Compatibilidad electromagnética (EMC) y metrología

En el entorno en el que vivimos, el uso tan común de dispositivos electrónicos ha obligado a las administraciones a regular su uso y comportamiento de tal forma que ellos mismos no interfieran en el funcionamiento de otros dispositivos y que, a su vez, tampoco sean interferidos por aquellos. Para cumplir estos requisitos de forma armonizada, se han redactado normas de obligado cumplimiento que ayudan a los fabricantes y comercializadores en general, a diseñar y evaluar los equipos de tal forma que se obtenga el aseguramiento de que los problemas de interferencias citados no se produzcan.

Técnicamente, a los procesos de interferencia (tanto del que la provoca como del que la sufre) y la capacidad que tiene un equipo para trabajar adecuadamente en estos ambientes donde se producen estos efectos, se le llama Compatibilidad Electromagnética (su acrónimo en inglés es, EMC).

Debido a la naturaleza de los sensores y a los susbsistemas electrónicos utilizados para la construcción de los equipos metrológicos, éstos no están al margen del cumplimiento de la EMC.

In the environment we live in, it has become common the use of electronic devices. This has forced the government to regulate the use and the behavior of these devices in order to avoid them to interfere with the operation of other devices and, in turn, not be interfered by them. To meet these requirements in a harmonized way, mandatory standards have been written for helping to the manufacturers and marketers in general, to design and evaluate the equipment so as to obtain assurance that the interference problems cited will not occur.

Technically, the processes of interference (both the process which causes and the one who suffers) and the ability of any equipment to work properly in these environments where these effects occur, it is called Electromagnetic Compatibility (EMC).

Due to the nature of the sensors and electronic subsystems used for the construction of metrological equipment, they are not outside the performance of the EMC.

Introducción
Una visión global de la compatibilidad electromagnética. Emisiones – inmunidad.

En cualquier ámbito en el que vivimos, ya sea doméstico, comercial, industrial, médico, etcétera … es común la convivencia con multitud de equipos electrónicos, tanto para uso o disfrute propio como ajeno.

Es inherente a estos equipos electrónicos que sean susceptibles de ser influidos por otros equipos, por ejemplo, o incluso que ellos mismos sean quienes influyan en equipos vecinos. A este proceso es a lo que comúnmente llamamos interferencia.

Las comunicaciones personales, como teléfonos móviles, y los sistemas de radiodifusión, quizás sean los ámbitos en los que las personas seamos más conscientes de las consecuencias de las interferencias producidas por diferentes agentes.

Están quedando atrás tiempos en los que estas interferencias eran cotidianas y nos impedían disfrutar o trabajar con la completa funcionalidad de los equipos que hacíamos uso. Como ejemplo, con la llegada de la televisión digital ha desaparecido el efecto tan molesto que tenía la aparición de puntos en la imagen cuando circulaban ciertos vehículos cerca de donde nos encontrábamos viendo la televisión. También se han vuelto infrecuentes las interferencias que producían sobre los equipos de audio (como ejemplo los altavoces de un ordenador) cuando se recibía una llamada telefónica a un móvil cercano al ordenador. Hay muchos otros casos quizás no tan visuales pero no menos importantes en los que las interferencias provocaban disfunciones en los servicios prestados o incluso su inoperancia.

Nos podríamos extender hablando sobre otros ámbitos en los que la EMC forma un papel fundamental en la calidad del servicio. Por citar dos ejemplos más en el ámbito no doméstico. Los transportes aéreos: los aviones y los aeropuertos están dotados de sistemas de navegación electrónicos que funcionan mediante ondas de radio que pueden ser interferidas por otros sistemas. Si estos sistemas son interferidos, las maniobras de despegue y aterrizaje se verían dificultadas (razón por la que es de obligado cumplimiento la desconexión de ciertos aparatos electrónicos durante dichas maniobras). El ámbito militar: en este ámbito son fundamentales las comunicaciones para dar servicio a cuestiones fundamentales como la toma de decisiones, coordinación,, posicionamiento, etcétera… La inhibición de estos servicios por parte del enemigo mediante la radiación de pulsos electromagnéticos (que no son más que interferencias a gran escala en potencia y espectro frecuencial) supone en sí un arma más de ataque o defensa. Las técnicas de robustez de inmunidad (técnicas usadas en el EMC) son los mecanismos a utilizar contra este tipo de ‘ataques’.

Día a día, la tecnología ha ido evolucionando y adaptándose de tal forma que, entre otros logros, hace que este tipo de interferencias sean imperceptibles o, incluso desaparezcan (como el ejemplo citado de la digitalización de las señales de radiodifusión). Lógicamente, la capacidad que el estado del arte provee para alcanzar estos logros es limitada y supone costes adicionales.

A pesar de dichos avances tecnológicos, el problema de las interferencias entre equipos, no estaría plenamente solucionado si las administraciones no hubieran regulado el modo y cantidad en que un equipo puede interferir al resto de equipos (emisiones) y cuánto debe ser de robusto para que, a su vez, él no sea interferido por el resto de equipos, o por las condiciones ambientales (inmunidad).

Se habla entonces de la compatibilidad electromagnética (EMC), que engloba a todos estos mecanismos de control de las emisiones y robustez en términos de inmunidad frente a agentes electromagnéticos con los que estamos conviviendo.

Efectos radiados – efectos conducidos

Paradójicamente, quizás los efectos más palpables de la interferencia electromagnética son aquellos mecanismos asociados a la radiación de energía, interferencias que se propagan a través del aire, sin necesidad de estar conectado a ningún tipo de red. No es difícil imaginar que, de forma análoga, aquellas interferencias que se producen en los cables de alimentación y/o de comunicaciones, son susceptibles de causar los mismos daños que los anteriores.

Los efectos que producen los motores (frigoríficos, ascensores, etcétera, …) sobre las líneas de alimentación de la red eléctrica, pueden ser de tal magnitud que provoquen daños eléctricos, incluso permanentes, en equipos que comparten sus mismas líneas de alimentación. Del mismo modo, los sistemas de comunicaciones instalados en los equipos electrónicos, pueden dejar de ofrecer su servicio de la forma deseada ante tal tipo de interferencias. Un sinfín mas de consecuencias pueden darse en aquellos equipos gobernados por microprocesadores, equipos que pueden ser dañados por su tecnología utilizada o inhabilitados por un constante reseteo del equipo. Vemos pues, que se deben considerar de igual modo todas aquellas fuentes de interferencias que se propagan por medios conducidos.

Normativa

Es fácil entender la necesidad de que cualquier equipo, electrónico o no, deba contemplar estos aspectos para un compor tamiento adecuado en el ámbito en el que va a ser utilizado. Por tanto, durante las últimas décadas ha sido imprescindible la redacción de normativas y la exigencia de su cumplimiento para permitir la comercialización de este tipo de productos.

A este respecto, se ha producido un avance importante en el ámbito de la armonización de muchas de las normativas internacionales. Un ejemplo de ello en nuestro entorno más cercano es el del marcado CE para el ámbito europeo y para otros muchos países que lo han adoptado como normativa de facto.

El marcado CE establece, mediante directivas, los requisitos a cumplir por los equipos para que éstos puedan ser comercializados en el ámbito de la Comunidad Europea. A par tir de estas directivas, se han desarrollado las correspondientes normas genéricas o de aplicación específica para cada campo de aplicación del equipamiento que va marcado con este distintivo.

A grandes rasgos, en lo referente a EMC, la normativa viene a exigir:

• Un límite superior a las emisiones electromagnéticas producidas por el equipo: tanto radiadas (por el propio equipo y por los cables que puedan ir conectados a éste) como conducidas (por los cables de alimentación, de comunicaciones, etcétera, …).
• Un límite inferior para la inmunidad que debe tolerar el equipo a interferencias electromagnéticas producidas por agentes externos: tanto en forma de energía radiada sobre el propio equipo como conducida por los cables de alimentación, de comunicaciones, etcétera, …
• Aunque podríamos decir que es un tipo de emisión conducida, también se establece un límite inferior de descargas electrostáticas ⁽¹⁾ a las que un equipo debe ser inmune.

Los niveles exigidos por la norma han de entenderse como niveles típicos existentes o aceptables, según hablemos de emisiones o inmunidad, con los que el equipo va a encontrase en su ámbito de aplicación. Es por tanto por lo que hay que concebir la norma como un medio que nos ayude a diseñar un equipo con funcionalidades plenas en campo y no como un fin o listón a salvar para comercializar un producto.

Aplicación de la normativa. Cómo se mide

No siempre es trivial, ni la norma a aplicar ni, los límites a exigir (dentro de aquéllos que define la propia norma) al equipo a diseñar. A veces no está muy claro el ámbito en el que va a ser utilizado el equipo. No siempre es fácil diferenciar los ámbitos domésticos de los comerciales, los comerciales de los industriales, etcétera … A esto hay que añadir que, desgraciadamente, la armonización de las normas no es universal y cada día más, los diseños se realizan para un uso internacionalizado.

También hay sectores en los cuales, por múltiples razones, existen normativas adicionales, locales o no, a los que hay que satisfacer.

Por todo lo anterior, es muy importante un planteamiento inicial, previo al comienzo del diseño, que considere los requisitos necesarios para el cumplimiento de la EMC que pudieran condicionar el desarrollo del diseño en cuestión. No sólo hay que tener en cuenta el entorno en el que va a ser utilizado el equipo, que es lo que va a definir los límites normativos a exigir legalmente, sino que hay que contemplar el peor escenario de uso, lo que podría plantear un grado mayor de exigencia que el que exige la propia norma. Estas cuestiones generalmente condicionan el diseño como un requerimiento más.

Otro aspecto importante a conocer en referencia al cumplimiento de la EMC, es el equipamiento utilizado para los ensayos. Generalmente se trata de equipos e infraestructuras costosas, tanto en precio como en mantenimiento. Del mismo modo, dichos equipos han de ser utilizados por personal especializado en su uso y con un gran conocimiento de la norma. En definitiva, la mayoría de los ensayos para el cumplimiento de EMC se llevan a cabo en laboratorios creados a tal fin, donde, además de encontrar el equipamiento y personal necesario, se encuentra el asesoramiento de sus
profesionales para una aplicación exhaustiva de la normativa requerida.

Aunque excede del objetivo de este artículo, es interesante aportar un esbozo del equipamiento necesario podría ser el siguiente:

• Equipo involucrado en las medidas de emisiones e inmunidad a radiadas:
  • Cámara anecoica
  • Antenas
  • Receptor – medidor (para medir emisiones)
  • Generador y amplificador de potencia (para medir inmunidad)
  • Equipo de automatización de medidas (motores, ordenador, red de comunicaciones de equipos de medidas, etcétera …)
• Equipo involucrado en las medidas de emisiones e inmunidad a conducidas:
  • Cámara apantallada
  • Red artificial – red de acoplo
  • Receptor – medidor (para medir emisiones)
  • Generador y amplificador de potencia (para medir inmunidad)
  • Equipo de automatización de medidas (ordenador, red de comunicaciones de equipos de medidas, etcétera …)

¿Qué es una cámara anecoica?. Se trata de un habitáculo de dimensiones variables (en cualquiera de las tres dimensiones: altura, anchura y profundidad) para simular del mejor modo posible un espacio abierto de dimensiones infinitas y libre de cualquier señal interferente. Para lograrlo, evita que se produzcan ecos electromagnéticos y aísla su interior de cualquier interferencia externa. Para evitar dichos ecos, las cámaras se cubren internamente de diferentes materiales que absorben las radiaciones electromagnéticas. Como el espectro frecuencial utilizado es muy amplio, generalmente desde las decenas de megahercios (MHz) hasta la decena de gigahercios (GHz), no existe un único material capaz de absorber de forma eficaz dicho espectro radiado. Por tanto, una cámara anecoica se recubre de diferentes materiales que, sumados, permiten el fin deseado (desde componentes férricos y/o ferromagnéticos para cubrir el espectro inferior, hasta las esponjas piramidales absorbentes a las microondas). Dependiendo del tamaño del dispositivo a medir y de la precisión deseada para el resultado de las medidas, pueden utilizarse cámaras de diferentes tamaños y geometrías. A este respecto se utilizan cámaras anecoicas, semianecoicas, células G-TEM, etcétera… Hay que considerar que es raro que los operarios no trabajan en el interior de la cámara durante los ensayos.

¿Qué tipos de antenas se utilizan?. De nuevo, la amplitud espectral de los ensayos obligan a utilizar antenas de diferente naturaleza. Es posible que, si el ensayo hace uso de un espectro muy amplio, incluso sea necesario utilizar más de un tipo de antena. A grandes rasgos decir que se utilizan principalmente dos familias de antenas. Para la parte baja del espectro se utilizan antenas tipo hilo (Yagi-Uda de geometría directoresdipolo- reflectores y Log-periódicas, por la necesidad del ancho de banda amplio con el que deben trabajar). Para la parte alta, en el espectro de las microondas, es necesario el uso de antenas de apertura (las más comunes son de tipo bocina).

¿Qué es un receptor-medidor?. Se trata de un tipo de analizador de espectros. Es un equipo que mide la cantidad de señal (en voltios o en watios) que hay en un margen de frecuencia determinado. En el caso de la cantidad de señal, se refiere a las señales que forman todo el espectro de frecuencia del ensayo. En cuanto al margen de frecuencia determinado, hace referencia al ancho de banda sobre el que se hace la medida (principalmente 120 Hz). Haciendo un símil, se puede asemejar un analizador de espectros a un receptor de radio que cubre una banda determinada (espectro del ensayo) y, la cantidad de volumen que tiene cada emisora, podemos asemejarlo al margen de frecuencia sobre el que se hace la medida (los citados 120Hz).

¿Qué es un generador y un amplificador de potencia?. Un generador no es más que un equipo que permite crear señales de diferente amplitud y a diferentes frecuencias. Dentro de sus funciones, lo importante es que genere señales en todo el espectro al que se van a realizar los ensayos, con una amplitud (cantidad de potencia) variable y con la exactitud de frecuencia que requieren los ensayos definidos en la normativa. Aunque no es crítico, la amplitud es una magnitud más fácilmente calibrable por el sistema de medida y que se ajusta
conjuntamente con el sistema completo (además se ven involucrados factores como la antena, la distancia al dispositivo a medir, los amplificadores, etcétera …). El amplificador de potencia es un amplificador de señales, hasta las frecuencias de radiofrecuencia y microondas, necesario para dotar a la señal que provee el generador del nivel de potencia que requiere el ensayo. Sus características principales son la linealidad y su potencia máxima de salida (para dotar a la señal de salida de la pureza espectral necesaria).

En el caso de las mediciones de inmunidad conducida, los generadores proveen de interferencias típicas en campo (redes de suministro eléctrico típicas) como son ráfagas, pulsos, radiofrecuencia conducida, etcétera…

¿Qué es el equipo de automatización de medidas?. Principalmente se trata de diferentes equipos como: motores, ordenador, red de comunicaciones de equipos de medidas, etcétera … que permiten descargar de trabajo al operario mediante la automatización de las medidas y acciones necesarias para realizarlas. Hay que tener en cuenta que:

• Hay que ensayar los equipos en diferentes orientaciones. Por tanto, la plataforma sobre la que está apoyado el equipo ha de girar respecto a la antena los grados especificados por la norma (la antena permanece quieta independientemente de la orientación en la que se está ejecutando del ensayo). El ángulo de giro debe estar monitorizado y el giro debe poder ser programado y ejecutado de forma manual o automática. Es común una resolución de giro de un grado.
• Hay que medir las emisiones y la inmunidad desde diferentes alturas. De forma análoga al caso anterior, la antena ha de poder elevarse y descenderse de forma automática o manual y ha de poder registrarse el nivel de la altura a la que se encuentra la antena en cada momento. Es común una resolución de ajuste de la altura de un centímetro.
• Los ensayos hay que realizarlos a lo que se llama polaridad horizontal y polaridad vertical. Sin entrar en más detalles decir que, bien la polaridad de una señal emitida, o bien la polaridad de la recepción de una señal, se lleva a cabo girando la antena sobre sí misma noventa grados (tomando como eje de rotación la línea de propagación de la señal). Esta rotación, como en el caso del ángulo de medida y de la altura de la antena, se logra actuando sobre un motor. Esta acción también debe estar automatizada y debe ser registrable.
• Por último decir que, en la mayoría de los casos, es obligado encontrar la peor de las circunstancias en función del ángulo, altura y polaridad. Ello obliga a automatizar estas tres variables para realizar búsquedas de máximos o mínimos (tanto de señales emitidas por el equipo ensayado como de efectos que las señales emitidas en el ensayo de inmunidad puedan tener sobre él)

¿Qué son las cámaras apantalladas?. Son recintos completamente recubiertos de elementos aislantes para los campos electromagnéticos (generalmente elementos de metal) que permiten hacer ensayos de emisiones e inmunidad a interferencias conducidas en un entorno libre de interferencias. Deben proveer de un aislamiento adecuado a señales que puedan existir en el exterior: bien en el aire (por ello el apantallamiento de las paredes), bien en los cables que ingresan a la cámara (por ello, la necesidad de un buen filtrado de las líneas de comunicaciones, red eléctrica, etcétera). Las cámaras apantalladas están concebidas para que trabajen operarios en su interior durante los ensayos.

¿Qué es una red artificial – red de acoplo?. Se trata de un equipo al que se le conecta por un lado el dispositivo a medir y, al otro un receptor-medidor. La función de este equipo es aislar la medida de cualquier interferencia que pueda ingresar por la red y la de simular ella misma una impedancia de red normalizada (definida por la norma).

Evolución de la normativa

Cada día es más frecuente el uso de comunicaciones móviles, tanto de voz como de datos. Se van ocupando bandas de frecuencia que hasta ahora no eran muy utilizadas y, a la vez, estas bandas se van regulando de forma más estricta, aunque sean de uso libre. Al mismo ritmo, la capacidad de procesamiento de los equipos que se diseñan debe ser mayor, lo que redunda en frecuencias de funcionamiento más altas, lo que implica que las bandas de emisiones no deseadas que se producen se extienden a frecuencias mayores.

Del mismo modo, desde el punto de vista de comunicaciones por cable, se está extendiendo el uso de comunicaciones a altas velocidades tanto por red de datos (por ejemplo estándares basados en 802.3 / Ethernet) como por red de alimentación eléctrica (por ejemplo PLC, Power Line Communications).

Por tanto, es de esperar que los límites de frecuencia (sobre todo en el caso radiado) se extiendan a frecuencias mayores (hoy hablamos de 2 GHz a 2,4 GHz como límite superior, pero ya se está utilizando la banda libre de 5 GHz de forma cotidiana, frecuencia a la que más pronto que tarde se acercará la norma) y, en el caso de la inmunidad, que su limite inferior se incremente (hoy hablamos de 3 V/m o 10 V/m según el rango de frecuencias, pero hay entornos industriales donde estos límites pueden ser insuficientes).

No es fácil encontrar dónde estará el límite de las exigencias futuras de la norma. Como se ha dicho en el párrafo anterior, es de esperar que se contemplen más bandas de frecuencia, tanto en el entorno radiado como en el conducido, que los límites de las emisiones se acoten a valores inferiores por el uso extensivo del espectro radioeléctrico y que, por esto mismo, los límites de inmunidad soportados se incrementen. ¿Hasta dónde?, la respuesta nos la irán dando los nuevos servicios que vayan surgiendo y que hagan uso del espectro de frecuencias en cuestión. En cuanto a inmunidad y dependiendo del ámbito de uso de los equipos, podríamos encontrar dicho límite en lo que la Organización Mundial de la Salud recomienda como máximo nivel de densidad de potencia admisible por el cuerpo humano; es una referencia ⁽²⁾.

¿Qué tiene que ver todo esto con la metrología?

Bien por causas funcionales, por fiabilidad, por precisión o por imperativos legales, la inmensa mayoría de los equipos metrológicos están dotados de sistemas de control, presentación y comunicaciones gestionados mediante subsitemas electrónicos controlados mediante microprocesadores.

Por causas análogas, los elementos sensores (de presión, de temperatura, de peso, etcétera, …) utilizados en este tipo de equipamiento, en la mayoría de los casos, se basan en consignas eléctricas (como es el caso de los termopares) o en variaciones de alguna característica eléctrica del sensor que es convertida a tensión o corriente eléctrica proporcional al hecho medible (como es el caso de las galgas extensiométricas para la medida de la masa). En cualquiera de ambos, nos encontramos con que la medida resultante es una tensión o corriente de magnitud generalmente pequeña y comparable a el efecto que tendía cualquier interferencia inducida sobre el sensor.

Dicho lo anterior, los desafíos más importantes a lograr en el diseño de los equipos de medida electrónicos, son:

• Desde el punto de vista de las emisiones, que el sistema de control y de alimentación principalmente, no provoquen emisiones por encima de los límites establecidos por la normativa
• Desde el punto de vista de la inmunidad, que el parámetro que finalmente se quiere medir, no se vea falseado por las interferencias que describe la norma en este ámbito. En la mayoría de las ocasiones, éste es el mayor escollo a salvar

Recalcar que, los requisitos que las regulaciones de metrología legal establecen particularmente son los relacionados con la inmunidad, dejando los relativos a emisión a otros genéricos como la propia directiva de EMC.

Un nuevo panorama para los diseños

Desde el punto de vista del diseño, el cumplimiento EMC necesita crear desde el principio del desarrollo un equipo multidisciplinar donde se encuentren recursos con conocimientos mecánicos, de materiales, electrónicos, diseñadores de radiofrecuencia, expertos en buses de comunicaciones, seguridad eléctrica, etcétera … así como exper tos en normativa y metrología. No hay que olvidar que el software es un gran aliado para el cumplimiento de la EMC, tanto para evitar emisiones como para mejorar la inmunidad; debe considerar todos sus condicionantes desde el primer momento.

Conclusiones

Es evidente que el cumplimiento de la EMC es imprescindible para el buen funcionamiento de los equipos electrónicos y que, sin este cumplimiento, su puesta en el mercado sería imposible.

El cumplimiento de la EMC se logra mediante la aplicación de las normas existentes. Estamos viviendo en un entorno cambiante en este ámbito, lo que hace que las normas a este respecto se vayan a ir modificando con cier ta regularidad y que lo hagan hacia exigencias más restrictivas. Esto debe ser considerado como un requisito más de diseño por lo que hay que valorar objetivamente el ámbito de aplicación del equipo y las tendencias que están siguiendo las reglamentaciones para adoptar, de este modo, las soluciones requeridas desde el momento más temprano del diseño.

Es recomendable que los departamentos técnicos colaboren estrechamente con laboratorios específicos de medición o certificación de la EMC para obtener el asesoramiento sobre las normas a aplicar al producto y obtener de ellos soluciones técnicas apropiadas. Del mismo modo, es imprescindible hacer suso de este tipo de laboratorios para los estudios y mediciones requeridos para la optimización del cumplimiento de EMC. Según lo expuesto, el equipamiento y mantenimiento de dicho equipamiento, no siempre está al alcance de muchas empresas, lo que nos obliga a recurrir, en la mayoría de los casos a este tipo de laboratorios.