MISURA DI CAMPI MAGNETICI A BASSA E MEDIA FREQUENZA A. Agosto (*), G. Crotti (*), D. Giordano (**)

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1 MISURA DI CAMPI MAGNETICI A BASSA E MEDIA FREQUENZA A. Agosto (*), G. Crott (*), D. Gordano (**) (*) I.N.RI.M, Isttuto Nazonale d Rcerca Metrologca Strada delle Cacce, Torno crott@nrm.t (**) Poltecnco d Torno Dp. D Ingegnera Elettrca C.so Duca degl Abruzz, Torno Rassunto Nel lavoro vene descrtto l nuovo sstema d generazone d camp magnetc campone (da 1 khz a 100 khz) realzzato presso l I.N.RI.M (ex IEN) d Torno, che permette la taratura e la verfca della strumentazone utlzzata n partcolare per le msure d camp alternat a frequenze dverse da quella d rete e d camp magnetc pulsat o con ampo contenuto spettrale. Utlzzando l sstema realzzato vene analzzato l comportamento nel domno della frequenza d alcun strument d msura dsponbl n commerco. Inoltre, con rfermento alle msure n campo e tenuto conto delle ndcazon ICNIRP rguardant la protezone della popolazone e de lavorator dall esposzone a camp elettromagnetc, recepte n sede d Comuntà Europea, sono analzzate e dscusse le prestazon d msurator d campo n grado d elaborare l rsultato d msura e d presentarlo drettamente n relazone alla conformtà a lvell d rfermento (o valor d azone) prescrtt per la popolazone e lavorator da suddett organsm. A) INTRODUZIONE La presenza d sorgent operant n regm dvers rspetto a quello d rete, spesso localzzate n ambente ndustrale e d lavoro (apparecchature per saldatura, sstem per trattamento termco a nduzone, apparecchature ndustral d uso generale) rende necessaro l utlzzo d strumentazone d msura avente banda passante da qualche hertz sno alle centnaa d klohertz. In accordo con quanto prevsto dalla normatva tecnca [1], la strumentazone d msura deve essere verfcata n corrspondenza della gamma d frequenze d utlzzo. A questo scopo è necessaro dsporre d sstem n grado d generare camp magnetc d rfermento d ampezze almeno par a quelle che tpcamente s rscontrano n sede d msura n campo. A tale scopo è stato realzzato presso l Isttuto Nazonale d Rcerca Metrologca d Torno (I.N.RI.M.) un sstema d generazone d camp magnetc campone, a ntegrazone d quello gà operante nella gamma d frequenze dalla decna d hertz sno a 1 khz [2,3]; medante tale sstema è possble generare nduzon magnetche sno al centnao d klohertz, con ncertezza contenuta entro poch percento. L utlzzo ntegrato de due sstem rende così possble effettuare la taratura de msurator nell ntera gamma d frequenze d utlzzo. Poché sempre pù dffus sono gl strument n grado d elaborare l rsultato d msura n termn d contenuto d frequenze e/o d presentarlo n relazone alla conformtà a lmt ndcat da dvers organsm [4,5,6], appare opportuno effettuare la verfca delle prestazon dello strumento anche consderando queste partcolar modaltà d msura. Nel lavoro, dopo una breve descrzone del sstema d generazone, sono rportat alcun esemp d rsposta n frequenza d strumentazone commercalmente dsponble. Inoltre, vengono llustrate le modaltà d verfca d strument d msura n grado d elaborare l rsultato e d presentarlo n relazone alla conformtà a lvell d rfermento (valor d azone) prescrtt rspettvamente per la popolazone ed lavorator. B) SISTEMA DI GENERAZIONE Per effettuare la taratura de msurator d campo magnetco ambentale con banda passante sno al centnao d klohertz è necessaro dsporre d camp magnetc d rfermento, stabl nel tempo e unform nello spazo, l cu valore sa noto con un ncertezza contenuta entro qualche percento. La gamma d ampezze deve essere tale da consentre la verfca della strumentazone n corrspondenza de lvell effettv d campo rscontrabl nelle dverse tpologe d ambente e comunque non dovrebbe rsultare nferore a lvell d rfermento ndcat sa dall ICNIRP, sa dal Parlamento Europeo e dal Consglo [4,5,6]. Camp campon avent tal caratterstche sono d norma prodott medante sstem costtut da bobne d Helmholtz [7]. Il valore del campo B 0 generato nel centro del sstema è ottenuto come prodotto tra la costante k 0 del sstema, numercamente par al campo generato da una corrente untara, e l valore d msura I m della corrente I n ngresso alle bobne. Le caratterstche costruttve del sstema (dmenson e forma degl avvolgment, numero e dsposzone delle spre) determnano sa l valore della costante del sstema, sa l grado d non-unformtà del campo nel volume centrale dove vene posta la sonda della strumento n taratura. All aumentare della frequenza, è necessaro tener

2 conto noltre d fenomen parasst, essenzalmente dovut all effetto pelle e alla presenza d capactà parassta tra le spre, che possono alterare l unformtà della dstrbuzone d corrente nelle sngole spre. Il comportamento n frequenza del sstema rsulta noltre nfluenzato dalle caratterstche del materale delettrco con cu è realzzato l supporto delle avvolgment, che possono modfcare la dstrbuzone d campo elettrco n prossmtà de conduttor e qund le sngole capactà tra le spre. Tenuto conto d tutte queste consderazon è stato progettato [8] e realzzato un sstema d generazone d camp campone (Fg. 1a), costtuto da una coppa d bobne d Helmholtz, avente le seguent caratterstche: - bobne crcolar d raggo R=350 mm, poste a una dstanza par al raggo; - avvolgment costtut da 17 spre n flo d Ltz, dsposte su un sngolo strato; - passo tra le spre s = 4 mm, scelto n modo tale da mnmzzare le capactà parasste tra le spre, senza nfluenzare n modo sgnfcatvo l unformtà del campo nel volume centrale del sstema; - supporto costtuto da poletlene ad alta denstà, materale non groscopco, caratterzzato sa da una bassa permttvtà elettrca relatva (ε r =2,3 2,4), sa da buone caratterstche meccanche. E stata noltre adottata una partcolare soluzone costruttva per l poszonamento delle spre (Fg. 1b), che consente d rdurre la superfce d contatto tra delettrco e conduttore, ottmzzando l comportamento n frequenza. Il sstema è almentato da una sorgente caratterzzata da alta stabltà n sere a un amplfcatore d potenza. La corrente n ngresso agl avvolgment è ottenuta msurando la tensone a cap un resstore campone non nduttvo d valore noto. Le due bobne possono essere almentate n sere o n parallelo; l nserzone d capactà n sere permette noltre d lmtare la tensone d almentazone al crescere della frequenza. Tenuto conto delle attual caratterstche del crcuto d almentazone, l sstema è n grado d generare camp d ampezza massma par a 100 µt sno a 30 khz, e 25 µt a 100 khz. E stata effettuata a tutt ogg una prma caratterzzazone del sstema così realzzato, allo scopo d determnare, al varare della frequenza, l valore e l ncertezza d msura dell nduzone generata nel volume centrale, laddove vene posto lo strumento n taratura. La costante k o del sstema è stata determnata numercamente applcando la legge d Bot-Savart, nell potes d condzon statche, a partre da valor d msura delle dmenson e poszone d cascuna sngola spra. L ncertezza del valore d k o cos determnato è stata ottenuta adottando un approcco d tpo Montecarlo. La predzone numerca del valore e dell ncertezza d msura d k o è stata qund valdata per confronto con l valore ottenuto spermentalmente come rapporto tra l nduzone generata, msurata medante un sensore d rfermento, e la corrente n ngresso alle bobne nelle spre. La verfca è stata effettuata almentando l sstema sa n condzon statche, sa alla frequenza d 10 khz. La fase d caratterzzazone ha noltre ncluso l anals numerca e spermentale del comportamento n frequenza del sstema, coè la determnazone della varazone della costante del sstema al varare della frequenza e la determnazone della non unformtà del campo n corrspondenza del volume occupato dal sensore. E stata effettuata nfne, con un approcco numerco bdmensonale agl element fnt, una valutazone del valore lmte della perturbazone del campo generato al crescere della frequenza, dovuta alla presenza d pavmento, sofftto e paret, post a una dstanza non nferore a 1,5 m dal centro del sstema. Le capactà d generazone del sstema e l ncertezza assocata a valor d campo generato (lvello d fduca 95%), determnate tenendo conto delle attual caratterstche del crcuto d almentazone e delle verfche d caratterzzazone sn qu effettuate sono rportate n Tabella I. a) b) Fg. 1 Generazone d camp magnetc d rfermento nella gamma d frequenze da 1 khz a 100 khz: a) bobne d Helmholtz; b) dsposzone de conduttor.

3 Tabella I Valor e ncertezze d msura dell nduzone magnetca generata Frequenza (khz) Induzone massma (µt) B 0max Incertezza ( 10-3 ) U C) VERIFICA IN FREQUENZA DI MISURATORI DI CAMPO La normatva tecnca [1] prescrve che la taratura de msurator d campo sa effettuata alla frequenza d utlzzo, che d norma vene assunta par a 50 Hz o 60 Hz. La presenza d sorgent generant camp fortemente dstort e caratterzzat qund da contenuto armonco non trascurable può rendere necessara la verfca del comportamento dello strumento d msura n corrspondenza d una banda d frequenze pù ampa. A questo proposto la norma suggersce che, oltre alla taratura effettuata sull ntero campo d ampezze, venga effettuata un anals della rsposta n frequenza dello strumento, per almeno un valore d campo, n corrspondenza del valore mnmo, medo e massmo della banda passante dcharata dal costruttore. A ttolo d esempo la Fg. 2 mostra la rsposta n frequenza d un msuratore d campo commercale (msuratore 1), con banda passante 30 khz, effettuata ponendo la sonda del msuratore d campo al centro del sstema d generazone I.N.RI.M. Dall esame dell andamento s osserva come l ndcazone B L del msuratore sa l 67% del valore d campo applcato B 0 (-3.5 db) n corrspondenza de 30 khz, ma gà a 20 khz B L rsult nferore del 10% all nduzone applcata B 0. La Fg. 2b rporta nvece gl analogh andament rscontrat nel caso d un secondo msuratore d campo (msuratore 2) con banda passante pù ampa, relatvamente alla gamma d frequenze da 1 khz a 100 khz. In questo caso l ndcazone fornta dallo strumento rsulta, per frequenze superor a 30 khz, sgnfcatvamente pù elevata del valore d nduzone applcata (dal 10 al 20 %). B 0 /B L B L /B 0 (db) Frequenza (khz) Frequenza (khz) a) Fg. 2 Verfca del comportamento n frequenza d msurator commercal: a) msuratore 1, b) msuratore 2). B L /B 0 (db) B 0 /B L b) D) MISURA DI CAMPI MAGNETICI AD AMPIO SPETTRO DI FREQUENZE La msura del campo generato da sorgent operant n alta tensone, qual lnee d trasmssone dell energa elettrca aeree e n cavo, s effettua d norma con strumentazone a banda stretta, poché l andamento temporale del campo generato può essere consderato snusodale alla frequenza d rete. Maggore cautela nella scelta e nella caratterzzazone dello strumento d msura è rchesta qualora rlev sano effettuat n presenza d sorgent a bassa tensone o comunque n vcnanza d apparecchature elettrche, con partcolare rfermento all ambente ndustrale. I camp magnetc alternat possono essere dstort a causa della presenza d component armonche dovute a carch non lnear e possono essere caratterzzat da transtor d nserzone d ampezza non trascurable. Camp magnetc non snusodal ad ampo spettro d frequenza o camp magnetc pulsat con contenuto d frequenze relatvamente rstretto sono generat da dspostv qual dspostv anttaccheggo, vdeo termnal, apparecchature d uso ndustrale, ecc. [9,10]. Appare qund evdente come la scelta dello strumento d msura e la valutazone del rsultato ottenuto non possano prescndere da una prevsone delle caratterstche nel domno del tempo e della frequenza del campo oggetto della msura. Il solo utlzzo d uno strumento con ampa banda passante può non

4 essere suffcente ad asscurare una corretta valutazone de lvell d nduzone. A ttolo d esempo, s può consderare l caso d un andamento d campo magnetco costtuto da mpuls che s rpetono perodcamente. L utlzzo d un msuratore che fornsce n uscta la msura del vero valore effcace, d norma ottenuto con temp d ntegrazone che possono arrvare sno al secondo, porta evdentemente a una sgnfcatva sottostma del valore d nteresse per la verfca d conformtà a lvello d rfermento o a valor d azone. A questo proposto l ICNIRP ndca che, nel caso d camp perodc dstort, la conformtà alle prescrzon può essere valutata medante la ben nota relazone: BL, = T 1 (1) Brf, dove B L, è l valore effcace dell nduzone alla frequenza f e B rf, è l corrspondente lvello d rfermento [4]. Questo approcco è cautelatvo, n quanto potzza uno sfasamento temporale nullo tra le component armonche dell nduzone. In presenza d camp pulsat e ad ampo contenuto n frequenza (sno a 100 khz), la conformtà a lvell d rfermento può essere verfcata n alternatva medante la relazone [9,10]: W A = T 1 (2) dove A è l ampezza della componente dell nduzone magnetca B alla frequenza f o della sua dervata temporale db/dt e W è una funzone peso complessa, l cu modulo è par all nverso del pcco del lvello d rfermento della grandezza consderata alla frequenza f ; lvell d rfermento relatv al pcco sono ottenut moltplcando per 2 valor d rfermento fornt n [4] relatvamente a cascuna frequenza. La relazone (2) è mplementata n alcun strument d msura, che fornscono drettamente l valore del parametro T, medante l ntroduzone d opportun fltr, dgtal o analogc, a valle del segnale ndotto a cap d cascun sensore unassale. In altr cas, la conformtà a lvell d rfermento è valutata analzzando l andamento del segnale msurato nel domno delle frequenze e lo strumento può fornre n uscta le ampezze B FFT d cascuna componente spettrale, allo scopo d valutare la conformtà medante la (1). Poché n questo caso sa T, sa B FFT costtuscono ulteror grandezze d uscta dello strumento, la loro rspondenza al valore effettvo dovrebbe essere verfcata n sede d caratterzzazone dello strumento d msura. E) VERIFICA DELLE GRANDEZZE DI USCITA Utlzzando l sstema d generazone e msura precedentemente descrtto è possble, oltre che effettuare la taratura de msurator a frequenze superor al klohertz e determnare la rsposta n frequenza, analzzare l comportamento dello strumento con rfermento alla valutazone delle grandezze T e B FFT. S rportano nel seguto alcune verfche effettuate sul msuratore 1, n cu sono mplementate sa la valutazone della grandezza T medante la (2), sa quella delle ampezze B FFT. La Fg. 3 rporta l valore d msura T L della grandezza T ndcata dal msuratore, normalzzato al valore T C ottenuto come rapporto tra l ndcazone B L fornta dallo strumento (l cu andamento n frequenza è mostrato n Fg. 2a) e l corrspondente lvello d rfermento B rf ; quest valor sono stat ottenut almentando l sstema con corrente snusodale d ampezza tale da generare nel centro del sstema un nduzone magnetca, nella gamma d frequenze da 60 Hz a 30 khz, par al lvello d rfermento ndcato dall ICNIRP per l esposzone della popolazone T L /T c Frequenza (khz) Fg 3 - Confronto tra l ndcazone della grandezza T fornta dallo strumento (T L ) e quella valutata come rapporto tra l ndcazone B L e l relatvo lvello d rfermento B rf. (T c ).

5 E mmedato osservare come l valore T L ndcato dallo strumento d msura s dscost sgnfcatvamente (sno al 30%) da T C nell ntorno della frequenza f c = 800 Hz; cò è dovuto al dverso andamento della curva lmte ICNIRP e della funzone peso mplementata nel msuratore, propro n corrspondenza della frequenza f c [10]. Il valore d T L nel caso d forme d onda snusodal o con component sgnfcatve nella gamma d frequenze da 500 Hz a 2 khz può qund dfferre n modo non trascurable dal valore ottenuto come rapporto dretto tra l ndcazone del valore effcace del campo e l corrspondente lvello d rfermento (nel caso d forme d onda snusodal) o come somma de rapport tra le ampezze delle component armonche e corrspondent valor del lvello d rfermento (nel caso d forme d onda dstorte). Con rfermento a quest ultma condzone, è stato generato un campo magnetco dstorto nettando nel sstema, un opportuna corrente, l cu andamento, con l relatvo contenuto armonco, è rportato n Fg. 4. Corrente applcata (A) f=1 khz; I effcace = A f=3 khz; I effcace = A f=5 khz; I effcace = A Tempo (ms) Fg. 4 Andamento della corrente dstorta Il valore effcace dell nduzone fornta dal msuratore 1 è par a 8.43 µt; poché tale strumento permette d valutare medante trasformata d Fourer (FFT) l contenuto armonco; sono state rlevate le ndcazon B FFT fornte dalla FFT strumentale e confrontate con l valore d nduzone B 0 generato alle dverse frequenze, rlevato applcando sngolarmente contrbut armonc d corrente. I rsultat rportat n Tabella II evdenzano una corretta valutazone strumentale del contenuto armonco. Tabella II Confronto tra le ampezze delle armonche applcate e quelle rlevate dal msuratore Frequenza B 0 B FFT B 0 / B FFT T c T L (khz) (µt) (µt) (%) (%) , , , Sempre n tabella II vene rportato l valore della grandezza T fornto dallo strumento (T L ) e quello calcolato come rapporto tra l nduzone msurata e l lvello d rfermento ICNIRP (T C ). Come gà evdenzato dal grafco d Fg. 4, alla frequenza d 1 khz lo scarto tra due valor d T è rlevante. In condzon crtche, l soddsfacmento o meno de requst ICNIRP può qund dpendere dal fatto che c s affd all ndcazone T L fornta dallo strumento oppure che s proceda con la valutazone del coeffcente d esposzone a partre da valor B FFT rlevat. F) CONCLUSIONI La verfca della strumentazone utlzzata per la msura d camp magnetc nella gamma d frequenze sno al centnao d klohertz rchede la dsponbltà d sstem d generazone d camp campone nella gamma d frequenze d nteresse. Le verfche effettuate su strumentazone d msura commercale n presenza d camp perodc dstort, hanno posto n evdenza come le dverse tecnche d valutazone della conformtà a lvell d rfermento ndcat per l esposzone della popolazone e de lavorator, n partcolar condzon d msura, possano portare a concluson non coerent. A questo proposto è mportante essere n grado d stmare, almeno n prma approssmazone, l contenuto

6 spettrale del campo oggetto della msura e analzzare n fase d caratterzzazone dello strumento, le dverse modaltà d elaborazone e presentazone del rsultato d msura. Ulteror svlupp a questo proposto rguarderanno l anals del comportamento della strumentazone d msura n presenza d camp caratterzzat da un ampo contenuto d frequenze, qual ad esempo quell generat da apparecchature che operano n regme aperodco e pulsato. Bblografa [1] CEI Guda per la msura e la valutazone de camp elettrc e magnetc nell ntervallo d frequenza 0 Hz 10 khz, con rfermento all esposzone umana, [2] O. Bottausco, G. Crott, S. D Emlo, G. Farna, A. Mantn, Generaton of reference electrc and magnetc felds for calbraton of power-frequency feld meters, IEEE Trans. on Instrumentaton and Measurement, vol. 45, pp , [3] M. Borsero, G. Crott, L. Angleso, G. d'amore, Calbraton and Evaluaton of Uncertanty n the Measurement of Envronmental Electromagnetc Felds, Radaton Protecton Dosmetry, vol 97: pp, , [4] ICNIRP Guldelnes for lmtng exposure to tme-varyng electrc, magnetc and electromagnetc felds (up to 300 GHz), Health Physcs, vol. 74, n. 4, [5] Raccomandazone 1999/512/CE del 12 luglo 1999: Raccomandazone del Consglo relatva alla lmtazone dell'esposzone della popolazone a camp elettromagnetc da 0 Hz a 300, Gazzetta Uffcale dell Unone Europea, n. L199 del 30/07/1999 [6] Drettva 2004/40CE del Parlamento Europeo e del Consglo del 29 Aprle 2004, Gazzetta Uffcale dell Unone Europea, n. L 184 del 24/05/2004. [7] W. M. Frx, G. G. Karaday, and B. A. Venetz, Comparson of calbraton systems for magnetc feld measurement equpment, IEEE Trans. Power Del., vol. 9, pp , Jan [8] G. Crott and D. Gordano, Evaluaton of frequency behavor of cols for reference magnetc feld generaton, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 54, n. 2, pp , Apr [9] ICNIRP Gudance on determnng complance of exposure to pulsed and complex non-snusodal waveforms below 100 khz wth ICNIRP Gudelnes, Health Physcs, vol. 84, n. 3, [10] K. Jockela, Restrctng exposure to pulsed and broadband magnetc felds, Health Physcs, vol. 79, n. 4, 2000.