Introduzione alla Compatibilita' Elettromagnetica Parte Seconda
ESEMPI DI IPOTESI DI STUDIO POST EVENTO
Riprendiamo come esempio, il caso della centrale nucleare di Nine Mile di cui ho parlato nella prima parte di questo articolo.
Il recettore fu prontamente identificato, le valvole di controllo della turbina erano malfunzionanti mentre la fonte e il percorso di accoppiamento erano originariamente sconosciuti; tuttavia un'indagine approfondita rivelò che la fonte era costituita dai telefoni senza fili utilizzati dai dipendenti della centrale. Anche se a questo punto il percorso di accoppiamento non era noto, il problema fu risolto eliminando la sorgente: ad esempio limitando l'uso di trasmettitori radio in alcune aree e limitandone la potenza in altre. Un approccio più sistematico e forse più sicuro, sarebbe stato quello di identificare il percorso di accoppiamento e prendere provvedimenti per eliminarlo. Per esempio, tanto per rimanere in ambito di ipotesi di studio post evento, supponiamo che da analisi accurate, fosse risultato che le emissioni irradiate dai microtelefoni senza fili inducevano correnti su un cavo collegato ad un circuito stampato che conteneva un circuito di controllo delle valvole della turbina. Se da prove controllate, il funzionamento del circuito sarebbe stato influenzato negativamente da queste correnti indotte, si sarebbe potuto individuare un possibile percorso di accoppiamento. La soluzione allora poteva essere la schermatura, il filtraggio o il re instradamento del cavo o la riprogettazione del circuito di controllo, con il risultato di attenuare il percorso di accoppiamento fino al punto in cui il problema dell’interferenza diventasse inesistente.
Quanto al problema del Roosevelt Island Tramway, si pensò che la causa fosse dovuta ad un transitorio sul circuito di regolazione della potenza del tram. Il percorso di accoppiamento era presumibilmente attraverso l'alimentazione al circuito di controllo della velocità, anche se gli investigatori non riuscirono a riprodurre il guasto, quindi la fonte e il percorso di accoppiamento non furono mai identificati in modo definitivo. Il recettore, d'altra parte, fu chiaramente dimostrato essere il circuito di controllo della velocità e questo circuito venne modificato per evitare che stati di ingresso casuali inducessero errori di controllo. In altre parole, la soluzione fu quella di eliminare il recettore rendendo il circuito di controllo della velocità immune al fenomeno elettromagnetico prodotto dalla sorgente.
POTENZIALI FONTI E RECETTORI
Tra le potenziali fonti di problemi di compatibilità elettromagnetica vi sono:
- radiotrasmettitori;
- linee elettriche;
- circuiti elettronici;
- fulmini dovuti a fenomeni temporaleschi;
- dimmer per lampade;
- motori elettrici;
- saldatori ad arco;
praticamente tutto ciò che utilizza o crea energia elettromagnetica. I potenziali recettori includono:
- ricevitori radio;
- circuiti elettronici;
- elettrodomestici;
- persone che utilizzano in modo improprio apparecchiature trasmittenti RF; e quasi tutto ciò che utilizza o è in grado di rilevare l'energia elettromagnetica.
METODI DI ACCOPPIAMENTO
I metodi di accoppiamento dell'energia elettromagnetica da una sorgente a un recettore rientrano in una delle quattro categorie seguenti:
- Condotta (corrente elettrica).
- Accoppiamento induttivo (campo magnetico).
- Accoppiamento capacitivo (campo elettrico).
- Irradiati (campo elettromagnetico).
I percorsi di accoppiamento spesso utilizzano una combinazione complessa di questi metodi che rende il percorso difficile da identificare anche quando la fonte e il recettore sono noti. Ci possono essere più percorsi di accoppiamento, e le misure adottate per attenuare un percorso possono migliorarne uno e, in taluni casi, peggiorarne o enfatizzarne un altro.
BREVE STORIA DELLA EMC
Alla fine degli anni Ottanta del XIX secolo, il fisico tedesco Heinrich Hertz (1857, 1894) effettuò esperimenti che dimostrarono il fenomeno della propagazione delle onde radio, confermando così la teoria pubblicata da James Clerk Maxwell (1831, 1879) due decenni prima.
Hertz era un fisico sperimentale, e gli si deve il grande merito di aver saputo produrre per primo onde elettromagnetiche di tre metri di lunghezza. I suoi primi oscillatori erano costituiti da un condensatore, le cui armature erano collegate mediante grossi fili di rame a due sferette d'ottone, distanti pochi mm fra loro, tra cui scoccava una scintilla, come mostrato in Figura 2.
Figura 2. Il primo sistema Ricetrasmittente costruito da Heinrich Hertz.
Il risuonatore o antenna ricevente era costituito da un cerchio di rame, che presentava una breve interruzione regolabile fino a 1/100 di mm. Nonostante la rudimentale costruzione, questo risuonatore era in grado, opportunamente orientato, di mettere in evidenza le azioni elettriche e magnetiche.
Egli inoltre fece altre importanti sperimentazioni. Attraverso pareti riflettenti ricoperte di lamiere di zinco, sperimentò anche la riflessione delle onde elettromagnetiche ottenendo sistemi di onde stazionarie. In seguito costruì oscillatori sempre più raffinati in grado di generare onde di soli 70 cm. Mediante un grande prisma di pece provò anche il fenomeno della rifrazione delle onde elettromagnetiche.
Ma ritorniamo all’oscillatore di Figura 2. Questo circuito generava una scintilla nella piccola fessura tra le due aste metalliche, che erano collegate all'altra estremità ad un trasformatore elevatore, come mostrato. L'eccitazione della scintilla creava una corrente oscillante sulle aste con conseguente radiazione elettromagnetica vicino alla frequenza di risonanza dell'antenna. L'antenna ricevente era costituita da un filo con uno spazio molto sottile. La scintilla generata indicava la presenza di un campo variabile nel tempo e la lunghezza massima della fessura di scintillazione, forniva una misura dell'intensità del campo ricevuto.
Guglielmo Marconi (1874, 1937) venne a conoscenza degli esperimenti di Hertz e li migliorò. Nel 1895 sviluppò il telegrafo senza fili, il primo dispositivo di comunicazione che trasmetteva informazioni utilizzando le onde radio. Sebbene il significato della sua invenzione non fu inizialmente apprezzato, la Marina degli Stati Uniti si interessò al potenziale di questo dispositivo per migliorare le sue comunicazioni con le navi in mare.
Nel 1899, la Marina degli Stati Uniti iniziò i primi test a bordo con il telegrafo senza fili di Marconi. I test ebbero successo da un punto di vista scientifico, però la Marina non fu in grado di far funzionare due trasmettitori contemporaneamente. La ragione di questo problema era da ricercare sulla frequenza operativa e la larghezza di banda del primo telegrafo senza fili che era determinata principalmente dalle dimensioni, dalla forma e dalla costruzione dell'antenna. Le antenne riceventi erano sempre "sintonizzate" (sperimentalmente) sulla stessa frequenza operativa dell'antenna trasmittente, tuttavia la larghezza di banda era difficile da controllare. Pertanto, quando due trasmettitori funzionavano simultaneamente, i ricevitori rilevavano i campi di entrambi in una certa misura e il segnale ricevuto era generalmente incomprensibile. Questo primo problema di compatibilità elettromagnetica fu definito come “interferenza a radiofrequenza” (RFI). Con l'aumentare della popolarità del telegrafo senza fili, cresceva anche la preoccupazione verso l'RFI.
