Mjerenje EM polja složenog valnog oblika

Poslijediplomski doktorski studij elektrotehnike i informacijske tehnologije, FESBKatedra za primjenu EM polja

Zlatko Živković, zn. novak

Sadržaj

• Biološki učinci• Izvori zračenja• Zaštitne norme• Mjerači EM polja• Predloženi detektor ovojnice signala

2

Biološki učinci• Zagrijavanje tkiva- pretvaranje apsorbirane EM energije u toplinsku- frekvencije iznad 100 kHz- spregnuto električno i magnetsko polje- efektivna vrijednost

• Stimulacija električki podražljivog tkiva- inducirane električne struje u tijelu

(kontaktne struje, površinske gustoće naboja, strujni vrtlozi)- frekvencije do 10 MHz- raspregnuta električna i magnetska polja- valni oblik pobude

• Ostali učinci – dugotrajna izloženost- maligna oboljenja, hormonalni i neuro-degenerativni poremećaji, psihosomatske

smetnje, …

3

Prijelazno frekvencijskopodručje

f [Hz]

1 25 400 3k 100k 10M

FosfenaStimulacija

CNS PNS

Zagrijavanje

300

Prijelazno frekvencijsko područje (“Intermediate frequency range”)

4

Izvori zračenja (1)• Izloženost opće populacijeo indukcijske kuhinjske ploče (kuhala) - izobličene sinusoide i amplitudno modulirana EM polja - frekvencije nosioca su iznad 10 kHz (standardno 22 i 34 kHz) uz harmonike

i do nekoliko stotina kHz

5

Izvori zračenja (2)• Izloženost opće populacijeo sustavi za nadzor i osiguranje od krađe - obuhvaćaju magnetizatore/demagnetizatore u knjižnicama, kontrolu prtljage

na aerodromima, vrata za detekciju krađe, detektore metala, itd. - složeni valni oblici (pulsna polja, sinusoidna polja, sinusoidne praskove,

kombinacije sinusoida nekoliko frekvencija i dr.). - široko frekvencijsko područje od nekoliko desetaka Hz do nekoliko MHz, a

mjerena polja često su u razini ili iznad granica definiranih ICNIRP-om

6

Izvori zračenja (3)• Izloženost opće populacijeo monitori i TV uređaji- pilasti valni oblici- osnovna frekvencija 15-35 kHz uz harmonike do nekoliko stotina kHz

7

Izvori zračenja (4)• Izloženost opće populacijeo komunikacijski uređaji- OMEGA (10.2-13.6 kHz) i LORAN navigacijski sustavi (100 kHz) - standardni AM komunikacijski sustavi (535-1705 kHz)- amaterski komunikacijski uređaji (1.8-2 MHz)- VLF sustavi za podmornice (234 kHz)

8

Izvori zračenja (5)• Izloženost profesionalne populacije -

industrijao indukcijski i plazma grijači - AM polja modulacijske frekvencije 50 Hz, nosioca od nekoliko kHz do 27

MHz- iznimno visoka električna i magnetska polja o indukcijske peći - 280 Hz-7 kHzo dielektrični grijači- nekoliko MHz do 120 MHzo uređaji za varenje- ovisno o tipu varenja (elektrolučno ili

elektrootporno) mogu se generirati pulsna i sinusna magnetska polja te polja složenih valnih oblika u frekvencijskom području od nekoliko Hz do nekoliko stotina kHz

9

Izvori zračenja (6)• Izloženost profesionalne populacije -

medicinao MRI: - trapezoidna, pulsna i sinusna gradijentna magnetska polja- nekoliko desetaka Hz do nekoliko MHzo elektronički kirurški instrumenti: - AM polja modulacijske frekvencije 10-30 kHz uz nosilac 0.5-2.4 kHzo magnetska stimulacija kostiju- pulsna magnetska polja iznimno složenih valnih oblika

• Izloženost profesionalne populacije – vojskao komunikacijski sustavi za podmorniceo HF odašiljačio sustavi za napajanje i pulsnu modulaciju kod radara

10

Zaštitne norme - ICNIRPIC

NIR

P 19

98[3

]IC

NIR

P 20

10[4

]

10 MHz

01i

i i

AME

11

Mjerenje EM polja (1)• MJERAČI MAGNETSKIH POLJA NISKIH FREKVENCIJA

– detekcija polja svitkom

– Hallove sonde

indd ( ) d( ) ( ) d

d d A

tu t B t n At t

HH ( ) ( ) sinK Iu t B t

z

NARDA ELT 400 LAKESHOREGAUSSMETER 475

AARONIANF-5030

ETS LINDGRENHI-3637 VLF

12

Mjerni instrument

NARDAELT400

LAKESHOREGAUSSMETER 475

AARONIANF-5030

ETS-LINDGRENHI-3637 VLF

Detektor polja Svitak - 3D Hallova sonda - 1D Svitak - 3D Svitak - 3DOkvirna cijena (€) 4000 4000 1000 1000

Frekvencijski opseg 1 Hz - 400 kHz DC-20 kHz 1 Hz - 1 MHz

(proširivo do 30 MHz) 2-400 kHz

Dinamičko područje

70 nT - max. 226 mT(frekvencijski ovisno)

5 nT - 35 T(ovisno o sondi)

1 pT - 2 mT (proširivo do 1 T) 6 nT - 40 mT

Frekvencija uzorkovanja 1.048 MHz 40-50 kHz

(ovisno o tipu detekcije) 65 MHz nema dostupnih podataka

Mjerni interval 250 ms 10 ms (1 ms) 10 ms nema dostupnih podataka

True RMS DA DA DA DAFFT DA DA DA NE

Prikaz valnog oblikana osciloskopu

DA DA NE NE

13

Mjerenje EM polja (2)

Mjerenje EM polja (3)• MJERAČI ELEKTRIČNIH POLJA NISKIH FREKVENCIJA

– detekcija polja paralelnim pločama

– Pockelov efekt

NARDA EFA 300 SRICO 200-04 AARONIANF-5030

ETS LINDGRENHI-3604

ind 0d ( ) d( ) ( ) d

d d A

Q ti t E t n At t

t

i

1 1 sin2 2

I EI F

14

Mjerni instrument

NARDAEFA 300

AARONIANF-5030

ETS-LINDGRENHI-3604

SRICO 200-04

Detektor polja Svitak - 3DPloče - 3D

Svitak - 3DPloče - 1D

Svitak - 1DPloče - 1D Optička sonda - 1D

Okvirna cijena (€) 13000 1000 4000 nema dostupnih

podatakaFrekvencijski opseg 5 Hz - 32 kHz 1 Hz - 1 MHz 30 - 2000 Hz 10 Hz - 1 GHz

Dinamičko područje

1 V/m - 100 kV/m100 nT - 32 mT 0.1 V/m - 20 kV/m 1 V/m - 200 kV/m

20 nT - 2 mT 10 V/m - 10 kV/m

Frekvencija uzorkovanja

nema dostupnih podataka 65 MHz nema dostupnih

podatakanema dostupnih

podataka

Mjerni interval 250 ms 10 ms nema dostupnih podataka

nema dostupnih podataka

True RMS DA DA DA DAFFT DA DA NE NEPrikaz valnog oblikana osciloskopu

NE NE DA NE

15

Mjerenje EM polja (4)

16

Mjerenje EM polja (5)ŠIROKOPOJASNE SONDE ZA MJERENJE ELEKTRIČNOG POLJA

Diodna detekcija (standardna i kompenzirana) Detekcija termočlankom

Kombinirana detekcija Frekvencijski selektivne sonde

Sonde temeljene na diodnoj detekciji• Diodna detekcija

- standardna: o široko frekvencijsko (kHz-GHz) i dinamičko područje (>60 dB)o izvrsna osjetljivost uz visoki prag uništenja (0.1 V/m//1000 V/m)o inherentna pogreška koja onemogućava pouzdano mjerenje

polja kompleksnih valnih oblika

- kompenzirana: o široko frekvencijsko i dinamičko područjeo dobra osjetljivost uz visoki prag uništenjao pouzdano mjerenje RMS vrijednosti polja

bez obzira na valni oblik mjerenog poljao svi ostali parametri signala, uključujući i

vršnu vrijednost ostaju nepoznati

17

Pogreška sonde

0HF

ef

20log2UU

Σ0dcA DLQ

A Σ0dc ef

4 ( )10log 20log2UC C

C U U

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0.1 1 10 100 1000

Erro

r [dB

]

TD [μs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m81.6 V/m

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

0.1 1 10 100 1000

Erro

r [dB

]

TD [μs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m61.4 V/m

-3

-1

1

3

5

7

9

0.1 1 10 100 1000

Erro

r [dB

]

TD [μs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m67.4 V/m

-2-10123456789

0.1 1 10 100 1000

Erro

r [dB

]

TD [μs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m

-3-2-10123456

0.1 1 10 100 1000

Erro

r [dB

]

TD [μs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m61.4 V/m

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0.1 1 10 100 1000Erro

r [dB

]

TD [μs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m61.4 V/m

-4

-2

0

2

4

6

8

0.1 1 10 100 1000

Err

or [d

B]

TD [µs]

2 V/m5 V/m10 V/m20 V/m50 V/m61.4 V/m

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

0.1 1 10 100 1000

Erro

r [dB

]

TD [μs]

0.026 A/m0.053 A/m0.132 A/m0.215 A/m

NARDA EF 0392 NARDA EF 1891 PMM EP300

PMM EP408 PMM EP600

PMM EP408 PMM HP102

PMM EP330

18

Razvoj sonde – detekcija ovojnice2 2 2

2 A D0D 0 2 2 2

1 D0 A D

21A2

D0 0 0 2 2 2 2 2 21 D0 A D D0 A D2

2 2D0 A D

0 0

( )1 ( ) 4

1 ( ) 1 ( )

1 1 ( ) cos ( )2

nk

kk k

nn

i ji j

i i jji j

i j i j

i j

C ru t Ur C C

Cr U U

r C C r C C

r C C t

U U

2D0 A A D

2 2 2 2 2 2D0 A D D0 A D

( )1 ( ) 1 ( )

1 ( ) sin ( ) .2

i j

i j

i j i j

r C C Cr C C r C C

t

2D 0( ) ( )u t K U t

2D ef( ) 2u t K u

0 1 2x 10-4

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

u oc(t)

0 1 2x 10-4

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10-4

u det(t)

t [s]

19

Razvoj sonde – režim malih signala

DVOSTRANI DETEKTOR

20

Razvoj prototipa

21

HVALA NA PAŽNJI!

22