ГОСТ IEC 61000-4-5-2017. Межгосударственный стандарт. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения
Приложение F
(справочное)
РАССМОТРЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
F.1 Условные обозначения
VP - пиковое значение амплитуды импульса напряжения при холостом ходе.
TfV - длительность фронта импульса напряжения в режиме холостого хода: TfV = 1,67·TV.
TV - длительность переднего фронта импульса напряжения в режиме холостого хода определяется как время от 30 до 90% пикового значения.
TrV - длительность переднего фронта импульса напряжения в режиме холостого хода определяется как время от 10 до 90% от пикового значения: TrV = 0,80·TfV = 1,33·TV.
Tw - длительность импульса напряжения в режиме холостого хода.
IP - пиковое значение амплитуды импульса тока в режиме короткого замыкания.
TfI - длительность переднего фронта импульса тока в режиме короткого замыкания: TfI = 1,25·TrI.
TrI - длительность переднего фронта импульса тока в режиме короткого замыкания определяется как время от 10 до 90% от пикового значения.
Td - длительность импульса тока в режиме короткого замыкания.
Примечание - Значение и отношения между символами u(xi), ci, ui(y), uc(y), U(y) и y разъясняются в IEC/TR 61000-1-6.
F.2 Общие положения
Соответствие реализованной величины помехи величине помехи, установленной в настоящем стандарте, обычно подтверждается с помощью ряда измерений (например, измерение времени нарастания импульса с помощью осциллографа с использованием аттенюаторов). Результат каждого измерения включает в себя некоторое значение неопределенности измерения (MU) из-за несовершенства измерительных приборов, а также отсутствия воспроизводимости самой измеряемой величины. Оценка неопределенности измерения в настоящем стандарте осуществляется в соответствии с принципами и методами, описанными в IEC/TR 61000-1-6.
Для того чтобы оценить неопределенность измерения необходимо:
a) установить источники неопределенности, связанные как с измерительной аппаратурой, так и с измеряемой величиной;
b) установить функциональную зависимость (измерительную модель) между влияющими (входными) величинами и измеренной (выходной) величиной;
c) получить оценку и стандартную неопределенность входных величин;
d) получить оценку интервала, содержащего с высоким уровнем доверия истинное значение измеряемой величины.
Более подробная информация приведена в IEC/TR 61000-1-6.
При испытаниях на помехоустойчивость оценки и неопределенности рассчитывают по параметрам величины помехи (например, время переднего фронта, амплитуда и длительность). Таким образом, они описывают степень соответствия величины помехи с соответствующими требованиями настоящего основополагающего стандарта.
Эти оценки и неопределенности, полученные для конкретной величины помехи, не описывают степень соответствия между моделируемым электромагнитным явлением, как это определено в основополагающем стандарте, и реальным электромагнитным явлением в мире за пределами лаборатории.
Поскольку влияние параметров величины помехи на ИО априори неизвестно, и в большинстве случаев ИО демонстрирует нелинейное поведение, единственное значение оценки и неопределенности не может быть определено для величины помехи. Поэтому каждый из параметров величины помехи будет сопровождаться соответствующей оценкой и неопределенностью.
Это приводит более чем к одному бюджету неопределенности.
F.3 Источники неопределенности при измерениях выброса напряжения
Ниже приведен список составляющих, используемых для оценки влияния как измерительных приборов, так и испытательной установки:
- показание пикового значения;
- показание уровня 10% (или 30%);
- показание уровня 90%;
- показание уровня 50%;
- ширина полосы пропускания измерительной системы;
- форма импульсного отклика измерительной системы;
- погрешность измерения по горизонтальной оси осциллографа;
- погрешность измерения по вертикальной оси осциллографа;
- повторяемость измерительной системы, измеряемой величины и установки (тип A);
- калибровка осциллографа и измерительной системы.
F.4 Неопределенность калибровки выброса напряжения
F.4.1 Общие положения
В случае испытания на устойчивость к выбросу напряжения величинами помехи являются напряжение выброса и ток выброса, вырабатываемые генератором выбросов и прикладываемых к ИО. Как уже обсуждалось в F.2, бюджет неопределенности требуется для каждого измеряемого параметра величины помехи. Параметры величин помехи: VP, TfV и Tw для напряжения холостого хода и IP, TfI и Td для тока короткого замыкания.
Настоящий подход, принятый для оценки неопределенности измерения импульса, описан в F.4.6 и F.4.7. В таблицах F.1 - F.3 приведены примеры бюджетов неопределенности для параметров выброса напряжения. Таблицы включают входные величины, которые считаются наиболее значимыми для этих примеров, детали (числовые значения, тип функции плотности вероятности и т.д.) каждого вклада в неопределенность измерения и результаты расчетов, необходимых для определения каждого бюджета неопределенности.
F.4.2 Длительность фронта выброса напряжения в режиме холостого хода
Измеренную величину - длительность фронта выброса напряжения в режиме холостого хода рассчитывают с помощью функциональной зависимости
где
(F.1)
T30% - время при 30% от пиковой амплитуды;
T90% - время при 90% от пиковой амплитуды;
- коррекция на невоспроизводимость;
TMS - время нарастания переходной характеристики измерительной системы (от 10 до 90%);
B - ширина полосы пропускания измерительной системы на уровне минус 3 дБ;
- коэффициент, значение которого (360 +/- 40) мкс·кГц (B, кГц, и TMS, мкс).
Таблица F.1
Пример бюджета неопределенности для длительности фронта
выброса напряжения в режиме холостого хода TfV
Обозначение | Оценка | Ед. изм. | Граница ошибки | Ед. изм. | PDF <a> | Делитель | u(x) | c | Ед. изм. | u(y) | Ед. изм. |
T30% | 0,25 | мкс | 0,0050 | мкс | Треугольная | 2,45 | 0,0020 | -2,08 | 1 | 0,0043 | мкс |
T90% | 1,15 | мкс | 0,0050 | мкс | Треугольная | 2,45 | 0,0020 | 2,08 | 1 | 0,0043 | мкс |
| 0 | мкс | 0,025 | мкс | Нормальная (k = 1) | 1,00 | 0,025 | 2,08 | 1 | 0,052 | мкс |
| 360 | мкс·кГц | 40 | мкс·кГц | Прямоугольная | 1,73 | 23,1 | -0,0019 | 1/кГц | 0,043 | мкс |
B | 500 | кГц | 50 | кГц | Прямоугольная r | 1,73 | 28,9 | 0,0014 | мкс/кГц | 0,039 | мкс |
|
| 0,08 | мкс | ||||||||
| U(y) = 2uc(y) | 0,16 | мкс | ||||||||
| y | 1,20 | мкс | ||||||||
<a> Функция распределения вероятности. | |||||||||||
T30%, T90% - показания времени при 30 или 90% от пиковой амплитуды. Граница ошибки получена из предполагаемой частоты дискретизации 100 гигавыборок/с и способности интерполяции трассы осциллографа (функция плотности вероятности треугольной формы). В противном случае следует предполагать прямоугольную функцию плотности вероятности. Здесь рассматривается только вклад в неопределенность измерения в связи с частотой дискретизации, для дополнительных вкладов см. F.4.5. Предполагают, что показания T30% = 0,25 мкс и T90% = 1,15 мкс.
TMS - расчетное время нарастания переходной характеристики измерительной системы. Коэффициент 
(см. F.1) зависит от формы импульсного отклика измерительной системы. Диапазон (360 +/- 40) мкс·кГц является представительным для широкого класса систем, каждая из которых имеет различную форму импульсной характеристики (см. F.4.6 и таблицу F.4). Ширина полосы B измерительной системы может быть получена экспериментально (прямое измерение ширины полосы) или рассчитывается из полосы пропускания Bi каждого элемента измерительной системы (по существу, пробника напряжения, кабеля и осциллографа), используя следующее уравнение
Для B предполагают оценку 500 кГц и границу погрешности 50 кГц для прямоугольной функции плотности вероятности.
- невоспроизводимость длительности переднего фронта при амплитуде от 30 до 90%, дает количественную оценку отсутствия воспроизводимости при измерении T90% - T30%, обусловленном измерительной аппаратурой, расположением измерительной установки и самим генератором выброса напряжения, что определено экспериментально. Эту оценку типа A, основанную на формуле экспериментального стандартного отклонения s(qk) выборки из n повторных измерений qj, рассчитывают
где 
представляет собой среднее арифметическое из значений qj.
Предполагают, что граница погрешности s(qk) = 25 нс (одно стандартное отклонение нормальной функции плотности вероятности), а оценка - 0 нс.
Примечание - Для тока короткого замыкания бюджет может быть получен аналогичным образом. В этом случае TMS включает полосу пропускания пробника тока вместо пробника напряжения. Далее функциональную зависимость рассчитывают следующим образом
F.4.3 Пиковое значение выброса напряжения в режиме холостого хода
Измеренную величину - пиковую амплитуду выброса напряжения в режиме холостого хода рассчитывают с помощью функциональной зависимости
где VPR - показание пикового напряжения;
A - ослабление пробника напряжения по постоянному току;
- коррекция на невоспроизводимость;
- точность измерения по вертикальной оси осциллографа;
- коэффициент, значение которого (12,7 +/- 1,4) кГц;
B - ширина полосы пропускания измерительной системы на уровне минус 3 дБ.
Таблица F.2
Пример бюджета неопределенности для пикового значения
выброса напряжения в режиме холостого хода Vp
Обозначение | Оценка | Ед. изм. | Граница ошибки | Ед. изм. | PDF <a> | Делитель | u(x) | c | Ед. изм. | u(y) | Ед. изм. |
VPR | 3,84 | В | 0,0075 | В | Треугольная | 2,45 | 0,0031 | 1001 | 1 | 3,06 | В |
A | 1000 | 1 | 50 | 1 | Прямоугольная | 1,73 | 28,9 | 3,84 | В | 111 | В |
| 0 | 1 | 0,03 | 1 | Нормальная (k = 1) | 1,00 | 0,03 | 3,84·103 | В | 115 | В |
| 0 | 1 | 0,02 | 1 | Прямоугольная | 1,73 | 0,012 | 3,84·103 | В | 44,4 | В |
| 12,7 | кГц | 1,4 | кГц | Прямоугольная | 1,73 | 0,81 | 0,38 | В/кГц | 0,32 | В |
B | 500 | кГц | 50 | кГц | Прямоугольная | 1,73 | 28,9 | -0,009 6 | В/кГц | 0,29 | В |
|
| 0,166 | кВ | ||||||||
U(y) = 2uc(y) | 0,33 | кВ | |||||||||
y | 3,84 | кВ | |||||||||
Выражено в процентах от 3,84 кВ | 8,6 | % | |||||||||
<a> Функция распределения вероятности. | |||||||||||
VPR - показание пикового напряжения. Граница погрешности получена в предположении, что осциллограф имеет вертикальное разрешение 8 бит с возможностью интерполяции (треугольная функция распределения вероятности).
A - ослабление пробника напряжения по постоянному току. Предполагаются значение оценки 1000 и граница погрешности 5% (функция распределения вероятности прямоугольной формы).
- количественная оценка невоспроизводимости измерительной установки, компоновки и измерительных приборов. Это оценка типа A, основанная на экспериментальном стандартном отклонении выборки из повторных измерений пикового напряжения. Она выражается в относительных величинах и предполагает оценку 0% и границу погрешности 3% (одно стандартное отклонение).
- количественная оценка неточности измерения амплитуды постоянного тока осциллографом. Предполагают границу погрешности 2%, функцию распределения вероятности прямоугольной формы и оценку 0.
- коэффициент, зависящий от формы как импульсного отклика измерительной системы, так и стандартного импульсного сигнала в окрестности пика (см. F.4.7). Интервал (12,7 +/- 1,4) кГц является представительным для широкого класса систем, каждая из которых имеет различную форму импульсной характеристики.
B - см. E.4.2, тот же смысл и те же значения как для оценки, так и для границы ошибки.
Примечание - Для тока короткого замыкания бюджет может быть рассмотрен аналогичным образом. В этом случае B включает в себя полосу пропускания пробника тока вместо пробника напряжения. Далее параметр изменяют в соответствии с таблицей F.5 в F.4.7.
F.4.4 Длительность выброса напряжения в режиме холостого хода
Измеренную величину - длительность выброса напряжения в режиме холостого хода рассчитывают с помощью функциональной зависимости
где T50%,R - время при 50-процентной пиковой амплитуде переднего фронта выброса;
T50%,F - время при 50-процентной пиковой амплитуде заднего фронта выброса;
- коррекция на невоспроизводимость;
B - ширина полосы пропускания измерительной системы на уровне минус 3 дБ;
- коэффициент, значение которого (12,7 +/- 1,4) кГц.
Таблица F.3
Пример бюджета неопределенности для длительности
выброса напряжения в режиме холостого хода Td
Обозначение | Оценка | Ед. изм. | Граница ошибки | Ед. изм. | PDF <a> | Делитель | u(x) | c | Ед. изм. | u(y) | Ед. изм. |
T50%,R | 0,5 | мкс | 0,0050 | мкс | Треугольная | 2,45 | 0,002 | -1,00 | мкс | 0,002 0 | мкс |
T50%,F | 51,2 | мкс | 0,0050 | мкс | Треугольная | 2,45 | 0,002 | 1,00 | мкс | 0,002 0 | мкс |
| 0 | мкс | 0,15 | мкс | Нормальная (k = 1) | 1,00 | 0,15 | 1,00 | мкс | 0,15 | мкс |
| 12,7 | кГц | 1,4 | кГц | Прямоугольная | 1,73 | 0,81 | -0,005 2 | мкс/кГц | 0,004 2 | мкс |
B | 500 | кГц | 50 | кГц | Прямоугольная | 1,73 | 28,9 | 0,000 13 | мкс/кГц | 0,003 8 | мкс |
|
| 0,15 | мкс | ||||||||
U(y) = 2uc(y) | 0,3 | мкс | |||||||||
Y | 50,7 | мкс | |||||||||
<a> Функция распределения вероятности. | |||||||||||
T50%,R, T50%,F - отсчет времени при 50-процентной пиковой амплитуде переднего или заднего фронта выброса напряжения в режиме холостого хода. Граница ошибки получена из предполагаемой частоты дискретизации 100 гигавыборок/с (так же, как в E.4.2) и возможности интерполяции трассы осциллографа (функция плотности вероятности треугольной формы). В противном случае следует предполагать прямоугольную функцию плотности вероятности. Здесь рассматривается только вклад в неопределенность измерения в связи с частотой дискретизации, для дополнительных вкладов см. F.4.5. Предполагают, что показания T50%,R = 0,5 мкс и T50%,F = 51,2 мкс.
- количественная оценка невоспроизводимости дифференциального измерения временного интервала T50%,F - T50%,R из-за влияния измерительной установки, компоновки и измерительных приборов. Это оценка типа A, основанная на экспериментальном стандартном отклонении выборки из повторных измерений. Предполагают границу погрешности s(qk) = 150 нс (одно стандартное отклонение нормальной функции плотности вероятности) и оценку 0 нс.
- см. F.4.3, такое же значение и те же величины как для оценки, так и для границы погрешности.
B - см. E.4.2, такое же значение и те же величины как для оценки, так и для границы погрешности.
Примечание - Для временного интервала длительности Td тока короткого замыкания бюджет может быть рассмотрен аналогичным образом. В этом случае B включает в себя полосу пропускания пробника тока вместо пробника напряжения. Далее параметр изменяют в соответствии с таблицей F.5, и функциональное отношение
F.4.5 Дальнейшие вклады в неопределенность измерений при измерениях времени и амплитуды
Ошибка временной базы и джиттер: характеристики осциллографа могут быть приняты в качестве оценок ошибки функций плотности вероятности прямоугольной формы. Обычно эти вклады пренебрежимо малы.
Разрешение по вертикали: вклад зависит от вертикального разрешения по амплитуде 
и на склоне трассы dA/dt. Неопределенность связана с половиной ширины разрешения и 
. Если выполняется интерполяция трассы (см. руководство осциллографа), используют функцию плотности вероятности треугольной формы, в противном случае - функцию плотности вероятности прямоугольной формы. Этот вклад не может быть незначительным при 
, где Ti - интервал выборки осциллографа.
Смещение по постоянному току: смещение по постоянному току осциллографа вносит свой вклад в погрешность измерения пикового напряжения, если пик измеряется от номинальной нулевой линии постоянного тока осциллографа. Этот вклад может быть проигнорирован, если программа для считывания показаний осциллографа измеряет пик от базовой линии импульса.
F.4.6 Искажение времени нарастания из-за ограниченной пропускной способности измерительной системы
Искажение времени нарастания вычисляют с помощью обычного правила сочетания времен нарастания, которое действует при каскадировании двух невзаимодействующих систем, когда время нарастания их переходных характеристик монотонно возрастает (см. Elmore), то есть
(F.2)
где Trd - время нарастания сигнала на выходе измерительной системы (искаженное время нарастания);
Tr - время нарастания сигнала на входе измерительной системы;
TMS - время нарастания переходной характеристики измерительной системы. Важно заметить, что вывод уравнения (F.2) основан на следующем определении времени нарастания (см. Elmore)
(F.3)
где h0(t) - импульсная характеристика измерительной системы, имеющей нормированную область, то есть TS - время задержки, которое определяется как
(F.4)
Уравнение (F.3) намного проще в обращении с математической точки зрения, чем обычное на основе пороговых уровней 10 и 90%. Тем не менее в технических приложениях время нарастания от 10 до 90%, как правило, объединяют посредством уравнения (F.2). С учетом пропускной способности системы два определения приводят к сопоставимым временам нарастания. Действительно, если определяют
(F.5)
то можно видеть, что значения , полученные из двух определений времени нарастания, не очень сильно различаются.
Значения , соответствующие различным формам импульсной характеристики h(t), приведены в таблице F.4. Как видно из таблицы F.4, не представляется возможным определить уникальное значение , поскольку зависит как от принятого определения времени нарастания [например, на основе пороговых значений или по формуле (F.3)], так и от формы импульсной характеристики измерительной системы. Разумная оценка может быть получена как среднее арифметическое между минимальным (321·10-3) и максимальным (399·10-3) значениями, которые появляются в таблице 1, то есть 360·10-3. Кроме того, можно предположить, что, в случае отсутствия информации об измерительной системе кроме ее пропускной способности, любое значение между 321·10-3 и 399·10-3 равновероятно. Иначе говоря, предполагают, что - случайная величина, имеющая прямоугольную функцию плотности вероятности с нижней и верхней границами 321·10-3 и 399·10-3 соответственно. Стандартная неопределенность количественно определяет как a) индифферентность к математической модели, принятой для определения времени нарастания, так и b) индифферентность к форме импульсной характеристики системы.
Таблица F.4
Коэффициент , уравнение (F.5), из различных
однонаправленных импульсных характеристик, соответствующих
одной и той же полосе пропускания системы B
Значения | Гауссовская | 1-й порядок | 2-й порядок (критическое затухание) | Прямоугольная | Треугольная |
| 332 | 399 | 363 | 321 | 326 |
| 339 | 350 | 344 | 354 | 353 |
уравнение (F.3)
F.4.7 Искажение амплитуды и длительности импульса из-за ограниченной пропускной способности измерительной системы
Искаженный импульсный сигнал Vout(t) на выходе измерительной системы определяется интегралом свертки
(F.6)
где Vin(t) - входной импульсный сигнал;
h(t) - импульсная характеристика измерительной системы.
Следует отметить, что A·h(t) = h0(t), где A является ослаблением измерительной системы по постоянному току. Входной сигнал может быть аппроксимирован его разложением в ряд Тейлора в момент времени tp, когда вход достигает своего пикового значения Vp
(F.7)
Следует отметить, что составляющая первого порядка отсутствует в уравнении (F.7), так как V'(tp) = 0. Далее 
, так как точки вогнуты вниз (максимум), и 
, так как для стандартных форм сигналов, представляющих интерес, время нарастания меньше, чем время спада. Подставляя уравнение (F.7) в уравнение (F.6) и после упрощений учитывая, что ширина полосы пропускания измерительной системы велика по отношению к ширине полосы входного сигнала (так, что составляющие степенного ряда, порядок которых больше двух, пренебрежимо малы), получаем
(F.8)
где Vpd - пиковое значение выходного импульса;
A - ослабление измерительной системы по постоянному току;
и
(F.9)
Причем параметр зависит от 2-й производной стандартного входного сигнала и параметра , определенных в F.4.6. Так как математическое выражение для стандартных выбросов напряжения приведено в настоящем приложении, величина может быть численно рассчитана и приведена в таблице F.5.
Оценку искажения ширины входного импульса Tw получают, учитывая, что площадь выходного импульса - это площадь входного импульса, деленная на ослабление по постоянному току A. Следовательно
VpTw = AVpdTwd, (F.10)
где Twd - ширина выходного импульса.
Поэтому
(F.11)
Таблица F.5
Коэффициент , уравнение (F.9),
для стандартных выбросов напряжения
| 1,2/50 мкс | 8/20 мкс | 10/700 мкс | 5/320 мкс |
| 12,7 +/- 1,4 | 14,8 +/- 1,6 | 1,05 +/- 0,11 | 2,00 +/- 0,22 |
F.5 Применение неопределенности в критериях соответствия генератора выброса напряжения
Таким образом, для того чтобы быть уверенным, что генератор соответствует своим техническим характеристикам, результаты калибровки должны находиться в пределах, установленных в настоящем стандарте (значения допусков не уменьшаются в связи с неопределенностью измерений). Дальнейшие рекомендации даны в разделе 6 IEC/TR 61000-1-6:2012.
Подписаться на обновления