Medición de campos electromagnéticos

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Las mediciones de campos electromagnéticos ambientales (circundantes) se realizan mediante sensores o sondas especiales, como medidores de campos electromagnéticos. Estas sondas pueden considerarse, en general, como antenas, aunque tienen características diferentes. De hecho, las sondas no deben perturbar el campo electromagnético y deben evitar el acoplamiento y la reflexión tanto como sea posible para obtener resultados precisos. Existen dos tipos principales de mediciones de campos electromagnéticos:

• mediciones de banda ancha : se realizan utilizando una sonda de banda ancha, que es un dispositivo que detecta cualquier señal en un amplio rango de frecuencias y generalmente se realiza con tres detectores de diodos independientes ;
• Medidas selectivas de frecuencia : en las que el sistema de medición consta de una antena de campo y un receptor selectivo de frecuencia o analizador de espectro que permite monitorear el rango de frecuencias de interés.

Las sondas EMF pueden responder a campos en un solo eje o pueden ser triaxiales, mostrando componentes del campo en tres direcciones a la vez. Las sondas activas amplificadas pueden mejorar la precisión y la sensibilidad de la medición, pero sus componentes activos pueden limitar su velocidad de respuesta.

Las mediciones de la fuerza electromotriz se obtienen utilizando un sensor de campo E o un sensor de campo H que puede ser isotrópico o monoaxial, activo o pasivo. Una sonda monoaxial omnidireccional es un dispositivo que detecta el campo eléctrico ( dipolo corto ) o magnético polarizado linealmente en una dirección determinada.

El uso de una sonda monoaxial implica la necesidad de realizar tres mediciones con el eje del sensor dispuesto a lo largo de tres direcciones mutuamente ortogonales, en una configuración X, Y, Z. Como ejemplo, se puede utilizar como una sonda que detecta el componente del campo eléctrico paralelo a la dirección de su eje de simetría. En estas condiciones, donde E es la amplitud del campo eléctrico incidente y θ es la amplitud del ángulo entre el eje del sensor y la dirección del campo eléctrico E, la señal detectada es proporcional a |E|cos θ ( derecha ). Esto permite obtener la amplitud total correcta del campo en forma de

${\displaystyle |E|={\sqrt {E_{x}^{2}+E_{y}^{2}+E_{z}^{2}}}}$

o, en el caso del campo magnético

${\displaystyle |H|={\sqrt {H_{x}^{2}+H_{y}^{2}+H_{z}^{2}}}}$

Una sonda isotrópica (triaxial) simplifica el procedimiento de medición porque el valor total del campo se determina con tres medidas tomadas sin cambiar la posición del sensor: esto es resultado de la geometría del dispositivo, que está formada por tres elementos de detección de banda ancha independientes colocados ortogonalmente entre sí. En la práctica, la salida de cada elemento se mide en tres intervalos de tiempo consecutivos suponiendo que los componentes del campo son estacionarios en el tiempo.

Un medidor de campos electromagnéticos es un instrumento científico para medir campos electromagnéticos (abreviado como EMF). La mayoría de los medidores miden la densidad del flujo de radiación electromagnética ( campos de CC ) o el cambio en un campo electromagnético a lo largo del tiempo ( campos de CA ), esencialmente lo mismo que una antena de radio, pero con características de detección bastante diferentes.

Las dos categorías más grandes son los medidores de un solo eje y los de tres ejes. Los medidores de un solo eje son más económicos que los de tres ejes, pero tardan más en completar un estudio porque el medidor solo mide una dimensión del campo. Los instrumentos de un solo eje deben inclinarse y girarse en los tres ejes para obtener una medición completa. Un medidor de tres ejes mide los tres ejes simultáneamente, pero estos modelos tienden a ser más caros.

Los campos electromagnéticos pueden generarse mediante corriente alterna o continua . Un medidor de campos electromagnéticos puede medir campos electromagnéticos de corriente alterna, que suelen emitirse desde fuentes artificiales como el cableado eléctrico, mientras que los gaussímetros o magnetómetros miden campos de corriente continua, que se producen de forma natural en el campo geomagnético de la Tierra y se emiten desde otras fuentes donde hay corriente continua.

Como la mayoría de los campos electromagnéticos que encontramos en situaciones cotidianas son los generados por electrodomésticos o aparatos industriales, la mayoría de los medidores de campos electromagnéticos disponibles están calibrados para medir campos alternos de 50 y 60  Hz (la frecuencia de la red eléctrica europea y estadounidense ). Hay otros medidores que pueden medir campos alternos a frecuencias tan bajas como 20 Hz, pero estos tienden a ser mucho más caros y solo se utilizan para fines de investigación específicos.

Los sensores activos son dispositivos de detección que contienen componentes activos; por lo general, esta solución permite una medición más precisa con respecto a los componentes pasivos. De hecho, una antena receptora pasiva recoge energía del campo electromagnético que se está midiendo y la pone a disposición en un conector de cable de RF. Esta señal se envía luego al analizador de espectro, pero las características del campo pueden modificarse de alguna manera por la presencia del cable, especialmente en condiciones de campo cercano .

Por otra parte, una solución eficaz consiste en transmitir a un portador óptico el componente de campo eléctrico (o magnético) detectado con una sonda activa. Los componentes básicos del sistema son una antena electroóptica receptora capaz de transmitir a un portador óptico el componente de campo eléctrico (o magnético) individual detectado y devolverlo en forma de señal eléctrica al puerto de salida de un convertidor optoeléctrico.

La portadora óptica modulada se transmite mediante un enlace de fibra óptica a un convertidor que extrae la señal moduladora y la convierte de nuevo en señal eléctrica. La señal eléctrica así obtenida puede enviarse a continuación a un analizador de espectro con un cable RF común de 50 Ω.

La desviación isotrópica, en las mediciones de campos electromagnéticos, es un parámetro que describe la precisión en la medición de intensidades de campo independientemente de la orientación de la sonda. Si el campo se obtiene mediante tres mediciones en una configuración ortogonal X , Y , Z en la forma:

${\displaystyle |E|={\sqrt {E_{x}^{2}+E_{y}^{2}+E_{z}^{2}}}}$

Una condición suficiente para que la expresión sea verdadera para cada tres coordenadas ortogonales ( X , Y , Z ) es que el patrón de radiación de la sonda sea lo más cercano posible al patrón dipolar corto ideal, llamado sen θ :

${\displaystyle f(\theta ,\phi )=A\sin(\theta ),}$

donde A es función de la frecuencia. La diferencia entre el patrón de radiación dipolar ideal y el patrón de sonda real se denomina desviación isotrópica .

Bibliografía

• Solari, G; Viciguerra, G; Clampco Sistemi (febrero de 2005). Mediciones selectivas de frecuencia del campo eléctrico (100 kHz–2,5 GHz) y del campo magnético (100 kHz–120 MHz) con antenas receptoras electroópticas activas (PDF) . 16.º Simposio y exposición técnica internacional de Zúrich sobre compatibilidad electromagnética – EMC Zurich 2005. Archivado desde el original (PDF) el 22 de julio de 2011. Consultado el 13 de julio de 2009 .