CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto di Ricerca sulle Onde Elettromagnetiche "Nello Carrara" - Firenze

Introduzione

La cella di Merritt è un dispositivo che consente di generare un campo magnetico noto ed uniforme in una regione di spazio notevolmente ampia rispetto alle dimensioni fisiche. Si tratta di una struttura a forma di parallelepipedo a sezione quadrata, caratterizzata da un'unica dimensione lineare L (il lato del quadrato) e comprendente quattro avvolgimenti quadrati coassiali di lato L posti uno dall'altro a distanze predefinite, legate al lato L. Gli avvolgimenti sono a due a due uguali, cioè costituiti dallo stesso numero di spire. La posizione degli avvolgimenti ed il rapporto tra i numeri di spire degli avvolgimenti diversi sono determinati in modo da ottimizzare l'omogeneità del campo magnetico generato. La cella è caratterizzata, oltre che dal lato L, dall'intensità I della corrente con cui viene pilotata; è possibile dimostrare che il valore del campo magnetico nominale (cioè il valore generato al centro della struttura) è espresso in funzione dei due parametri caratteristici dalla relazione:

Utilizzando questa configurazione, è stato realizzato il prototipo mostrato in figura, funzionante a 50 Hz ed in grado di generare un campo magnetico uniforme a meno dell'1% in una sfera di diametro D @ 0.2 m, sufficiente a contenere la maggior parte degli strumenti di misura del campo magnetico ELF per impiego protezionistico attualmente in commercio.

Il prototipo della cella è stato sviluppato all'IFAC (ex IROE) nel corso di una Tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica (Università degli Studi di Firenze) dal titolo "Progetto, realizzazione e caratterizzazione di una cella per campo magnetico campione" discussa da Giacomo Iacona il 31 marzo 1998. La realizzazione è avvenuta in collaborazione con il gruppo di ricerca IFAC che si occupa di Protezione dai Campi Elettromagnetici a Bassa Frequenza, Radiofrequenza e Microonde.

Caratteristiche tecniche

La cella è costituita da quattro bobine multistrato quadrate di lato L = 0.31 m, di cui due interne di 11 spire ciascuna, poste a circa 0.04 m dal centro della struttura, e due esterne di 26 spire ciascuna, poste a circa 0.155 m dal centro della struttura. Le sue misure complessive, comprendendo il basamento di alluminio che funge da supporto e contiene l'elettronica di controllo, sono di 0.485 m x 0.430 m x 0.370 m.

Circuito di pilotaggio

Per generare il campo magnetico di intensità desiderata, la cella deve essere pilotata con una corrente costante di valore appropriato. È stato pertanto sviluppato un apposito dispositivo di pilotaggio che impiega:

• un sintetizzatore di forma d'onda digitale basato su tabelle di campioni memorizzate su ROM;
• un dispositivo convertitore tensione-corrente;
• un amplificatore di corrente.

Realizzato in forma integrata e contenuto nella base di alluminio del dispositivo, il circuito di pilotaggio consente di:

• scegliere tra quattro forme d'onda a 50 Hz predefinite e memorizzate:
• onda sinusoidale
• onda quadra simmetrica
• onda triangolare simmetrica
• dente di sega ascendente
• impostare il valore efficace dell'intensità del campo, selezionandolo tra tre livelli prefissati:
  • 0.1 µT
  • 1 µT
  • 10 µT
• generare fino ad altre quattro forme d'onda, memorizzate in fase di costruzione su eventuale richiesta e specifiche dell'utente.

La cella è alimentata a batteria con quattro pile da 1.5 V (del tipo mezza torcia), risultando così svincolata dall'alimentazione di rete, con il vantaggio di eliminare i problemi connessi alla presenza del trasformatore, il cui flusso disperso potrebbe indurre errori nell'ampiezza del campo generato.

Errore sul valore del campo magnetico al centro della cella

È stata compiuta una valutazione dell'errore probabile sul valore nominale, cioè una stima di quanto l'intensità del campo al centro della struttura potrebbe differire percentualmente dal valore teorico calcolabile con la relazione sopra riportata per una cella ideale, priva di imperfezioni costruttive e pilotata con una corrente nota con accuratezza illimitata.

La stima ha riguardato la sola forma d'onda sinusoidale, in modo indipendente per i tre livelli di campo magnetico che la cella può generare.

Si sono identificate e valutate quattro possibili cause di errore.

• Scostamento rispetto al valore ideale del rapporto tra la corrente di pilotaggio delle bobine interne e delle bobine esterne (@0.05%).
• Imperfezioni nella costruzione meccanica, cioè in definitiva nel mutuo posizionamento delle quattro bobine (@0.95%).
• Errore introdotto dal campionamento e dalla risoluzione del convertitore digitale-analogico (@0.05%).
• Accuratezza della calibrazione del convertitore tensione-corrente che pilota la cella (@0.3%).

Poiché queste fonti di errore sono tra loro indipendenti, l'errore complessivo può essere stimato come radice quadrata della somma dei quadrati dei quattro contributi, giungendo a trovare:

Andamento dell'errore all'interno della cella

È stata compiuta una valutazione numerica della distribuzione del campo magnetico all'interno della cella, mediante la quale si è valutato anche lo scostamento percentuale dell'intensità del campo in punti diversi dal centro, rispetto al valore nominale. In particolare, si sono costruite le curve riportate in figura, che delimitano le regioni dentro la cella (della quale in figura è riportato un quarto della sezione mediana trasversale ai piani delle bobine) entro le quali l'errore si mantiene inferiore rispettivamente allo 0.1%, all'1% o al 10%.

Impieghi ed applicazioni

La cella descritta in questo documento non deve essere intesa come dispositivo mediante il quale eseguire una vera e propria calibrazione di uno strumento di misura (intesa come aggiustamento delle regolazioni interne per ottimizzarne la risposta in un particolare intervallo dinamico o di frequenza); questa è in genere una operazione complessa e delicata che è opportuno venga eseguita periodicamente presso un laboratorio specializzato o meglio ancora direttamente dal costruttore.

L'impiego tipico del dispositivo consiste invece nell'eseguire una verifica della calibrazione dello strumento, da eseguirsi sia prima e dopo una campagna di misure (per garantire l'affidabilità dei rilevamenti effettuati) sia periodicamente per accertare se lo strumento necessita di ricalibrazione.

Gli strumenti che possono essere verificati con questa cella sono innanzitutto i sensori compatti di campo magnetico a 50 Hz uniassiali o triassiali utilizzati nei rilievi in ambienti domestici (di tipo "spot" o di acquisizione "storica") e per la dosimetria personale. In secondo luogo, vi sono gli strumenti impiegati nelle campagne di sorveglianza fisica di elettrodotti ad alta tensione, anche se in questo caso vengono talvolta impiegati sensori di dimensioni maggiori, che potrebbero non rientrare nella regione della cella a uniformità entro l'1%.

Un ulteriore ambito di applicazione consiste nell'esposizione di piccoli campioni biologici a campi magnetici a 50 Hz di caratteristiche controllate. In questo caso, se da una parte le intensità generate sono modeste rispetto a quelle talvolta impiegate in questi esperimenti, la cella ha però da offrire la possibilità di fornire forme d'onda diverse, anche corrispondenti a specifiche esigenze dell'utilizzatore.

Preventivo di costo

Successivamente alla realizzazione ed alla verifica del prototipo, è stata intrapresa all'IFAC un'opera di ingegnerizzazione del dispositivo che ha portato alla messa a punto di un prodotto eventualmente riproducibile e trasferibile alle istituzioni interessate. L'importo preventivato per la realizzazione di un singolo esemplare della cella è di circa 5.000.000 di lire, IVA esclusa.

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