Il Progetto MetA La metrologia dell ambiente

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1 Il Progetto MetA La metrologia dell ambiente La misura dell inquinamento elettromagnetico ad alta e bassa frequenza Ing. Domenico Capriglione Università degli Studi di Cassino

2 SOMMARIO Definizione grandezze da misurare Misure a banda larga e a banda stretta Panoramica sulla strumentazione di misura Causa di incertezze di misura Procedure di misura

3 Le grandezze da misurare per il monitoraggio dell elettrosmog E = Valore efficace del campo elettrico (V/m) B = Valore efficace dell induzione magnetica (T) H = Valore efficace del campo magnetico (A/m) In generale devono essere separatamente misurati le componenti dei campi per ogni asse (x,y,z): z E = E + E + 2 x 2 x 2 y B = B + B + 2 y E B 2 z 2 z x y H = H + H + H 2 x 2 y 2 z

4 Regione di CAMPO LONTANO Definita la lunghezza d onda λ: λ c f m/s frequenza della sorgente inquinante D = massima distanza misurabile tra due punti della sorgente R = distanza a cui si esegue la misura R > 2 max( λ, D λ 2 ) Regione di campo lontano Si può scegliere di misurare il campo elettrico o quello magnetico perché sono legati da una relazione matematica che li rende correlati

5 Regione di CAMPO VICINO R < 2 max( λ, D λ 2 ) Regione di campo vicino E necessario misurare separatamente ed entrambi il campo elettrico ed il campo magnetico (o l induzione magnetica) ALCUNI ESEMPI Quando f = 50Hz (bassa frequenza) si ha che λ = 6000km, quindi si è sempre in zona vicina e vanno misurati separatamente il campo elettrico e quello magnetico (o l induzione magnetica) Quando f = 900MHz (alta frequenza) si ha che λ = 33cm, quindi praticamente qualsiasi punto di misura si trova sempre in zona lontana. Di conseguenza può essere misurato solo il campo elettrico o solo quello magnetico

6 Le normative tecniche Le tecniche di misura da adottare per la valutazione dei campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici, sono quelle indicate nelle norme CEI che recepiscono con modifiche alcune norme internazionali IEC, IEEE e CENELEC CEI 211-6: Guida per la misura e la valutazione dei campi elettrici e magnetici nell intervallo di frequenza 0 Hz - 10 khz, con riferimento all esposizione umana (2001) CEI 211 7: Guida per la misura e la valutazione dei campi elettromagnetici nell intervallo di frequenza 10 khz 300 GHz, con riferimento all esposizione umana (2001) I risultati delle misure andranno confrontati con i limiti di esposizione o con i livelli di attenzione o con gli obiettivi di qualità dipendentemente dal contesto

7 Metodi e strumenti per le misure di inquinamento elettromagnetico SCELTA DELLA STRUMENTAZIONE E DELLE TECNICHE DI MISURA 1) Tipologia e eventuale molteplicità delle sorgenti; 2) Caratteristiche del campo emesso dalla/e sorgente/i (frequenza, livelli, tipo di modulazione, polarizzazione); 3) Caratteristiche del campo nel punto di misura (variabilità spaziale, campo vicino o lontano); 4) Obiettivo delle misure (sorveglianza, indagine sistematica, analisi puntuale, interventi di bonifica); 5) Necessità di misure a banda stretta in relazione alla presenza contemporanea in molte aree di misura di sorgenti a frequenze diverse.

8 Metodi e strumenti per le misure di inquinamento elettromagnetico CARATTERISTICHE GENERALI DELLA STRUMENTAZIONE I componenti base di uno strumento sono 3 X SONDA CAVO UNITA DI ELABORAZIONE E DI LETTURA X mis 1) Sonda per la rilevazione del campo 2) Unità di elaborazione e di lettura 3) Cavi di collegamento Solitamente in fibra ottica per ridurre i problemi di accoppiamento devono trasformare l informazione proveniente dalla sonda in una delle grandezze derivate e fornire l indicazione della grandezza in esame in termini quantitativi rispondere a un solo parametro (es. rispondere a un campo elettrico E, senza risposte spurie al campo magnetico H) isotropica o direttiva avere un incertezza associata alla misura nota

9 Metodi e strumenti per le misure di inquinamento elettromagnetico CARATTERISTICHE METROLOGICHE DELLA STRUMENTAZIONE X SONDA CAVO UNITA DI ELABORAZIONE E DI LETTURA X mis 1) Banda di frequenze analizzabile 2) Massimo valore misurabile 3) Livelli di sovraccarico 4) Sensibilità X mis = f (X, sonda, cavo, unità di elab.) 5) Stabilità 6) Risposta ai segnali modulati 7) Risposta ai campi pulsati 8) Risposte fuori banda 9) Incertezza di misura

10 Metodi e strumenti per le misure di inquinamento elettromagnetico MISURE A BANDA LARGA Contenuto frequenziale del segnale in ingresso FILTRO Contenuto frequenziale del segnale misurato Viene misurato un valore complessivo (f 1, f 2, f 3, f 4 ) f 1 f 2 f 3 f 4 f [Hz] f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 Filtro a banda larga fissa e non sintonizzabile Qualora venga superato un limite, con misure a banda larga non è possibile individuare la sorgente più inquinante f [Hz]

11 Metodi e strumenti per le misure di inquinamento elettromagnetico Contenuto frequenziale del segnale in ingresso FILTRO MISURE A BANDA STRETTA Contenuto frequenziale del segnale misurato Viene misurata solo la componente alla frequenza selezionata (f 1 ) f 1 f 2 f 3 f 4 f [Hz] f 1 f 5 f [Hz] Filtro a banda variabile e sintonizzabile Se si vuole individuare la sorgente inquinante è necessario effettuare misure selettive in frequenza (misure a banda stretta)

12 Metodi e strumenti per le misure di inquinamento elettromagnetico STRUMENTI A BANDA LARGA VANTAGGI Manegevolezza Semplici da usare Trasportabilità Costi SVANTAGGI Mancanza di selettività in frequenza Impossibilità di individuare la posizione delle sorgenti Delicatezza della sonda STRUMENTI A BANDA STRETTA VANTAGGI Possibilità di individuare i contributi dovuti alle singole sorgenti inquinanti SVANTAGGI Minore manegevolezza Maggiore intervento dell operatore per la corretta impostazione degli strumenti di misura Costi

13 Misure di inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza (0-10kHz) Sonda (spesso è triassiale e consente la misura del campo elettrico lungo tre direzioni ortogonali) x z y MISURATORE DI CAMPO ELETTRICO Cavo in fibra ottica Unità di elaborazione (elabora il segnale proveniente dalla sonda, estraendone il valore efficace) E Il tipo di misuratore più usato è quello in cui la sonda ha gli elettrodi isolati da terra I Principio di funzionamento I = dq dt La corrente I è proporzionale alla carica indotta da E In commercio sono presenti strumenti che consentono sia misure a banda larga che a banda stretta

14 Misure di inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza (0-10kHz) MISURATORE DI CAMPO MAGNETICO Sonda (spesso è triassiale e consente la misura del campo magnetico lungo tre direzioni ortogonali) x z y Cavo in fibra ottica Unità di elaborazione (elabora il segnale proveniente dalla sonda, estraendone il valore efficace) B Principio di funzionamento V = dφ dt V La tensione V è proporzionale al flusso indotto da B Il tipo sonda più usato è quello a bobina In commercio sono presenti strumenti che consentono sia misure a banda larga che a banda stretta

15 Misure di inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza (0-10kHz) REQUISITI DELLA STRUMENTAZIONE Il riferimento è la Norma CEI CAMPO ELETTRICO L incertezza strumentale dovrebbe essere inferiore al 10% del valore misurato + 2V/m: E MIS = 30V/m 10% E MIS = 3V/m Se UE MIS <= 3V/m+2V/m la strumentazione è idonea L incertezza strumentale dovrebbe essere inferiore al 10% del valore misurato+20nt: B MIS = 1.0 µt 10% B MIS = 0.1 µt CAMPO MAGNETICO Se UB MIS <= 0.1 µt +20 nt la strumentazione è idonea

16 Misure di inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza (0-10kHz) CAUSE DI INCERTEZZA PER LE MISURE NEL RANGE 0 10 khz Incertezza strumentale Incertezza di taratura Rumore elettrico di fondo dello strumento Posizionamento della sonda nei campi non uniformi Condizioni ambientali (temperatura e umidità) Vicinanza dell operatore e di oggetti conduttori (soprattutto per le misure di campi elettrici) Catena strumentale Fattori esterni

17 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) MISURATORI A BANDA LARGA DI CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO Sonda (E o H) Unità di elaborazione Misuratori diretti (dipoli) dei parametri del campo E o H oppure misuratori della temperatura (termocoppie, bolometri) La sonda è direttamente connessa all unità di elaborazione (non sono visibili cavi di collegamento) Esistono sonde di campo elettrico o di campo magnetico (solitamente isotropiche) per varie bande di frequenza Se le misure si effettuano nella regione di campo lontano si può effettuare solo la misura di campo elettrico o di campo magnetico Ciascuna sonda è caratterizzata dal suo campo di impiego in termini di range di frequenza, ampiezza massima misurabile, sensibilità, incertezza

18 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) MISURATORI A BANDA STRETTA DI CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO Le misure a banda larga (coprono un ampio range di frequenza), sono sufficienti solo se non è superata una certa percentuale (75%) del minimo dei livelli massimi di riferimento consentiti Se si vuole individuare la sorgente inquinante si ricorre a strumenti più costosi e complessi effettuando misure a banda stretta: E (H) = Misura analizzatore di spettro + Attenuazione cavo + Fattore di antenna

19 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) MISURATORI A BANDA STRETTA DI CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO E necessario scegliere la combinazione analizzatore di spettro - antenna più appropriata alle specifiche esigenze ANALIZZATORE DI SPETTRO 1) banda di frequenza analizzabile 2) regolazioni fini del campo di frequenza da analizzare 3) possibilità di selezione del RBW (Resolution Bandwidth) e VBW (Video Bandwidth) 4) dinamica in ingresso 5) Accuracy 6) capacità di post-elaborare i dati acquisiti per fornire delle misure e memorizzarle 7) opzioni di interfacciamento dello strumento con un PC ANTENNA DI MISURA 1) banda di frequenza analizzabile 2) impedenza di ingresso 3) polarizzazione 4) dinamica in ingresso 5) ROS (rapporto d onda stazionaria) 6) errore di isotropicità 7) linearità 8) diagramma di radiazione 9) ingombro e peso

20 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) L antenna utilizzata gioca un ruolo fondamentale: 1) E necessario conoscere in dettaglio le caratteristiche dell antenna soprattutto in termini di diagramma di radiazione e fattore di antenna; 2) Se l antenna è direttiva, la misura complessiva del campo richiede misure lungo ciascuna delle tre direzioni (x,y,z) 3) Se l antenna è direttiva, la misura delle tre componenti (x,y,z) non può essere eseguita contemporaneamente (la misura complessiva del valore efficace sarà attendibile solo se le sorgenti inquinanti hanno caratteristiche pressoché costanti nel tempo)

21 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) ma anche la configurazione dell analizzatore di spettro è determinante! Tipo di sorgente Resolution Bandwidth Video Bandwidth Span di analisi Sweep time Radio FM 30 khz 30 khz 5 MHz 50 ms Radio AM 10 khz 10 khz 200 khz 5 s TV video 1 MHz 300 khz 9 MHz 50 ms TV audio 30 khz 30 khz 9 MHz 50 ms TACS 30 khz 30 khz 5 MHz ms GSM 100 khz 100 khz 5 10 MHz ms

22 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) metodi e strumenti di misura ancora non consolidati per le sorgenti moderne Digital Video Broadcasting Terrestrial (DVB-T) Digital Video Broadcasting Handheld (DVB-H) UMTS WiFi BlueTooth WiMax

23 Misure di inquinamento elettromagnetico ad alta frequenza (10kHz-300GHz) REQUISITI DELLA STRUMENTAZIONE Il riferimento è la Norma CEI Per quel che riguarda l incertezza strumentale, la guida si limita a dire che la documentazione con cui viene fornita la strumentazione deve contenere informazioni sulle caratteristiche di incertezza della misura in termini di: 1) incertezza sulla risposta in frequenza 2) isotropia 3) linearità 4) taratura 5) temperatura 6) incertezza dovuta ai parametri ambientali Inoltre è richiesto che il costruttore dello strumento fornisca informazioni sul comportamento dell apparato di misura ai segnali modulati (Radar, FM, AM, GSM)

24 Misure di inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza (0-10kHz) CAUSE DI INCERTEZZA PER LE MISURE NEL RANGE 10 khz 300 GHz Incertezza strumentale Incertezza di taratura Rumore elettrico di fondo dello strumento Accoppiamento dei cavi di collegamento al campo Effetto termoelettrico sui cavi di collegamento Effetti dei campi statici e quasi statici Condizioni ambientali (temperatura e umidità) Vicinanza dell operatore e di oggetti conduttori (soprattutto per le misure di campi elettrici) Catena strumentale Fattori esterni

25 Procedure tecniche per le misure di l inquinamento elettromagnetico I. Analisi preliminare dell area da esaminare, sulla base delle informazioni disponibili e di calcoli e misure orientative II. Eseguire delle misure di inquinamento elettromagnetico richiede una procedura sequenziale piuttosto articolata: Scelta della catena strumentale più idonea, che permetta di ottenere risultati di misura in linea con l obiettivo prefissato III. Installazione del sistema di misura seguendo le prescrizioni che permettano di minimizzare gli errori e le incertezze di misura IV. Verifica in campo dell installazione e dei singoli componenti del sistema di misura V. Esecuzione delle misure, seguendo protocolli che permettano di ottenere una serie di risultati statisticamente sufficienti alla caratterizzazione elettromagnetica temporale e spaziale dell area in esame VI. Elaborazione e valutazione dei risultati tenendo in conto l incertezza di misura dovuta alla strumentazione, al metodo e a fattori esterni perturbativi VII. Rapporto di prova Ciascun passo della procedura di misura richiede particolare attenzione al fine di evitare risultati poco affidabili e soprattutto non caratterizzabili da una corretta valutazione dell incertezza di misura!!!

26 Procedure tecniche per le misure di l inquinamento elettromagnetico I. Analisi preliminare dell area da esaminare, sulla base delle informazioni disponibili e di calcoli e misure orientative ELETTRODOTTO (50Hz) STAZIONE RADIO BASE (GSM) TRASMETTITORI RADIO E TV Determinare: grandezze da misurare (E, e/o B o H), quando (in quali ore della giornata), dove (in quali zone), come (che strumenti utilizzare)

27 Procedure tecniche per le misure di l inquinamento elettromagnetico II. Scelta della catena strumentale più idonea, che permetta di ottenere risultati di misura in linea con l obiettivo prefissato Determinare: portata degli strumenti da utilizzare, sensibilità e risoluzione, banda della sonda e del misuratore, misure a banda larga o a a banda stretta Rivelatore Sonda (E o H) Sonda x z y Cavo in fibra ottica 1) 2) Rivelatore Analizzatore di spettro portatile 3) Antenna di misura

28 Procedure tecniche per le misure di l inquinamento elettromagnetico III. Installazione del sistema di misura seguendo le prescrizioni che permettano di minimizzare gli errori e le incertezze di misura Determinare: La configurazione della strumentazione, posizione dell operatore, posizione della sonda e dello strumento misuratore, tipo di collegamento tra strumento e sonda 1m >3m Sonda E o H (bassa frequenza) Rivelatore Operatore Sonda E o H (alta frequenza) 1m Rivelatore >3m Operatore Cavo in fibra

29 Procedure tecniche per le misure di l inquinamento elettromagnetico IV. Verifica in campo dell installazione e dei singoli componenti del sistema di misura Verificare: scadenza certificati di taratura, prove funzionali dello strumento, utilizzando sonde isotrope la lettura deve essere indipendente dall orientamento della sonda rispetto alla sorgente, effetti di captazione dei cavi variandone la posizione rispetto alla sonda V. Esecuzione delle misure, seguendo protocolli che permettano di ottenere una serie di risultati statisticamente sufficienti alla caratterizzazione elettromagnetica temporale e spaziale dell area in esame E necessario che: le misure di intensità di campo siano effettuate negli spazi accessibili ai soggetti potenzialmente esposti, all interno di queste aree si eseguano un numero di misure statisticamente significativo in più punti ed in diversi momenti

30 Procedure tecniche per le misure di l inquinamento elettromagnetico VI. Elaborazione e valutazione dei risultati tenendo in conto l incertezza di misura dovuta alla strumentazione, al metodo e a fattori esterni perturbativi E necessario: calcolare alcuni parametri sintetici (medie e deviazioni standard), interpretare correttamente le informazioni disponibili sulla strumentazione e relativi certificati di taratura, valutare l incertezza di misura, individuare altre cause che possono contribuire all incertezza di misura (presenza di oggetti perturbatori, ecc.) VII. Rapporto di prova E necessario: descrivere la procedura di misura, la strumentazione impiegata, fornendo le relative caratteristiche metrologiche in modo da rendere qualificabili i risultati delle misurazioni in relazione alle incertezze di misura e riferibilità