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Monitoraggio dei Campi EM di origine antropica

Nelle bande ELF-LF-VHF-UHF (50 Hz, 100 kHz - 3 GHz)

Del Dott. Ing. Angelo Lozito

2.III. Strumentazione e metodi di misura a banda larga

a) Principio di funzionamento

Gli strumenti a banda larga sono equipaggiabili con sonde che possono essere per le basse frequenze (da qualche Hz a 100 kHz) o per le alte frequenze (da 100 kHz ad oltre 3 GHz). In entrambi i casi, la risposta in ampiezza delle sonde è proporzionale a tutti i contributi dei campi presenti alle diverse frequenze nella banda di funzionamento. Per ogni banda di frequenza sono previste sonde (sensori) diverse per la misura del campo elettrico e per la misura del campo magnetico.
La caratteristica della banda larga consente di ottenere la misura del valore efficace totale del campo elettrico Eeff o dell'induzione magnetica Beff come somma quadratica dei singoli contributi del campo Ef o Bf.


Le sonde a banda larga sono generalmente anche isotropiche (figura 5) poiché forniscono in uscita un segnale che è indipendente dalla polarizzazione del campo. Tale caratteristica è ottenuta disponendo tre sensori orientati lungo tre direzioni mutuamente ortogonali. Con tale geometria vengono misurate separatamente le tre componenti del campo, qualunque sia la sua polarizzazione e comunque sia posizionata la sonda, e quindi sommate vettorialmente per ottenerne la risultante.
Ad esempio, una sonda isotropica del campo magnetico per le basse frequenze è costituita da tre avvolgimenti disposti mutuamente ortogonali in modo da misurarne separatamente le tre componenti.
Le componenti del campo rilevate dalle sonde danno luogo a tre tensioni che sono applicate a rivelatori quadratici, tipicamente diodi, sui quali le sonde sono chiuse.
La somma quadratica delle tensioni in uscita dai rivelatori è proporzionale alla somma vettoriale delle singole componenti del campo.

Una relazione analoga si ottiene anche per una sonda isotropica del campo elettrico che è realizzata disponendo tre dipoli elettrici corti disposti mutuamente ortogonali in modo da misurare separatamente le tre componenti del campo elettrico lungo i tre assi individuati dalla terna di dipoli, comunque vengano disposti rispetto alla sorgente.

FIGURA 5 Sonde isotropiche per la misura del campo B e E Sonde isotropiche per la misura del campo B e E

Le caratteristiche congiunte di isotropia e di larga banda delle sonde, si combinano linearmente per cui il valore efficace del campo elettrico o magnetico dovuto a contributi di frequenza e polarizzazione diverse è dato da:

I vantaggi delle misure e dei misuratori a banda larga sono così sintetizzabili:

  • isotropia;
  • dimensione ridotta del sensore;
  • semplicità d'uso e ridotto costo degli strumenti;
  • velocità di esecuzione della misura;
  • capacità di misurare in tempo reale il valore efficace della intensità di campo presente (indipendentemente dalla forma d'onda);
  • possibilità di mediare un intervallo di tempo compatibile con i requisiti degli standard di esposizione (per esempio 6 minuti);
  • possibilità di applicare un fattore di correzione in funzione della risposta in frequenza e di diverse situazioni di esposizione.

Nella figura che segue (figura 6) è mostrata l'architettura funzionale di un misuratore isotropico a banda larga per il campo elettrico.

FIGURA 6 Misuratore isotropico a banda larga Misuratore isotropico a banda larga

b) Procedure per misure a banda larga

Le sonde a banda larga misurano il livello r.m.s. (valore quadratico medio) del campo elettrico o del campo magnetico.
Nel caso specifico di segnali di telefonia mobile, ad esempio, i segnali GSM, con tecnica di accesso TDMA, possono avere una potenza media variabile nel tempo, sulla stessa portante radio, in funzione del numero di canali attivi e della distanza dei terminali mobili collegati. In tale caso, le sonde possono misurare con precisione il livello istantaneo dei campi prodotti ed ottenerne quindi la media su di un periodo di osservazione prefissato (p. es. di 6 minuti). I livelli di campo associati alla potenza massima del centro radio possono invece essere ottenuti elaborando i risultati ottenuti in funzione del rapporto tra la potenza massima prevista all'ingresso delle antenne trasmittenti considerate e quella effettivamente presente al momento delle misure.
Per una valutazione precisa dei livelli di campo elettromagnetico presenti nei siti di misura è opportuno osservare le procedure di seguito descritte.
Le sonde richiedono un azzeramento iniziale e periodico per compensare le derive termiche. Alcuni modelli recenti effettuano questa operazione in modo automatico ed in presenza di esposizione, altri richiedono un azzeramento manuale e in assenza di campo incidente; questa operazione è determinante per la precisione della misura dei livelli prossimi al limite di sensibilità dell'apparato.
La valutazione dei livelli di campo più significativi deve essere effettuata ricercando, in corrispondenza di ogni punto di misura, il livello massimo del segnale ricevuto mediante spostamenti graduali della sonda.
è opportuno osservare che nelle situazioni di forte stazionarietà di campo, a minimi spostamenti possono corrispondere forti variazioni di livello ricevuto. L'accuratezza dedicata a questa fase di misura, quindi, è determinante per la precisione della stessa.
Le misure sono valide quando la sonda è ferma, non sono quindi da considerare i transitori che si possono manifestare nel corso degli spostamenti; se la sonda non è in posizione fissa e preferibilmente remotizzata dall'operatore sono quindi da escludere le funzioni di memoria (max-hold, average) generalmente disponibili.
Nel corso delle misurazioni la sonda non deve essere accostata o posizionata ad oggetti, in particolare metallici, per evitare effetti di risonanza degli elementi riceventi e, quindi, conseguenti letture alterate dei livelli di campo presenti nel punto di misura; al riguardo è buona norma mantenere una distanza minima di almeno 10 cm da qualsiasi oggetto.
Per ottimizzare la precisione della sonda, è necessario impostare sul misuratore ad essa collegato il fattore di calibrazione corrispondente alla banda di frequenza dei possibili segnali interferenti.
Nel caso di sorgenti variabili nel tempo è necessario utilizzare tempi e metodi di misura conformi alle vigenti normative in particolare sugli apparati che dispongono delle funzioni "peak" o "average" è possibile ottenere direttamente sull'indice del misuratore rispettivamente il livello massimo o la media dei livelli ricevuti in un tempo di ascolto prefissato.
Le misure sono effettuate preferibilmente con sonde di campo elettrico, sia per la maggiore estensione delle bande di funzionamento, sia per la maggiore sensibilità rispetto a quelle di campo magnetico.
Nel caso non sia possibile stabilire con certezza la frequenza dei segnali rilevati, è possibile considerare, come termine di confronto, i limiti di esposizione più restrittivi nell'ambito di tutte le possibili frequenze interferenti. Ovviamente l'indicazione che ne deriverà può essere molto conservativa; per un approfondimento è necessario ricorrere a misure selettive in frequenza.

c) Accuratezza degli apparati di misura a banda larga

L'accuratezza degli apparati di misura a banda larga è determinata sostanzialmente dai seguenti fattori:

  • isotropicità della sonda;
  • precisione di calibrazione in frequenza della sonda;
  • linearità di ampiezza della sonda;
  • accuratezza del misuratore applicato alla sonda;
  • risposta in frequenza non piatta;
  • risposta in temperatura (0,05 dB/°C).

Per migliorare l'accuratezza della misura, è necessario ottimizzare la precisione di lettura dello strumento impostando sul misuratore i fattori di calibrazione corrispondenti ai campi di frequenza indicati nelle istruzioni fornite a corredo delle sonde.
A questo scopo, quindi, è importante valutare, prima di effettuare ogni misura, i possibili campi di frequenza dei segnali interferenti e impostare, di conseguenza, un fattore di calibrazione mediato tra quelli corrispondenti ai suddetti campi di frequenza, o quello corrispondente all'emittente più significativa.
L'incertezza di misura totale, riferita ad ogni segnale misurato su ciascun asse considerato, è calcolata secondo le modalità indicate dallo Standard ISO TAG4 1992 per un livello di confidenza del 95%.

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