czujniki pola elektromagnetycznego na przykładzie sond pola

Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM’04
_________________________________________________________________________________
Paweł BIEŃKOWSKI
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji i Akustyki
Laboratorium Wzorców i Metrologii Pola Elektromagnetycznego
CZUJNIKI POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO
NA PRZYKŁADZIE SOND POLA ELEKTRYCZNEGO
MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI
Praca prezentuje podstawowe cechy metrologii pola elektromagnetycznego zwłaszcza
w zastosowaniu do bezpieczeństwa pracy i ochrony środowiska przed szkodliwym
działaniem pola, gdzie pomiary są prowadzone w polu bliskim. Dokonano analizy czujnika
pola elektrycznego z krótką anteną dipolową. Przedstawiono możliwości kształtowania
parametrów na przykładzie sond z zakresu ELF i VLF (10Hz – 100kHz). Zaprezentowano
sondę o kształtowanej charakterystyce częstotliwościowej zgodnej z polskimi przepisami
ochronnymi, a analizy teoretyczne zweryfikowano pomiarami sondy w polu wzorcowym.
LOW FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD PROBES
AS AN EXAMPLE OF ELECTROMAGNETIC FIELD SENSORS
In the paper are presented the basic features of the electromagnetic field metrology,
especially in application to the labour safety and general public protection against
electromagnetic field hazard, where the measurements are mostly performed in the near
field. The author analyzed the electromagnetic field sensor with short dipole antenna.
Furthermore, the author discussed possibilities of modifying sensor parameters by the
example of the probes from range ELF and VLF (10Hz – 100kHz). He presented the probe
with shaped frequency response in accordance with polish protection standards, and
verified theoretical analysis with measurements with the probe in a standard field.
1. WSTĘP
Metrologia pola elektromagnetycznego (PEM) stanowi podstawowe narzędzie dla
większości badań związanych z oddziaływaniem PEM na materię ożywioną i nieożywioną,
bezpieczeństwem pracy przy urządzeniach wytwarzających PEM czy ochroną środowiska
przed niepożądanym działaniem PEM. Większość tych badań odbywa się w polu bliskim
źródła, co narzuca dosyć rygorystyczne wymogi na czujniki pola i stosowane metody
pomiaru. W celu przybliżenia potrzeb pomiarowych na rysunku 1 przedstawiono wyciąg z
polskich przepisów dotyczących bezpieczeństwa pracy w PEM dla składowej elektrycznej
[1]. Przedstawione na wykresie wartości natężenia pola odpowiadają dopuszczalnemu
narażeniu w czasie zmiany roboczej (granica strefy pośredniej i zagrożenia - E1(f)). Wartości
graniczne dla pozostałych stref wyznaczane są według zależności:
-strefa niebezpieczna (wartość graniczna między strefą niebezpieczną i zagrożenia):
E2(f)=10E1(f), H2(f)=10H1(f) ,
Paweł BIEŃKOWSKI
_________________________________________________________________________________
168
-strefa pośrednia (wartość graniczna między strefą pośrednią i bezpieczną):
E0(f)=E1(f)/3, H0(f)=H1(f)/3 .
Powyższe zależności wyznaczają jednocześnie wymagany zakres mierzonych pól w
funkcji częstotliwości.
10 000
10000
E [V/m]
1000
100
100
20
10
1
0.1
1
10
1k
1G
1M
1000 GHz
Rys. 1. Przebieg dopuszczalnego natężenia pola E w funkcji częstotliwości
dla narażenia odpowiadającego zmianie roboczej
Fig. 1. Frequency limit value of E-field strength for workers and continuous
exposure over a full working day
2. CZUJNIKI POLA ELEKTRYCZNEGO
W pomiarach pola bliskiego składowej elektrycznej stosuje się różne rodzaje czujników.
Pierwszą klasą są czujniki wymagające do prawidłowej pracy ziemi odniesienia (ang. groundreferenced meters). Do tej klasy zalicza się mierniki z elektrodami płaskimi i
niesymetrycznymi antenami prętowymi. Zdaniem autora mierniki takie są mało przydatne do
pomiarów inspekcyjno-kontrolnych ze względu na bardzo restrykcyjne wymagania dotyczące
warunków pomiaru wynikających z dużej wrażliwości czujnika na sprzężenia związane z
występowaniem w otoczeniu punktu pomiarowego elementów przewodzących, czy też osoby
wykonującej pomiar. Drugą klasą mierników są mierniki z symetrycznymi antenami
dipolowymi (ang. free-body meters), które właśnie dzięki symetrii są dużo mniej wrażliwe na
pasożytnicze sprzężenia. Czujniki tej klasy zostaną poddane analizie w tej pracy.
Ca
Rf
Cf
D
Rf
Rf
Lp
linia transparentowa
ea
Cp+f
C
Rys. 2. Czujnik pola elektrycznego i jego schemat zastępczy
Fig. 2. E-field sensor and its equivalent circuit
R Um
Czujniki pola elektromagnetycznego na przykładzie sond pola elektrycznego ...
169
_________________________________________________________________________________
Budowę typowego czujnika pola elektrycznego oraz jego schemat zastępczy przedstawiono
na rysunku 2. Napięcie indukowane w antenie reprezentuje źródło o SEM ea sprzężone z
resztą układu przez pojemność anteny. Ca, Cp i Lp reprezentują odpowiednio pojemności i
indukcyjności pasożytnicze związane z montażem i niedoskonałością elementów. W
rozpatrywanym zakresie częstotliwości wpływ tych czynników jest pomijalny, ale dla
kompletności analizy zostały uwzględnione w schemacie zastępczym. Cf i Rf to elementy
filtru
dolnoprzepustowego
pozwalającego
na
kształtowanie
charakterystyki
częstotliwościowej czujnika zwłaszcza w zakresie wysokich częstotliwości. C i R reprezentują
parametry detektora. Transmitancja takiego układu [2], rozumiana jako stosunek napięcia na
detektorze do napięcia wyindukowanego w antenie, opisana jest zależnością (1):
T f ( jω ) =
1
 L p  C p+ f
 C p+ f + C 
1
1 +
+
1 +
+ jω 


 R 
Ca
Ca

 jωRC a



 + R f C a + C p+ f


(

) +
1
 C p+ f 
 + jω 3 L p C p + f R f C
− ω 2 L p C 1 +
C a 


.
(1)
Analiza przebiegu funkcji (1) pozwala wyróżnić trzy charakterystyczne zakresy
częstotliwości:
•
zakres niskich częstotliwości, przy których transmitancja rośnie i wynosi:
T ( jω ) ≅ ωRC a ,
•
(2)
zakres średnich częstotliwości, gdzie transmitancja jest stała:
T ( jω ) ≅
Ca
.
C + Ca + C p+ f
(3)
Jest to najbardziej interesujący ze względów metrologicznych zakres, którego granice
wyznaczają częstotliwości 3dB spadku transmitancji:
-dolna:
fd =
1
,
2π ⋅ R C a + C p + f + C
(
)
(4)
),
(5)
-górna:
fg =
Ca + C p+ f + C
(
2π ⋅ RC a C p + f + C
• zakres częstotliwości, wysokich, gdzie ujawnia się wpływ filtru antenowego:
T ( jω ) ≅
1
.
ωR f C + C p + f
(
)
(6)
Paweł BIEŃKOWSKI
_________________________________________________________________________________
170
Z powyższych zależności wynikają możliwości korygowania zarówno kształtu
charakterystyki częstotliwościowej jak i wartości transmitancji, co ma bezpośredni wpływ na
czułość układu. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki analiz uwzględniające charakterystyczne
zakresy częstotliwości pracy sond pomiarowych.
1
|T(jω)|
AE-1
AE-3'
0.1
10 -2
10 -3
10 -4
10 -5
1
AE-3
AE-4'
AE-4
1k
1M
1G f [Hz]
Rys. 3. Charakterystyki częstotliwościowe sond pomiarowych w różnych zakresach częstotliwości
Fig. 3. Frequency response of E-field sensors in different frequency ranges
Symbolem AE-1 oznaczono charakterystykę sondy do pomiaru w zakresie radiofal (0.1-300
MHz) przeznaczoną do współpracy z miernikiem MEH. Dwie kolejne krzywe narysowane
linią ciągłą obowiązują dla modyfikacji tej sondy, przeznaczonej do pracy w paśmie VLF
(AE-3: 1-100kHz) i ELF (AE-4: 30 – 1000 Hz). Zmianę charakterystyki uzyskano dzięki
korekcie parametrów filtra CfRf. Pozwoliło to co prawda na uzyskanie wymaganego
przebiegu charakterystyki częstotliwościowej, ale kosztem znacznego spadku czułości.
Analiza wykresów z rysunku 1 pozwala stwierdzić, że przy założeniu wystarczającej czułości
sondy AE-1, sondy AE-3 i AE-4 będą miały za małą czułość. Wartość transmitancji czujnika
przy zachowaniu kształtu charakterystyki częstotliwościowej można zwiększyć podnosząc
rezystancję detektora. Charakterystyki otrzymane tą drogą przedstawione są na rysunku 3
linią przerywaną. Efekt taki można uzyskać dobierając odpowiednią diodę detekcyjną
(optymalizowaną na maksimum iloczynu CR, nawet kosztem obniżenia górnej częstotliwości
pracy, która i tak jest tu sztucznie ograniczana) lub przez zastosowanie specjalnych rozwiązań
układowych. Zestawienie parametrów typowych sond pomiarowych opracowanych w ITA
Politechniki Wrocławskiej przystosowanych do współpracy z
miernikiem MEH
przedstawiono w tabeli na końcu tej pracy.
Czujniki pola elektromagnetycznego na przykładzie sond pola elektrycznego ...
171
_________________________________________________________________________________
3. ELF (10Hz – 1 kHz)
Prawidłowo skonstruowany szerokopasmowy miernik PEM na dowolny zakres
częstotliwości powinien mieć znaną charakterystykę częstotliwościową w całym paśmie
pomiarowym, a poza tym pasmem jego czułość nie powinna być dla żadnej częstotliwości
wyższa niż w paśmie pracy. Nabiera to szczególnego znaczenia w zakresie ELF, ze względu
na to, że najbardziej powszechnym źródłem pola elektrycznego w tym paśmie jest
energetyczna sieć wysokiego napięcia. Skutkuje to tym, że na rynku są dostępne mierniki
nazywane czasami „miernikami sieciowymi” (ang. power line meter) lub miernikami „50Hz”.
Doświadczenie uczy, że mierniki takie zwykle mają bliżej nieokreśloną (a czasami wręcz
nieznaną nawet producentowi) charakterystykę częstotliwościową, a są jedynie wzorcowane
dla częstotliwości 50Hz (lub 60Hz w USA). Jeżeli spojrzymy na rysunek 3, to łatwo
zauważyć, że również sonda AE-1 może pełnić rolę takiego czujnika. Wystarczy wyskalować
ją dla częstotliwości 50Hz. Pomiary wykonane takim miernikiem mogą być poprawne jedynie
w przypadku występowania w punkcie pomiarowym czystego pola harmonicznego o
częstotliwości 50Hz. Już pojawienie się harmonicznych przebiegu podstawowego lub np. pól
z zakresu radiofal o stosunkowo niewielkim natężeniu w sposób znaczący zafałszuje wyniki
pomiaru. Niestety rozwiązania takie autor spotykał w praktyce wielokrotnie.
4. VLF (1-100kHz)
W przypadku sond z zakresu VLF należy zwrócić szczególną uwagę na dwa aspekty:
oddziaływanie na sondę pól ELF i charakter pracy źródeł PEM z zakresu VLF. Analizując
przebieg transmitancji sondy AE-3 (rys. 3) poniżej częstotliwości pracy można wyznaczyć
tłumienie dla częstotliwości sieci energetycznej – 50 Hz. Wynosi ono ok. 20dB, czyli tylko 10
razy.
1 0 .0 0
T/To
1 .0 0
0 .1 0
0 .0 1
- AE-3e
- AE-3
[Hz]
1 .0E + 1 1.0E + 2 1 .0 E + 3 1 .0E + 4 1 .0E + 5 1 .0E + 6 f1.0
E+7
Rys. 4. Charakterystyki częstotliwościowe sond pomiarowych AE-3 i AE-3e
Fig. 4. Frequency response of E-field sensors AE-3 and AE-3e
Paweł BIEŃKOWSKI
_________________________________________________________________________________
172
W wielu przypadkach może to być za mało przy jednoczesnym występowaniu pól z zakresu
VLF na tle ELF. Jest zjawisko dosyć powszechne, gdyż zwykle źródła PEM zasilane są z
sieci energetycznej i pola z tych zakresów bywają nierozłączne. Metodą na wyeliminowanie
błędów pomiarowych może być dodatkowy pomiar sondą ELF w otoczeniu źródeł pól VLF i
oszacowanie udziału pól ELF w wyniku uzyskanym sondą VLF lub modyfikacja czujnika
VLF w celu lepszego tłumienia sygnałów z zakresu ELF. Możliwość taka istnieje przez
wtrącenie w obwód antenowy filtra górnoprzepustowego przed detektorem. Rozwiązanie
takie zastosowano w sondzie AE-3e, w której dodatkowo rozszerzono pasmo pracy do 1
MHz. Uzasadnienie tego ostatniego rozwiązania znajdujemy po przeanalizowaniu charakteru
pracy źródeł PEM z zakresu VLF. Są to zwykle urządzenia przemysłowe, pracujące
impulsowo lub z dużymi zniekształceniami przebiegów prądu czy napięcia. Skutkuje to
pojawieniem się w widmie częstotliwości harmonicznych często o wartościach nie do
pominięcia. Rozszerzenie zakresu pracy sondy pozwala uwzględnić te składniki pola. Na
rysunku 4 przedstawiono unormowane wyniki pomiarów sondy AE-3 i AE-3e.
5. SONDY O KSZTAŁTOWANEJ CHARAKTERYSTYCE
CZĘSTOTLIWOSCIOWEJ
W rozdziale 4 zasygnalizowano możliwość kształtowania przebiegu charakterystyki
częstotliwościowej sondy przez zastosowanie w układzie antenowym filtrów. Wielokrotne
stosowanie tej metody pozwala teoretycznie na dowolne kształtowanie charakterystyki
częstotliwościowej w celu np. dostosowania charakterystyki sondy do przebiegu
dopuszczalnych wartości PEM określonych przez przepisy ochronne. Dopasowanie
rzeczywistego (ciągłego i gładkiego) przebiegu charakterystyki sondy do zwykle
quasiciągłego przebiegu wartości normatywnych jest możliwe tylko z pewną dokładnością.
Doświadczenie wskazuje, że nie udaje się zwykle uzyskać odwzorowania lepszego niż z
odchyleniem mniejszym od ±2dB. Jako przykład takiego rozwiązania na rysunku 5
przedstawiono przebieg charakterystyki sondy AE-3x dopasowanej do przebiegu wartości
dopuszczalnych w zakresie 300Hz-1MHz.
+2 dB
[dB]
0
-2 dB
-10
-20
100
1k
10k
100k
1MHz
Rys. 5. Charakterystyki częstotliwościowe sondy pomiarowej AE-3x
Fig. 5. Frequency response of E-field sensor AE-3x
Czujniki pola elektromagnetycznego na przykładzie sond pola elektrycznego ...
173
_________________________________________________________________________________
Innym przykładem sondy o kształtowanej charakterystyce jest sonda AE-43. Zastosowano w
niej przełączane filtry, dzięki czemu zależnie od położenia przełącznika jej parametry
odpowiadają sondzie AE-4 lub AE-3.
6. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono, na przykładzie sond pola elektrycznego, zasady kształtowania
parametrów szerokopasmowych czujników pola elektromagnetycznego przeznaczonych do
pomiarów w polu bliskim. Przedstawione rozwiązania można stosować w szerokim zakresie
częstotliwości od pól VLF aż do mikrofal, należy jednak pamiętać, że dla wyższych
częstotliwości zaczynają nabierać dużego znaczenia elementy pasożytnicze i związane z nimi
rezonanse, które wpływają na przebieg charakterystyki częstotliwościowej czujników. W
zakresie bardzo wielkich częstotliwości należy dodatkowo zwracać uwagą na spełnienie przez
antenę warunku anteny krótkiej elektrycznie. Jako przykład możliwości doboru parametrów
czujników PEM w poniższej tabeli zebrano parametry wybranych sond pomiarowych
opracowanych w ITA politechniki Wrocławskiej.
TYP
SONDY
POLE
AE HP
AE 1
AE 2
AE 21
AE 2e
AE 3
AE 3e
AE 4
AE 41
E
E
E
E
E
E
E
E
E
AE 43
E
AH 1
AH 2
AH 27
AH 3
AH 3p
AH 42
AH 4
AES 1
AES 2
AES 3
H
H
H
H
H
H
H
E,S
E,S
E,S
ZAKRES
CZĘSTOTLIWOŚCI
0.1 - 30 MHz
0.1 - 300 MHz
10 - 300 MHz
0.1 - 600 MHz
0.1 - 300 MHz
1 - 100 kHz
1 - 1000 kHz
10 - 2000 Hz
10 - 2000 Hz
50 Hz - 100 kHz
1 - 100 kHz
0.1 - 10 MHz
10 - 30 MHz
10 - 60 MHz
1 - 100 kHz
1 - 100 kHz
40 - 1000 Hz
40 - 1000 Hz
0.3 - 3 GHz
0.6- 18 GHz
0.3 - 38 GHz
ZAKRES
POMIARU POLA
0.1-10 V/m
5-1000 V/m
0.5-25 V/m
1-100 V/m
1-50 V/m
5-1000 V/m
5-1000 V/m
1-30 kV/m
0.1-15 kV/m
0.2 - 15 kV/m
5 - 1000 V/m
1-250 A/m
1-250 A/m
0.04-15 A/m
1-250 A/m
1-250 A/m
5-500 A/m
50-5000 A/m
0.05-150 W/m2
0.5-50 W/m2
0.05-15 W/m2
E- pole elektryczne, H – pole magnetyczne, S – gęstość mocy
Paweł BIEŃKOWSKI
_________________________________________________________________________________
174
7. LITERATURA
1. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29. 11. 2002 r w sprawie
dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
(Dz. U. nr 217 z dnia 18. 12. 2002 r. poz.1833)
2. P. Bieńkowski: Dozymetria pola pola elektromagnetycznego Politechnika Wrocławska
1992 praca magisterska
ABSTRACT
In the paper are presented basic features of the electromagnetic field metrology, especially in
application to the labour safety and general public protection against electromagnetic field
hazard where the measurements are mostly performed in the near field. Preview of Polish
EMF protection standards for workers are presented (fig.1). The author analyzed the
electromagnetic field sensor with short dipole antenna (fig. 2). Furthermore, the author
discussed possibilities of modifying sensor parameters: frequency response and sensitivity on
basis of sensor transmittance (equation 1 and fig. 3). Examples of the probes from range ELF
and VLF (10Hz – 100kHz) are presented. Fig. 4 showed measurements results of two type of
VLF probes. Author presented the probe with shaped frequency response in accordance with
polish protection standards (fig. 5), and verified theoretical analysis with measurements with
the probe in a standard field.