(Implementing
an electromagnetic field meter)
Há muito
tempo desejo realizar alguns testes com campos elétricos e
magnéticos em altas freqüências. Em
função do
elevado custo de medidores de campo
eletromagnético, e por haver trabalhado por muitos anos na
empresa alemã Wandel
& Goltermann, e lá haver
estudado e conhecido os medidores de campo eletromagnéticos da
família EMR, decidí projetar e construir meu
próprio instrumento. Sua finalidade é determinar o campo
elétrico e o
campo magnético existente em um dado ponto (uma região,
na verdade) do espaço.
Para tal fim o medidor em questão determina o campo elétrico usando 3 antenas dipolo (para os eixos x, y e z) com comprimento de onda bem menor que o do espectro que deseja-se avaliar, e 3 loops (também com orientação x, y e z) para determinar o campo magnético. O sinal induzido nestes sensores é retificado, amplificado e medido - parece bem simples, mas na hora de implementar descobri que não é!
O texto a seguir resume a implementação que realizei e funcionou para meus propósitos.
Main frame - o medidor propriamente dito
O main frame do instrumento foi construído usando a mecânica de um antigo medidor de nível da empresa WGB Eletrônica de Precisão, o TN-10. Eu dispunha da sucata de um instrumento destes e ela me pareceu ideal para meu projeto. A implementação foi feita em uma placa de circuito impresso perfurada que cortei para encaixar exatamente no lugar de uma das placas originais deste instrumento.
Nesta placa forma montados o microprocessador, um conversor A/D de 12 bits, uma chave CMOS para selecionar a entrada de sensor a ser ligada ao conversor A/D, um driver para o display LCD, um regulador de voltagem e uma porta serial para registro externo e programação do micro. Montei tudo com cabos flexíveis, de modo a poder realizar facilmente qualquer modificação. A ligação do display à placa foi feita usando um cabo IDE de HD de computador - isto permite remover a placa sem ter que desmontar o circuito do display. Devido ao uso da chave MOS posso selecionar uma de seis entradas (X,Y ou Z de campo elétrico ou magnético) por vez para medir. Além disto seleciono também uma amostra da tensão da bateria que alimenta meu instrumento de forma a poder medir sua tensão e avisar o operador se ela está abaixo de 7,8 volts (o mínimo que meu instrumento precisa para funcionar corretamente).
O mainframe é, na verdade, um medidor de tensão contínua (um voltímetro) com seis entradas separadas, que lê cada uma delas e calcula depois a soma quadrática das 3 correspondentes ao sensor de campo elétrico ou magnético e extrai sua raíz.
O processador seleciona as entradas X, Y e Z de cada grandeza elétrica (tensão e corrente), o A/D converte o valor analógico em cada uma das entradas em uma palavra de 12 bits que o processador lê e armazena; em seguida ele calcula
Esta configuração é interessante porque como as 3 medidas são feitas rapidamente o resultado do campo elétrico ou magnético é determinado sem que hajam erros causados por causa da orientação (direcionalidade) do sensor.
Sensor para o campo elétrico - baixa freqüência
Começando pelo desenho das antenas dipolo - que tamanho tem que ter? Decidi medir campo elétrico alternado até 100 kHz, com amplitude de até 20 V/m. Meus dipolos tiveram que ser cortados e experimentados até conseguir o menor tamanho possível e ao mesmo tempo um nível de sinal suficiente para ser medido. Os diodos usados para retificar o sinal induzido são do tipo "bigode de gato" (de contato de ponta) por causa da baixa tensão direta desenvolvida sobre eles quando conduzindo. Optei pelos velhos AA-119 que tinha em estoque em meu laboratório. Em testes com um gerador de sinais e um osciloscópio, cheguei fácil a 20 MHz com pouca perda, o que permite afirmar que meu medidor funciona com resposta em frequencias plana até os 100kHz pretendidos.
Sensor para o campo magnético - alta freqüência
Construí bobinas de uma única espira e usei diodos shottky para lograr medir campos magnéticos de alta frequencia. Com diodos Philips BAV-10 consegui medir campos magnéticos até a faixa de fornos de microondas (2,4 GHz).
O cubo com as antenas é montado dentro da semi-esfera plástica que serve de proteção. O plástico usado pouco altera a sensibilidade do meu medidor - testei a antena com e sem a proteção.
Vista da haste e conectores de fixação e interconexão. O plug banana serve apenas para garantir o suporte mecânico; as conexões elétricas são feitas através do conector din miniatura.
O aparelho acondicionado na maleta de transporte do antigo TN-10.
Calibração do medidor de campo em microondas
Sem dúvida esta é a parte mais difícil. Para uma calibração efetiva eu necessitaria de uma sala especial, conhecida como gailola de Faraday, aonde os níves de campo eletromagnético indesejados, tais como sinais de TV, FM, etc. estivessem bastante reduzidos. Como tal dispositivo não me é acessível, decidi calibrá-lo em espaço aberto mesmo.
O procedimento que realizei foi simples - liguei o medidor, constatando que a sua leitura era pequena (quase zero) indicando não haverem campos intensos no local aonde eu estava naquele momento. Em seguida apliquei um sinal conhecido e realizei os ajustes.
Como fonte de sinal para a calibração na faixa de microondas usei um forno de microondas doméstico no qual tirei a tampa superior e fiz um furo lateral de aproximadamente 3 cm de diâmetro. A uma distância conhecida do forno (1 m) coloquei um medidor de campo calibrado (EMR-300, da Wandel & Goltermann) e dentro do forno coloquei uma grande panela de vidro com água, cuja quantidade fui ajustando de forma a reduzir a quantidade de ondas estacionárias dentro do forno e obter um sinal irradiado pelo furo o mais constante possível.
Sem este procedimento com a panela de água o sinal que sai do microondas oscila bastante por causa do padrão de estacionária que se estabelece dentro de sua cavidade e por causa da dilatação do metal da cavidade que acaba dissipando sob a forma de calor parte da energia que recebe pela microonda.
O medidor sendo calibrado. Ao fundo pode-se ver o forno microondas "arrombado" que serviu de gerador de sinal.
Após esperar o nível de sinal irradiado estabilizar (o magnetron do forno de microondas precisa de pelo menos 3 minutos funcionando para aquecer e parar variar a potência de rádio freqüência gerada) medí o campo elétrico e magnético com o medidor de referência (EMR-300); em seguida coloquei meu medidor em seu lugar e ajustei o fator de calibração de forma a obter uma mesma leitura nele. Girando meu medidor nos 3 eixos pude constatar que a leitura da soma quadrática praticamente não se altera, embora os valores individuais de x, y e z se modifiquem bastante. Meu medidor funciona!
O display do meu instrumento. Os valores que aparecem em x, y e z são na verdade o produto do campo elétrico pelo magnético, o que dá mW/m^2.
Para tal fim o medidor em questão determina o campo elétrico usando 3 antenas dipolo (para os eixos x, y e z) com comprimento de onda bem menor que o do espectro que deseja-se avaliar, e 3 loops (também com orientação x, y e z) para determinar o campo magnético. O sinal induzido nestes sensores é retificado, amplificado e medido - parece bem simples, mas na hora de implementar descobri que não é!
O texto a seguir resume a implementação que realizei e funcionou para meus propósitos.
Main frame - o medidor propriamente dito
O main frame do instrumento foi construído usando a mecânica de um antigo medidor de nível da empresa WGB Eletrônica de Precisão, o TN-10. Eu dispunha da sucata de um instrumento destes e ela me pareceu ideal para meu projeto. A implementação foi feita em uma placa de circuito impresso perfurada que cortei para encaixar exatamente no lugar de uma das placas originais deste instrumento.
Placa com o circuito do medidor.
O componente DIP 8 pinos ao lado do capacitor laranja é o conversor A/D de 12 bits.
O componente DIP 8 pinos ao lado do capacitor laranja é o conversor A/D de 12 bits.
Nesta placa forma montados o microprocessador, um conversor A/D de 12 bits, uma chave CMOS para selecionar a entrada de sensor a ser ligada ao conversor A/D, um driver para o display LCD, um regulador de voltagem e uma porta serial para registro externo e programação do micro. Montei tudo com cabos flexíveis, de modo a poder realizar facilmente qualquer modificação. A ligação do display à placa foi feita usando um cabo IDE de HD de computador - isto permite remover a placa sem ter que desmontar o circuito do display. Devido ao uso da chave MOS posso selecionar uma de seis entradas (X,Y ou Z de campo elétrico ou magnético) por vez para medir. Além disto seleciono também uma amostra da tensão da bateria que alimenta meu instrumento de forma a poder medir sua tensão e avisar o operador se ela está abaixo de 7,8 volts (o mínimo que meu instrumento precisa para funcionar corretamente).
Placa montada na caixa. O chip
vermelho é o processador, e bem à esquerda, em baixo, o
conector RS232.
O mainframe é, na verdade, um medidor de tensão contínua (um voltímetro) com seis entradas separadas, que lê cada uma delas e calcula depois a soma quadrática das 3 correspondentes ao sensor de campo elétrico ou magnético e extrai sua raíz.
O processador seleciona as entradas X, Y e Z de cada grandeza elétrica (tensão e corrente), o A/D converte o valor analógico em cada uma das entradas em uma palavra de 12 bits que o processador lê e armazena; em seguida ele calcula
Esta configuração é interessante porque como as 3 medidas são feitas rapidamente o resultado do campo elétrico ou magnético é determinado sem que hajam erros causados por causa da orientação (direcionalidade) do sensor.
Teclado e display
O mainframe sendo montado. Repare
o conector RS-232 - USB
que foi conectado na lateral da caixa.
Mainframe sendo fechado, mas
ainda sem a placa de conexão da antena. Ao lado está
encaixado o conversor RS-232 - USB que permite fazer o download do
software do medidor.
Sensor para o campo elétrico - baixa freqüência
Começando pelo desenho das antenas dipolo - que tamanho tem que ter? Decidi medir campo elétrico alternado até 100 kHz, com amplitude de até 20 V/m. Meus dipolos tiveram que ser cortados e experimentados até conseguir o menor tamanho possível e ao mesmo tempo um nível de sinal suficiente para ser medido. Os diodos usados para retificar o sinal induzido são do tipo "bigode de gato" (de contato de ponta) por causa da baixa tensão direta desenvolvida sobre eles quando conduzindo. Optei pelos velhos AA-119 que tinha em estoque em meu laboratório. Em testes com um gerador de sinais e um osciloscópio, cheguei fácil a 20 MHz com pouca perda, o que permite afirmar que meu medidor funciona com resposta em frequencias plana até os 100kHz pretendidos.
Sensor para o campo magnético - alta freqüência
Construí bobinas de uma única espira e usei diodos shottky para lograr medir campos magnéticos de alta frequencia. Com diodos Philips BAV-10 consegui medir campos magnéticos até a faixa de fornos de microondas (2,4 GHz).
Antena dipolo e loop de corrente
- os diodos estão sendo montados.
Um cubo com as antenas foi
construído. Repare os diodos schottky que
atravessam as superfícies do cubo por furos.
atravessam as superfícies do cubo por furos.
O cubo com as antenas é montado dentro da semi-esfera plástica que serve de proteção. O plástico usado pouco altera a sensibilidade do meu medidor - testei a antena com e sem a proteção.
Vista da haste e conectores de fixação e interconexão. O plug banana serve apenas para garantir o suporte mecânico; as conexões elétricas são feitas através do conector din miniatura.
A antena pronta. Foram usadas
duas calotas plásticas, usadas em ventiladores de teto.
Vista do conjunto medidor e
antena.
O aparelho acondicionado na maleta de transporte do antigo TN-10.
Calibração do medidor de campo em microondas
Sem dúvida esta é a parte mais difícil. Para uma calibração efetiva eu necessitaria de uma sala especial, conhecida como gailola de Faraday, aonde os níves de campo eletromagnético indesejados, tais como sinais de TV, FM, etc. estivessem bastante reduzidos. Como tal dispositivo não me é acessível, decidi calibrá-lo em espaço aberto mesmo.
O procedimento que realizei foi simples - liguei o medidor, constatando que a sua leitura era pequena (quase zero) indicando não haverem campos intensos no local aonde eu estava naquele momento. Em seguida apliquei um sinal conhecido e realizei os ajustes.
Como fonte de sinal para a calibração na faixa de microondas usei um forno de microondas doméstico no qual tirei a tampa superior e fiz um furo lateral de aproximadamente 3 cm de diâmetro. A uma distância conhecida do forno (1 m) coloquei um medidor de campo calibrado (EMR-300, da Wandel & Goltermann) e dentro do forno coloquei uma grande panela de vidro com água, cuja quantidade fui ajustando de forma a reduzir a quantidade de ondas estacionárias dentro do forno e obter um sinal irradiado pelo furo o mais constante possível.
Sem este procedimento com a panela de água o sinal que sai do microondas oscila bastante por causa do padrão de estacionária que se estabelece dentro de sua cavidade e por causa da dilatação do metal da cavidade que acaba dissipando sob a forma de calor parte da energia que recebe pela microonda.
O medidor sendo calibrado. Ao fundo pode-se ver o forno microondas "arrombado" que serviu de gerador de sinal.
Após esperar o nível de sinal irradiado estabilizar (o magnetron do forno de microondas precisa de pelo menos 3 minutos funcionando para aquecer e parar variar a potência de rádio freqüência gerada) medí o campo elétrico e magnético com o medidor de referência (EMR-300); em seguida coloquei meu medidor em seu lugar e ajustei o fator de calibração de forma a obter uma mesma leitura nele. Girando meu medidor nos 3 eixos pude constatar que a leitura da soma quadrática praticamente não se altera, embora os valores individuais de x, y e z se modifiquem bastante. Meu medidor funciona!
O display do meu instrumento. Os valores que aparecem em x, y e z são na verdade o produto do campo elétrico pelo magnético, o que dá mW/m^2.
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