Ile waży kilogram? - Rozmowa z Krzysztofem Sieczkarkiem, kierownikiem Laboratorium Urządzeń Elektronicznych w Instytucie Logistyki i Magazynowania

M.K.: Brzęczenie w głośnikach może być nieprzyjemne dla ucha, ale raczej nie powoduje żadnych  większych szkód i zagrożeń dla życia. Są jednak sytuacje, kiedy takie nachodzenie na siebie fal może mieć dużo poważniejsze skutki.
K.S.: W tej naszej dziedzinie, którą nazywamy kompatybilnością elektromagnetyczną, wyróżniamy zarówno emisję, pochodzącą od urządzeń,  jak i odporność, a w ramach tej odporności prowadzimy kilka testów, z których każdy odzwierciedla rzeczywiste zjawiska, w jakich urządzenia działają. Przykładowo badanie odporności na pole elektromagnetyczne symuluje działanie stacji radiowych. Sprawdzamy jak zachowują się urządzenia, które znajdują się w pobliżu stacji radiowych, telefonów komórkowych, walkie-talkie, sygnału CB itp. Całe to pasmo pokrywamy i sprawdzamy czy urządzenie jest na nie odporne. Sprawdzamy także przykładowo odporność urządzeń na wyładowania elektrostatyczne – człowiek, idąc po dywanie zimą ładuje się elektrycznością statyczną, dotyka klamki i następuje przeskok iskry. Taki przeskok iskry może także nastąpić do urządzenia i w konsekwencji jego zniszczenie lub zawieszenie. Przykładowo w warunkach laboratoryjnych testowaliśmy sejf elektroniczny, który był otwierany przy pomocy panelu dotykowego. Podczas badań okazało się, że jeśli taka iskierka wyładowania elektrostatycznego przeskoczy na klawiaturę do otwierania sejfu, sejf za każdym razem  się otwierał. Czyli mieliśmy tu do czynienia z brakiem kompatybilności elektromagnetycznej. Takich badań robimy więcej – w sumie osiem dotyczących badań odporności elektromagnetycznej i cztery dotyczące emisji. One wszystkie mają odzwierciedlać sytuacje, które z większym czy mniejszym prawdopodobieństwem mogą zaistnieć w środowisku naturalnym. Skutki zaburzenia działania mogą być różne – od takich dźwiękowych, które powodują nieprzyjemne szumy i trzaski, poprzez otwieranie sejfu, zaburzenia wskazań wagi elektronicznej. W  warunkach laboratoryjnych sprawdzaliśmy odporność na pole elektromagnetyczne wagi elektronicznej, która pokazywała precyzyjnie wagę 1 kG. W momencie załączenia pola elektromagnetycznego, w zależności od częstotliwości pokazywała albo więcej albo mniej, czasami nawet absurdalnie np. kilkadziesiąt kG mimo, że na wadze znajdował się nadal 1 kG. Jeśli za pomocą takiej wagi dokonywalibyśmy transakcji, może nie kupna jabłek, ale sprzedaży złota to wynikałyby stąd przykre konsekwencje finansowe dla odbiorcy.

M.K.: Czy urządzenia, które są wprowadzane na rynek muszą spełniać jakieś konkretne wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej czy jest to sprawa dobrowolna?
K.S.: Nowe podejście w ramach regulacji na rynku technicznym w Unii Europejskiej mówi o tym, że to producent lub jego autoryzowany przedstawiciel na terenie UE, wprowadzając nowy wyrób na rynek, jest odpowiedzialny za spełnienie dyrektyw, pod które dane urządzenie podlega. W przypadku urządzeń elektronicznych jest to właśnie dyrektywa kompatybilności elektromagnetycznej EMC i dyrektywa niskich napięć, odpowiadająca za ogólne bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych. W przypadku kompatybilności elektromagnetycznej dyrektywa jedynie mówi o spełnieniu tzw. wymagań zasadniczych: odporność na zewnętrzne zjawiska elektromagnetyczne i ograniczony poziom emisji. To wszystko. Znak CE na urządzeniu jest deklaracją  producenta, że urządzenie spełnia wymagania kompatybilności elektromagnetycznej, ale czy to sprawdził – to już jest tylko jego sprawa. Po to są instytucje nadzoru rynku, żeby taką zgodność z deklaracją sprawdzać.
Rozwój telefonii komórkowej  to ostatnich kilkanaście lat, a urządzeń elektronicznych – kilkadziesiąt lat. W związku z tym pewnego rodzaju urządzenia, które już istniały i były zainstalowane – np. w szpitalach – nawet formalnie nie musiały spełniać wymagań kompatybilności, bo weszły do sprzedaży przed powstaniem odpowiednich rozporządzeń, wymagań i dyrektyw. Użytkownicy zauważyli wpływ telefonów komórkowych na aparaturę medyczną, stąd istnieje niekiedy zakaz ich używania. Musimy wziąć pod uwagę, że w przypadku niepoprawnego działania aparatury medycznej konsekwencje mogą być istotne.

M.K.: Do czego służy komora bezodbiciowa, która powstała w Instytucie Logistyki i Magazynowania?
K.S.: Komora bezodbiciowa, w ujęciu normalizacyjnym,  zawiera w sobie dwa z  dziesięciu najbardziej popularnych testów kompatybilności elektromagnetycznej, czyli służy do testów pomiarów emisji promieniowanej od urządzeń elektronicznych, a z drugiej strony służy do badania odporności czy też podatności urządzeń elektronicznych na pola elektromagnetyczne. Dzięki niej rozszerzyliśmy nasz zakres badań względem tego, co posiadaliśmy do listopada 2013, o urządzenia o większych gabarytach. Poza tym ta nowa komora posiada znacznie większy zakres częstotliwości pracy do 40 GHz.

M.K.: Więc za jej pomocą można stwierdzić czy poziom emisji z urządzenia mieści się w zdefiniowanych poziomach dopuszczalnych. A dlaczego w badaniach wyizolowuje się urządzenie? 
K.S.: To prawda. Urządzenie zainstalowane w biurze, mieszkaniu, w warunkach szpitalnych niekoniecznie musi się jako jedyne składać na emisję, która znajduje się w tym środowisku. Werdykt, że dane urządzenie nie spełnia wymagań mógłby być krzywdzący. Trzeba wyizolować urządzenie, włożyć do komory, w której występuje tzw. „pustynia XXI wieku” czyli całkowita cisza elektromagnetyczna. Dodatkowo wyłożenie ścian tej komory specjalnymi materiałami powoduje, że nie ma odbić fal elektromagnetycznych od tych ścian, tworzy się tak jakby przestrzeń otwarta na fale elektromagnetyczne, bo one nie wracają do obiektu. Tylko w takich warunkach wyizolowanych możemy podjąć werdykt: jeśli mierzymy emisję od urządzenia i jest ona powyżej poziomów dopuszczalnych urządzeni - wynik negatywny, jeśli jest poniżej - pozytywny. To tak z grubsza bez wnikania w aspekty metrologiczne.

M.K.:  Jak długo trwa takie badanie?
K.S.: Przebadanie urządzenia w komorze trwa około jednego dnia. Natomiast jeśli urządzenie samo w sobie pracuje w różnych trybach (np. proces ładowania i rozładowywania - to już mamy dwa procesy) czas badania może się wydłużyć. Podczas badań wstępnych trzeba wybrać, który z tych procesów wybierzemy do badań końcowych, ponieważ nie da się przebadać urządzenia w każdej konfiguracji. Takim przykładem są komputery, choćby prosty PC, w postępie geometrycznym rosłaby nam ilość testów. Nikt ani technicznie ani finansowo nie byłby wstanie zbadać wszystkich procesów. Trzeba podjąć decyzję na temat trybu pracy, konfiguracji urządzenia, które jest poddawane testom.

M.K.: Z jakich elementów składa się badanie?
K.S.: Najpierw umieszcza się urządzenie wewnątrz komory i włącza się. Umieszcza się antenę na jednej wysokości (antena jest regulowana od 1 do 4 m, też z odpowiednim krokiem). Przy tej jednej częstotliwości obracamy urządzeniem wokół, patrzymy czy obrót powoduje zmianę emisji, bo urządzenie w różnych osiach może emitować inaczej. Wybieramy jedno położenie, sprawdzamy różnego rodzaju tryby pracy. Jeśli będzie to sterownik np. kotła, to ustawiamy go na temperaturę symulowaną 20 stopni lub 21 stopni, na większy wentylator lub mniejszy. Celem tych prób jest znalezienie tryb pracy o największej emisji. W wyniku tych badań wstępnych podejmujemy decyzję, który tryb jest najgorszy z punktu widzenia emisji, czyli taki, że gorzej już być nie może. Dla tego trybu wykonujemy badania końcowe czyli skanowanie przez całe pasmo częstotliwości, skanowanie anteny w górę i w dół i skanowanie kątowe wokół stołu obrotowego.

M.K.: Komora to nie tylko to co widzimy tutaj w środku, samo wnętrze. To cały system, mnóstwo urządzeń. Czy możesz powiedzieć  coś więcej o tych urządzeniach?
K.S.: Jeśli chodzi o badania to możemy wydzielić pomiar emisji i badania odporności. To są dwie grupy urządzeń współpracujących. Nie mają wspólnego mianownika, nawet kable są dedykowane dla jednego bądź drugiego badania. Najbardziej istotne dla pomiaru emisji są skalibrowane anteny i odbiornik pomiarowy. Mamy jeden z nowocześniejszych produktów na świecie, mierzący aż do 26 GHz czyli pasmo pomiarowe od 20 Hz do 26 GHz. To jest taki strojony, specjalistyczny woltomierz, który ma wbudowane odpowiednie filtry, pasma przenoszenia, odpowiedź na znormalizowane sygnały i impulsy. To wszystko jest sterowane za pomocą oprogramowania, które jednocześnie zmienia położenie stołu obrotowego, na którym znajduje się badane urządzenie oraz powoduje zwiększenie lub zmniejszenie poziomu wysokości anteny. Wszystko odbywa się automatycznie, kiedyś takie prace trzeba było wykonywać manualnie. Jeśli chodzi o odporność to musimy mieć generatory sygnałowe, mierniki pola elektromagnetycznego, wzmacniacze, mierniki mocy, które kontrolują nam czy sygnał jest utrzymywany na zadanym wcześniej poziomie.  Najtrudniejsza jednak z punktu widzenia realizacji, jest ocena czy urządzenie działa w sposób poprawny. Za każdym razem kryteria są dobierane indywidualnie, choćby  podany wcześniej przykład wagi.  Producent może stwierdzić, że tolerancja wskazań jest +/- x, inny producent może wskazać inaczej.  Działamy na rzecz producentów, żeby mogli złożyć deklarację zgodności, żeby mieli podstawy techniczne, czyli dokumenty potwierdzające, że zrobili wszystko co mogli i zrobili to w sposób w pełni profesjonalny. My dodajemy argumentów, żeby oni mogli legalnie taką deklarację zgodności sporządzić. Razem z producentem ustalamy kryteria doboru oceny, na co mamy zwracać uwagę w przypadku tego typu urządzenia, co jest anomalią i w jaki sposób to sprawdzić. Wiemy, że w komorze nikt nie przebywa, dlatego zamontowany jest system kamer. Czasami jednak urządzenia nie reagują w sposób wizualny. W związku z tym wyprowadzamy (za pomocą media-konwerterów) sygnały na zewnątrz. Te sygnały, jeśli są np. zakłócone, zmieniają swoje stany logiczne na inne. Czasami wewnątrz urządzenia działa program testowy, który automatycznie sprawdza czy wszystkie podzespoły działają poprawnie.  Za każdym razem jest to indywidualne podejście, każde urządzenie jest inne, nawet ułożenie kabli może być inne.
Po wykonaniu badań producent dostaje szczegółowy raport. Jeśli coś z urządzeniem się działo, w trakcie narażeń, czy to wyładowania elektrostatycznego czy  odporności na  zaniki napięcia, to jest to wyszczególnione w raporcie. Przy czym same organizacje normalizacyjne niekoniecznie mówią, że z urządzeniem nie może się coś dziać. Są podane sytuacje gdzie dopuszczalne jest, że z urządzeniem coś się dzieje w sytuacji, gdy istnieje zjawisko elektromagnetyczne, ale warunek jest np. taki, że po ustaniu tego zjawiska urządzenie musi samoczynnie wrócić do normalnej pracy  np. w  czasie burzy.  Wyindukowane w wyniku wyładowania atmosferycznego napięcie wnika po przewodzie zasilającym do urządzenia, urządzenie może się wyłączyć, bo zadziała zabezpieczenie. Jest to dopuszczalne, urządzenie zareagowało na to zjawisko, ale potem wróciło do normalnej pracy.

M.K.: Oprócz badań EMC komora będzie także wykorzystywana do rozwijania RFID.
K.S.: W kręgu zainteresowań naukowych Instytutu Logistyki i Magazynowania znajdują się technologie automatycznej identyfikacji. Od dawna w instytucie działa Centrum związane z kodami kresowymi. Początki naszego laboratorium to także współpraca z tym centrum, gdyż ocenialiśmy urządzenia do automatycznej identyfikacji: skanery, drukarki kodów kreskowych. Stąd nasze zainteresowanie kompatybilnością elektromagnetyczną. Laboratorium powstało jako wsparcie dla wdrażania technologii automatycznej identyfikacji  i w celu weryfikacji cech bezpieczeństwa elektrycznego i kompatybilności elektromagnetycznej. Następował dalszy konsekwentny rozwój i odpowiadając na wymagania rynku obecnie badamy całą gamę różnego rodzaju urządzeń od sterowników pieców, centralek telekomunikacyjnych, rozmieniarek do pieniędzy, drukarek 3D, do kontrolerów pirotechnicznych włącznie.  Od kilku lat, ale jeszcze nie na skalę masową rozwijają się technologię RFID czyli identyfikacji obiektów za pomocą  fal radiowych.  Docelowo, kody kreskowe będą, oczywiście w ograniczonym zakresie, zastępowane znacznikami RFID. By wykonać testy sprzętu do automatycznej identyfikacji warto przeprowadzić je w warunkach czystych elektromagnetycznie. Jeśli mielibyśmy dać werdykt o zasięgu czytania danego znacznika, to musimy wiedzieć czy nie ma odbić od ścian, sufitów, podłóg  a jest to bezpośredni pomiar w odległości. Musimy umieć wydzielić też te znaczniki ze środowiska, podjąć decyzję o ich lepszym lub gorszym stosowaniu.
Kiedy robiliśmy testy badania znaczników zainstalowanych na różnego rodzaju powierzchniach czy to na metalowych, czy na plastikowych czy na drewnianych, wiemy, że można czasami popełnić błąd wynikający z miejsca, gdzie się wykonuje tego typu badania. Jeśli samo pomieszczenie będzie pełne elementów metalowych odbijających, to możemy dojść do zupełnie błędnych wniosków. Tylko w takiej komorze mamy tę pustynię XXI wieku czyli ciszę elektromagnetyczną i badania będą wykonane poprawnie.
Kolejnym zastosowaniem naszej komory bezodbiciowej jest zdjęcie charakterystyki selektywnej bramki RFID, na którą złożyliśmy wniosek patentowy.  Żeby zrobić to w sposób najlepszy z możliwych należy odseparować się  od środowiska, żeby wiedzieć, że wielkość, którą mierzymy pochodzi bezpośrednio od bramki RFID a nie są to odbicia od ściany ani od innego urządzenia.  Stąd takie zastosowanie komory bezodbiciowej, czyli odizolowanie się od zewnętrznych zjawisk elektromagnetycznych, by wyniki pomiarów odnosiły się tylko do badanych systemów RFID, byśmy doszli do prawidłowych wniosków a nie błędnych konkluzji.

M.K.:  Jesteś głównym projektantem komory…
K.S.: Na pewno byłem siłą motoryczną, od zawsze chciałem, aby taka komora powstała w ILiM. Nie każdy z pracowników instytutu zdawał sobie sprawę, że takie narzędzie jest nam potrzebne. Nie jest to jednak sukces jednoosobowy. To zasługa całego zespołu laboratorium, który współpracował przy projektowaniu funkcjonalnym komory i przy stworzeniu dokumentu wymagań technicznych, tego co ma być  zbudowane, jak i przy samej budowie na podstawie projektu wykonawczego firmy, która wygrała przetarg. Jest to także sukces Dyrekcji ILiM, która wspierała nas w procesie pozyskiwania środków na realizację budowy.

M.K.: Przed powstaniem nowoczesnej komory bezodbiciowej korzystaliście z mniejszej, którą z powodzeniem wykorzystywaliście przez 18 lat. Co się z nią stanie?
K.S.: Postanowiliśmy się z nią nie rozstawać, gdyż cały czas stanowi dobre narzędzie do pomiarów konstrukcyjnych, wstępnych, szybkich. W takiej komorze nie trzeba wykonywać czynności manualnych, związanych z przemieszczaniem anteny, gdyż antena jest tylko w  jednym położeniu. Jest doskonałym urządzeniem do dokonywania  zmian konstrukcyjnych w urządzeniu, by doprowadzić go do stanu kompatybilności elektromagnetycznej. Wiadomo, że nie każdy test wyjdzie od razu poprawnie, w związku z tym, żeby coś zmienić, założyć filtr, zastosować uszczelkę elektromagnetyczną, zmienić ścieżkę, niekoniecznie trzeba wykonywać badania, które trwają cały dzień, a wystarczy włożyć na godzinę do komory GTM, by zobaczyć czy jest lepiej czy gorzej.

M.K.: Czym, oprócz wielkości, różni się nowa komora od starej?
K.S.: Przede wszystkim ma znacznie większy zakres częstotliwości, bardziej odzwierciedla pola pomiarowe bez odbić, gdzie fizycznie musiał obiekt znajdować się w odpowiedniej odległości od anteny.  Nowa komora w sposób jednoznaczny odzwierciedla te znormalizowane warunki.

M.K.: Czy istnieją inne takie komory w Polsce?
K.S.: Tak, są, ale ta nasza jest najnowsza.  I jedyna w pełni automatyczna. Jako jedyni mamy maszt antenowy pochylany pod kątem.

M.K.: Na koniec opowiedz o planach, jakie jeszcze macie na ten rok?
K.S.: Przede wszystkim dokończyć  poznawanie tego urządzania. Mimo, że z naszej strony istniał projekt funkcjonalny,  to jednak musimy nabrać biegłości w korzystaniu z komory w niestandardowych zastosowaniach. To tak, jakby zażyczyć sobie wybudowania doskonałego samochodu, pełnego elektroniki, który trzeba w praktyce sprawdzić jak działa. Oczywiście wykonujemy już badania, mamy szereg zapytań z rynku. Mamy klientów, którzy chcą naszych usług w ramach, chociażby bonów na innowację, które wspomagają działania producentów starających się o środki na badania takie jak nasze, pomagają wprowadzać produkt na rynek Unii  Europejskiej. Wiedzieliśmy po co budujemy tą komorę. Bardzo podobała nam się współpraca z potencjalnymi dostawcami. Nie ukrywam, że byliśmy dla nich trudnym partnerem, gdyż mieliśmy dużą świadomość tego co chcemy.

Krzysztof Sieczkarek
Kierownik akredytowanego przez Polskie Centrum Akredytacji Laboratorium Urządzeń Elektronicznych ILiM. Autoryzacja Ministerstw i Notyfikacja Komisji Europejskiej w zakresie Dyrektywy EMC i RTTE. Kierownik setek usług badawczych dotyczących znaku CE urządzeń elektronicznych, koordynator krajowych i międzynarodowych prac naukowych EMC, autor artykułów branżowych, członek Komitetu Technicznego nr 104 ds. Kompatybilności Elektromagnetycznej PKN, reprezentant Polski w ramach Międzynarodowego Komitetu Elektronicznego IEC TC 77 / CISPR ds. Kompatybilności Elektromagnetycznej, twórca i koordynator europejskiej sieci laboratoriów FOR-EMC.