктов и на протяжении десятилетий поддерживает научно-технический прогресс, выпуская все новые поколения устройств. Кроме того, ассортимент контрольно-измерительного оборудования для ЭМС постоянно расширяется. В настоящее время он включает в себя все, что необходимо промышленности и испытательным организациям для измерения электромагнитной совместимости, от антенн до готовых испытательных систем. А продолжающийся бум радиосервисов повышает ценность контрольно-измерительного оборудования для ЭМС.