ELF (Exstremely low frequencies) - ISPRA

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ELF
(Exstremely low frequencies)
STRUMENTAZIONE
DI MISURA
E
METODICHE DI MISURAZIONE
Maria Logorelli
Roma, 8 Novembre 2007
1
Frequency Spectrum
• Lo spettro di frequenza è normalmente
suddiviso in due parti:
– Bassa frequenza (fino a 10kHz)
– Alta frequenza (da 10 kHz)
2
Frequency Spectrum
• Inserire spettro di frequenza
3
Introduzione
Nell’ambito della normativa per la protezione delle
persone da esposizione ai campi elettrici, magnetici
ed elettromagnetici, devono essere stabilite tecniche
di misura appropriate per la verifica dei livelli di
campo elettromagnetico nei diversi ambienti in cui
possono trovarsi la popolazione e i lavoratori.
4
Problematiche
La problematica delle misure si presenta abbastanza
articolata in relazione a:
• tipologia ed eventuale molteplicità delle sorgenti
• caratteristiche del campo emesso dalla/e sorgente/i
(ampiezza, frequenza, tipo di modulazione, etc.)
• caratteristiche del campo nell’area di misura
(variabilità spaziale e temporale) e nel punto di
misura
(campo vicino, lontano, etc.)
• obiettivo delle misure (sorveglianza, indagine
sistematica, analisi puntuale, interventi di bonifica)
5
Scopo
La scelta della strumentazione e della metodologia da
utilizzare nelle misure dipende dalla particolare
situazione in cui ci si trova
Scopo : valutare l’esposizione ai campi elettrici e
magnetici al fine di verificare la compatibilità della
situazione espositiva con le prescrizioni imposte dalla
normativa vigente
6
Tipologia della misura
Le misure con finalità protezionistica possono essere
di 2 tipi:
• misure di esposizione
livelli di riferimento
per valutare le grandezze che caratterizzano il
campo
(elettrico, magnetico o elettromagnetico)
cui
l’organismo è esposto
• misure dosimetriche
limiti di base
per valutare l’energia assorbita dall’organismo umano
esposto e determinare la distribuzione delle correnti
e
dei campi all’interno dello stesso
7
Richiami
Limiti di base e livelli di riferimento
Le restrizioni sull’esposizione sono basate su effetti sanitari
accertati e vengono chiamate restrizioni (o limiti) di base.
Secondo la frequenza, le grandezze fisiche usate per specificare
le restrizioni di base per l’esposizione a campi elettromagnetici
sono la densità di corrente indotta, il SAR e la densità di
potenza. Per la protezione da effetti nocivi per la salute, non si
devono superare queste restrizioni di base.
I livelli di riferimento vengono forniti ai fini di un confronto
pratico con i valori misurati di determinate grandezze fisiche (E,
H, B, S): il rispetto di tutti i livelli di riferimento assicura il
rispetto delle restrizioni di base. Se i valori misurati sono
superiori
ai
livelli
di
riferimento,
non
ne
consegue
necessariamente che siano superate le restrizioni di base, ma è
necessaria un’analisi più dettagliata per verificare il rispetto di
queste ultime.
8
Metodiche di misurazione
Le metodiche di misurazione, valutazione e analisi dei
campi elettrico e magnetico sono stabilite dalla
normativa tecnica di settore (Norme CEI 211-6) e in
aggiunta da altre guide elaborate da organismi
competenti
Norma Italiana CEI 211-6 (anno 2001): “Guida per la
misura e per la valutazione dei campi elettrici e
magnetici nell’intervallo di frequenza 0 Hz - 10 kHz, con
riferimento all’esposizione umana”
9
Metodiche di misurazione
Misure a “banda larga” (broadband): vengono eseguite
con l’impiego di strumenti che, entro un certo intervallo
di
frequenza,
hanno
una
sensibilità
pressoché
indipendente dalla frequenza stessa e forniscono il
valore globale del CE o del CM nell’intervallo
considerato. La larghezza di banda deve essere
abbastanza ampia da consentire la misura di tutte le
frequenze rilevanti
10
Misure in bassa frequenza
Misure di esposizione
La valutazione dell’esposizione viene condotta attraverso
la misura di:
• valore efficace di E (in V/m)
• valore efficace di B (in T o meglio T)
Poiché in bassa frequenza le misure vengono condotte
sempre in regione di campo vicino reattivo [considerando
la frequenza più alta dell’intervallo, 10 kHz, =(c/f)=
30000 m] e poiché in questa regione CE e CM non sono
in
relazione,
la
caratterizzazione
completa
dell’esposizione prevede la misura di entrambi.
Le misure vengono eseguite in banda larga.
11
Normalmente vengono misurati i valori efficaci delle
componenti di E e di B in 3 direzioni mutuamente
ortogonali. Il valore efficace globale di E e di B vale
pertanto:
E E E E
2
x
2
y
2
z
B B B B
2
x
2
y
2
z
12
Misure dosimetriche
Si tratta di misure di densità di corrente indotta su
fantocci simulanti il corpo umano esposti a CE e CM di
caratteristiche note
Nel prosieguo considereremo esclusivamente le
misure di esposizione
13
Misure in bassa frequenza: obiettivi
Le misure di esposizione sono finalizzate alla
verifica della compatibilità di una data
situazione espositiva con i limiti definiti dalle
norme e/o raccomandazioni per la tutela
sanitaria
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Calcoli vs. Misure
La caratterizzazione del CE e del CM può essere effettuata sia
attraverso le misure che attraverso il calcolo.
Il calcolo (indispensabile quando le valutazioni riguardano impianti in
fase di progetto) è di solito limitato a configurazioni per le quali la
sorgente del campo può essere ragionevolmente semplificata (es.
linee elettriche).
Nel caso delle linee elettriche per il calcolo di E deve essere nota
la tensione mentre per il calcolo di B la corrente.
La tensione di una linea è costante mentre la corrente può variare
notevolmente a seconda della richiesta di potenza  le valutazioni
basate sui calcoli possono non essere sufficienti e dovrebbero
essere verificate con misure
15
Calcoli vs. Misure
Nel caso in cui la sorgente sia in condizioni di variabilità
temporale (es. variabilità della corrente), al fine di
ottenere una valutazione completa, le misure andrebbero
condotte per un periodo di tempo significativo.
In alternativa, qualora vengano effettuate misure per
periodi di tempo non sufficientemente lunghi da coprire
l’intera gamma di variabilità e nel caso in cui si
conoscano le variazioni dei carichi in corrente, possono
essere effettuate delle estrapolazioni sui valori di
induzione magnetica prodotti (grazie al legame di
proporzionalità diretta tra corrente circolante e B),
eseguendo correzioni sui valori misurati per ottenere i
valori di campo ai massimi carichi.
16
Strumentazione di misura
Le misure dovrebbero essere condotte con uno strumento
in banda larga triassiale (isotropico) in modo da indicare
direttamente il valore efficace del campo misurato.
La banda passante dello strumento deve essere
appropriata al contenuto in frequenza del campo in
esame.
Nel caso di impianti elettrici di potenza la banda
passante deve estendersi da 50 a 500 Hz per
considerare oltre alla frequenza fondamentale (50 Hz)
anche le prime armoniche. In situazioni di vicinanza alle
linee la banda passante può essere più stretta.
17
Strumentazione di misura
Nel caso di sorgenti diverse dagli impianti elettrici di
potenza, con frequenza fondamentale diversa dai 50 Hz
(es. alcuni sistemi di trazione), è necessario scegliere la
banda passante in modo appropriato.
Le misure devono essere condotte con strumentazione la
cui taratura sia in corso di validità.
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Sensori
Parametri fondamentali alla valutazione dell’idoneità
di uno strumento per una misura sono:
– l’accuratezza, cioè l’attitudine a fornire risposte
prossime al valore vero (incertezza strumentale);
– la sensibilità, cioè il livello del minimo segnale
misurabile;
– la gamma dinamica, che è il rapporto tra il valore
minimo ed il valore massimo misurabili;
– la banda passante, che specifica l’intervallo di
frequenze a cui lo strumento fornisce una risposta
corretta entro determinati margini di errore.
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Catena strumentale
Nella struttura generale degli strumenti di misura si
riconoscono tre componenti fondamentali:
– il sensore, che si accoppia al campo generando ai
suoi terminali una grandezza elettrica (tensione o
corrente) proporzionale al campo;
– la linea di collegamento, che trasferisce il segnale
dal sensore all’apparato di misura;
– l’apparato di misura, che elabora il segnale
ricevuto e fornisce una indicazione quantitativa del
valore di campo misurato
20
Sensori
• Devono rispondere ad
un solo parametro (E,
H) in modo
significativo;
• Devono
avere
dimensioni tali da non
perturbare la misura.
21
Sensori capacitivi
• Sono formati da due
masse metalliche di
dimensioni tali che il
campo possa
considerarsi uniforme su
di esse;
• Per induzione elettrica,
si formano su di esse
delle cariche che
variano nel tempo
secondo il campo
inducente;
• Nel circuito di misura
che collega le due masse
scorre una corrente
proporzionale ad
intensità e frequenza
del campo E incidente.
22
Sensori capacitivi
• Un sensore di questo
tipo è il dipolo corto,
costituito da due bracci
metallici isolati e
contrapposti;
• La struttura aperta lo
rende “insensibile” al
campo magnetico;
• Ai capi dei due bracci si
rende disponibile una
tensione proporzionale al
campo E incidente:
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Sensori induttivi
• Sono costituti da una
superficie anulare
chiusa che taglia le
linee di forza di un
campo magnetico;
• Le dimensioni devono
essere tali da poter
considerare H costante
sul sensore;
• Per induzione
magnetica, è disponibile
ai terminali una
tensione proporzionale
all’intensità del campo
ed alla sua frequenza.
24
Sensori induttivi
• Un sensore di questo tipo è la spira piccola, ai cui capi si
produce una tensione pari a:
V
f 2 D 2 H
: permeabilità magnetica del mezzo
2
•Le tensioni indotte
in ogni tratto
dell’anello si
annullano, quindi
sono “insensibili” al
campo elettrico
25
Isotropia
•
•
Gli strumenti isotropici sono dotati di tre sensori
disposti in tre direzioni ortogonali che forniscono tre
segnali (tensioni) che sommati danno il valore del
campo in un punto
Variando l’orientamento del sensore la misura
teoricamente non cambia, quindi è sufficiente una
singola misura per ogni punto
•
In realtà i tre sensori, non essendo perfettamente
identici, daranno origine ad un certo errore di
anisotropia
26
Esempio di strumento di misura
EFA 3
(Wandel & Goltermann)
27
EFA 3
• L’ EFA 3 può essere utilizzato sia per misure
di campo magnetico sia per quelle di campo
elettrico con i relativi sensori
• Possono rilevarsi valore di picco o valori
efficaci (da meno di 1nT fino a 31,6 mT per il
campo magnetico e da 1V/m a 100 kV/m per il
campo elettrico)
28
Misure in continuo
Volendo analizzare l’andamento del campo
elettrico e magnetico nel tempo in prossimità
di una sorgente a bassa frequenza possiamo
utilizzare le centraline di monitoraggio.
29
Misura dell’esposizione umana
Misure effettuate in un campo elettrico o magnetico
pressoché
uniforme
corrispondono
all’esposizione
dell’intero corpo umano.
Misure in presenza di campi non uniformi richiedono
valutazioni più complesse poiché la misura del campo
rappresenta l’esposizione umana solamente per quella
parte anatomica che coincide con il punto di misura.
La scelta del punto di misura varia in funzione della
sorgente del campo e della posizione relativa del
soggetto umano (es. differenze tra misure di B su rasoi
elettrici, asciugacapelli, macchine per cucire, etc.)
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Quello che viene misurato sono i campi elettrico e
magnetico non perturbati: vengono misurati cioè in
assenza dei soggetti esposti e di elementi “perturbanti”.
 A differenza del campo magnetico, il campo elettrico
è perturbato dal corpo umano  le misure di CE
devono
essere eseguite in condizione di non
vicinanza
dell’operatore e di qualsiasi altro soggetto
(almeno 3 m)
 Evitare la misura di campo elettrico in vicinanza di
“punte” (arbusti, spigoli di recinzioni, balconi, etc.),
altro elemento “perturbante”
 Evitare la misura di campo magnetico in vicinanza di
masse ferrose
31
Una valutazione completa dell’esposizione umana in una
zona specificata richiede che vengano misurati sia il
campo elettrico che il campo magnetico.
Devono inoltre essere analizzate e caratterizzate le
variazioni spaziale e temporale del campo in esame.
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Analisi delle variazioni spaziali
I punti di misura devono essere distribuiti in maniera
uniforme sull’intera area da caratterizzare e devono
essere in numero commisurato alla superficie in esame.
In ambienti interni, ad esempio, può essere definito un
punto di misura ogni mq di superficie.
La sonda di misura deve essere posta all’altezza di 1 m
(o 1.5 m) dal piano di calpestio.
In casi di campo molto disuniforme possono essere
effettuate misure aggiuntive posizionando la sonda di
misura alle altezze di 1.1 m e 1.9 m dal piano di
calpestio.
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Analisi delle variazioni spaziali
Mappatura dell’induzione magnetica in un tipico ambiente domestico
34
Analisi delle variazioni temporali
Campo elettrico
Dipendendo dalla tensione, è praticamente costante nel
tempo. Piccole variazioni possono essere rilevate al
variare delle condizioni atmosferiche (es. strutture
umide in un giorno di pioggia).
Anche oggetti conduttori in movimento vicino al punto di
misura causano variazioni di CE.
35
Campo magnetico
Dipendendo dalla corrente, è fortemente variabile nel
tempo

il problema è determinare un intervallo
temporale per la registrazione delle misure che capti
abbastanza variazioni del campo da poter ottenere una
valida registrazione statistica.
Inoltre, nel caso di una linea elettrica, tramite misure
eseguite in un determinato momento e la conoscenza
della corrente trasportata nei diversi periodi dell’anno
possono essere effettuate delle estrapolazioni per
individuare i livelli di esposizione più gravosi.
Anche oggetti ferromagnetici (es. automobili, camion,
etc.) in movimento vicino al punto di misura causano
variazioni di CM.
36
A causa delle differenti condizioni atmosferiche le correnti di
carico hanno subito variazioni significative  anche B ha subito
variazioni significative
37
38
Protocollo di misura: sintesi
 Scelta della strumentazione (preferibilmente triassiale
e
con incertezza di misura minore del  10%)
 Identificazione delle sorgenti
 Indagine preliminare mediante misurazioni “spot” per
identificare i punti in cui i livelli di CE e CM sono più
elevati (le misure di CM dovrebbero essere eseguite,
se
possibile, nei periodi in cui le correnti di
funzionamento
delle sorgenti siano massime)
 Nei punti di misura individuati tramite l’indagine “spot”
(punti peggiori) eseguire le rilevazioni con la testa
della sonda posta a 1 m (o 1.5 m) dal piano di calpestio
nel
caso in cui i campi siano uniformi; aggiungere 2
rilevazioni a 1.5 m e 1.9 m in caso di campi non
uniformi
39
Protocollo di misura: sintesi
 Nelle misure di CE la sonda deve essere posta a distanza
da
superfici conduttrici. Si devono evitare gli effetti
di
vicinanza
anche dell’operatore e di eventuali osservatori
 Nelle misure di CM devono essere evitati gli effetti di vicinanza
con materiali ferromagnetici. La distanza tra il
punto di misura
e la sorgente deve essere di almeno 1
m
 Per acquisire informazioni sulle variazioni temporali, le misure
dovrebbero essere eseguite su periodi di 24 h
con intervalli di
campionamento sufficientemente
dettagliati. I risultati delle
misurazioni “spot” e la
conoscenza delle variazioni temporali
delle correnti di
funzionamento possono essere usati per
estrapolare i valori dell’induzione magnetica in altri periodi
temporali
40
Presentazione dei risultati
I risultati delle misurazioni vengono riportati in una
relazione tecnica finale che deve contenere:
• descrizione dell’impianto sorgente dei campi rilevati
(es. corrente di carico, tensione, etc.)
• costruttore, modello, numero di serie, incertezza di
misura totale e data ultima taratura dello strumento
misuratore
• data e durata delle misure
• banda passante dello strumento misuratore e frequenza
di campionamento
• metodica di misura adottata (es. altezza della sonda
rispetto al piano di calpestio)
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Presentazione dei risultati
• documentazione (foto, disegni) che descrivano l’area in
cui sono state eseguite le misure
• condizioni atmosferiche al momento dei rilievi
• tecnico o tecnici che hanno eseguito i rilievi
• riferimenti normativi (leggi, raccomandazioni e norme
tecniche applicabili)
• conclusioni sui risultati ottenuti in base ai limiti di
riferimento per la popolazione e/o i lavoratori
42
Grazie per
l’attenzione!
43

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