Microsoft Word

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 - E

(f)). Wartości

graniczne dla pozostałych stref wyznaczane są według zależności:

-strefa niebezpieczna (wartość graniczna między strefą niebezpieczną i zagrożenia):

(f)=10E

(f), H

(f)=10H

(f) ,

Paweł BIEŃKOWSKI

_________________________________________________________________________________

168

-strefa pośrednia (wartość graniczna między strefą pośrednią i bezpieczną):

(f)=E

(f)/3, H

(f)=H

(f)/3 .

Powyższe zależności wyznaczają jednocześnie wymagany zakres mierzonych pól w

funkcji częstotliwości.

1 10

100

1000

10000

1000 GHz

0.1

E [V/m]

10 000

100

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. ground-

referenced 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.

linia transparentowa

p+f

Rys. 2. Czujnik pola elektrycznego i jego schemat zastępczy

Fig. 2. E-field sensor and its equivalent circuit

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 e

sprzężone z

resztą układu przez pojemność anteny. C

, C

i L

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. C

i R

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):

(

)









−































)

(

(1)

Analiza przebiegu funkcji (1) pozwala wyróżnić trzy charakterystyczne zakresy

częstotliwości:

•

zakres niskich częstotliwości, przy których transmitancja rośnie i wynosi:

( )

ω ≅

(2)

•

zakres średnich częstotliwości, gdzie transmitancja jest stała:

( )

≅

(3)

Jest to najbardziej interesujący ze względów metrologicznych zakres, którego granice

wyznaczają częstotliwości 3dB spadku transmitancji:

-dolna:

(

)

⋅

(4)

-górna:

(

)

⋅

(5)

•

zakres częstotliwości, wysokich, gdzie ujawnia się wpływ filtru antenowego:

( )

(

)

≅

(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.

0.1

-2

-3

-4

-5

|T(jω)|

1G f [Hz]

AE-3

AE-1

AE-4

AE-3'

AE-4'

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 C

. 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.

1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7

0.01

0.10

1.00

10.00

T/To

f [Hz]

- AE-3e

- AE-3

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.

10k

100k

1MHz

-20

-10

100

[dB]

+2 dB

-2 dB

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

ZAKRES

CZĘSTOTLIWOŚCI

ZAKRES

POMIARU POLA

AE HP

0.1 - 30 MHz

0.1-10 V/m

AE 1

0.1 - 300 MHz

5-1000 V/m

AE 2

10 - 300 MHz

0.5-25 V/m

AE 21

0.1 - 600 MHz

1-100 V/m

AE 2e

0.1 - 300 MHz

1-50 V/m

AE 3

1 - 100 kHz

5-1000 V/m

AE 3e

1 - 1000 kHz

5-1000 V/m

AE 4

10 - 2000 Hz

1-30 kV/m

AE 41

10 - 2000 Hz

0.1-15 kV/m

AE 43

50 Hz - 100 kHz

1 - 100 kHz

0.2 - 15 kV/m
5 - 1000 V/m

AH 1

0.1 - 10 MHz

1-250 A/m

AH 2

10 - 30 MHz

1-250 A/m

AH 27

10 - 60 MHz

0.04-15 A/m

AH 3

1 - 100 kHz

1-250 A/m

AH 3p

1 - 100 kHz

1-250 A/m

AH 42

40 - 1000 Hz

5-500 A/m

AH 4

40 - 1000 Hz

50-5000 A/m

AES 1

E,S

0.3 - 3 GHz

0.05-150 W/m

AES 2

E,S

0.6- 18 GHz

0.5-50 W/m

AES 3

E,S

0.3 - 38 GHz

0.05-15 W/m

E- pole elektryczne, H – pole magnetyczne, S – gęstość mocy