PROGETTO A.P.A.T. TEMA 1

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1 PROGETTO A.P.A.T. TEMA 1 Esposizione a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici Progetto: Ricerca sperimentale sulla caratterizzazione, il controllo e l interazione cellulare dell inquinamento elettromagnetico ambientale indoor di reti wireless esteso a tutta la filiera Sintesi delle attività svolte dall Unità Operativa 2 Ciriaf - Fisica Tecnica APAT - Roma, 10 Luglio 2007

2 TEMA 1- Esposizione a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici Progetto: Ricerca sperimentale sulla caratterizzazione, il controllo e l interazione cellulare dell inquinamento elettromagnetico ambientale indoor di reti wireless esteso a tutta la filiera Titolo delle Attività dell Unità Operativa Fisica Tecnica: Controllo e monitoraggio ambientale dei dati ambientali ai fini dell esposizione ai campi elettromagnetici ed individuazione di nuove soluzioni architettonico, ingegneristiche ed impiantistiche finalizzate alla riduzione ed al confinamento dei campi non ionizzanti. Attività previste Fase 1: Controllo e monitoraggio delle condizioni microclimatiche indoor in presenza di radiazioni non ionizzanti dovute a reti wireless. ( ) Fase 2: Individuazione di nuove soluzioni architettoniche, ingegneristiche ed impiantistiche finalizzate alla riduzione ed al confinamento dei campi non ionizzanti dovuti a reti wireless. ( ) Fase 3: Individuazione di nuovi materiali schermanti e misura delle proprietà isolanti congiunte (acustiche, elettromagnetiche e termiche). ( ) Fase 4: Invecchiamento, Burn-In e Run-In dei componenti e degli apparati elettronici delle reti wireless. ( )

3 TEMA 1 - Fase 1 L attività della fase di ricerca ha previsto la progettazione e la realizzazione di un sistema per la misura delle condizioni microclimatiche all interno del Laboratorio dove sono state effettuate le prove sperimentali di irradiazione elettromagnetica mediante reti wireless. A tale scopo è stata individuata una centralina microclimatica che consiste in un insieme di strumenti, sensori, accessori e programmi software per l acquisizione, visualizzazione, memorizzazione ed elaborazione di una grande varietà di grandezze fisiche, gestite in un ambiente informativo unitario. centralina microclimatica BABUC A Sonda anemometrica Sonda psicrometrica a ventilazione forzata Sonda per la misurazione della concentrazione di CO2 Sonda per la misura dell illuminamento

4 TEMA 1 - Fase 1 Nei giorni 13 e 14 dicembre 2005, sono state eseguite inoltre prove di irradiazione mediante campi wireless di colture cellulari in incubatore: le colture sono state sottoposte ad un campo di -10 dbm a 2,4 GHz. La durata dell esposizione è stata pari a 16 ore e 40 minuti. Si può evincere dai dati riportati che tutte le grandezze misurate non hanno subito sensibili variazioni dal valore iniziale durante l applicazione dei campi elettromagnetici. - Temperatura di bulbo secco: valore medio: 36,5 ( C); deviazione standard: 0,08 C. - Umidità Relativa: valore medio: 87,3 (%); deviazione standard: 1,9 %. Nel corso delle prove di monitoraggio in incubatore, è stato inoltre verificato che la concentrazione di CO2 si è mantenuta pari al 5%, con variazioni massime di 0.2%. Oltre alla stabilità dei suddetti parametri ambientali si è riscontrata una ventilazione e un illuminamento interno all incubatore costantemente nulli.

5 TEMA 1 - Fase 1 In data 15 e 16 febbraio 2006, sono state ripetute le misurazioni delle condizioni microclimatiche all interno dell incubatore contenente le colture cellulari. La prova è stata condotta sottoponendo il campione ad un campo di -10 dbm a 2,4 GHz per una durata di 24 ore. Anche in quest ultimo caso, non sono state rilevate variazioni apprezzabili delle grandezze monitorate. -Temperatura di bulbo secco: valore medio: 36,5 C; deviazione standard: 0,08 C. -Umidità Relativa: -valore medio: 85,3 %; deviazione standard: 2,78 % Nel corso delle prove di monitoraggio in incubatore, è stato inoltre verificato che la concentrazione di CO2 si è mantenuta pari al 5%, con variazioni massime di 0.2%. Oltre alla stabilità dei suddetti parametri ambientali si è riscontrata una ventilazione e un illuminamento interno all incubatore costantemente nulli.

6 TEMA 1 - Fase 1 ( ) temperatura circa 36,5 C umidità relativa = % concentrazione CO 2 = 5% in volume ventilazione e un illuminamento interno nulli.

7 TEMA 1 - Fase 1 La trasmissione dati wireless è stata effettuata tra un PC portatile wireless ed un PC fisso collegato all access point mediante la rete LAN interna alla Sezione CIRIAF di Medicina Sperimentale. A titolo di esempio, alla fine della seconda prova, durata 24 ore, il computer da postazione fissa ha trasmesso a quello portatile un totale di 15,5 GBytes ad una media di 1,8 Mbits/sec; il computer portatile ha trasmesso una quantità di informazioni pari a 30,4 GBytes ad una media di 2,9 Mbits/sec

8 TEMA 1 - Fase 1 Sono state poi eseguite prove di irradiazione di colture cellulari nel nuovo incubatore progettato nel corso delle attività congiuntamente alle altre U.O. Prima di effettuare le prove vere e proprie con le colture cellulari in incubatore, è stata condotta una campagna di taratura della strumentazione, portando a termine varie misure preliminari di temperatura e umidità relativa all interno delle tre scatole per verificare il raggiungimento delle condizioni ottimali ed il loro mantenimento. Durante le prove vere e proprie non sono stati posti sensori all interno dell incubatore contente le colture cellulari per evitare che le onde elettromagnetiche emesse dagli stessi potessero influenzare il campo di irradiazione delle cellule.

9 TEMA 1 - Fase 1 Complessivamente sono state effettuate tre prove di irradiazione mediante campi wireless, della durata di 24, 16 e 16 ore rispettivamente I campioni sono stati sottoposti ad un campo di circa -20 dbm alla frequenza di 2,4 GHz Le grandezze microclimatiche all interno dell incubatore sono state mantenute stabili, atrraverso il sistema di controllo del nuovo sistema progettato. incubatore Antenna + access point Pc portatile - Temperatura di bulbo secco: valore medio: 36,5 ( C); deviazione standard: 0,18 C. - Umidità Relativa: valore medio: 74,2 (%); deviazione standard: 1,9 %. Nel corso delle prove è stato inoltre verificato che la concentrazione di CO2 si è mantenuta pari al 5%, Oltre alla stabilità dei suddetti parametri ambientali si è riscontrata una ventilazione media pari a 0,05 m/s e un illuminamento interno all incubatore pari a 17 lux.

10 TEMA 1 - Fase 1 Nel corso della seconda e della terza prova di irradiazione, sono state effettuate delle misurazioni delle condizioni microclimatiche all interno del Laboratorio dove hanno avuto luogo le prove. Si può concludere dai dati misurati che le grandezze rilevate (temperatura, umidità) non hanno subito sensibili variazioni dal valore iniziale durante l applicazione dei campi elettromagnetici wireless.

11 TEMA 1 - Fase 1 Monitoraggi durante l irradiazione delle colture cellulari 1 Monitoraggio Temperatura: valore medio: 23,45 C; deviazione standard: 0,48 C. Umidità relativa: valore medio: 42,34 %; deviazione standard: 1,15 %. 2 Monitoraggio Temperatura: valore medio: 21,81 C; deviazione standard: 0,31 C. Umidità relativa: valore medio: 44,27 %; deviazione standard: 1,07 %. 3 Monitoraggio Temperatura: valore medio: 21,78 C; deviazione standard: 0,34 C. Umidità relativa: valore medio: 38,14 %; deviazione standard: 1,12 %.

12 TEMA 1 - Fase 1 Al termine delle tre prove di irradiazione delle colture cellulari, è stata effettuata una misura delle condizioni microclimatiche all interno del Laboratorio in condizioni di variabilità di potenza del campo wireless. La potenza del campo è stata impostata su tre differenti valori mentre sono state rilevati i valori di temperatura e umidità relativa. Dai dati rilevati si può concludere che le grandezze misurate (temperatura e umidità) non hanno subito sensibili variazioni dal valore iniziale durante la variazione di potenza del campo elettromagnetico wireless. Temperatura di bulbo secco: valore medio: 22,5 ( C); deviazione standard: 0,07 C. Umidità Relativa: valore medio: 45,5 (%); deviazione standard: 0,39 %.

13 TEMA 1 - Fase 1 La trasmissione dati wireless è stata effettuata tra un PC portatile wireless ed un PC fisso collegato all access point mediante la rete LAN interna alla Sezione CIRIAF di Medicina Sperimentale. A titolo di esempio, alla fine della prima prova, durata 24 ore, il computer da postazione fissa ha trasmesso a quello portatile un totale di 23,4 GBytes ad una media di 3,4 Mbits/sec; il computer portatile ha trasmesso una quantità di informazioni pari a 20,1GBytes ad una media di 2,9 Mbits/sec

14 TEMA 1 - Fase 2 Lo studio è stato finalizzato all individuazione delle soluzioni di mitigazione per radiazioni non ionizzanti sia a basse che ad alte frequenze. Per quanto riguarda il confinamento dei campi elettromagnetici indotti da sistemi di comunicazione wireless si è proceduto, in collaborazione con l U.O.4, con l analisi e il dimensionamento dei materiali isolanti elettromagnetici da inserire all interno delle pareti divisorie tra ambienti lavorativi o abitativi con diverse destinazioni o alternativamente all interno delle pareti di facciata, in modo da schermare parte dell edificio da campi provenienti dall esterno. Il materiale isolante elettromagnetico, caratterizzato inoltre da proprietà isolanti acustiche e termiche è stato individuato in collaborazione con l U.O.4. isolante elettromagnetico quash strato di nichel quash (quote in millimetri)

15 TEMA 1 - Fase 2 Pareti di facciata intonaco mattoni pieni intercapedine d'aria isolante elettromagnetico intercapedine d'aria cartongesso (quote in millimetri)

16 TEMA 1 - Fase 2 Pareti divisorie tra ambienti intonaco mattoni forati intercapedine d'aria isolante elettromagnetico intercapedine d'aria mattoni forati intonaco (quote in millimetri)

17 TEMA 1 - Fase 2 Per quanto riguarda lo schermamento delle linee di trasmissioni dati si è individuata, come soluzione, l impiego delle guide d onda, ovvero mezzi di trasmissione delle onde costituiti da profilati metallici a sezione principalmente rettangolare. Una prima soluzione prevede l inserimento della guida d onda sul soffitto, in ambienti che prevedono un controsoffitto, parallela alla condotta di areazione o ad altre canalette esistenti. Una seconda soluzione prevede invece il passaggio della guida d onda all interno dell intercapedine delle pareti perimetrali, in ambienti che non prevedono un controsoffitto.

18 TEMA 1 - Fase 3 In collaborazione con le altre unità operative sono stati individuati alcuni materiali con caratteristiche di schermatura da campi elettromagnetici: 1) nickel sinterizzato; 2) nickel rame; 3) rame sinterizzato; 4) rame sinterizzato rullato. Per la misura delle proprietà acustiche sono state completate, mediante il metodo del tubo di impedenza, misure di assorbimento e di isolamento acustico del nickel sinterizzato, del nickel rame, del rame sinterizzato e del rame sinterizzato rullato. Tali materiali sono stati accoppiati a materiali fonoassorbenti, in particolare il quash, poiché la porosità delle lastre di metallo non è tale da garantire ottime prestazioni di fonoassorbimento. L indagine effettuata ha consentito di valutarne invece le proprietà di fonoisolamento.

19 TEMA 1 - Fase 3 3) quash (spessore 30 mm) + rame sinterizzato (spessore 1 mm) + quash (spessore 30 mm) Diametro 29 mm Range di misura: 1600 Hz 6400 Hz 3) quash (spessore 30 mm) + rame sinterizzato (spessore 1 mm) + quash (spessore 30 mm) Diametro 100 mm Range di misura: 100 Hz 1600 Hz

20 TEMA 1 - Fase 3 3) quash (spessore 30 mm) + rame sinterizzato rullato (spessore 0,7 mm) + quash (spessore 30 mm) Diametro 29 mm Range di misura: 1600 Hz 6400 Hz 3) quash (spessore 30 mm) + rame sinterizzato rullato (spessore 0,7 mm) + quash (spessore 30 mm) Diametro 100 mm Range di misura: 100 Hz 1600 Hz

21 TEMA 1 - Fase 3 Inserimento dei campioni nel tubo di impedenza

22 TEMA 1 - Fase 3 1,00 0,90 0,80 Coeff. assorbimento 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Quash 30 mm + rame sinterizzato + Quash 30 mm Quash 30 mm + rame sinterizzato rullato + Quash 30 mm Quash 30 mm + nickel sinterizzato + Quash 30 mm Quash 30 mm + nickel - rame + Quash 30 mm 0, Frequenza (Hz) Confronto tra i risultati delle prove acustiche di fonoassorbimento per i quattro materiali testati

23 TEMA 1 - Fase TL (db) Quash 30 mm + rame sinterizzato + Quash 30 mm Quash 30 mm + rame sinterizzato rullato + Quash 30 mm 15 Quash 30 mm + nickel sinterizzato + Quash 30 mm Quash 30 mm + nickel - rame + Quash 30 mm Frequenza (Hz) Confronto tra i risultati delle prove acustiche di fonoisolamento sui quattro materiali testati

24 TEMA 1 - Fase 3 L inserimento delle lastre di rame sinterizzato e di rame sinterizzato rullato produce alterazioni minime delle proprietà di assorbimento del quash, soprattutto alle basse ed alte frequenze. Alle medie frequenze, nel campo compreso tra 1000 Hz e 1300 Hz, le capacità assorbenti del quash da 60 mm risultano migliori di quelle del Quash accoppiato ai due materiali, mentre nel campo di frequenze tra 1300 Hz e 1600 Hz si assiste ad una inversione di questa tendenza. La differenza riscontrata tra rame sinterizzato e rame sinterizzato rullato, in termini di fonoassorbimento, è trascurabile. Dal confronto invece con gli altri materiali testati, ovvero il nickel sinterizzato e il nickel rame, si nota che, alle basse frequenze questi ultimi presentano migliori proprietà fonoassorbenti, mentre alle alte frequenze il rame sinterizzato e il rame sinterizzato rullato risultano migliori. Per quanto riguarda le proprietà di fonoisolamento, l inserimento delle lastre di rame sinterizzato e di rame sinterizzato rullato tra due strati di quash, così come con il nickel sinterizzato e il nickel rame, produce un significativo miglioramento delle proprietà di fonoisolamento, anche fino a 20 db per alcune frequenze.

25 TEMA 1 - Fase 3 Per quanto riguarda l isolamento termico dei materiali individuati, sono state effettuate misure in laboratorio degli stessi accoppiati a Quash per la valutazione della conduttività termica λ in regime stazionario,con il metodo del termoflussimetro. Le misure hanno riguardato le tipologie di materiali già testati per valutarne le prestazioni di isolamento acustico: - Quash (spessore 60 mm); - Quash (spessore 30 mm) + nickel sinterizzato (spessore 0,5 mm) + Quash (spessore 30 mm); - Quash (spessore 30 mm) + nickel-rame (spessore 1,2 mm) + Quash (spessore 30 mm); - Quash (spessore 30 mm) + rame sinterizzato (spessore 1,0 mm) + Quash (spessore 30 mm); - Quash (spessore 30 mm) + rame sinterizzato rullato (spessore 0,7 mm) + Quash (spessore 30 mm). Le misure sono state eseguite su campioni di sezione quadrata di lato 60 mm.

26 TEMA 1 - Fase 3 Quash Nickel sinterizzato Nickel - rame Rame sinterizzato non rullato Rame sinterizzato rullato

27 TEMA 1 - Fase 3 Le modalità di prova per la valutazione della conduttività termica seguono i suggerimenti e i dettagli operativi indicati dalla normativa UNI 7891, per ottenere misure attendibili e riproducibili. La conduttività termica viene valutata a partire da misure di flusso termico e temperature superficiali delle facce dei provini, tramite la seguente relazione: λ = q h T 1 T 2 dove: - q è il flusso termico che attraversa l unità di superficie del provino in direzione ortogonale; - h è lo spessore del provino; - T 1 e T 2 sono le temperature delle due facce parallele del provino.

28 TEMA 1 - Fase 3 Le facce del provino di materiale isolante sono mantenute a temperature diverse, costanti ed uniformi. La faccia inferiore è riscaldata per mezzo di una piastra riscaldante, in modo tale da generare un flusso di calore verso l alto, attraverso il provino stesso. La faccia superiore è lasciata libera di portarsi alla temperatura di equilibrio. Il termoflussimetro posto sulla superficie superiore del campione misura il flusso termico in direzione ortogonale. Due termoresistenze poste a contatto con le facce del campione misurano invece le temperature superficiali del provino. Da queste due grandezze, e dallo spessore del campione, è possibile determinare il valore della conduttività termica λ del provino.

29 TEMA 1 - Fase Flusso termico W/m 2 18/5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ Quash + nickel sinterizzato

30 TEMA 1 - Fase 3 Materiali testati ΔT m ( C) Flusso termico medio (W/m 2 ) Conducibilità termica (W/m K) Quash 60 mm 19,74 23,492 0,071 Quash 30 mm + nickel sinterizzato 0,5 mm + Quash 30 mm Quash 30 mm + nickelrame 0,5 mm + Quash 30 mm Quash 30 mm + rame sinterizzato 1,1 mm + Quash 30 mm Quash 30 mm + rame sinterizzato rullato 0,73 mm + Quash 30 mm 20,78 21,891 0,063 20,30 22,729 0,067 19,47 20,353 0,064 19,42 21,768 0,068

31 TEMA 1 - Fase 4 La fase di ricerca prevede la verifica delle prestazioni e dell affidabilità dei componenti elettronici che costituiscono gli apparati delle reti wireless. A tale proposito, seguendo le norme MIL, sono stati individuati i cicli termoigrometrici a cui sono stati sottoposti i componenti elettronici in camera climatica. E stata effettuata un accurata analisi preliminare delle possibili normative da seguire ed è stata individuata la normativa MIL-STD-883F che include sia un test di resistenza all umidità ( Metodo ) che un test di Burn-In ( Metodo 1015 ). Sono stati individuati alcuni dispositivi (Access Point), di diversa produzione, ma analoghe caratteristiche, i quali sono stati sottoposti inizialmente a prove di invecchiamento secondo la MIL- STD-883F Metodo

32 TEMA 1 - Fase 4 Il test di resistenza all umidità (MIL-STD-883F Metodo ) viene condotto allo scopo di valutare, in modo accelerato, gli effetti deterioranti delle condizioni di elevata umidità e calore tipiche delle zone tropicali sulle parti, componenti e su tutti i materiali costituenti un apparato elettronico. Andamento dei primi nove cicli di test Temperatura [ C] Umidità relativa [%] Tempo [h] T [ C] RH [%]

33 TEMA 1 - Fase 4 Il test di resistenza all umidità (MIL-STD-883F Metodo ) viene condotto allo scopo di valutare, in modo accelerato, gli effetti deterioranti delle condizioni di elevata umidità e calore tipiche delle zone tropicali sulle parti, componenti e su tutti i materiali costituenti un apparato elettronico. Andamento del decimo ciclo di test Temperatura [ C] Umidità relativa [%] Tempo [H] T [ C] RH [%]

34 TEMA 1 - Fase 4 Il fatto che l umidità relativa sia la principale componente di modulazione della risposta termica è confermato osservando i dati sperimentali ottenuti durante la prova di invecchiamento cui sono stati sottoposti in contemporanea uno dei provini ed un dongle USB a 54 Mbps al fine di un confronto diretto, confermati anche dagli andamenti ricavati per le risposte termiche degli altri due provini. I dispositivi wireless in camera climatica

35 TEMA 1 - Fase 4 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00-10,00-20,00 Risposta termica primo ciclo :00 Tempo trascorso dall'inizio del ciclo attuale [hrs] Dongle Provino 3 Provino 2 Provino1 Temperatura registrata [ C]

36 TEMA 1 - Fase 4 Gli andamenti ottenuti sono del tutto identici, con variazioni di temperatura più significative laddove i contributi di umidità relativa sono stati più rilevanti In alcuni casi si è verificato un principio di ossidazione sull elemento dissipativo corrispondente all antenna. Al termine dei test sono state effettuate prove di funzionalità dei dispositivi wireless. In tutti i casi, i dispositivi non hanno subito malfunzionamenti durante le prove. Attualmente sono in fase di esecuzione le prove MIL-STD-883F Metodo 1015 Burn-In Test per le tipologie di access point individuate, che consentiranno di testare i dispositivi in condizioni estreme di temperatura (125 C).

37 TEMA 1 - Fase 4 Dopo aver eseguito le prove di invecchiamento, sono state effettuate, sui tre access point campione individuati, le prove di burn-in (ed equivalentemente run-in poiché tutti e tre i provini sono costituiti da una sola scheda elettronica). E stato preliminarmente individuato il tipo di test da seguire, ossia il MIL-STD-883F Metodo 1015 Burn-In Test Condizione di prova D. Temperatura [ C] Tempo [h]

38 TEMA 1 - Fase 4 Temperatura misurata sul provino n. 2 in camera climatica (intervallo ore) Risposta termica ore :00 97:00 98:00 99:00 100:00 101:00 102:00 103:00 104:00 105:00 106:00 107:00 108:00 109:00 110:00 111:00 112:00 113:00 114:00 115:00 116:00 117:00 118:00 119:00 Temperatura registrata [ C] 120:00 Tempo trascorso [ore e minuti]

39 TEMA 1 - Fase 4 Campione n. 1 Campione n. 3 Campione n. 2 I dispositivi wireless in camera climatica

40 TEMA 1 - Fase 4 Nel burn-in, ciascuno dei dispositivi ha presentato un comportamento differente, a differenza delle prove di invecchiamento. In particolare, un campione, durante la prova a 125 C, è entrato in uno stato di quiescenza, essendo dotato di sistema di controllo della temperatura; un secondo campione non si è completamente spento, ma non ha più garantito, dopo circa un ora di prova, la connessione dati con un PC portatile posto nelle vicinanze della camera di prova. Infine, il terzo campione ha mantenuto la comunicazione per tutta la durata della prova (160 ore). Prova di collegamento wireless con il campione n.1

41 TEMA 1 - Fase 4 Ad eccezione di minime degrazioni delle saldature o principi di ossidazione delle antenne e di elementi dissipativi di calore, in accordo all appendice A del MIL-PRF ed i criteri di guasto definiti nel TM 2009 External Visual, MIL-STD 883F, non sono avvenuti né guasti considerati come catastrofici, quali i cortocircuiti ed i circuiti aperti misurabili e rilevabili a 25 C, né alcun altro tipo di guasto tale da pregiudicare il funzionamento dei dispositivi. Tutte le prove funzionali su ciascuno dei provini non hanno evidenziato deviazioni dei livelli dei parametri elettrici e funzionali misurati nella fase precedente i tests.