Struttura di un apparato di misura

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1 Struttura di un apparato di misura Un apparato di misura di CEM elettromagnetici è costituito da tre elementi fondamentali: il sensore (o sonda) la linea di collegamento elaboratore di segnale Il sensore è l elemento che si accoppia al campo da misurare e produce in uscita una tensione o una corrente direttamente proporzionale all ampiezza istantanea del campo. La linea di collegamento trasferisce il segnale dal sensore all elaboratore di segnale che ricava e fornisce all operatore una indicazione quantitativa della grandezza misurata.

2 Le sonde Non è ancora disponibile uno strumento commerciale con incorporata una sola sonda che consenta di misurare i campi nell intera banda di frequenza prevista dalla normativa. Attualmente esistono sonde per la misura dei campi elettrici e magnetici dalle ELF a qualche GHz, e sonde da quest ultimo valore fino a circa 60 GHz. Non sono ancora disponibili sonde trasportabili per misure di campo oltre i 100 GHz, ma a queste frequenze lo spettro elettromagnetico è tuttora assai poco sfruttato da segnali che si propagano nello spazio. Le sonde per misurare il campo elettrico e equello magnetico nell intera banda di frequenza prevista dalla normativa sono in generale separate. Ovviamente una delle due misure è sufficiente alle frequenze e alle distanze per le quali si effettuano misure in zona di campo lontano: in tal caso il campo elettrico e quello magnetico sono proporzionali attraverso l impedenza intrinseca

3 La misura del campo magnetico è effettuata, in genere, con antenne a spira, mentre il campo elettrico è rivelato con antenne costituite da dipoli corti. Quando la sonda è costituita da un solo sensore a larga banda, la risposta dipende dall orientazione di quest ultimo rispetto al campo: la sonda è detta anisotropa. Sonde contenenti tre sensori a larga banda, disposti ortogonalmente t tra loro e che rivelano il valore del campo e lo inviano allo strumento misuratore, presentano una risposta indipendente dall orientazione della sonda rispetto al campo, e sono dette isotrope. In questi casi viene specificato un parametro, detto errore di anisotropia, che indica in genere il rapporto tra il valore massimo e minimo rilevati misurando un campo polarizzato linearmente ed orientando di volta in volta uno dei tre sensori dello strumento lungo la direzione di polarizzazione del campo.

4 La linea di collegamento La sonda può essere montata direttamente sullo strumento t di elaborazione o meno. Nel primo caso si ha in generale il vantaggio di migliorare la precisione della misura ma, per contro, si richiede la vicinanza allo strumento principale di un operatore che, a sua volta perturba, il campo elettromagnetico. In alternativa lo strumento può essere montato su un cavalletto: in tal caso quest ultimo non deve essere di materiale conduttore. Sono inoltre talvolta da prevedersi collegamenti adeguati fra la sonda e lo strumento principale per consentire rilievi a distanza, oppure fra lo strumento principale e un eventuale computer dedicato per l elaborazione e la presentazione dei dati. In questi casi è opportuno effettuare il collegamento con una fibra ottica piuttosto che con conduttori metallici: la scelta della fibra ottica ha il vantaggio di non perturbare il campoda misurare con i segnali che la sonda trasmette e riceve dallo strumento principale. Per contro un collegamento in fibra può danneggiarsi più facilmente.

5 Esistono diversi parametri che permettono di descrivere, valutare e confrontare le prestazioni di uno strumento per la misura dei campi elettromagnetici: ti i L accuratezza, che rappresenta una stima a priori dell errore di misura, valutato in condizioni standardizzate; le misure di protezionistica i ti non necessitano in genere una accuratezza elevatissima, soprattutto a causa dei fattori di incertezza insiti comunque nell interpretazione del dato misurato: livelli di errori fino a 3 db non sono né inconsueti né inaccettabili La sensibilità, che specifica il minimo valore misurabile entro un determinato livello di errore La gamma dinamica, data dal rapporto (spesso espresso in db) tra il massimo e il minimo valore misurabile La risoluzione spaziale, legata all ingombro del sensore e quindi alle dimensioni della regione di spazio entro la quale viene eseguita una sorta di media del valore misurato Banda passante, indica l intervallo di frequenze in cui un dipositivo fornisce una risposta corretta, entro determinati margini di errore

6 SENSORI PER LA ZONA DI INDUZIONE Sensori ad accoppiamento capacitivo (campo elettrico) Abbiamo un accoppiamento capacitivo quando le cariche elettriche presenti sulle sorgenti provocano, per induzione elettrica, l insorgere di cariche elettriche nelle strutture metalliche del sensore. Questo è normalmente costituito da due conduttori (detti armature o bracci) confinati in una regione tanto piccola che il campo elettrico si possa considerare uniforme in essa e collegati a due morsetti di uscita. La quantità di carica indotta è proporzionale all intensità del campo elettrico presente nel punto occupato dal sensore; essa costituisce quindi il segnale elettrico fornito dal dispositivo. Nella maggior parte dei casi risulta più conveniente, perché tecnicamente più semplice, misurare la corrente che scorre nel circuito collegato ai morsetti del sensore, o la differenza di potenziale che si stabilisce tra di essi

7 Sensore a condensatore Alle frequenze più basse (< 300 khz ), una delle strutture di più pratico impiego per la realizzazione dei sensori di campo elettrico per la zona di induzione consiste nel condensatore ad armature piane e parallele. l Il sensore è costituito in pratica da due elementi metallici schiacciati (a forma di disco, di piastrina rettangolare) con due superfici dette armature affacciate una all altra e disposte perpendicolarmente al campo da misurare. E d I

8 Applicando il teorema di Gauss si trova che, detta S la superficie di ciascuna armatura e d la distanza che le separa, la carica totale Q indotta su di essa quando è esposta perpendicolarmente ad un campo elettrico E è data (in prima approssimazione, poiché si trascura l effetto del bordo) da: Q 0 E S Se tra le due armature viene collegato un dispositivo amperometrico a bassissima resistenza, dalla misura dell ampiezza della corrente è possibile risalire all intensità del campo elettrico; per esempio, in regime perfettamente sinusoidale avremo: dq I 2 f j E S dt Alternativamente, tenendo conto dell espressione approssimata della capacità C del condensatore ad armature piane e parallele: 0 C S Si può determinare la d differenza di potenziale a vuoto Q V E d tra le armature e quindi risalire C al campo elettrico

9 Sensore a dipolo corto Per frequenze dalle centinaia di khz fino alle centinaia di MHz, si preferisce far uso di sensori a dipolo corto. Si tratta di dispositivi che funzionano sostanzialmente in base allo stesso principio i i dei precedenti, con la differenza che le due armature sono sostituite da due bracci metallici isolati e contrapposti, allineati tra loro e col campo elettrico da misurare, aventi lunghezza complessiva d piccola rispetto alla lunghezza d onda; i terminali di uscita del segnale sono gli estremi vicini di tali bracci. Nel caso più comune, il dipolo si presenta come un doppio stilo filiforme avente i bracci molto sottili rispetto alla lunghezza d : in tale caso, è possibile dimostrare che: V d E 2

10 V d

11 Accoppiamento induttivo (campo magnetico) Un accoppiamento di tipo induttivo ha luogo se il sensore ha una struttura tt anulare chiusa, che abbraccia una superficie di forza del campo magnetico. Come descritto dall equazione di Faraday, nell anello si forma una differenza di potenziale proporzionale all intensità del campo magnetico, alla sua frequenza ed all area della superficie racchiusa dall anello stesso. Se questo viene aperto in un punto, la differenza di potenziale diviene disponibile ai due estremi dell interruzione, che fungono così da morsetti del sensore. Se la spira è filiforme (ovvero se il diametro del conduttore che la costituisce è molto minore del diametro d della spira stessa, la seguente semplice espressione (ricavabile applicando direttamente la legge di Faraday) fornisce con buona approssimazione il rapporto tra la tensione indotta e l intensità del campo magnetico: 2 2 V 0 f d H 2

12 d H V

13 SENSORI PER LA ZONA DI RADIAZIONE È disponibile una buona varietà commerciale di antenne standard (ovvero di caratteristiche accuratamente note e riproducibili), adatte a coprire molteplici esigenze di misura, anche in settori diversi da quello protezionistico, come per esempio misure di campo nelle telecomunicazioni o misure di emissione nella compatibilità elettromagnetica. Accenniamo ad alcuni dei tipi più comuni. Il dipolo a mezz onda è un antenna a banda stretta tt costituita da due bracci di lunghezza complessiva d pari alla metà della lunghezza d onda della radiazione da misurare; viene comunemente utilizzato per le misure di campi EM a polarizzazione lineare. Occorre un dipolo diverso (cioè di diversa lunghezza) per ogni singola frequenza di misura; in alternativa sono reperibili dipoli sintonizzabili, dotati di bracci telescopici di cui è possibile regolare la lunghezza

14 L antenna biconica è una delle più diffuse antenne per misure di campo. Dotata di una struttura costituita grossomodo da due coni allineati e contrapposti, è utilizzata in polarizzazione lineare ed è caratterizzata da una banda relativamente ampia (da 20 a 200 MHz) L antenna logaritmica periodica è costituita da una successione di dipoli paralleli e complanari, di lunghezza ed interdistanza progressivamente crescente. E un antenna a larga banda ( MHz) a polarizzazione lineare.

15 L antenna a spirale conica logaritmica impiega una spirale conduttrice avvolta su una superficie conica con un passo che diminuisce procedendo d dalla base verso il vertice. Si tratta di un antenna a banda larga e polarizzazione circolare disponibile in commercio in due modelli standard, dimensionati per funzionare rispettivamente negli intervalli MHz e 1 10 GHz. La tromba a guadagno standard basata su un progressivo allargamento di una guida d onda rettangolare. Questo tipo di antenna è utilizzata in intervalli da uno a qualche GHz e presenta un area equivalente pari ad una frazione dell area geometrica della bocca rettangolare.

16 STRUMENTI AD ACCOPPIAMENTO A RADIOFREQUENZA Si basano sul principio della conversione di frequenza. Il segnale ricevuto viene convertito in uno di ampiezza proporzionale ma di frequenza fissa (la frequenza intermedia) mediante miscelazione i con un segnale generato internamente allo strumento (dal cosiddetto oscillatore locale). La frequenza dell oscillatore locale viene regolata in funzione di quella del segnale da misurare in modo che il risultato della miscelazione (che comporta una somma o una sottrazione delle frequenze) abbia una frequenza pari alla frequenza intermedia. Nell analizzatore di spettro, la frequenza dell oscillatore locale viene modificata automaticamente in modo da esaminare un intervallo di frequenze preimpostato dall operatore; nel radioricevitore invece essa viene scelta dall operatore mediante il comando di sintonia, in modo da sintonizzarsi sulla frequenza di misura desiderata. Il segnale a frequenza intermedia viene successivamente filtrato con larghezza di banda regolabile e amplificato

17 Differenti tipologie di apparati di misura Analizzatori di spettro V/m Strumenti palmari Sistemi di monitoraggio 5mW/cm 2 Monitor personali

18 Strumenti a larga banda 5 mw/cm 2 V/m Strumenti palmari Indicatori / Monitor personali Vantaggi + Semplice utilizzo + Isotropici + Intensità di campo RMS + Costo Svantaggi - Minor precisione - Frequenza non discriminata

19 Strumento selettivo Analizzatore di spettro Aree di applicazione: Laboratorio Misure complesse

20 Analizzatore di spettro G db -100 SPECTRUM ANALYSIS Vantaggi Alta precisione Svantaggi - Utilizzo -Costi - Livello e non intensità - Single-level sensors 300MHz/DIV MHz FSTART MHz FSTOP REFERENCE dBm SCALE 100dB RBW 1MHz AUTO OFF VBW 1.5MHz SWT 50s AUTO OFF INPUT ATT 30dB AUTO OFF

21 Software di trasferimento

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