Campi elettromagnetici e Nuove tecnologie

15 Mag 2023 | News

L’Analizzatore di campi elettromagnetici per misure di esposizione umana: come è cambiata la tecnologia e cosa ha reso necessaria la sua trasformazione.

La strumentazione per la misura di campi elettromagnetici in ambito protezionistico è disponibile da diversi decenni e la sua filosofia progettuale è stata stabile e consolidata per molto tempo.

Il cosiddetto misuratore a banda larga a sonde intercambiabili (ossia strumentazione che misura il valore totale RMS isotropico del campo elettrico, magnetico o elettromagnetico in un’ampia gamma di frequenza tipica per ogni sonda) è da sempre utilizzato per la verifica dell’esposizione umana al fondo elettromagnetico sia negli ambienti professionali (lavoratori) sia negli ambienti di vita (popolazione). Le linee guida I.C.N.I.R.P. (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) hanno da sempre ispirato i principi normativi a livello internazionale e conseguentemente a livello nazionale, con il recepimento delle Direttive emesse dalla Comunità Europea al riguardo.

Missione primaria dell’I.C.N.I.R.P. è da molti anni quella di redigere delle linee guida per la misura delle radiazioni non ionizzanti aggiornando periodicamente le indicazioni di buona tecnica per l’utilizzo strumentale in funzione dell’evoluzione delle tecnologie di trasmissione RF, delle caratteristiche degli apparati operanti in ELF e dei vari studi oggi disponibili relativamente agli effetti accertati sull’uomo dell’esposizione ai campi EM.

Criticità nell’analisi dei segnali

Il punto di svolta più significativo negli ultimi anni è stato la constatazione dell’eccessiva approssimazione di misura nell’analizzare tutti i segnali impulsivi (sia ELF sia RF) con la strumentazione tradizionale. Infatti il limite principale della stessa risiede nel lento campionamento del segnale misurato (massimo 4 o 5 volte al secondo) ancora accettabile per segnali analogici o sinusoidali non complessi, ma non più adeguato per segnali complessi, impulsivi o transitori. Inoltre, il principio di misurazione implicava che i contributi dei segnali sui tre assi spaziali (provenienti dai 3 sensori della sonda isotropica) fossero in fase e tale assunzione poteva portare anche ad un’eccessiva sovrastima del valore totale di misura. Questo tipo di problematica era tanto più evidente quanto più impulsivi e complessi erano i segnali (saldatrici industriali, puntatrici, elettrobisturi ecc.).

Tutto ciò ha portato all’ufficializzazione di una nuova metodologia di calcolo per i segnali in bassa frequenza definito metodo del “Picco Ponderato”.

Il metodo del picco ponderato tiene conto sia dell’ampiezza che delle fasi delle componenti spettrali che formano il segnale (cfr. la figura D17 per l’effetto delle fasi dello spettro sulla forma d’onda e sull’indice di esposizione). Il metodo è denominato del “picco ponderato” poiché la forma d’onda è ponderata da LA (Livelli di Azione) dipendenti dalla frequenza e l’ampiezza di picco della forma d’onda ponderata fornisce l’indice di esposizione. La ponderazione (o filtraggio) si può effettuare sia nel dominio della frequenza che nel dominio del tempo. Questo metodo è adatto anche per valutare la conformità ai valori limite di esposizione (VLE) relativi agli effetti sia sensoriali che sanitari.

La strumentazione odierna allo stato dell’arte deve quindi poter effettuare un’analisi FFT del segnale in bassa frequenza (Frequency Domain analysis), un’analisi del segnale nel dominio del tempo come un oscilloscopio (Time Domain analysis) e fornire un valore finale come indice di esposizione che tenga conto di tutti questi fattori pesati con le relative soglie di esposizione alle varie frequenze. Deve poter effettuare il tutto in modo totalmente automatico, visualizzabile in tempo reale sul proprio display ad alta risoluzione senza ausilio di scomodi PC esterni da collegare.

Nelle immagini sottostanti viene riportato un esempio dell’effetto delle fasi delle componenti spettrali sulla forma d’onda (grafico superiore). Entrambe le forme d’onda sono composte da onde a coseno a 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz e 200 Hz (grafico inferiore). L’unica differenza tra le due forme d’onda è che per una, tutte le fasi delle quattro componenti spettrali sono state fissate a 0 (linea verde a punti), mentre le fasi delle tre componenti spettrali dell’altra forma d’onda (linea rossa continua) sono state modificate (grafico centrale)

Funzioni innovative dell’analizzatore

Ulteriori punti di innovazione per la misurazione dei campi elettromagnetici sono:

  • La possibilità di misurare simultaneamente campo elettrico e magnetico ELF acquisendo in un’unica soluzione tutti i dati relativi ad entrambe le grandezze incluse le analisi FFT; tutto ciò si traduce ad una drastica riduzione del tempo di intervento presso il sito di indagine;
  • La memorizzazione di tutti i dati su una SD card estraibile in modo che non ci sia più il limite di capacità durante le campagne di misura più prolungate;
  • La remotizzazione wireless del funzionamento dell’analizzatore tramite APP Android su smartphone o tablet in modo da non dover gestire scomodi e delicati cavi in fibra ottica (l’eventuale perturbazione elettrica di tale connessione è del tutto trascurabile in funzione dei valori medi di misura);
  • L’opportunità tecnica di aumentare l’autonomia di alimentazione delle batterie interne (solitamente maggiore di 24 ore) con l’utilizzo di unpower bank esterno che può raddoppiare o triplicare la durata di funzionamento nella necessità di operare monitoraggi a lungo termine.

Nuova metodologia di analisi nelle reti 5G

La necessità di utilizzare un potente processore ad altissima velocità è oltre modo giustificata anche dalla nuova tecnologia di trasmissione 5G (RF). Il nuovo Paradigma 5G funziona a fasci direzionali mobili (Full Dimensional 3D), con possibilità di dirigere il lobo irradiato dall’antenna in maniera mirata verso il singolo utente anche in movimento.

Il puntamento dei fasci, sia nel piano orizzontale (azimuth) sia in quello verticale (elevazione) verrà emesso da siti macro-cellulari, micro-cellulari e pico-cellulari che utilizzano antenne attive Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) fino a 8×8 elementi. La differenza più evidente rispetto alla tecnologia di quarta generazione consiste nel passaggio dal diagramma di irradiazione tempo – invariante caratteristico del 4G a quello dinamico, tempo – variante del 5G. In pratica, è un sistema che ottimizza la copertura elettromagnetica sia in termini spaziali che energetici, in grado di modificare le caratteristiche dimensionali del fascio di irradiazione sia in fase Beam sweeping che in fase Beam Tracking.

La telefonia di quinta generazione impone un nuovo paradigma anche nel mondo delle misure isotropiche di campo elettromagnetico. Il passaggio da irradiazione statica a irradiazione dinamica richiede che il campo elettromagnetico venga misurato con tempi di risposta estremamente rapidi. La variabilità del campo nel punto di misura dipende, infatti, dalla direzione di massimo irraggiamento dei fasci e dal grado di allineamento con il sensore isotropico. In questo scenario il sensore isotropico potrà essere illuminato ripetutamente dal Beam Sweeping con angolazioni azimutali e zenitali in rapida variazione. Queste condizioni, nel caso la velocità di risposta della catena sensore/misuratore non risulti adeguata, comportano inevitabilmente la sottostima della misura.

Per rispondere al nuovo paradigma di misura l’analizzatore di campo elettromagnetico deve essere in grado di catturare rapidamente le variazioni del campo nel dominio del tempo. Inoltre, per facilitare l’analisi e la misura del campo è utile avere integrata la funzione di Trigger 5G in grado di catturare eventi fino a 100 microsecondi.

In conclusione, si può dire che mai come in questi ultimi anni ci sia stata una spinta innovativa così importante in un settore tanto specialistico quanto vicino alla difesa della salute dell’individuo sia nel suo ambiente di lavoro sia nel suo ambiente familiare.

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