ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 197 ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ ΠΕΡΙΣΤΑΤΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ Γ. Ν. Ψαρρός Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Επιβλέποντες: Ιωάννης Αθ. Σταθόπουλος, Καθηγητής ΕΜΠ Παύλος Σ. Κατσιβέλης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Τριμελής επιτροπή: Ιωάννης Αθ. Σταθόπουλος, Καθηγητής ΕΜΠ Φραγκίσκος Β. Τοπαλής, Καθηγητής ΕΜΠ Ελευθέριος Α. Καγιάφας, Καθηγητής ΕΜΠ 1. Εισαγωγή 1.1 Ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα H ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (Electromagnetic Compatibility, EMC), αποτελεί ένα πεδίο μελέτης εφαρμογής της βασικής φυσικής σε σύνθετα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα, με σκοπό την εξέταση της δυνατότητας αυτών να συνυπάρχουν αρμονικά. Εάν επιτυγχάνεται αυτό, τότε τα συστήματα θεωρείται ότι εκτελούν τις λειτουργίες τους με ικανοποιητικό τρόπο [1]. Το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής ενός Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη του παραγόμενου ρεύματος πραγματικών συμβάντων ηλεκτροστατικών εκφορτίσεων ανθρώπων (Human ESD) και η αξιολόγηση της ποιότητας των μετρήσεων, που ελήφθησαν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων (Ε.Υ.Τ.) του ΕΜΠ, με βάση τα όσα ορίζει το Πρότυπο IEC 61000-4-2.
198 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ συστήματος σε ένα τμήμα του ή κάποιο άλλο σύστημα, είναι γνωστό από τότε που άρχισε η ανάπτυξη των ηλεκτρικών συστημάτων πριν περίπου έναν αιώνα. Η ιδέα της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας αναπτύχθηκε με σκοπό να βρεθούν τρόποι αντιμετώπισης και χειρισμού των σύνθετων συστημάτων και να βοηθηθεί η ανάπτυξή τους. 1.2 Η ηλεκτροστατική φόρτιση (Electrostatic Charging) Η ηλεκτροστατική φόρτιση δημιουργείται με δύο μηχανισμούς. Ο πρώτος συμβαίνει όταν κατά την κίνηση ενός υλικού σε σχέση με κάποιο άλλο, με το οποίο βρίσκεται σε επαφή (π.χ. ένα αέριο που κινείται ως προς ένα στερεό ή ένα στερεό σε επαφή με ένα άλλο στερεό), συμβαίνει ανταλλαγή ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα τη φόρτιση των δύο υλικών με αντίθετα φορτία [1, 2]. Ο δεύτερος μηχανισμός είναι η φόρτιση εξ επαγωγής. 1.2.1 Τριβοηλεκτρικό φαινόμενο Γενικά, όταν δύο υλικά έρθουν σε επαφή και στη συνέχεια αποχωριστούν, θα υπάρξει μία ροή ηλεκτρονίων από το ένα υλικό στο άλλο. Το υλικό που δίνει ηλεκτρόνια φορτίζεται θετικά, ενώ το υλικό που δέχεται ηλεκτρόνια γίνεται φορτίζεται αρνητικά. Ο όρος τριβοηλεκτρισμός αναφέρεται στη φόρτιση που εμφανίζεται σαν αποτέλεσμα επαφής και τριβής των υλικών. Τέτοιες φορτίσεις μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία μεγάλων δυναμικών στην περιοχή των 10-25 kv, με αποθηκευόμενες ενέργειες μερικών mj. Το αν ένα υλικό θα φορτιστεί θετικά ή αρνητικά εξαρτάται από τη φύση του υλικού, ενώ η φόρτιση εξ επαφής είναι ο πιο κοινός τρόπος εμφάνισης στατικού φορτίου. Η εκφόρτιση αυτής της ενέργειας παράγει ρεύμα, η κυματομορφή του οποίου παρουσιάζει απότομες διακυμάνσεις και μπορεί να προκαλέσει ηλεκτροπληξία στους ανθρώπους και να βλάψει ηλεκτρικές συσκευές. Η ηλεκτροστατική εκφόρτιση εξαρτάται από τις συνθήκες περιβάλλοντος και κυρίως από την υγρασία. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό υγρασίας τόσο πιο συχνές είναι οι ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις, αλλά πιο ήπιας μορφής. Αντίθετα, όταν υπάρχει αυξημένη ξηρασία η συχνότητα των εκφορτίσεων είναι μικρότερη, αλλά οι εκφορτίσεις είναι πιο έντονες.
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 199 1.2.2 Ηλεκτροστατική φόρτιση εξ επαγωγής Μερικές φορές, η φόρτιση ενός αντικειμένου μπορεί να μη γίνει με το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο [3], αλλά μπορεί να γίνει εξ επαγωγής. Συγκεκριμένα, όταν ένα αντικείμενο εκτίθεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο (όπως για παράδειγμα όταν βρίσκεται δίπλα σε ένα φορτισμένο σώμα), τα αντίθετα φορτία μέσα στο υλικό θα τείνουν να χωριστούν, κατευθυνόμενα είτε προς αυτό είτε από αυτό. Οποιοδήποτε πλεονάζον φορτίο και της ίδιας πολικότητας με το γειτνιάζον φορτισμένο σώμα θα διαρρεύσει ανάλογα με την αγωγιμότητα του υλικού και της αγώγιμης σύνδεσης. Έτσι, το αντικείμενο θα αποκτήσει μια περίσσεια φορτίου αντίθετης πολικότητας από αυτή που έχει το γειτνιάζον φορτισμένο σώμα. 1.3 Ηλεκτροστατική εκφόρτιση Ηλεκτροστατική εκφόρτιση ορίζεται η εκφόρτιση φορτισμένου σώματος σε αφόρτιστο σώμα και παρατηρείται, όταν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου παρουσιάσει υψηλή τιμή, η οποία μπορεί να προκαλέσει καταπόνηση στη διηλεκτρική αντοχή των ηλεκτρονικών στοιχείων συσκευών με τελικό αποτέλεσμα την καταστροφή τους [2]. Έχουν τυποποιηθεί, διαφορετικές μεταξύ τους, περιπτώσεις εκφόρτισης, ανάλογα με τα εμπλεκόμενα σώματα. Τα τρία επικρατέστερα μοντέλα είναι: το μοντέλο του ανθρωπίνου σώματος (Human Body Model HBM), το μοντέλο της μηχανής (Machine Model ΜM) και το μοντέλο της φορτισμένης συσκευής (Charged Device Model CDM). Εμείς θα μελετήσουμε πραγματικά περιστατικά ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, φορτίζοντας έναν άνθρωπο στο Ε.Υ.Τ. και καταγράφοντας την κυματομορφή του ρεύματος εκφόρτισής του, με τον κατάλληλα διακριβωμένο εξοπλισμό. 1.4 Μέχρι τώρα δεδομένα και μετρήσεις Αυτό που έχει μέχρι στιγμής διαπιστωθεί και αναφέρεται στη βιβλιογραφία [4] είναι ότι η ηλεκτροστατική εκφόρτιση είναι μια μεταβατική διαδικασία που διαρκεί πάρα πολύ λίγο χρόνο. Ο χρόνος ανόδου του ρεύματος εκφόρτισης είναι μικρότερος από 1 ns, ενώ το φαινόμενο συνολικά διαρκεί λιγότερο από 100 ns [5]. Το υπάρχον Πρότυπο IEC 61000-4-2:2008 [6] προσδιορίζει τις τιμές τεσσάρων παραμέτρων που σχετίζονται με το ρεύμα
200 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ηλεκτροστατικής εκφόρτισης και αυτές είναι το I peak (μέγιστη τιμή ρεύματος), t r (χρόνος ανόδου), I 30 (τιμή ρεύματος 30 ns μετά την έναρξη του φαινομένου), I 60 (τιμή ρεύματος 60 ns μετά την έναρξη του φαινομένου). Οι ερευνητές Osamu Fujiwara και Yoshinory Taka [7] μελέτησαν τη συμπεριφορά των ρευμάτων προερχομένων από ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις χαμηλής τάσης, με τη βοήθεια ειδικού εξοπλισμού, και διαπίστωσαν ότι η μεγάλη ταχύτητα προσέγγισης, του μεταλλικού στοιχείου στο μετρητικό στοιχείο, δίνει ρεύμα εκφόρτισης μεγαλύτερης τιμής και βραχύτερου χρόνου ανόδου, σε σχέση με τα όσα ορίζει το Πρότυπο [6], για τάσεις άνω των 1000 V. Στο σημείο αυτό, καλό θα ήταν να αναφερθεί το γεγονός ότι οι απαιτήσεις που ορίζει το Πρότυπο δεν είναι δυνατόν να ανταποκρίνονται από τις μετρήσεις που γίνονται στο εργαστήριο και αφορούν σε ESD ανθρώπου, καθώς το Πρότυπο είναι τυποποιημένο μόνο για εκφόρτιση επαφής (contact mode). Στην πράξη, κατά την εκφόρτιση ενός φορτισμένου ανθρώπου που πλησιάζει τη μετρητική διάταξη, λόγω της ύπαρξης πεδίου, θα γίνει διάσπαση του αέρα (μονωτικού) και θα δημιουργηθεί αγώγιμος δρόμος για τη διέλευση των φορτισμένων σωματιδίων προς τη γη. Είναι, λοιπόν, σημαντικό να τονίσουμε ότι κατά τη διεξαγωγή των εν λόγω πειραμάτων η εκφόρτιση είναι, αναπόφευκτα, εκφόρτιση αέρος (air mode) και όχι επαφής (contact). 2. Αβεβαιότητες 2.1 Η ανάγκη για τον υπολογισμό αβεβαιοτήτων Ένα από τα βασικά προβλήματα της μετρολογίας είναι η εύρεση της «αληθινής» τιμής του μετρούμενου μεγέθους. Παλαιότερα, γινόταν χρήση της έννοιας του σφάλματος που ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στο αποτέλεσμα μιας μέτρησης και μιας αληθούς τιμής του μετρούμενου μεγέθους. Ωστόσο, δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε ποια είναι αυτή η αληθής τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Δηλαδή, το σφάλμα είναι εξ ορισμού μια μη προσδιορίσιμη αφηρημένη έννοια, που αντιπροσωπεύει τη διαφορά ανάμεσα στη μετρούμενη και την αληθή, αλλά άγνωστη τιμή ενός μεγέθους [8]. Από την άλλη πλευρά, με τον όρο αβεβαιότητα προσδιορίζεται το εύρος τιμών εκατέρωθεν της μετρούμενης, από το όργανο, τιμής μέσα στο οποίο βρίσκεται η «αληθινή» ή
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 201 «πραγματική» τιμή του μετρούμενου μεγέθους, με μια συγκεκριμένη πιθανότητα (επίπεδο εμπιστοσύνης) [9]. Επομένως. το σφάλμα πρέπει να διαφοροποιείται προσεκτικά από την αβεβαιότητα, η οποία αποτελεί ένα ποσοτικό μέτρο της ποιότητας των γνώσεων που διαθέτουμε για το μετρούμενο μέγεθος. Τελικά, το σφάλμα δεν έχει ιδιαίτερα πρακτική χρησιμότητα, αφού εκφράζει τη διαφορά της αληθούς τιμής, που δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε, από μια μέτρηση, για την αξιοπιστία της οποίας δε διαθέτουμε καμία ένδειξη. Το σφάλμα αποτελεί μια αφηρημένη έννοια σχετική με ένα σημείο, ενώ η αβεβαιότητα περιγράφει ένα εύρος τιμών [8, 9]. Σχήμα 2.1: Η αβεβαιότητα, συγκρινόμενη με το σφάλμα, δίνει μια θολή, αλλά ρεαλιστική εικόνα για την τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Σχηματικά, μπορεί να ειπωθεί ότι η τοποθέτηση του σφάλματος στο επίκεντρο της προσοχής έχει τις ρίζες της σε μια ντετερμινιστική προσέγγιση, ενώ η αβεβαιότητα συνδέεται με μια στοχαστική προσέγγιση. 2.2 Τύποι και υπολογισμός Αβεβαιοτήτων Γενικά, η αβεβαιότητα μίας μέτρησης αποτελείται από πολλές συνιστώσες, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους, ανάλογα με τον τρόπο υπολογισμού τους. Η αβεβαιότητα Τύπου Α υπολογίζεται με τη χρήση στατιστικής ανάλυσης από την επεξεργασία μίας σειράς μετρήσεων, ενώ η αβεβαιότητα Τύπου Β υπολογίζεται χρησιμοποιώντας κάθε διαθέσιμη πληροφορία που αφορά στη μεταβλητότητα της μετρούμενης ποσότητας, όπως πιστοποιητικά διακρίβωσης, αποτελέσματα προηγούμενων μετρήσεων, προδιαγραφές του μετρητικού εξοπλισμού, την εμπειρία ή την υποκειμενική κρίση του μετρολόγου [10]. Η συνδυασμένη τυπική αβεβαιότητα προέρχεται από τον συνδυασμό όλων των επιμέρους συνιστωσών, λαμβάνοντας υπόψη την πιθανοτική κατανομή κάθε συνιστώσας.
202 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Η αβεβαιότητα Τύπου Α (επαναληψιμότητα) υπολογίζεται ως εξής: (1) Όπου, n είναι ο αριθμός των μετρήσεων (εκφορτίσεις), x i είναι η τιμή του μετρούμενου μεγέθους, x m είναι η μέση τιμή των μετρήσεων, και s είναι η τυπική απόκλιση από την μέση τιμή. Έχοντας υπολογίσει την αβεβαιότητα Τύπου Α, η συνδυασμένη τυπική αβεβαιότητα υπολογίζεται ως ο συνδυασμός της αβεβαιότητας Τύπου Α και των επιμέρους συνιστωσών της αβεβαιότητας Τύπου Β. Γνωρίζοντας από διάφορες έγκυρες πηγές την κατανομή που ακολουθεί κάθε συντελεστής, η αβεβαιότητα Τύπου Β υπολογίζεται, όπως φαίνεται στην εξίσωση (2), με U Bi να είναι η συνεισφορά κάθε επιμέρους συνιστώσας: (2) Όπου, s i είναι η τιμή του συντελεστή i,και k i είναι ο συντελεστής χρησιμοποίησης της αντίστοιχης κατανομής. Η συνδυασμένη τυπική αβεβαιότητα υπολογίζεται, όπως φαίνεται στην εξίσωση (3): (3) Η διευρυμένη αβεβαιότητα δίνεται από τον τύπο (4) U=k. U c (4) Για επίπεδο εμπιστοσύνης 95%, και ο συντελεστής χρησιμοποίησης θα είναι k=2. 3. Πειραματική διάταξη 3.1 Περί πειραματικής διαδικασίας Ο εξοπλισμός, με τη χρήση του οποίου έγινε η φόρτιση και η καταμέτρηση της τιμής του ρεύματος εξόδου, ενδεικνύει την ποιότητα των μετρήσεων. Συνεπώς, πρέπει να παρουσιαστεί αναλυτικά άλλωστε ο κατάλληλος εξοπλισμός που πρέπει να χρησιμοποιείται
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 203 σε αντίστοιχα πειράματα είναι ένα ουσιαστικό ζήτημα που τυγχάνει ευρείας διαπραγμάτευσης ακόμα και σήμερα. Για τη φόρτιση στην επιθυμητή τάση του υποκειμένου (ανθρώπου) που λάμβανε μέρος στη διεξαγωγή των πειραμάτων, χρησιμοποιήθηκε DC γεννήτρια Υψηλής Τάσης. Όσον αφορά στην εκφόρτιση, ο χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με τα όσα το Πρότυπο προϋποθέτει. Επίσης, αξίζει να τονιστεί ότι η εκφόρτιση έγινε με δύο τρόπους. Χρησιμοποιήθηκε ράβδος εκφόρτισης με μία στρογγυλεμένη και μία αιχμηρή πλευρά, πάντα ακολουθώντας τις οδηγίες του Προτύπου. Προσπαθώντας να προσομοιώσουμε περιπτώσεις εκφόρτισης που έχουν αποβεί καταστρεπτικές για ολοκληρωμένα κυκλώματα και διατάξεις, χρησιμοποιήσαμε την αιχμηρή πλευρά της ράβδου κατά τη διαδικασία εκφόρτισης. Για να προσομοιώσουμε τις υπόλοιπες περιπτώσεις εκφόρτισης χρησιμοποιήσαμε την στρογγυλεμένη πλευρά. 3.2 Εξοπλισμός Περιγραφή πειραματικής διάταξης Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων είναι ο εξής:για τη φόρτιση του υποκειμένου χρησιμοποιήθηκε DC γεννήτρια Υψηλής Τάσης, της οποίας η τάση εισόδου πρέπει να είναι από 210-250 V RMS, με ανά φάση συχνότητα από 48 έως 420 Hz. Η έξοδός της είναι συνεχής τάση, η τιμή της οποίας μπορεί να είναι από 0 V έως 20 kv, με ρύθμιση που πραγματοποιείται από ενσωματωμένη στη γεννήτρια μεταβλητή αντίσταση (ποτενσιόμετρο), που μπορεί να περιστραφεί μέχρι 10 φορές με ακρίβεια 0.05%. Η τιμή της τάσης έχει ακρίβεια ίση με το 0.5% της επιβαλλόμενης, και + 0.2% της ονομαστικής τιμής. Η καταγραφή της τάσης φόρτισης του ανθρώπου, που λάμβανε μέρος στο πείραμα, γινόταν με δύο τρόπους. Μέσω ενός βολτομέτρου χαμηλής τάσης, το οποίο μετρά το σήμα 0 10 Vdc που παρέχεται από τη γεννήτρια υψηλής συνεχούς τάσης (ανάλογο με την τιμή της τάσης εξόδου 0 20 kvdc της γεννήτριας) και άμεσα με ένα βολτόμετρο υψηλής τάσης. Η τάση από την έξοδο της γεννήτριας οδηγείται μέσω του καλωδίου υψηλής τάσης και με την παρεμβολή αντίστασης υψηλής τιμής 10ΜΩ (για τον περιορισμό του ρεύματος
204 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ που ρέει στο κύκλωμα και κατ επέκταση την ασφάλεια του ανθρώπου που φορτίζεται) σε μία κυλινδρική μεταλλική μάζα διαμέτρου 7 cm και ύψους 2 cm που χρησιμοποιήθηκε για τη φόρτισή του άνθρωπου. Για τη φόρτιση και εκφόρτιση του ανθρώπου, που συμμετείχε στο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε μια μεταλλική ράβδος. Η ράβδος αυτή είχε την μία της πλευρά διαμορφωμένη έτσι, ώστε να είναι αιχμηρή και να σχηματίζει γωνία περίπου 40 μοίρες, ώστε να ακολουθούνται οι οδηγίες του Προτύπου, και την άλλη πλευρά στρογγυλεμένη και πάλι βάσει του Προτύπου [6] όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1: Ράβδος φόρτισης-εκφόρτισης Ακόμη χρησιμοποιήθηκε ομοαξονικός προσαρμοστής μέτρησης [11] με τη βοήθεια του οποίου μπορεί να μετρηθεί το ρεύμα από την ηλεκτροστατική εκφόρτιση. Είναι γνωστός και σαν Pellegrini target και ουσιαστικά είναι ένας μετατροπέας ρεύματος (current transducer) και απεικονίζεται στο Σχήμα3.2. Σχήμα 3.2: Ο ομοαξονικός προσαρμοστής TESEQ MD 103 [11] Ο παλμογράφος που χρησιμοποιήθηκε [12] για την καταγραφή της κυματομορφής εκφόρτισης λειτουργεί στα 2.5 GHz, καλύπτοντας τις απαιτήσεις του ταχέως μεταβατικού φαινομένου της ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, όπως άλλωστε ορίζει και το Πρότυπο IEC 61000-4-2:2008 [6 για παλμογράφο τουλάχιστον 2 GHz. Διαθέτει 4 κανάλια, ενσωματω-
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 205 μένο επεξεργαστή Pentium IV, λειτουργικό σύστημα Windows 2000, οθόνη με ανάλυση 1024 x 768, 3.5 floppy για δισκέτα και CD Recorder για την αποθήκευση των μετρήσεων. Παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.3. Σχήμα 3. 3: Ο παλμογράφος 2.5 GHz Συνολικά, η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τη διαδικασία φόρτισης του ανθρώπου που συμμετείχε στη διεξαγωγή των πειραμάτων στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του ΕΜΠ φαίνεται στο Σχήμα 3.4. Σχήμα 3.4: Διάταξη φόρτισης
206 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4. Μετρήσεις- Πειραματικά αποτελέσματα 4.1 Διαδικασία φόρτισης-εκφόρτισης Η διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά τη διεξαγωγή του πειράματος για τη λήψη των μετρήσεων, πρέπει να τονιστεί ότι δεν περιγράφεται το Πρότυπο [6]. Το Πρότυπο περιγράφει εκφορτίσεις επαφής για ηλεκτροστατικές γεννήτριες. Ωστόσο, καμία εκφόρτιση που λαμβάνει χώρα, στην πράξη, δεν είναι εκφόρτιση επαφής. Όλες οι εκφορτίσεις ακόμα και αυτές που γίνονται μέσω γεννητριών εκφόρτισης, είναι εκφορτίσεις αέρος, καθώς αν και ο ηλεκτρονόμος που διαθέτουν οι γεννήτριες αυτές είναι πολύ γρήγορος, δεν παύει να χρειάζεται ένα μικρό χρονικό διάστημα για να κλείσει. Έτσι, παρότι το πιστόλι (γεννήτρια ηλεκτροστατικών εκφορτίσεων) ακουμπά άμεσα στον στόχο, η εκφόρτιση δεν μπορεί να θεωρηθεί εκφόρτιση επαφής, καθώς προηγείται αυτής εκφόρτιση αέρος στον ηλεκτρονόμο. Ο άνθρωπος, που θα εκφορτιστεί στο πείραμά μας επομένως, εκφορτίζεται μέσω του αέρα με τη δημιουργία τόξου (εκκένωση). Η ταχύτητα προσέγγισης του στόχου εκφόρτισης επιλέχθηκε να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη, ώστε να γίνεται πιο γρήγορα η εκφόρτιση και να μειώνεται η αντίσταση του αέρα (η αντίσταση του τόξου εξαρτάται από την απόσταση). Η διαδικασία που ακολουθήθηκε έχει ως εξής. Αρχικά το τροφοδοτικό υψηλής συνεχούς τάσης του εργαστηρίου τροφοδοτούνταν με εναλλασσόμενη τάση 230 V/ 50 Hz μέσω του δικτύου της ΔΕΗ. Στη συνέχεια, γινόταν η προσαρμογή της τάσης εξόδου του τροφοδοτικού με τη βοήθεια ενσωματωμένης μεταβλητής αντίστασης (ποτενσιόμετρο) στην επιθυμητή τιμή των 2000 V dc που έγιναν οι μετρήσεις της παρούσας εργασίας. Η τιμή αυτή της τάσης καταγράφονταν τόσο με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου υψηλής τάσης όσο και με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου χαμηλής τάσης, το οποίο μετρούσε το σήμα 0 10 V dc (ανάλογο με την τάση της γεννήτριας 0 20 kv dc, μέσω ενσωματωμένου ωμικού καταμεριστή). Ο άνθρωπος που λάμβανε μέρος στο πείραμα (υποκείμενο πειράματος), έχοντας προηγουμένως εκφορτιστεί στηνγείωση του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων (για να αποβάλει όλα τα φορτία του σώματος του), ερχόταν σε επαφή με κατάλληλη κυλινδρική επιφάνεια, συνδεδεμένη με το τροφοδοτικό μέσω αντίστασης τιμής 10 MΩ (για να εξασφαλιστεί η ασφά-
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 207 λεια του υποκειμένου), ώστε να φορτιστεί σε τάση 2000 V. Κατά τη διεξαγωγή όλων των πειραμάτων ο εκφορτιζόμενος βρίσκονταν πάνω σε ένα μονωτικό υλικό κυλινδρικής μορφής για να μην έρχεται σε άμεση επαφή με τη γη. Ο χρόνος επαφής του υποκειμένου με την κυλινδρική επιφάνεια για την επιτυχή φόρτιση αρκεί να είναι της τάξης του 1 sec. Ωστόσο, κατά τη διεξαγωγή του πειράματος η φόρτιση γινόταν για χρόνο κοντά στα 3 sec. Η μέτρηση του χρόνου φόρτισης γινόταν με τη βοήθεια χρονομέτρου με ακρίβεια μέτρησης δεκάτων δευτερολέπτου. Το υποκείμενο φόρτισης, από τη στιγμή που άρχιζε να μετράει ο χρόνος, ερχόταν σε επαφή με τη μεταλλική κυλινδρική επιφάνεια μέσω της ράβδου φόρτισης-εκφόρτισης. Μετά το πέρας 3 sec και αφού η διαδικασία φόρτισης είχε ολοκληρωθεί με επιτυχία, ο εκφορτιζόμενος ήταν έτοιμος να εκφορτιστεί για να γίνει καταγραφή της κυματομορφής. Για την καταγραφή της κυματομορφής, ένας παρατηρητής βρισκόταν στον κλωβό που είναι τοποθετημένος ο παλμογράφος. Ο προς εκφόρτιση άνθρωπος πλησίαζε γρήγορα (fast approach, με ταχύτητα περίπου 1 cm/sec) τον στόχο (pellegrini target) με την ράβδο εκφόρτισης και λάμβανε χώρα η διαδικασία της εκφόρτισης. Ακαριαία κατά την εκφόρτιση η οθόνη του παλμογράφου κατέγραφε το γράφημα του ρεύματος εκφόρτισης του ανθρώπινου σώματος και ο παρατηρητής που βρίσκονταν μέσα στον κλωβό έβλεπε στον παλμογράφο το γράφημα αυτό. Η δειγματοληψία από τον παλμογράφο γινόταν κάθε 25 psec (maximum δειγματοληψία). Τα δείγματα αυτά αποθηκεύονταν από τον παρατηρητή για περαιτέρω επεξεργασία στη συνέχεια. Με το πέρας της εκφόρτισης του ανθρώπου, αυτός ακουμπούσε στη μεταλλική πλάκα γείωσης για να αποβληθούν πλήρως όσα φορτία είχαν παραμείνει στο σώμα του κατά τη διαδικασία εκφόρτισης, και το πείραμα επαναλαμβάνονταν εκ νέου. Συνολικά, το υποκείμενο μελέτης εκφορτίστηκε 10 φορές, πλησιάζοντας τον στόχο με την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης και άλλες 10 φορές, πλησιάζοντας τον στόχο με τη στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης. Παρακάτω, στο Σχήμα 4.1 φαίνεται σχηματικά όλη η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη φόρτιση-εκφόρτιση ανθρώπου.
208 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Σχήμα 4.1: Διάταξη φόρτισης-εκφόρτισης 4.2 Μετρήσεις 4.2.1 Μετρήσεις με την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης Στο Σχήμα 4.2 που ακολουθεί φαίνονται οι καταγεγραμμένες γραφικές παραστάσεις για 10 εκφορτίσεις με την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης, καθώς και η μέση γραφική παράσταση των γραφημάτων αυτών με μαύρο χρώμα. Σχήμα 4.2: Μέση γραφική παράσταση των 10 λαμβανομένων γραφημάτων κατά την προσέγγιση με την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης μαζί με τις επιμέρους γραφικές από τις οποίες προέκυψε
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 209 Ενώ μόνη της η μέση γραφική παράσταση φαίνεται στο Σχήμα 4.3 9 8 7 6 5 I(A) 4 3 2 1 0-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 time(ns) Σχήμα 4.3: Μέση γραφική παράσταση των 10 λαμβανομένων γραφημάτων Η παραπάνω γραφική παράσταση που αποτελεί τη μέση τιμή των γραφικών παραστάσεων που προηγήθηκαν έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά, όπως αυτά φαίνονται στον Πίνακα 4.1. Πίνακας 4.1: Παράμετροι μέσης γραφικής για προσέγγιση στόχου με την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης Στο Σχήμα 4.4 φαίνεται ποια είναι η μορφή της γραφικής παράστασης του ρεύματος εκφόρτισης, για τάση φόρτισης στα 2000 V σύμφωνα με το Πρότυπο. Συγκρίνοντας τη μορφή των γραφικών παραστάσεων των Σχημάτων 4.3 και 4.4 παρατηρούμε ότι η γραφική παράσταση του Σχήματος 4.3 παρουσιάζει 3 ευδιάκριτα τοπικά μέγιστα, ενώ η γραφική παράσταση του σχήματος 4.4 που ορίζει το πρότυπο παρουσιάζει 2 τοπικά μέγιστα. Είναι, επίσης, φανερό ότι το δεύτερο μέγιστο της γραφικής παράστασης του Σχήματος 4.4 είναι αρκετά πιο ευρύ και δεν είναι τόσο απότομο και αιχμηρό, όσο το 2 ο και 3 ο τοπικό μέγιστο του Σχήματος 4.3. Μία ακόμη διαφορά που παρατηρείται είναι το
210 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 ο και 3 ο τοπικό μέγιστο της γραφικής παράστασης του Σχήματος 4.3 εμφανίζονται πολύ πιο γρήγορα από το 2 ο τοπικό μέγιστο που εμφανίζει η γραφική παράσταση του Σχήματος 4.4. Σχήμα 4.4: Ιδανική κυματομορφή του ρεύματος εκφόρτισης στα 2000 V Όσον αφορά στην ποσοτική σύγκριση των παραμέτρων που έχουν καταγραφεί με αυτές που ορίζει το πρότυπο πρέπει να σημειώσουμε ότι παρατηρούμε σαφείς διαφορές. Αρχικά, όσον αφορά στον χρόνο ανόδου, βλέπουμε ότι ενώ το πρότυπο ορίζει χρόνο ίσο με 0.8 nsec, ο χρόνος που υπολογίσαμε για τη μέση γραφική παράσταση, και φαίνεται στον Πίνακα 4.2, είναι αρκετά μικρότερος και ίσος με 0.727 nsec. Επίσης, είναι φανερό ότι οι τιμές για τις παραμέτρους Ι 30 και Ι 60 που σύμφωνα με το πρότυπο αναμένονται 4 Α και 2 Α αντίστοιχα αποκλίνουν σημαντικά και έχουν υπολογιστεί ότι είναι 2.238 Α και 0.989 Α. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι το φαινόμενο είναι αρκετά ταχύτερο από αυτό που το Πρότυπο περιγράφει. Τέλος, όσον αφορά στην τιμή του Ι peak παρατηρούμε ότι έχει τιμή ίση με 7.372 Α που είναι αρκετά κοντά στην αναμενόμενη. 4.2.2 Μετρήσεις με τη στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης Στο Σχήμα 4.5, που ακολουθεί, φαίνονται οι καταγεγραμμένες γραφικές παραστάσεις για 10 εκφορτίσεις με τη στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης, καθώς και η
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 211 μέση γραφική παράσταση των γραφημάτων αυτών με μαύρο χρώμα. Σχήμα 4.5: Μέση γραφική παράσταση των 10 λαμβανομένων γραφημάτων κατά την προσέγγιση με τον στρογγυλεμένο ακροδέκτη της ράβδου εκφόρτισης μαζί με τις επιμέρους γραφικές από τις οποίες προέκυψε Ενώ μόνη της η μέση γραφική παράσταση φαίνεται στο Σχήμα 4.6 9 8 7 6 5 I(A) 4 3 2 1 0-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 time(ns) Σχήμα 4.6: Μέση γραφική παράσταση των 10 λαμβανομένων γραφημάτων Τα χαρακτηριστικά αυτής της μέσης γραφικής παράστασης για εκφόρτιση με την στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου φαίνονται στον Πίνακα 4.2.
212 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας 4.2: Παράμετροι μέσης γραφικής για προσέγγιση στόχου με τη στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης A ns A A Συγκρίνοντας τις τιμές του Πίνακα 4.1 με τις τιμές του Πίνακα 4.2, παρατηρούμε ταύτιση όλων των υπολογιζόμενων μεγεθών. Επίσης, παρατηρώντας την καμπύλη του Σχήματος 4.6, διαπιστώνουμε ότι έχει την ίδια μορφή με την καμπύλη του σχήματος 4.3. Επομένως, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι όλα όσα ειπόθηκαν στην υποενότητα 4.2.1, σχετικά με την καμπύλη που προέκυψε από τις πειραματικές μετρήσεις και την καμπύλη που ορίζει το πρότυπο, ισχύουν ανάλογα και εδώ. Ενδιαφέρον, ωστόσο, παρουσιάζει η σύγκριση ανάμεσα στις καμπύλες των Σχημάτων 4.6 και 4.3 που προέκυψαν από την εκφόρτιση του ανθρώπου, μέσω δύο διαφορετικών τρόπων προσέγγισης του στόχου, με την αιχμηρή και τη στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης. Οι δύο γραφικές παραστάσεις μαζί φαίνονται στο παρακάτω Σχήμα 4.7. () 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 time(ns) Σχήμα 4.7: Μέσες τιμές γραφικών παραστάσεων για την εκφόρτιση ανθρώπου με τη στρογγυλεμένη και την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης Αυτό που παρατηρούμε από το Σχήμα 4.7 είναι ότι οι δύο γραφικές παραστάσεις σχεδόν ταυτίζονται για το μεγαλύτερο μέρος του φαινομένου. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η μόνη ουσιαστική διαφοροποίηση που παρατηρείται εμφανίζεται κοντά 1 nsec
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 213 και διαρκεί μέχρι περίπου το 8 nsec και αφορά το 1 ο τοπικό ελάχιστο και το 2 ο τοπικό μέγιστο των καμπυλών. Έτσι παρατηρούμε ότι η καμπύλη που προέκυψε από την προσέγγιση με τη στρογγυλεμένη πλευρά παρουσιάζει μικρότερες τιμές ρεύματος στο διάστημα αυτό που παρατηρείται η διαφοροποίηση ανάμεσα στις γραφικές. Στο Σχήμα 4.8 παρουσιάζεται το χρονικό διάστημα που παρατηρείται η διαφοροποίηση και φαίνονται τα γραφήματα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. 7 6.5 6 () 5.5 5 4.5 4 3.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 time(ns) Σχήμα 4.8: Περιοχή διαφοροποίησης γραφικών παραστάσεων Εν γένει, ωστόσο, αυτό που παρατηρούμε είναι ότι για τη συγκεκριμένη τάση φόρτισης (2000 V) δεν υπάρχουν μεγάλες διαφορές ανάμεσα στις 2 αυτές γραφικές παραστάσεις και επομένως βλέπουμε ότι δεν επηρεάζεται σημαντικά το αποτέλεσμα της μέτρησης από το αν η εκφόρτιση συμβεί με τη στρογγυλεμένη ή την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης. 5. Υπολογισμός Αβεβαιοτήτων Η έννοια των αβεβαιοτήτων, ο τρόπος υπολογισμού τους, καθώς και η διαφορά τους από την έννοια του σφάλματος έχουν ορισθεί και αναλυθεί προηγουμένως. Ο υπολογισμός των αβεβαιοτήτων συμβάλλει στην αξιοπιστία των μετρήσεων. Οι αβεβαιότητες πρέπει να είναι αρκούντος μικρές, ώστε να έχουμε ικανοποιητική εικόνα των μετρούμενων μεγεθών. Ειδικά, σε ένα πείραμα μέτρησης ρεύματος εκφόρτισης ανθρώπου σε πραγματικό χρόνο, υπεισέρχονται αρκετοί παράγοντες αβεβαιότητας, όπως ταχύτητα/ τρόπος προσέγγισης του στόχου, η κάθετη ανάγνωση της ένδειξης του παλμογράφου,
214 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ η μετρητική αλυσίδα στόχου-εξασθενητή-καλωδίου, το μονωτικό δάπεδο, οι κλιματικές συνθήκες κλπ.. Επειδή, ωστόσο, τα πειράματα διεξήχθησαν σε εργαστηριακό χώρο, με ελεγχόμενες συνθήκες περιβάλλοντος, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η συμβολή των κλιματικών συνθηκών και του μονωτικού δαπέδου στις αβεβαιότητες, είναι μηδενική. Κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων που αφορούσαν στην ηλεκτροστατική εκφόρτιση ανθρώπινου σώματος (HB ESD) και έγιναν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του ΕΜΠ θεωρήθηκαν ορισμένοι συντελεστές αβεβαιότητας, των οποίων οι συνεισφορές έπρεπε να προσδιοριστούν, ώστε να υπολογιστεί επαρκώς η διευρυμένη αβεβαιότητα κάθε παραμέτρου. Οι πιο πολλές από αυτές ήταν γνωστές εκ των προτέρων, καθώς είχαν υπολογισθεί και προσδιοριστεί κατά το παρελθόν από διάφορες αξιόπιστες πηγές (αναφέρονται αναλυτικά στους Πίνακες που ακολουθούν), που ασχολήθηκαν με την προσομοίωση της ηλεκτροστατικής εκφόρτισης επαφής, κάνοντας χρήση γεννητριών ηλεκτροστατικής εκφόρτισης. Ωστόσο, τα πειράματα που διεξήχθησαν στο εργαστήριο αφορούσαν σε πραγματικές εκφορτίσεις ανθρώπου (εκφορτίσεις αέρος), και, πέραν των κοινών συντελεστών με τα πειράματα εκφόρτισης επαφής, υπεισέρχονται και νέοι συντελεστές αβεβαιότητας που επηρεάζουν τις αβεβαιότητες σε αυτή την περίπτωση. Καθώς ο εκφορτιζόμενος άνθρωπος πλησιάζει με την ράβδο εκφόρτισης στον στόχο εκφόρτισης (Pellegrini target), έχουμε ένα νέο συντελεστή αβεβαιότητας που πρέπει να ληφθεί υπόψη, την προσέγγιση του στόχου. Με τον όρο «προσέγγιση στόχου», εννοούμε τόσο την ταχύτητα, με την οποία γίνεται η προσέγγιση της ράβδου στον στόχο, όσο και τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η προσέγγιση αυτή, δηλαδή, την κατεύθυνση που έχει η ράβδος κατά τη στιγμή που εκδηλώνεται ο σπινθήρας (διάσπαση αέρα) για να γίνει η εκφόρτιση. Όπως είναι εμφανές, ο τρόπος που επηρεάζει τη συνολική αβεβαιότητα ο νέος αυτός συντελεστής, είναι δύσκολο να προσδιοριστεί με ακρίβεια, καθώς σε κάθε νέο πείραμα ο συντελεστής αυτός μπορεί να αλλάξει σημαντικά. Έχοντας, ωστόσο, υπολογίσει την τιμή της αβεβαιότητας Τύπου Α των μετρούμενων παραμέτρων (I peak, t r, I 30, I 60 ), μέσω της τυπικής απόκλισης, γνωρίζουμε εκ των προτέρων ότι η συμβολή στη διευρυμένη αβεβαιότητα του συντελεστή «προσέγγιση στόχου» δεν μπορεί να υπερβαίνει την τιμή αυτή. Αυτό συμβαίνει γιατί η Αβεβαιότητα τύπου Α βασίζεται στην τυπική απόκλιση των μεγεθών, που μας δείχνει
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 215 σε ποιο εύρος κινούνται οι μετρούμενες τιμές. Τελικά, με βάση την τυπική απόκλιση των μετρήσεων, αλλά και αξιοποιώντας την εργαστηριακή εμπειρία του διαπιστευμένου για τη διεξαγωγή των αντιστοίχων διακριβώσεων, Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων, έγινε προσεγγιστικά ο υπολογισμός της αβεβαιότητας για την «προσέγγιση στόχου». Οι τιμές των αβεβαιοτήτων Τύπου Α και των διευρυμένων αβεβαιοτήτων, καθώς και οι μέσες τιμές και τυπικές αποκλίσεις των προς υπολογισμό παραμέτρων φαίνονται στους παρακάτω πίνακες που ακολουθούν για την προσέγγιση του στόχου, με την αιχμηρή και στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης. 5.1 Επεξεργασία μετρήσεων 5.1.1 Επεξεργασία για μετρήσεις με την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης Πίνακας 5.1: Αβεβαιότητα τύπου Α-Μέση τιμή-τυπική απόκλιση των παραμέτρων για 10 μετρήσεις ρεύματος εκφόρτισης σε τάση φόρτισης 2000V 10 () (nsec) (A) (A) 1 8.065 0.673 2.160 1.0409 2 7.106 0.764 2.147 0.9667 3 7.913 0.918 2.232 1.0417 4 7.599 0.722 2.322 1.1150 5 8.118 0.739 2.147 0.9654 6 7.517 0.756 2.212 1.0688 7 6.790 0.830 2.236 0.9042 8 7.269 0.827 2.239 0.9085 9 8.022 0.672 2.297 1.0515 10 7.034 0.799 2.363 0.9106 7.543 0.770 2.235 0.997 (%) 0.479 0.076 0.074 0.076 0.151 0.024 0.023 0.024 2.008 3.132 1.048 2.405
216 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Στον Πίνακα 5.1 υπολογίζεται η μέση τιμή των παραμέτρων που προέκυψε από τις 10 μετρήσεις. Αντίθετα, στον Πίνακα 4.1 οι παράμετροι αναφέρονται στη μέση γραφική παράσταση. Η μέση γραφική παράσταση αποτελεί τη γραφική παράσταση που προέκυψε αθροίζοντας κάθε χρονική στιγμή, την τιμή του ρεύματος εκφόρτισης και διαιρώντας, στη συνέχεια, με το πλήθος των μετρήσεων. Από την άλλη πλευρά, για κάθε σειρά μετρήσεων γινόταν καταγραφή των παραμέτρων της εκάστοτε κυματομορφής και προέκυψε τελικά η μέση τιμή κάθε παραμέτρου εξ αυτών. Οι τιμές αυτές δεν πρέπει να συγχέονται. Βέβαια, είναι γεγονός πως οι τιμές είναι πολύ κοντά μεταξύ του, καθώς και στις δύο περιπτώσεις περιγράφεται το ίδιο φαινόμενο. Ακολουθεί ο υπολογισμός της διευρυμένης αβεβαιότητας για τις διάφορες παραμέτρους: Πίνακας 5.2: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για την παράμετρο Ι peak -- : 0.82 2 0.41 0.168 1.04 2 0.52 0.270 U 1.08 1.414 0.764 0.583 EHF-10-001-A TESEQ 090608 EHF-10-001-A 1 2 0.5 0.25 2.008 1 2.008 4.033 5.1 ( ) 2.303 5.305 k=2 2 4.607
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 217 Πίνακας 5.3: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για τον χρόνο ανόδου t r 50 2 25 625 I 60 25 1.732 14.434 208.333 I 90 25 1.732 14.434 208.333 -- 30 2 15 225 30 2 15 225 25 2 12.5 156.25 24.117 1 24.117 581.627 3% 20Gs/s 20Gs/s EHF-10-001-A TESEQ 090608 5.1 ( ) 47.218 2229.544 94.436 k=2 2 (12.265%) Πίνακας 5.4: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για την παράμετρο Ι 30 I peak 4.607 2 2.303 5.305 peak 30 ns 0.17 1.732 0.098 0.010 EHF-10-001-A 1 2 0.5 0.25 A 1.048 1 1.048 1.099 5.1 ( ) 2.581 6.664 k=2 2 5.163
218 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας 5.5: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για την παράμετρο Ι 60 I peak 4.607 2 2.303 5.305 peak 60 ns A 0.17 1.732 0.098 0.010 1 2 0.5 0.25 2.405 1 2.405 5.786 EHF-10-001-A 5.1 ( ) k=2 2 6.738 3.369 11.351 5.1.2 Επεξεργασία για μετρήσεις με την στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου εκφόρτισης Πίνακας 5.6: Αβεβαιότητα τύπου Α-Μέση τιμή-τυπική απόκλιση των παραμέτρων για 10 μετρήσεις ρεύματος εκφόρτισης σε τάση φόρτισης 2000V 10 1 8.306 0.586 2.155 1.029 2 7.825 0.740 2.236 1.121 3 6.963 0.892 2.156 0.958 4 7.348 0.807 2.493 1.042 5 7.678 0.819 2.367 0.999 6 7.442 0.694 2.074 0.960 7 7.745 0.747 2.247 1.044 8 7.028 0.788 2.224 0.870 9 6.628 0.832 2.020 0.895 10 7.594 0.717 2.264 0.905 7.456 0.762 2.224 0.982 (%) 0.487 0.086 0.137 0.079 0.154 0.027 0.043 0.025 2.065 3.549 1.948 2.546
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 219 Και πάλι στον Πίνακα 5.6 η μέση τιμή που υπολογίζεται είναι η μέση τιμή των παραμέτρων που προέκυψε από τις 10 μετρήσεις με τη στρογγυλεμένη πλευρά της ράβδου. Αντίθετα, στον Πίνακα 4.2, οι παράμετροι αναφέρονται στη μέση γραφική παράσταση. Παρατηρούμε ότι και αυτήν τη φορά οι τιμές του Πίνακα 5.6 και του Πίνακα 4.2 είναι κοντά μεταξύ τους. Ακολουθεί ο υπολογισμός της διευρυμένης αβεβαιότητας για τις διάφορες παραμέτρους: Πίνακας 5.7: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για την παράμετρο Ι peak -- : 0.82 2 0.41 0.168 1.04 2 0.52 0.270 U 1.08 1.414 0.764 0.583 EHF-10-001-A TESEQ 090608 EHF-10-001-A 1 2 0.5 0.25 2.065 1 2.065 4.264 5.6 ( ) 2.353 5.536 k=2 2 4.706
220 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας 5.8: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για τον χρόνο ανόδου t r 50 2 25 625 I 60 25 1.732 14.434 208333 I 90 25 1.732 14.434 208.333 M -- 30 2 12.5 156.25 30 2 15 225 25 2 12.5 156.25 27.049 1 27.049 731.638 3% 20Gs/s 20Gs/s EHF-10-001-A TESEQ 090608 5.6 ( ) 48.071 2310.805 k=2 2 96.142 (12.614%) Πίνακας 5.9: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για την παράμετρο Ι 30 4.705 2 2.353 5.536 I peak peak 0.17 1.732 0.098 0.010 30 ns EHF-10-001-A 1 2 0.5 0.25 A 1.948 1 1.948 3.797 5.6 ( ) 3.097 9.592 k=2 2 6.194
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 221 Πίνακας 5.10: Πίνακας υπολογισμού της διευρυμένης αβεβαιότητας για την παράμετρο Ι 60 4.705 2 2.353 5.536 I peak peak 0.17 1.732 0.098 0.010 60 ns EHF-10-001-A 1 2 0.5 0.25 A 2.546 1 2.546 6.484 5.6 ( ) 3.504 12.279 k=2 2 7.008 Από τους παραπάνω πίνακες που παρατίθενται για τις αβεβαιότητες των μεγεθών, μπορούμε να κάνουμε ορισμένες συγκρίσεις, σε σχέση με τα όσα ορίζει το Πρότυπο. Σύμφωνα με το Πρότυπο IEC 61000-4-2 [6], η αβεβαιότητα για το Ι peak είναι της τάξης του 7%, για το t r 15% και για τα Ι 30, Ι 60 είναι 7%. Όπως είναι φανερό από τους παραπάνω πίνακες του παρόντος κεφαλαίου, οι αβεβαιότητες που υπολογίσαμε για αυτά τα μεγέθη είναι εντός των ορίων που ορίζει το Πρότυπο, και μάλιστα ορισμένες είναι πολύ μικρότερες από τα άνω όριά του. Το γεγονός αυτό μας ωθεί στο συμπέρασμα ότι οι μετρήσεις που έγιναν από στο διαπιστευμένο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Ε.Μ.Π. θα μπορούσαν να θεωρηθούν αξιόπιστες. 6. Συμπεράσματα Προτάσεις 6.1 Συμπεράσματα Όλα τα πειράματα, αλλά και οι μετρήσεις που έχουν καταγραφεί στην παρούσα διπλωματική εργασία και παραθέτονται παραπάνω, έγιναν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων (Ε.Υ.Τ) του Ε.Μ.Π.. Το Ε.Υ.Τ είναι διαπιστευμένο για διακριβώσεις γεννητριών ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, κατά το Πρότυπο IEC 61000-4-2 [6. Για τη λήψη των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε ο εξοπλισμός του Ε.Υ.Τ.. Ο εξοπλισμός αυτός αποτελείται από μηχανήματα μεγάλου χρηματικού κόστους, πλήρως διακριβω-
222 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ μένα και κατάλληλα για τα πειράματα στα οποία χρησιμοποιήθηκαν, καθώς υπερκαλύπτουν τις απαιτήσεις του Προτύπου για την καταγραφή του ρεύματος ηλεκτροστατικής εκφόρτισης. Κάνοντας μετρήσεις για την ηλεκτροστατική εκφόρτιση ανθρώπου σε πραγματικό χρόνο, με δύο διαφορετικούς τρόπους (προσέγγιση στόχου με την αιχμηρή και στρογγυλεμένη άκρη της ράβδου εκφόρτισης) παρατηρήσαμε διαφορές ανάμεσα στις καταγραφόμενες κυματομορφές, και σε αυτή που το Πρότυπο ορίζει. Πιο συγκεκριμένα, αν και το Πρότυπο ορίζει δύο μέγιστα στην κυματομορφή του ρεύματος εκφόρτισης, εμείς παρατηρήσαμε και ένα τρίτο. Μάλιστα αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι όλα τα μέγιστα που παρατηρούμε, παρουσιάζονται αρκετά γρηγορότερα από τα μέγιστα της καμπύλης του Προτύπου. Επίσης, παρατηρήθηκαν αποκλίσεις σχεδόν σε όλες τις παραμέτρους σε σχέση με τις τιμές του προτύπου, εκτός του Ι peak. Τέλος, από την κυματομορφή που καταγράψαμε είναι φανερό ότι το φαινόμενο είναι αρκετά πιο «γρήγορο» από αυτό που περιγράφεται στο Πρότυπο. Όλα τα παραπάνω επιβεβαιώθηκαν και με τις δύο σειρές πειραμάτων που έγιναν (με τη στρογγυλεμένη και την αιχμηρή πλευρά της ράβδου εκφόρτισης), ωστόσο, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις κυματομορφές ρεύματος που προέκυψαν για εκφόρτιση μέσω της αιχμηρής πλευράς και μέσω της στρογγυλεμένης πλευράς της ράβδου, για τάση φόρτισης 2000 V. Επίσης, έγινε ο υπολογισμός των αβεβαιοτήτων, ώστε να εκτιμηθεί η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Βλέποντας τις αβεβαιότητες που υπολογίστηκαν για τις σειρές μετρήσεων που έγιναν, και συγκρίνοντάς τες με την ανεκτικότητα που δίνει το Πρότυπο, παρατηρούμε ότι οι αβεβαιότητες που υπολογίστηκαν είναι μικρότερες από αυτές που το Πρότυπο ορίζει. Με βάση αυτή την διαπίστωση οι μετρήσεις που έγιναν μπορούν να θεωρηθούν αξιόπιστες. Τέλος, καλό θα ήταν να αναφερθεί, ότι τα αποτελέσματα αυτά που εξήχθησαν συμφωνούν με αποτελέσματα άλλων ερευνητών που έχουν ασχοληθεί με το φαινόμενο [13. Ίσως, λοιπό,ν θα ήταν ορθό να γίνει μια πιο λεπτομερής μελέτη του φαινομένου με περισσότερες μετρήσεις για να μελετηθεί το φαινόμενο σε όλο του το εύρος.
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 223 6.2 Προτάσεις Στην εργασία αυτή ασχοληθήκαμε με το φαινόμενο της ηλεκτροστατικής εκφόρτισης ανθρώπου ο οποίος φορτίστηκε στα 2000 V. Καθώς πρόκειται για ένα πείραμα ηλεκτροστατικής εκφόρτισης ανθρώπου (real ESD), έχουμε να κάνουμε με εκφόρτιση αέρος. Το IEC 61000-4-2 [6 ορίζει κυματομορφές ρεύματος και τιμές τεσσάρων παραμέτρων (I peak, t r, I 30, I 60 ), για μία ιδεατή περίπτωση εκφόρτισης, την εκφόρτιση επαφής. Από τα πειράματα που έγιναν, μελετήθηκε η κυματομορφή του ρεύματος εκφόρτισης, οι τέσσερεις παράμετροι I peak, t r, I 30, I 60, και δόθηκε ιδιαίτερο βάρος στον υπολογισμό των αβεβαιοτήτων των παραμέτρων αυτών, που αποτελούν σημαντικό παράγοντα ελέγχου της ορθότητας των αποτελεσμάτων. Μια ανάγκη που προέκυψε από τα παραπάνω είναι η προώθηση της έρευνας της επιστημονικής κοινότητας που ασχολείται με την ηλεκτροστατική εκφόρτιση, να κινηθεί προς την κατεύθυνση του ορισμού παραμέτρων και τιμών των πραγματικών γεγονότων ηλεκτροστατικής εκφόρτισης (δηλαδή εκφορτίσεων αέρος), καθώς η «εκφόρτιση επαφής» αδυνατεί να περιγράψει τη φυσική πραγματικότητα. Από τα πειράματα που κάναμε, προκύπτουν διαφορές από την εκφόρτιση επαφής του Προτύπου, όσον αφορά στην κυματομορφή του ρεύματος εκφόρτισης, αλλά και στις τέσσερις παραμέτρους. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν ο χρόνος ανόδου, t r, το 3 ο τοπικό μέγιστο της κυματομορφής, αλλά και η ενέργεια που απελευθερώνεται από τον άνθρωπο κατά την εκφόρτιση και εκφράζεται από το ολοκλήρωμα της κυματομορφής. Ακόμη, καλό θα ήταν να τυποποιηθεί το μήκος του τόξου που εμφανίζεται κατά την ηλεκτροστατική εκφόρτιση αέρα, ώστε να καθοριστεί με μεγαλύτερη λεπτομέρεια η διαδικασία διεξαγωγής τέτοιων πειραμάτων. Τέλος, θα ήταν σκόπιμο η IEC να διερευνήσει, κατά το δυνατόν, την περίπτωση υιοθέτησης αυτών των ευρημάτων. Επίσης, σημαντικό είναι να γίνουν νέες σειρές μετρήσεων σε διαφορετικά επίπεδα τάσης φόρτισης του ανθρώπου, για την εκτενέστερη μελέτη του φαινομένου. Πιο συγκεκριμένα καλό θα ήταν να μελετηθεί το φαινόμενο τόσο σε μικρότερες τάσεις φόρτισης (250 V, 500V, 1000V), όσο και σε μεγαλύτερες (3 kv, 4kV, 8kV), ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά του, και να γίνει σύγκριση με τα όσα ορίζει το Πρότυπο, αλλά και άλλοι μελετητές.
224 Μάιος - Ιούνιος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Στο μέλλον, ίσως θα έπρεπε να μελετηθούν και άλλοι τρόποι φόρτισης του ανθρώπου, που να πλησιάζουν περισσότερο στις πραγματικές συνθήκες φόρτισης, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση παραγόντων όπως η υγρασία, η θερμοκρασία κλπ. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι όλες οι μετρήσεις έγιναν με μετρητικό εξοπλισμό εύρους ζώνης 2.5 GHz. Αν και ο εξοπλισμός δεν προδιαγράφεται στο Πρότυπο καλύτερος από αυτόν που ήδη διαθέτουμε (π.χ. μια απαίτηση για μετρητικό σύστημα 6 GHz, θα καθιστούσε ανέφικτη για πολλά εργαστήρια τη διεξαγωγή πειραμάτων ESD, λόγω της οικονομικής τους αδυναμίας να προμηθευτούν τέτοιον εξοπλισμό), ένα φαινόμενο, με τόσο μεγάλο συχνοτικό περιεχόμενο, όπως αυτό της ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, είναι πιθανό να αποκαλύψει πληροφορίες που δεν εμφανίζονται με τον εξοπλισμό που προβλέπει το Πρότυπο. Αυτό θα μπορούσε να διαπιστωθεί με ένα μετρητικό σύστημα μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Καλό θα ήταν, λοιπόν, να αποκτηθεί ανάλογος μετρητικός εξοπλισμός και να επαναληφθούν οι μετρήσεις που έγιναν ώστε να αξιολογηθεί η ορθότητά τους. 7. Βιβλιογραφία 1 Paul A. Chatterton Michael A. Houlden, Ηλεκτρομαγνητική Συμβατότητα (EMC) - Η εφαρμογή της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας στον πρακτικό σχεδιασμό, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη 1992. 2 Theodore Dangelmayer, ESD Program Management- A Realistic Approach to Continuous Measurable Improvement in Static Control, Van Noshand Ranhold, New York, 1990. 3 Paul Cartwright, Electrostatic Hazards in the aerosol industry, διαθέσιμο στη διεύθυνση http://www.chilworth.co.uk/publications/publications.asp. 4 Huang Jiu-sheng, Liu Fang, Deng Qi-bin, Liu Pei-zhu An ultra wide band test system to test the transient electric fields and magnetic fields generated by electrostatic discharge (ESD), ISAPE 2000 international symposium on antennas, propagation and EM theory, August 2000 Beijing, pp.626-629. 5 Jesus L. Muiioz, Jonah Tan, Carlito Adriano, Erwin Roldan, Jack Sadie Detecting ESD events using a loop antenna, Electrical Overstress/Electrostatic Discharge
ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μάιος - Ιούνιος 2010 225 Symposium Proceedings, 2000 USA, pp 60-64. 6 IEC 61000-4-2: Electromagnetic Compatibility (EMC), Part4: Testing and measurement techniques, Section 2: Electrostatic discharge immunity test Basic Emc Publication, 2008. 7 Osamu Fujiwara και Yoshinory Taka Dependence of breakdown fields on charge voltages for human ESD, 19 th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, May 2008, pp 148-151. 8 Μανώλης Ε. Μαθιουλάκης, «Μέτρηση, ποιότητα μέτρησης και αβεβαιότητα», Ελληνική Έκδοση Εργαστηρίων. 9 Άρθρο του Δρ. Α. Λευκόπουλου, Διευθυντή τομέα διακρίβωσης & διευθυντή εργαστηρίου θερμοκρασίας της C3T, «Αβεβαιότητα μετρήσεων». 10 UKAS M3003: The expression of Uncertainty and Confidence in Measurment, 2007 11 Schaffner Company, Technical document and product information for the MD 103. 12 CSA7000B Series & TDS7000B Series Instruments User Manual. 13 Osamu Fujiwara και Yoshinory Taka Verification of spark resistance formula 19 th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, May 2008, pp 152-155.