Rastreabilidade para campos magnéticos alternados até 10 kHz

Ramon Valls Martin 1, Diego Joriro Nazarre 1, Régis Renato Dias 1

1Instituto de Pesquisas Tecnológicas, São Paulo, SP 05508-901 Brazil

E-mail: ramon@ipt.br

RESUMO A rastreabilidade para campos magnéticos alternados pode ser feita através da caracterização do comportamento dinâmico de bobinas de referência ou bobinas geradoras de campos, usadas como padrões de calibração de instrumentos de medição. Neste trabalho desenvolvemos os arranjos experimentais e procedimentos para permitir esta caracterização. Usamos, como exemplo, a calibração de uma bobina de Helmholtz.

Os arranjos experimentais e procedimentos apresentados mostraram a

viabilidade para a implantação no Brasil da rastreabilidade para a indução magnética e intensidade de campos magnéticos alternados com incertezas pelo menos dez vezes menores (0,25 %) do que as atuais (3 % @ 60 Hz), além da extensão da faixa de frequências entre 10 Hz e 10 kHz.

Estudos e arranjos experimentais estão sendo construídos para estender a faixa de frequências até 1 MHz.

Está em desenvolvimento um sistema inédito de rastreabilidade ac baseado em ressonância magnética nuclear (padrão primário) para diminuir a incerteza ac para 0,02 %.

Agradecimentos

Agradecemos o IPT pela disponibilização dos recursos laboratoriais, e à FINEP/CNPq pelo financiamento parcial deste trabalho, através de recursos provenientes do Programa SIBRATEC para redes de serviços tecnológicos.

III. Resultados experimentais

Evolução da constante da bobina geradora em função da frequência:

Bobina Geradora:

222 )()1(

1

wRCLCwI

I

K

K

I

IK

I

Ik

I

BK

L

dc

ac

Ldc

Ldcacac

Bobina Captadora (pickup):

Sinal induzido na bobina pickup por um campo senoidal de intensidade µ0 B0 em função da frequência :

wtwRCLCw

NAwBVS cos)()1(

1

2220

NAf

VB S

*20

dt

dBNA

dt

dNVi

Sinal induzido com B0 = 1 mT

No patamar:

I. Introdução

II. As bobinas

IV. Conclusões

Variação da constante dinâmica (ac) da bobina geradora em relação à constante estática (dc) para frequências entre

10 Hz e 10 kHz.

Caracterização experimental da bobina pickup:

Indutância aparente (esquerda) e resistência aparente (direita) da bobina captadora, medidas através de ponte

de impedâncias na configuração RL série.

Detalhe da indutância da bobina captadora. (O efeito pelicular é imperceptível, mesmo no limite

de resolução da ponte de impedâncias.)

A calibração de instrumentos de medição de campos magnéticos alternados é essencial para o atendimento da legislação brasileira que define limites máximos de exposição a campos magnéticos de alta e baixa frequência. A rastreabilidade para estas calibrações provém de bobinas de referência ou bobinas geradoras de campo com núcleo de ar (padrões ac), que devem ser construídas cuidadosamente para garantir a sua estabilidade dimensional e elétrica. Estes padrões devem ser perfeitamente caracterizados tanto em seu desempenho estático, quanto no dinâmico. O parâmetro mais importante nesta caracterização é a constante de bobina K, que relaciona a indução magnética B gerada pela aplicação de uma corrente I :

Caracterização experimental da bobina geradora:

Na calibração dinâmica da bobina geradora utiliza-se um shunt não indutivo para medir a corrente aplicada, e a bobina pickup para determinar o campo gerado, e assim calcular Kac/Kdc . A calibração pode ser feita em dois modos:

Fase (esquerda) e impedância (direita) da bobina geradora, medidas através de ponte de impedâncias.

Verificação experimental da queda na indutância total da bobina geradora de campo devido aos efeitos

pelicular e de proximidade.

Bobina de Helmholtz geradora de campo com bobina captadora posicionada no centro do conjunto.

aplicada

BI

BK

Inicialmente deve ser determinado o valor de Kdc estático com auxílio de magnetometria RMN (padrão primário) para minimizar as incertezas. Após esta calibração, o comportamento dinâmico é obtido comparando a evolução da razão Kac/Kdc com a frequência. Uma estimativa pode ser obtida através de simulações numéricas ou modelos matemáticos. Um método experimental confiável, e utilizado internacionalmente, é a medição direta do fluxo magnético com o emprego de bobinas captadoras ou bobinas pickup, que devem ser perfeitamente caracterizadas (resposta em frequência com ressonância >> frequência de operação e fator N*A).

Corrente na bobina geradora em função da frequência, para tensão aplicada constante (5 Vrms).

Sinal induzido na bobina pick-up em função da frequência, no modo corrente constante (3 mArms).

Corrente constante:

Na alimentação da bobina geradora por corrente constante, o sinal induzido na bobina captadora tem grande variação. Em baixas frequências este sinal é da ordem de µV, prejudicando a relação S/R. A corrente máxima de operação é limitada pela tensão de compliância admissível da fonte ac: V = I (2πfL+ R).

Tensão constante: Neste caso a corrente é determinada pela impedância total da bobina: I = V / ZT. A tensão induzida na bobina pickup é praticamente constante na maior parte da varredura de frequências em que a impedância da bobina geradora seja predominantemente indutiva, mas a corrente pode variar diversas ordens de grandezas, facilitando a indução de ruído elétrico e magnético.

A dispersão observada nos pontos experimentais origina-se principalmente da deterioração da relação sinal/ruído, exigindo o uso de ambientes blindados. Observamos que um procedimento de calibração mais confiável deve incluir a fonte de alimentação e a fiação, além da própria bobina geradora, pois a capacitância extra introduzida por estes componentes deteriora a resposta em frequência global do sistema.

Resposta só da bobina.

Resposta global do sistema.