Senzori activi pentru masurari in domeniul timp si in domeniulfrecventa a lui h

CONCEPEREA SI REALIZAREA UNOR SENZORI DE CAMP ELECTRIC SI/SAU MAGNETIC

Exista multiple preocupari in efectuarea de masurari in domeniul timp ale campului electromagnetic, datorita avantajelor acestora fata de masurarile in domeniul frecventa: scaderea timpului de masurare cu aproximativ un ordin de marime si deci reducerea costurilor in cazul testelor din compatibilitatea electromagnetica; posibilitatea de identificare si caracterizare a sursei de camp pe baza "semnaturii electromagnetice". In plus a crescut importanta masurarilor in domeniul timp ale campului electromagnetic datorita aplicatiilor lor in domeniul cercetarii, al detectiei si studiului unor surse de camp naturale sau artificiale (descarcari atmosferice - lightning, cutremure, descarcari electrostatice -ESD, studiul efectelor biologice si al efectelor asupra sanatatii ale campurilor tranzitorii).

Pe langa cerintele generale specifice senzorilor si instrumentatiei utilizate la masurarea campurilor, in cazul masurarii in domeniul timp sunt necesare o banda de frecventa foarte larga si un domeniu dinamic foarte mare.

Asa cum s-a aratat la inceputul acestui capitol, functia de transfer a unui senzor de camp electromagnetic (fig. 2.) prezinta doua zone distincte: una este zona de proportionalitate cu derivata campului (pentru frecvente, f < f_cr) si una este zona de proportionalitate cu campul (pentru f > f_cr). In cazul in care senzorul functioneaza pe partea de proportionalitate la camp, trebuie redusa frecventa critica f_cr, iar in cazul in care el functioneaza pe partea de proportionalitate la derivata campului, trebuie crescuta frecventa critica. In acest caz sensibilitatea senzorului este mai redusa si in plus este necesara o prelucrare a semnalului pentru a obtine si raspuns proportional la camp.

In cele ce urmeaza se prezinta 3 senzori activi de camp realizati si calibrati de autori: doi senzori sunt bazati pe bucla incarcata cu o singura sarcina si permit masurarea campului magnetic, iar unul se bazeaza si pe bucla incarcata cu doua sarcini situate diametral opus, permitand masurarea atat a campului magnetic, cat si a campului electric.

SENZORI ACTIVI PENTRU MASURARI IN DOMENIUL TIMP SI IN DOMENIULFRECVENTA A LUI H

Asa cum s-a aratat la §3.2.2.2, figura 14, senzorul tip bucla incarcat cu o singura sarcina este sensibil atat la camp magnetic cat si la camp electric.

Sensibilitatea la camp electric poate fi redusa daca bucla este electric foarte mica (), adica:

(172)

sau daca se utilizeaza configuratii speciale (ecranare, configurtie Moebious).

Una din importantele aplicatii ale buclei este la masurarea in domeniul timp a campului magnetic.

Pentru bucla electric foarte mica, schema echivalenta a senzorului se reduce la cea din figura 24a.

Circuitul echivalent si caracteristica de frecventa ale unui senzor de camp magnetic de tip bucla cu o singura sarcina sunt date in figura 2

Valoarea frecventei critice f_cr, care delimiteaza cele doua zone de functionare ale senzorului, este:

  (173)

Deoarece conditia de bucla electric foarte mica presupune scaderea dimensiunii (in conditiile in care se doreste o frecventa superioara mare), iar scaderea dimensiunii determina scaderea sensibilitatii, se recurge la senzori activi de camp magnetic.

In figura 25 sunt date cele doua tipuri principale de senzori activi.

La senzorul cu amplificator de tensiune, iesirea amplificatorului este proportionala cu derivata in raport cu timpul a lui H(t), iar daca se doreste raspuns proportional la H(t) atunci se utilizeaza un circuit de integrare.

La senzorul cu amplificator de curent, raspunsul la iesirea amplificatorului este proportional cu H(t).

S-au realizat si calibrat doi senzori activi de camp magnetic unul care functioneaza pe partea de proportionalitate la derivata campului (Fig. 25a) si unul ce functioneaza pe partea de proportionalitate la camp (Fig. 25b).

Senzorul activ 1, care lucreaza in zona de proportionalitate la camp (avand domeniul de amplitudine nT ÷ µT, domeniul de frecventa 50 Hz ÷ 170 kHz).

Senzorul activ 2, care lucreaza pe partea de proportionalitate la derivata campului (avand domeniul de amplitudine nT ÷ µT, domeniul de frecventa 50 Hz ÷ 600 kHz).

Acesti senzori, alcatuiti din senzorul de camp magnetic propriu-zis si o parte de prelucrare electronica, sunt aratati in figura 26. Senzorii au fost calibrati prin metoda campului etalon. In plus, ei au fost verificati prin efectuarea de masurari comparative ale campului in acelasi punct utilizand atat senzorii propusi cat si senzori clasici (senzori sau masuratoare de camp achizitionati de la firmele de profil).

Senzorul activ 1 este alcatuit dintr-o bobina de camp de tip solenoid si un amplificator de curent, pe principiul din fig. 25b.

Deoarece impedanta de intrare a amplificatorului de curent este mica, senzorul are raspuns proportional la camp magnetic H (t). O reducere suplimentara a frecventei critice, data de relatia (173), este obtinuta prin cresterea inductivitatii senzorului propriu-zis. Din acest motiv, bobina de camp a fost realizata pe miez de ferita (m_r mare).

Atat bobina de camp cat si amplificatorul de curent au o configuratie ecranata si simetrica pentru a reduce sensibilitatea senzorului la camp electric si pentru a elimina perturbatiile de mod comun.

Pentru scaderea capacitatii senzorului, infasurarea s-a facut pe galeti. Au fost luate in consideratie mai multe dimensiuni in vederea reducerii erorilor datorate medierii campului in zona ocupata de senzor, precum si mai multe tipuri de miezuri de ferita. Astfel s-au realizat un set de senzori (bobine de camp) ce pot fi conectate la amplificatorul de curent.

Calibrarea senzorului s-a facut prin metoda campului etalon, utilizand ca generator de camp o bobina circulara. Curbele de calibrare pentru senzorul I si senzorul II din setul de bobine de camp sunt date in fig. 27.

Scaderea raspunsului senzorului la frecvente joase se datoreaza valorii relativ mari a frecventei critice f_cr, iar scaderea raspunsului senzorului la frecvente inalte se datoreaza frecventei superioare limita a amplificatoarelor operationale utilizate. Desigur, aceste limitari pot fi depasite utilizand miezuri de ferita cu permitivitate magnetica mai mare si amplificatoare operationale de frecventa mai inalta.

Senzorul activ 2 permite masurarea in domeniul timp atat a derivatei campului magnetic, cat si a campului magnetic. El a fost calibrat prin citirea tensiunii la iesirea lui, atunci cand a fost introdus in centrul unei bobine care genereaza un camp magnetic ce poate fi calculat cu precizie.

A fost verificata liniaritatea raspunsului senzorului cu frecventa, in cazul generarii unui camp magnetic sinusoidal. Curbele de calibrare pentru doua valori ale inductiei magnetice (63 nT si 126 nT) si cele doua game de masurare (castigul amplificatorului de instrumentatie 10 si 100) sunt date in figura 28. Pentru a verifica performantele senzorului la masurari in domeniul timp, a fost generat un camp magnetic de forma dreptunghiulara, iar raspunsul senzorului la acest camp este dat in figura 29.

Comparand caracteristicile tensiune de iesire - frecventa la camp magnetic constant ale celor doi senzori (Fig. 27 si Fig. 28), se observa o comportare in frecventa mult mai buna a senzorului activ 2.

In vederea verificarii concordantei intre indicatiile celor doi senzori activi realizati si calibrati de autori, s-au facut masurari ale campului magnetic intr-un punct utilizand ambii senzori activi. Formele de unda ale campului magnetic obtinute cu cei doi senzori sunt date in fig. 30 si fig. 31.

Se observa ca exista o buna concordanta intre cele doua indicatii, atat in ceea ce priveste formele de unda, cit si valorile campului (B_{vaf la varf, indicat 1}= 2888 nT fata de B_{vaf la varf, indicat 2} = 2772 nT si B_{efectiv indicat 1}= 662 nT fata de B_{efectiv indicat 2} = 624 nT.

Trebuie specificat ca cele doua masurari, cu senzorul activ 1 si cu senzorul activ 2, ale caror inregistrari sunt date in fig. 30 si fig. 31, au fost efectuate in acelasi punct din spatiu, dar succesiv in timp. Se pare ca, pe durata de cateva secunde cat au durat cele doua inregistrari, campul magnetic nu s-a modificat semnificativ. Pentru a lua in consideratie variabilitatea temporala, care, mai ales in cazul campului magnetic perturbator, este foarte mare si se poate produce brusc, ar trebui efectuate masurari simultane cu cei doi senzori, dar in acest caz ele nu ar mai putea fi efectuate in acelasi loc din spatiu.

Intrucat cei doi senzori nu pot fi pozitionati simultan in acelasi punct, masurarile comparative vor fi afectate fie de erorile datorate variabilitatii spatiale (masurari simultane, dar in puncte diferite), fie de erorile datorate variabilitatii temporale ale campului magnetic (masurari in acelasi punct, dar la momente diferite).

Concluzii

S-au realizat si calibrat doi senzori activi de camp magnetic: Senzorul activ 1, care lucreaza pe caracteristica de proportionalitate la camp; Senzorul activ 2, care lucreaza pe caracteristica de proportionalitate la derivata campului. Senzorul 2 are o comportare in frecventa mai buna decat Senzorul 1.

Fiecare din ei, impreuna cu analizorul - Fluke 43 Power Quality Analyser si calculatorul portabil - HP Notebook Compaq NX9010, formeaza un sistem de masurare autonom (alimentare la baterii si acumulatori), portabil, care a fost utilizat la supravegherea campului magnetic si stocarea datelor masurarii. Sistemul de masurare a campului magnetic obtinut prin utilizarea senzorului activ 2 este aratat in fig. 32.

Fata de senzorii clasici, senzorii propusi au banda de frecventa mult mai larga si permit atat masurari in domeniul timp (inregistrarea "semnaturii electromagnetice" a sursei de camp), cat si masurari in domeniul frecventa. 

Prin efectuarea de masurari comparative in acelasi punct s-a gasit o buna concordanta intre formele de unda ale campului magnetic obtinute cu cei doi senzori.

Senzorii sunt adecvati masurarii campului magnetic generat de sistemul de alimentare cu energie electrica, aparate electro-casnice, monitoarele calculatoarelor sau in general supravegherea inconjuratorului electromagnetic, unde este necesara determinarea unui numar cat mai mare de parametri ai campului (valoare efectiva, valoare varf la varf, forme de unda). Incertitudinea de masurare de 5 % ÷ 10 % sau chiar 30 % este acceptabila, datorita marii variabilitati temporale si spatiale a masurandului (inconjuratorul electromagnetic).

Performantele senzorilor realizati pot fi imbunatatite. Astfel, pentru senzorul 1 caracteristica amplitudine-frecventa poate fi aplatizata, iar banda de frecventa (frecventa superioara) crescuta, prin utilizarea unor miezuri de ferita si amplificatoare operationale cu performante in frecventa mai bune.

Se preconizeaza continuarea cercetarilor in vederea realizarii unor senzori pentru masurari in domeniul timp a campului magnetic ce are componente de frecventa pana in domeniul zecilor sau sutelor de MHz.

De asemenea, plecand de la cei doi senzori activi uniaxiali pot fi continuate cercetarile pentru obtinerea unor senzori triaxiali, care sunt adecvati masurarii campurilor magnetice complexe (masurari vectoriale).