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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

3.II. Principi generali di funzionamento

La struttura funzionale delle centraline

Per quanto riguarda l'hardware, le centraline sono tipicamente costituite dai blocchi funzionali rappresentati nello schema seguente:

FIGURA 9 Tipico schema a blocchi di una centralina Tipico schema a blocchi di una centralina

Le caratteristiche dei singoli blocchi funzionali sono variabili e dipendono dalle scelte progettuali dei costruttori, tuttavia è possibile indicare le funzioni di base di ciascun blocco (figura 9).

Il sensore

Ha lo scopo di convertire il valore del campo elettrico (o del campo magnetico) in una tensione proporzionale al valore efficace del campo, ottenuto come risultante delle tre componenti spaziali della polarizzazione. Il sensore comprende:

  • sistema isotropico di antenne a larga banda (tipicamente da 100 kHz a 3 GHz), nel caso di sensori ad alta frequenza, o di avvolgimenti, nel caso di sensori a bassa frequenza (da qualche Hz a 100 kHz);
  • reti di filtraggio e amplificatore operazionale;
  • sensore di temperatura e sistema di compensazione della deriva termica dei diodi.

Unità di processo e memorie

Costituisce la parte intelligente della centralina. Svolge le seguenti funzioni di base:

  • supervisione di tutti i blocchi funzionali;
  • gestione dei programmi residenti e dei settaggi esterni;
  • gestione dei campionamenti delle grandezze del campo;
  • elaborazioni statistiche dei campioni rilevati dal modulo sensore;
  • gestione delle interrogazioni remote e locali;
  • gestione trasmissione dati;
  • gestione del B.I.T.E (allarmi di mal funzionamento).

Modulo di trasmissione

Ha lo scopo di realizzare la connessione e la gestione del collegamento remoto via GSM.

Sistema autonomo di alimentazione

Fornisce l'alimentazione alla centralina. Il sistema è costituito da un pannello fotovoltaico che ricarica una batteria tampone di capacità opportunamente dimensionata.

Interfaccia locale

Consente il settaggio e lo scarico locali dei dati tramite PC.

La validazione dei dati

Come sarà successivamente trattato, le centraline inviano su interrogazione remota i dati registrati durante ogni ciclo di monitoraggio ad un centro raccolta dati (CRD).
Le modalità di interrogazione delle centraline ed il formato dei dati varieranno in relazione ai programmi residenti ed al settaggio del sistema.
I dati registrati saranno in generale costituiti da files formattati in relazione alla tipologia delle centraline utilizzate e comunque esportabili dalle centraline in modalità remota.
Prescindendo comunque dalle suddette caratteristiche, che dipendono dalle soluzioni progettuali adottate dai costruttori e quindi dal funzionamento delle centraline, i dati che esse forniscono devono comunque essere compatibili per il successivo confronto con le prescrizioni previste dalla normativa del settore.
Sorge quindi l'esigenza di validare i dati forniti dal sistema sia sotto tale profilo, sia sotto il profilo della coerenza con le finalità operative della rete stessa. A tale fine è necessario stabilire i criteri di validazione dei dati che devono tenere conto della normativa in vigore, dei limiti strumentali delle tecnologie, e delle condizioni operative nelle quali le stesse potranno essere impiegate.
Da ciò consegue una doppia verifica: la prima (validazione tecnica) riguardante la significatività dei dati registrati, nel contesto delle prescrizioni tecniche previste dalle norme; la seconda (validazione operativa) attiene all'accertamento che i dati ottenuti, ancorché corretti sotto il profilo tecnico, siano anche utilizzabili nel contesto operativo delle rete.

a) La validazione tecnica

I due D.P.C.M. dell' 8 luglio 2003 nel prescrivere i limiti per la protezione della popolazione dalla esposizione ai c.e.m. ad alta e bassa frequenza, stabiliscono che le misurazioni siano eseguite secondo le indicazioni dalla norma CEI 211-7/01, per le misure dei campi elettromagnetici ad alta frequenza, e della norma CEI 211-6/01 per la misure a bassa frequenza.
Sotto tale aspetto occorre evidenziare che le centraline adottano il sistema di misura a banda larga e quindi non solo il metodo di misura deve essere conforme alle indicazioni previste dalle citate norme CEI per tale tipologia di misura, ma i risultati delle misure devono essere assunti tenendo conto dei limiti intrinseci di dette rilevazioni strumentali.
In particolare si evidenziano i seguenti aspetti:

  • La gestione dell'incertezza del valore misurato.
    I dati misurati dallo strumento (e quindi dalla centralina) devono essere presentati unitamente all'incertezza del valore della misura (circa 3 dB per la misure alle alte frequenze, valori più contenuti per la basse frequenze).
    Tale prescrizione è fondamentale per il confronto dei risultati delle misure con i limiti previsti dalla normativa. Allo scopo di evidenziare l'importanza di tale aspetto nel contesto della validazione tecnica dei dati, si consideri la seguente situazione esemplificativa.
    Si supponga che una centralina abbia registrato una misura dell'intensità di campo elettrico ETOT in un generico punto del territorio. Occorre ora confrontare il risultato ottenuto con, ad esempio, il valore di attenzione di 6 V/m fissato dal citato decreto.
    Nella figura 10 sono riportate quattro situazioni possibili. Nella misura a, il valore ottenuto è di 5.4 V/m ed è quindi inferiore al limite di norma. Il suo intervallo di incertezza è però di ampiezza tale da superare almeno in parte i 6 V/m.
    Non essendo possibile stabilire con certezza se il valore corretto della misura appartiene o meno alla porzione dell'intervallo al di sotto del limite, nulla si può dire sulla conformità o meno del livello campo ai limiti della norma nel punto spaziale indagato.
    FIGURA 10 Esempio in cui l'incertezza incide sull'esito di una misura del campo elettrico Esempio in cui l'incertezza incide sull'esito di una misura del campo elettrico

    In situazioni come questa, la strumentazione impiegata si dimostra inadeguata a fornire indicazioni certe. Diviene pertanto necessario procedere con strumentazione e metodologie di misura più accurate (misure a banda stretta).
    Nella situazione b lo stesso risultato, 5,4 V/m, è ottenuto mediante strumentazione più accurata. In questo caso, l'intervallo di fiducia è sufficientemente stretto da poter verificare la conformità del punto di indagine ai limiti di norma. Ogni valore dell'intervallo risulta infatti inferiore al limite di 6 V/m. Situazioni analoghe alle precedenti si riscontrano nei casi c e d, in cui il valore ottenuto è questa volta di 6,6 V/m, e quindi superiore ai 6 V/m. In c, l'eccessiva incertezza di misura non permette di stabilire la “non-conformità” del sito di indagine. Diverso è invece il caso in d dove l'intero intervallo di fiducia risulta superiore al limite di norma (sito non conforme).
    Gli esempi trattati evidenziano la necessità e l'importanza di operare con accuratezze note e più elevate possibili, soprattutto nei casi in cui le misure ottenute approssimano i limiti di norma.
    D'altra parte per questo motivo, e per altri che saranno esposti successivamente, la rete di monitoraggio, allo stato dell'arte delle centraline, non può verificare il rispetto dei limiti previsti dalla normativa
    Nel paragrafo successivo saranno esaminati i possibili scenari di utilizzazione dei dati centraline, alla luce dei limiti tecnici che esse attualmente presentano.
    In tale contesto e dopo quanto esposto, è possibile anticipare che per l'utilizzazione dei dati come segnali di “warning” sarà necessario che la soglia di allarme, che deve essere settata nelle centraline in relazione al limite di legge applicabile nell'area di monitoraggio, tenga conto sia dell'ampiezza dell'intervallo di fiducia, sia del suo posizionamento, e quindi del valore misurato, rispetto al valore del limite che si applica..
    In margine all'argomento, si rappresenta che per quanto riguarda il problema degli effetti dell'incertezza di misura sulla decisione da assumere in merito al superamento di un valore di “soglia”, in assenza di più raffinate tecniche di misura, si potrebbe adottare il cosiddetto criterio del rischio condiviso (“shared risk”) tra chi esegue la misura e l'autorità che deve controllare. Tale criterio può essere schematicamente riassunto nel modo seguente. I livelli di intensità di campo misurati con una incertezza contenuta entro 3 dB possono essere confrontati direttamente con i “valori limite” prescritti dalle normative in materia: il limite è rispettato se il valore misurato è inferiore, è superato nel caso contrario. I livelli di campo ottenuti con strumenti o catene strumentali aventi incertezza superiore a 3 dB sono da ritenersi solo indicativi e possono essere utilizzati quando differiscono dai “valori limite” di una quantità superiore alla incertezza di misura dichiarata. In questo caso, infatti, se al valore misurato si aggiunge l'incertezza e la somma è ancora inferiore al “limite” si ha un'alta probabilità che il valore “presunto” del campo sia inferiore a tale limite (e similmente, ma con opposta conclusione, per un valore misurato più alto della soglia prescritta, al quale va sottratta l'incertezza prima di effettuare il confronto). Negli altri casi non si può prendere una decisione ed è necessario ripetere le misurazioni con strumentazione che garantisca una maggiore accuratezza.
  • L'isotropia della sonda
    Occorre puntualizzare un aspetto specifico riguardante l'isotropia della sonda.
    Per quanto riguarda le sonde ad alta frequenza l'uscita della sonda isotropa, costituisce il segnale proporzionale al valore efficace del campo elettrico. Questo segnale, a corrente continua, è immesso nella catena strumentale attraverso la cosiddetta discesa resistiva costituta da un conduttore sul quale però può accoppiarsi il campo elettrico esterno dando luogo ad una corrente che entra anch'essa nella catena strumentale falsando, in eccesso, il valore della misura.
    Per evitare questa fonte di errore, la norma CEI 211-7/01 prevede che prima della misura la sonda sia orientata nella direzione di minimo accoppiamento con il campo (cioè nella direzione di minima lettura). Mentre tale operazione è agilmente fattibile nella quasi totalità degli strumenti a banda larga, può essere inattuabile in quelle centraline il cui sensore è, per costruzione, solidale con la struttura della centralina che, a sua volta, ha un posizionamento obbligato rispetto al supporto di sostegno.
    Per le sonde a bassa frequenza, con specifico riferimento a quelle per la misura dell'induzione magnetica, gli aspetti dell'anisotropia si manifesta essenzialmente in regioni di campo magnetico ad elevata disomogeneità.
    Le sonde magnetiche, costituite da tre bobine miniaturizzate mutuamente ortogonali, possono non presentare un punto centrale comune, e comunque la loro estensione spaziale può essere significativa se confrontata con la disomogeneità del campo e ciò introduce un errore sistematico nella misura.
  • I dati anomali
    Si definisce anomala la classe di dati che, se pur corretti sotto il profilo della esecuzione della misura, non possono tuttavia essere utilizzati per la seguenti circostanze:
    • Interferenza del sistema di trasmissione dati con il sensore della centralina.
      Nel funzionamento in rete le centraline possono inviare al C.R.D. messaggi di allarme (SMS) legati a particolari eventi critici che tipicamente riguardano le seguenti categorie di eventi:
      • superamenti del valore della soglia di allarme del campo misurato;
      • malfunzionamenti della centralina;
      • alimentazione insufficiente.
      In tali circostanze il valore di campo misurato potrebbe essere affetto dal contributo del modem della centralina stessa e non può essere utilizzato. È quindi necessario depurare dall'insieme dei dati quelli registrati durante la trasmissione degli allarmi (in generale le centraline di ultima generazione sono dotate di specifica funzione che provvede alla marcatura di tali dati).
    • Valori di campo inferiori alla sensibilità del sensore.
      La sensibilità tipica dei sensori a larga banda è di 0,25-0,5 V/m per il campo elettrico (per le sonde ad alta frequenza) e dell'ordine di 10.nT per l'induzione magnetica (per le sonda a bassa frequenza). Se il sistema registra dati inferiori al valore della sensibilità essi non possono considerarsi validi e quindi negli istanti di registrazione e nelle statistiche, tali dati vanno sostituiti con quello della sensibilità dichiarata.
    • Valori di campo superiori ai valori attesi.
      Tale caso può essere originato da diverse cause fra le quali le più ricorrenti sono:
      • risposte anomale del sensore dovute a componenti spettrali fuori della banda di funzionamento;
      • risposte anomale del sensore in presenza di segnali modulati in ampiezza o di segnali impulsivi (per le sonde ad alta frequenza);
      • alterazione intenzionale o incidentale dei dati provocata dalla vicinanza della sonda a terminali mobili attivi (telefoni cellulari).
      Un attento esame dei dati e l'esperienza degli operatori consentono, il più delle volte, di valutare le anomalie dei valori anche ricorrendo al confronto dei dati disponibili dalla caratterizzazione elettromagnetica preventiva dell'area come indicato nel paragrafo che segue.

b) La validazione operativa

Diversamente da quella tecnica, la valutazione operativa dei dati registrati dalle centraline tende ad accertare la significatività della misure in relazione alle finalità del monitoraggio.
Potrebbe quindi verificarsi che i dati registrati delle centraline, pur corretti sotto il profilo tecnico, risultino non significativi cioè non utilizzabili nel contesto del monitoraggio.
Per la validazione operativa si prevedono attività e prescrizioni nelle fasi antecedente e seguente al ciclo di monitoraggio.

Fase precedente al monitoraggio
  • Scelta con criterio areale delle postazioni di misura.
    Lo scopo è di ricercare la conservatività spaziale più vasta possibile ai dati che saranno registrati.
    Per le alte frequenze, la scelta deve possibilmente tenere conto della tipologia degli impianti radioelettrici dislocati sul territorio (impianti per la diffusione radio televisiva, impianti per telefonia mobile o impianti per collegamenti in ponte radio), delle loro caratteristiche tecniche e, se noti, dei diagrammi di radiazione delle antenne.
    Per le basse frequenze, occorre considerare lo sviluppo lineare della campata e la eventuale compresenza di più linee nella zona in esame. In tale ultimo caso, occorre anche valutare le relazioni di fase delle correnti afferenti alle diverse linee.
  • Individuazione puntuale della localizzazione della centralina.
    Il posizionamento sul terreno della centralina deve contemperare sia esigenze tecniche per soddisfare le prescrizioni CEI 211-7/2001 (per le alte frequenze), e CEI 211-6/2001 (per le basse frequenze) previste per i sensori a banda larga, sia esigenze di sicurezza fisica e di funzionamento del sistema (copertura GSM).
  • Misure preventive di caratterizzazione elettromagnetica dell'area come da norme. CEI 211-7/2001 (per le alte frequenze), e CEI 211-6/2001 (per le basse frequenze).
    La preventiva determinazione dei livelli di campo elettromagnetico o dell'induzione magnetica presenti nell'area ha il duplice scopo di individuare il punto più critico, sia in termini di valori di campo, sia in termini di tipologia del luogo, con l'acquisizione di dati preventivi, con i quali verificare la congruenza della successiva serie di dati che saranno registrati nel ciclo di monitoraggio. In tale fase sarebbe opportuno effettuare anche l'analisi spettrale del campo per individuare il fattore di correzione da applicare ai successivi dati.
  • Durata del monitoraggio (ciclo di registrazione), per ogni posizionamento delle centraline.
    Per il monitoraggio alle alte frequenza, in fase di pianificazione il ciclo di registrazione potrà essere stabilito in 3 - 5 giorni in relazione alla tipologia degli impianti radioelettrici tributari del campo elettromagnetico totale (tipicamente 7 giorni per le stazioni radio base e 5 giorni per gli impianti per la diffusione del servizio radio e televisivo). Va comunque precisato che la durata minima del ciclo di monitoraggio deve essere valutata al termine del ciclo stesso verificando che sia stata raggiunta la stabilità dei dati.
    Per il monitoraggio degli elettrodotti, il DPCM 8 luglio 2003 prescrive che la verifica del rispetto dei limiti sia effettuata con misurazioni dell'induzione magnetica nell'arco delle 24 ore. La norma però non specifica quanti cicli di 24 ore debbano essere effettuati, nè fa riferimento agli andamenti stagionali del carico elettrico sulle line dal quale dipendono i valori dell'induzione magnetica.
Fase successiva al monitoraggio
  • Verifica di plausibilità dei dati misurati e registrati dalla centralina.
  • Verifica di congruenza dei risultati delle misure con i risultati di caratterizzazione elettromagnetica preventiva.
  • Verifica della stabilizzazione dei dati.
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