BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 1 av 9 BEMI#1204251 - BEMI RFGIS MÄTSYSTEM EN MÄTMETOD FÖR KARTLÄGGANDE MÄTNINGAR AV RADIOFREKVENT STRÅLNING SAMT MAGNETFÄLT Mätmetoden som beskrivs i detta dokument har utvecklats främst under åren 1999 till 2007 av Clas Tegenfeldt, BEMI Bättre Elmiljö. Mätmetoden används för att simultant mäta radiofrekvent strålning på multipla frekvenser fördelat över stora geografiska områden. Från år 2007 ingår även 50 Hz magnetfält i mätsystemet. Dessa mätningar är av kartläggande natur och kan med fördel presenteras överlagrat på kartor. BEMI har utvecklat egna programvaror såväl för mätvärdesinsamling såsom presentation av resultat på kartor. BEMI:s programsystem kan även exportera mätdata för import i de befintliga GIS-system som är vanliga på bl.a. kommuner idag. Dokumentet beskriver fysiken, mätstorheter och enheter, omvandlingen av fält i luft via antenn till signal till mätinstrument, kalibrering och konvertering mellan olika enheter. Mätsystemet beskrivs och möjliga analyser skissas. Varje större kartläggning är dock i någon mening unik och såväl mätmetod och efteranalys kan alltid anpassas för det specifika fallet. BEMI RFGIS Det av BEMI utvecklade mätsystemet går under namnet BEMI RFGIS och består dels av hårdvara för insamling av mätdata från ett eller flera mätinstrument, lagring, analys och till sist presentation av resultat. Målet under utvecklingen av mätmetoden och därefter systemet BEMI RFGIS har varit att möjliggöra kartläggande mätningar över stora områden, t.ex. hela kommuner, på ett snabbt och effektivt sätt. Behovet uppstod efter omfattande erfarenhet av bristerna och problemen med s.k. punktmätningar. Mätsystemet En speciellt utvald personbil med låga egna emissioner av radiofrekvent störning används av BEMI för vägmätningar. Förutom att agera som antennbärare så får bilen i sig inte tillföra egna emissioner av väsentlig storlek. För mikrovågssidan så är detta mycket enkelt, men vid låga frekvenser har många bilar helt enkelt för mycket störningar. BEMI åtgärdar de störningar som ev. finns innan ett fordon accepteras som mätfordon. Fordonet betraktas inte som en del av mätsystemet utan endast som antennbärare. BEMI RFGIS består egentligen av många olika delar. 1. Mätantenn(er), en eller flera beroende på frekvensomfång och uppdragets krav. 2. GPS med antenner, en eller flera separata GPS system används, typiskt används minst två helt separata GPS system (antenner, mottagare, loggning). Ofta används tre GPS system samtidigt. 3. Mätinsamlingsenhet, en eller flera datorer med hårddisk(ar) samlar in och lagar mätdata. För vissa projekt används bara en dator, i många används minst två datorer. 4. Strömförsörjning av alla ingående delar via batteri(er). Detta är även det utvecklat av BEMI för att möjliggöra strömförsörjning av bland annat datorerna utan att generera radiofrekvent störning som skulle kunna påverka mätresultaten. 5. Programsystem som i realtid samlar in mätdata från de olika delarna, lagrar dessa tillsammans med GPS position, utför vissa analyser kontinuerligt och korrelerar detta geografiskt i GIS system i mätfordonet.
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 2 av 9 Antennfaktor, rotationssymmetri, polarisation En antenn är ett stycke metall vars uppgift är att fånga in ett radiofrekvent fält i luften och omvandla detta till en mätbar elektrisk signal. Antennteori är ett komplext område, här räcker det att veta att det uteslutande är den elektriska fältkomponenten (mäts i V/m och anges normalt i dbµv/m) som de facto fångas upp, INTE magnetfältet (A/m eller Tesla) och inte heller effekttäthet (W/m 2 ). Det elektriska fältet ger upphov till en spänning som via antennkabeln förs över till mätinstrumentet. Denna spänning kan mätas och anges i dbµv eller omvandlas till en effekt i ett motstånd och anges i dbm (decibel milliwatt), underförstått anses mätinstrumentets ingång ha en resistans av 50 Ohm. Skulle instrumentet ha annan ingångsresistans kan man INTE jämföra resultaten direkt utan måste kompenseras för denna skillnad. För att veta vilken fältstyrka i luft som ger en viss signal till mätinstrumentet krävs en kalibrering, dvs. ett test ute i det fria med känd elektrisk fältstyrka, den signal man då mäter motsvarar den fältstyrkan som man på annat sätt har kännedom om. Kalibreringen sker vid enskilda frekvenser och upprepas tills man har tillräcklig kännedom om antennens faktiska egenskaper. Kalibreringen sammanfattas i en tabell eller diagram och kallas ofta för antennfaktor. Det viktiga med en antenn är dess känslighet, dvs. förmågan att ta ett fält i luften och effektivt omvandla den till en signal. En okänslig antenn gör att hela mätsystemet tappar i känslighet. Det är också viktigt att en antenn har någorlunda samma känslighet för olika frekvenser inom området man vill mäta. Skiljer sig antennfaktorn för mycket mellan olika frekvenser så blir resultaten svårtolkade och dynamiken (skillnaden mellan en svag detekterbar signal och en stark) blir reducerad. Man brukar tala om rak eller rimligt rakt frekvensgång. Detta är mycket svårt att åstadkomma för bredbandiga antenner. En antenn 1 MHz till 3 GHz är att betrakta som en mycket extremt bredbandig antenn och få sådana antenner existerar. Det är även viktigt att en antenn fångar in signal från alla håll i de fall antennen används för att mäta signaler som kan komma från alla håll, dels då flera sändare finns, dels då man flyttar antennen och dels då man helt enkelt i förväg inte vet varifrån signalen kommer. Antennen bör alltså vara rotationssymmetrisk, detta utesluter log-periodiska antenner samt alla andra typer av riktantenner. Kvarstår gör vertikala dipoler eller monopoler oavsett om de är passiva eller aktiva antenner. Ytterligare faktorer är polarisation, dvs. i vilket plan det elektriska fältet svänger, normalt talar man om vertikal eller horisontell polarisation. Förutom vissa tevesändare så är det mesta vertikalt polariserat. En antenn som tar emot vertikal polariserad strålning missar horisontalt polariserad strålning och vice versa. I verkligheten är strålning inte speciellt utpräglat polariserad eftersom den studsar runt i såväl atmosfär som terräng. Det har dock en klar betydelse för mätningar och hänsyn måste tas beroende på sändartyp. Vissa forskargrupper har använt en antenn som placeras längs tre mot varandra ortogonala axlar, låt oss kalla dom X, Y och Z, och sedan upprepat mätningen tre gånger och matematiskt summerat dessa tre mätvärden för att undvika polarisationsproblemet. Dessvärre skapas då en ohållbar situation vad gäller mätosäkerhet och uppskattning av systemets noggrannhet. Bekymret är att man faktiskt INTE kan veta om signalen ändrats under tiden då man först utfört mätningen i X- led, en stund senare i Y-led och till sist i Z-led. Typiskt kan det gå flera minuter mellan mätningarna. Till viss del kan man kompensera för det uppkomna felet genom att mäta en längre tid och ta medelvärde eftersom medelvärden smetar ut felen, detta reducerar dock samtidigt informationsvärdet av mätningen! Ett bättre sätt att hantera polarisationsproblemet är att helt enkelt vrida antennen till dess att maximal signal uppnås, då har man också en antennen inriktad längs den elektriska fältvektorn och man fångar då upp signalens faktiska sanna värde. För en punktmätning löser BEMI detta genom att rotera antennen i alla riktningar och logga maxvärdet, det ger då ett sant värde även för en tidsvarierande signal till skillnad mot X-Y-Z mätningar. För vägmätningar så har BEMI löst polarisationsproblemet genom att vinkla antennen 45 grader mot horisontalplanet, detta underskattar såväl vertikal- såsom horisontalpolariserade signaler lika mycket. Antennen ser 70,7% av fältstyrkan, dvs. -1,5 db lägre effekt eller 3 db spänning. Man kan därför kompensera mätvärden i BEMI-RFGIS med +3 db generellt för spektrummätningar, detta görs normalt inte av den anledningen att strålning i verklig natur mätt från en bil som åker uppför och nedför i topografin med multipla reflektioner från omgivningen tenderar att släta ut polarisationsfelet. Dessutom anses det bättre att undervärdera signalen något än att övervärdera den. Att kompensera med små faktorer typ 1 db är inte meningsfullt eftersom mätnoggrannheten i det stora hela inte påverkas.
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 3 av 9 Fädning, stående vågor, lokala medelvärden En elektromagnetisk våg har toppar och dalar, om en antenn placeras så att den mäter i en vågdal fås givetvis ett lågt värde jämfört med uppe på vågtoppen. Om vågorna passerar antennen så att vågar och dalar flyter snabbt fram så kommer antennen att se toppvärdet av vågen, dvs. den sanna amplituden. Om vågen reflekteras i omgivningen uppstår något man kallar stående vågor, vågor läggs på varandra och man kan ha långsamt vandrande eller helt stillastående noder och bukar i fältet i luften på samma sätt som noder och bukar på en gitarrsträng. Om man utför en punktmätning och statiskt placerar en antenn på ett stativ så vet man i slutändan ingenting om antennen råkar stå i en nod eller buk eller däremellan. En enda punktmätning tenderar därför att bli ganska så slumpmässig. Det är också i praktiken närmast omöjligt att placera antennen i samma punkt igen vid ett senare tillfälle, det handlar om placering på millimetern när i X, Y, Z-led samt även i riktning! Dessutom påverkas antennen av föremål i närheten, en person som flyttar på sig kan förändra mätvärdet något. Det finns i huvudsak endast två sätt att undvika att förlita sig på ett enda mätvärde, endera genom att mäta många punkter eller genom att röra antennen så att man inte mäter en punkt utan en volym. En volym mäts genom att röra antennen (som då måste vara liten i förhållande till volymen) inom en volym så att punkterna i volymen täcks upp. Man kan lagra alla mätvärden automatiskt (loggning) under tiden antennen rörs inom volymen eller enbart lagra maximala toppvärdet vilket motsvarar amplituden på den polariserade vågens buk. Det man kallar för fädning är förenklat diverse snabba förändringar av strålningens (vågens) amplitud då man rör sig (antennen) en liten bit. Med lokalt medelvärde menas medelvärdet över en kort sträcka, typiskt något tiotal våglängder. En definition av Lee [se Mobile Communication Design Fundamentals, William C.Y. Lee] är att ta 50 mätvärden på en sträcka av 40 våglängder, men i praktiken anses 20 våglängder vara fullt tillräckligt. För 3G som har en våglängd av 14 cm så skapar man ett tillförlitligt lokalt medelvärde på en sträcka av 2,8 meter. Om man alltså utför en vägmätning så rör sig antennen över en sträcka under tiden instrumenten samlar in mätdata, detta skapar ett lokalt medelvärde genom att den snabba fädningens variationer slätas ut rent statistiskt i samplingarna. Beräkningar av medelvärden (i efteranalys) sker alltid i linjära termer (inte decibel!). Om det lokala medelvärdet, dvs. insamling under mätsträckan, sträcks ut mer än 40 våglängder medför detta att extremvärden blir mindre sannolika. Man kan säga att statistiskt förskjuts värdena mot mitten. Detta innebär att det inte är en nackdel med högre fart och längre sträcka för varje mätlagring. Man kan hävda att mätvärdena är representativa för sträckan, men att den geometriska upplösningen blir sämre. Ett mätvärde var 30 meter är dock i praktiken klart tillräckligt även på en detaljerad kartbild. BEMI RFGIS utför cirka en mätning per sekund parallellt på vardera GSM nät via så kallade mättelefoner. Dessa mäter i sin tur i det närmaste kontinuerligt eftersom ingångssteg och RSSI kretsar är analoga och klarar mycket snabba förändringar. Mätvärden ur GSM mätsystemet lagras dock endast en gång per sekund. BEMI RFGIS spektralmätningar lagras en gång per sekund, dvs. ett färdigt spektra med såväl min och max värden lagras med ca 0,9 sekunders intervall. Själva spektrumanalysatorn mäter tio gånger per sekund (10 svep), dvs. varje enskild frekvens mäts tio gånger innan min och max värdet lagras. Varje frekvens mäts under en kort tid, dock så länge att värdet samlas under någon centimeters färd. Vägen mäts alltså mycket finkornigt och komplett spektra lagras med några meters mellanrum. I hög fart kommer mätvärdena att samlas in under en längre färdsträcka än vid låg fart, detta innebär dock inte krypfart är bättre eftersom det lokala medelvärdet då baseras på en för kort sträcka, lämpligt är 15 km/t eller högre. Systemets parametrar är avvägda för normal trafikrytm i samhällen och landsväg. På motorväg blir det lagrade spektrat utdragna till över 30 meters längd men varje enskilt sampel är fortfarande endast dryga centimetern, ett enskilt (mätt men inte lagrat) spektra är endast 3 meter långt. BEMI RFGIS klarar alltså med god marginal av att mäta såväl stadsmiljö som motorvägssträckor samtidigt som lokala medelvärdesbildningar, samplingstäthet samt finkornighet i lagrade data bevaras. Inverkan av mätfel hos mätinstrumentet Alla mätinstrument har någon grad av mätfel. Kalibrering reducerar dessa, framförallt får man kunskap om de systematiska mätfel som existerar. Det fel som återstår kan betraktas som slumpmässigt, icke-systematiskt. Vid vägmätning bygger varje lagrat spektra på tio uppmätta spektra, detta innebär att mätfelet kan anses ha försumbar betydelse eftersom instrumentets mätfel är väsentligt mindre än den snabba fädningens variation (typiskt 8 db i standardavvikelse).
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 4 av 9 GPS Flera moderna GPS antenner och mottagare används. Det är 12 kanaliga parallella mottagare med hög känslighet och noggrannhet. GPS är egentligen ett Amerikanskt militärt system som efterhand fått i huvudsak civila internationella användare. Efter att Clintons administration beslutade att häva USA:s avsiktliga störning av GPS systemet har positioneringsnoggrannheten ökat till att ha ett fel mindre än 10 meter. Under färd ligger felet normalt klart lägre. Felet är oftast mindre än bredden på den väg som körs. Dock kan dåligt väder ge sämre mottagning och färre satellitkontakter med ökat fel som följd. Än mer vanligt är att i stadsmiljö tillfälligt tappa kontakten med satelliter p.g.a. att hus runtom skymmer sikten mot dessa satelliter. Främst blir det ökade felet dock som avsaknad av säker position under en tid, inte som ökat fel i antal meters avvikelse. En modern GPS kompenserar för detta genom att anta att hastighet och riktning inte förändras och nya positioner beräknas utifrån de ev. satelliter man fortfarande har kontakt med. För vägmätning syns denna typ av fel, p.g.a. väder eller att t.ex. hus skymmer sikten, att man tidvis kan få stegvisa hopp i sidled då bättre kontakt fås och därmed högre precision kan uppnås. I kombination med interpolering kan t.ex. gatuhörn i stadsmiljön genas då interpolerade mätdata läggs ut på kartan. Felet har i praktiken visat sig mycket sällan överstiga +-10 meter. Det är möjligt att förbättra positionering medelst differentiella GPS mottagare som får korrektionsdata via bl.a. radiosändare. Detta är dock normalt inte aktuellt vid vägmätningar men kan komma ifråga om enstaka punktmätningar ska positioneras med hög precision. Flera GPS system används simultant i BEMI RFGIS, en mottagare med extern takantenn används för GSM mätdatainsamling (då specifik GSM kartläggning önskas), en mottagare med extern takantenn används för den spektrala mätdatainsamlingen, och minst en GPS används för olika kartapplikationer i fordonet (det sistnämnda ej kritiskt system). GPS data lagras i textform tillsammans med mätdata för varje mätpunkt. Eftersom GPS är asynkront system gentemot mätdatainsamlingen så lagras den senaste GPS positionen med mätdata, detta introducerar ett jitter i exakta positionen i färdvägens riktning eftersom den exakta bråkdelen av sekund för mätvärde och för GPS position kan skilja sig. Felet är dock av karaktären att medelvärdet av fel centrerar sig runt verklig position. Felet är oundvikligt men dock av smärre storlek och betydelse. Alla mätdata lagras dock med såväl datortid som GPS tid, detta innebär att man kan i efterhand göra kontroller på detta. Man måste dock veta att GPS tid inte är detsamma som GMT eller UMT tid, GPS tiden korrigeras inte för s.k. skottsekunder och GPS tid förskjuts därför alltmer från t.ex. GMT. Exakt förskjutning måste kontrolleras, hänsyn till tidszoner och sommartid måste tas eftersom GPS tid inte gör det. Datorns klocka behöver givetvis inte vara korrekt eller exakt inställd men utgör en kontroll, en slags checksumma i datafilerna. GPS arbetar enligt koordinatsystem och referensramar kallat WGS84. Alla positioner lagras i denna form. Strömförsörjning All strömförsörjning av mätinstrument, datorer och GPS enheter sker via bilbatteri, detta garanterar kontinuitet i mätningar utan störningar. All strömförsörjning är åtgärdad med avseende på radiostörningar för att inte bidra till mätresultat.
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 5 av 9 Kalibrering för magnetfältsloggning Magnetfält skapade av en kabel under mark eller från en hängande luftledning har en utbredning i fri luft men en annan då ett större ferromagnetiskt föremål förs in i fältet. I fallet med vägmätning av magnetfält påverkas alltså fältet av bilen! Skulle bilen ha varit gjord av t.ex. plast skulle fältet vid mätning kunna jämställas med mätning i fri rymd. Nu är så inte fallet. För att få en kunskap om hur en bil påverkar det fria magnetfältet i praktiken så utfördes en serie mätningar. En kabel rullades ut på marken i form av en kvadrat 15x15 meter. Slingan kopplades ett varv och matades med en känd strömstyrka. Mätserie 1 utfördes så att bilen sakta rullades stegvis in mot slingan (mitt på en av kvadratens sidor) samtidigt som mätinstrumentet avlästes. Mätproben satt på 0,95 meters höjd över mark inuti bilen. En konstant ström av 2,08 A matades in i slingan och projicerade avståndet längs marken mättes upp för 15 mätpunkter. Mätserien ger svar på skillnaden mellan magnetfält i fri rymd respektive inuti bil då bilen korsar en kabel. För riktigt korta avstånd till kabeln (< 3 m från mätproben) kommer motorn med sin stora järnmassa att passera fältet först, detta innebär en kortvarig reduktion (-12%) av fältet mätproben ser till dess att motorn passerat och proben är över kabeln. Samma sak upprepades igen men med en högre strömstyrka av 6,21 A, mätserie 2 utgör en kvalitetskontroll. Eftersom magnetfältet är starkare blir reduktionen mer utdragen i överföringsfunktionen (AD-fältstyrka) men i ett diagram med avstånd-fältstyrka överensstämmer serie2 och serie1 mycket väl. Slutsatsen är att fältet med en rimlig överföringsfunktion kommer att undervärderas med ca 10% just då man passerar en kabel, detta gäller +-2 meter från kabeln. Även med låg hastighet kommer inte mer än något enstaka mätvärden att beröras av detta fel. Överföringsfunktionen skall således inte ta hänsyn till denna transienta effekt av motor/chassi. Mätserie 3 utfördes rakt ovanför den korsande kabeln och strömstyrkan varierades från 0,158 A till 9,01 A. Mätserien syftade till att undersöka linjäriteten mellan olika fältstyrkor, dvs. huruvida bilens metallchassi dämpar mer beroende på fältstyrkan. Resultatet är att dämpningen inte ökar med ökande fältstyrka, detta bekräftar indirekt diskussionen om serie1 och 2 vad gäller chassi och motors påverkan av fältet. Detta bekräftar att överföringsfunktionen skall vara rak för höga magnetfält. Mätserie 4 utfördes så att bilen placerades längs med slingans ena sida, mätproben rakt över kabeln och strömstyrkan varierades mellan 0,158 A och 10,62 A. Bilens chassi påverkar magnetfältet annorlunda längs kabel jämfört med tvärs (korsande) kabel. Detta beror på att bilen inte är rotationssymmetrisk, dvs. den är längre än den är bred eller hög. Mätserie 4 syftar till att uppskatta maximala felet eftersom man aldrig kan veta om man korsar en kabel eller kör längs med en kabel. Man skulle visserligen kunna göra en efteranalys för att uppskatta om man korsar eller färdas längs en kabel, men en sådan efteranalys är arbetskrävande och bedöms ointressant för ändamålet med denna rapport. Eftersom mätningar av magnetfältet görs 4 ggr per sekund finns tillräckligt med data för en sådan efteranalys om man i framtiden skulle vilja det. Mätserie 5 utföres på samma sätt som serie 4, men bilen placerades med mätproben 1,1 meter utanför slingan så att hela bilen var utanför slingan. Serien är en bekräftelse på serie 4 men med fältet träffande den motsatta långsidan av bilen. Båda serierna bekräftar även en rak överföringsfunktion för starka magnetfält. Mätserie 6 är en frifältsmätning utan bil med exakt samma utrustning som satt i bilen. Mätserien utfördes med ett stativ så att mätsonden var på samma höjd som då den satt i bilen. Stativet flyttades stegvis in mot slingan (mitt på en av kvadratens sidor). Mätserien syftade till att kontrollera överensstämmelsen mellan teori och mätinstrumentet, en ren kalibrationskontroll således. Teorin som utgör referens i kalibreringen är inte bara en enkel tumregel utan en komplett simulering med finita differenser i en av BEMI utvecklad programvara. Teorin bygger på Laplace formel och tar hänsyn till såväl strömstyrka som absolut geometri i tre dimensioner. Beräkningarna sker med vektorer för små segment och slutresultatet är såväl de tre vektorkomponenterna som magnituden (absolutvärdet) längs de definierade observatörslinjerna som bil resp. stativ färdades i. Skillnaden mellan denna noggrant framräknade fältstyrka och den fältstyrka man kan få med en enkel tumregel (fält från oändligt lång rak ledare) är relativt stor då man har korta avstånd till slingan, dvs. för att få en med verkligheten väl överensstämmande fältstyrka då man passerar slingan krävs denna finita differensmodell och simulering. Överensstämmelsen mellan teori och mätinstrumentet i verkliga testsituationen var mycket god som synes från nedanstående diagram (endast +- 3% före kompensation av olinjäriteter).
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 6 av 9 Teori och mätdata vid kalibrering av frifältsmagnetfält från kvadratisk 15x15m slinga 1,5E+3 1,4E+3 1,3E+3 1,2E+3 1,1E+3 1,0E+3 900,0E+0 800,0E+0 Blå linje är teoretisk fält, 6,5 A, 0,95 m över mark Röda punkter är uppmätta värden, manuell avläsning av instrument 700,0E+0 600,0E+0 500,0E+0 400,0E+0 300,0E+0 200,0E+0 100,0E+0 000,0E+0-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Som synes av diagrammet är maxvärdet förskjutet åt vänster, dvs. inåt slingans mitt. För en oändligt rak ledare skulle toppen vara på 0 meter, ju mindre slinga desto större förskjutning av maxvärdet inåt slingans mitt. Fältet avtar också klart snabbare med ökat avstånd utanför slingan än fältet från en oändlig rak ledare. Mätserie 7 utfördes för att kontrollera överensstämmelsen mellan mätning i en punkt och mätinstrumentet vad gäller de tre fältvektorerna var för sig samt dess magnitud. Mätinstrumentet har tre utgångar för var och en av de tre mätspolarna som ingår i mätproben. De tre komponenternas värde i volt antecknades och översattes till magnetfält i nanotesla. Mätproben roterades sedan så att spolarna bytte plats (vektorerna bytte plats) och samma sak upprepades igen, mätproben roterades ytterligare en gång för den sista kombinationen. Syftet var att kontrollera att de tre spolarna, de tre vektorerna, i instrumentet gav samma värde, samt jämförelse med teorin. Överensstämmelsen var mycket god och de tre spolarna gav samma värden (inom 1%). Resultatet var att alla tre spolarna var likvärdiga samt att beräkningen av magnituden (summeringen) av de tre vektorerna var korrekt i instrumentet. Det kunde konstateras att AD omvandlaren för låga spänningar (svaga magnetfält) undervärderade det sanna värdet och denna olinjäritet fanns under 100 nt. Detta tillsammans med överföringen från spänning till AD till datafil ger en överföringsfunktion som kompenserar alla ingående olinjäriteter. Överföringsfunktionen ger alltså det magnetfält som finns i fri rymd som om bilen inte fanns alls. Överföringsfunktionen kan fås att överensstämma inom 1,2% och +1,5% gentemot mätserie 3 och +-4% gentemot serie6 frifält. Dock för att minska felet vid körning parallellt med kabel parallellförskjuts överföringsfunktionen uppåt. Slutresultatet är en felmarginal av +-10% OM man vet riktningen på kabeln/röret relativt färdriktningen, om man inte vet detta blir det i värsta fall 20% för fallet med parallell kabel mycket nära bilen och maximalt +30% för korsande kabel (också det under bilen). För en kraftledning med magnetfälten ovanifrån blir felet mindre. För en vanlig nivå på 200 nt i stadsmiljö där parallella kablar dominerar (ligger oftast i trottoaren längs vägen) så innebär det 160 nt (-20%) på kartan, skulle kabeln vara korsande fås 260 nt (+30%) om man skulle parkera rakt över kabeln det vill säga. I praktiken är det rimligt att säga att merparten av alla mätdata ligger inom +-10% med enstaka mätvärden 20% till +30% av rapporterat (efter överföringsfunktionen) värde. Själva mätvärdet utan hänsyn till bil och färdväg genom magnetfältet ligger inom +-3%.
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 7 av 9 Kalibrering av RF antenn Kalibreringen av den aktiva antennen har skett hos Statens Provningsanstalt och den passiva precisionsdipolen av ÖKD i Österrike. Detta sker genom att skapa ett känt fält och avläsa hur antennen reagerar för denna frekvens. Mätpunkterna och resultatet syns i grafen över denna så kallade antennfaktor nedan. Antennfaktor, omvandling från signalstyrka dbµv till fältstyrka dbµv/m i luft För antennen (instr.6) och de mätningar som redovisats med x dbµv i spektrumanalysatorns grafer så gäller att den elektriska fältstyrkan y dbµv/m i luft ges av summan av avläst värde i dbµv summerat med värdet för samma frekvens i diagrammet nedan. Summan av uppmätt värde x [dbµv] plus AF [db/m] ger y [dbµv/m] i luft. 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100000000 200000000 300000000 400000000 500000000 600000000 700000000 800000000 900000000 1000000000 1100000000 1200000000 1300000000 1400000000 1500000000 1600000000 1700000000 1800000000 1900000000 2000000000 2100000000 2200000000 2300000000 2400000000 2500000000 2600000000 2700000000 2800000000 2900000000 3000000000 3100000000 Antennfaktorn för frekvens 950 MHz är 18 db, för 1880 1900 MHz 25 db samt 2115 MHz 18 db. Observera att aktuell antennfaktor för använd antenn redan applicerats på mätdata som redovisas i dbµv/m i datafiler eller i form av färglagda kartor, detta sköts av BEMI RFGIS.
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 8 av 9 Antennfaktorn för den högkvalitativa bikoniska precisionsdipolen PCD8250 visas nedan: 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 3000000000 2900000000 2800000000 2700000000 2600000000 2500000000 2400000000 2300000000 2200000000 2100000000 2000000000 1900000000 1800000000 1700000000 1600000000 1500000000 1400000000 1300000000 1200000000 1100000000 1000000000 900000000 800000000 700000000 600000000 500000000 400000000 300000000 200000000 100000000 0 Kalibreringen utfördes av ÖSTERREICHISCHER KALIBRIERDIENST certifikat EH-A239/09. Tillsammans med PCD8250 antennen används en low noise pre-amplifier i BEMI RFGIS systemet. 20 Amplification [db] 15 10 5 0 290.0E+6 280.0E+6 270.0E+6 260.0E+6 250.0E+6 240.0E+6 230.0E+6 220.0E+6 210.0E+6 200.0E+6 190.0E+6 180.0E+6 170.0E+6 160.0E+6 150.0E+6 140.0E+6 130.0E+6 120.0E+6 110.0E+6 100.0E+6 90.0E+6 80.0E+6 70.0E+6 60.0E+6 50.0E+6 40.0E+6 30.0E+6 20.0E+6 10.0E+6 000.0E+0 Kalibreringen av kabel samt förförstärkare utförs av BEMI inför varje mätuppdrag. Den totala antennfaktorn blir summan av vald antenn, eventuell förförstärkare samt kabelförluster, vilket allt hanteras av BEMI RFGIS.
BEMI - BÄTTRE ELMILJÖ Sida 9 av 9 Programsystem BEMI RFGIS Av naturliga skäl, bl.a. utvecklingskostnader, är alla detaljer kring programvarorna konfidentiella. Systemet kan inte köpas, hyras eller lånas. Programmen är utvecklade av Clas Tegenfeldt specifikt för BEMI:s vägmätningar. Alla mätdata är dock enkla textfiler och kan lätt importeras och efterbearbetas i kalkylprogram, statistikprogram eller GIS system. Alla mätresultat är därför helt öppna och tillgängliga, detta är en skarp kontrast mot de flesta mätsystem och mätkonsulter där mätdata lagras i skyddade databaser. Många mätkonsulter släpper inte rådata utan enbart bearbetade analyser. BEMI anser att alla mätdata skall vara offentliga. BEMI kan lämna mätresultat överlagrat på kartor (Lantmäteriets olika kartserier eller kartunderlag som kunder tillhandahåller) i form av färgläggning utefter uppmätt fältstyrka. Kartor med SWEDREF99, RT90 eller WGS84 eller någon annan vanligt förekommande koordinatsystem/referens (s.k. datum) kan hanteras. BEMI RFGIS utför korrektioner och beräkningar på insamlade mätdata, dels antennfaktor och liknande som är nödvändigt för att gå från signalstyrka till verklig fältstyrka. Dels sker omvandling från decibel till linjär skala (V/m) och även till motsvarande effekttäthet (W/m 2 ) under förutsättning att fältet kan betraktas vara i fri rymd. Systemet summerar även olika frekvensband och lagrar statistik i textfiler för enkel import till GIS system. BEMI RFGIS interpolerar löpande mellan de en gång i sekunden av GPS systemet rapporterade positionerna. För RF mätningar har detta liten betydelse eftersom dessa också lagras en gång per sekund, men för mer finkorniga mätningar såsom vägmätning av magnetfält så kan mätvärdena spridas ut geografiskt mellan de uppmätta positionerna. BEMI RFGIS samplar och lagrar magnetfält typiskt 4 ggr per sekund, högre samplingshastighet är också möjlig, detta innebär ca 4 mätpunkter mellan varje rapporterad GPS position. Interpoleringen kan också vara nödvändig och mycket effektiv att reducera tillfälliga positionsfel vid dåligt väder och få satellitkontakter. SAMMANFATTNING AV MÄTMETODEN En bredbandig fältstyrkemätare är endast användbar för att kontrollera fält som är mycket starka i direkt närhet till sändare, de är därför användbara för att kontrollera att gränsvärden inte överstigs vid t.ex. arbete med sändare. De är inte användbara för kontroll av miljöer på längre avstånd från sändare (mer än tiotals meter från antennen), och de är inte känsliga nog för att differentiera (skilja) olika normala miljöer i städer eller på landsbygd från varandra. De ger ingen information överhuvudtaget om orsaken till mätvärdet (totala exponeringen). En spektrumanalysator är användbar för att mäta mycket svaga signaler ända upp till starka signaler, det är dock inte rätt instrument att använda för att verifiera gränsvärden i direkt anslutning till sändare/antenner eftersom gränsvärdena är formulerade på ett sådant sätt att bredbandiga isotropiska fältstyrkemätare passar. En spektrumanalys ger en uppsjö av information om alla radiosändare som bidrar till exponeringen på platsen, oavsett om källorna är svaga eller starka. Det går att i efterhand ställa olika frågor och extrahera svar ur mätdata på ett sätt som är helt omöjligt med en bredbandig fältstyrkemätare. Punktmätningar innebär oproportionerligt mycket arbete, val av punkter kan avgöra slutsatserna av en mätning, en punkt kan i princip aldrig hittas exakt för att kontrollmätas senare. Vägmätningar är värdeneutrala eftersom det stora antalet mätpunkter visar inte bara fördelningen över yta utan även de variationer i fältstyrka som förekommer. Vägmätningar är statistiskt sett starka och utgör medelvärdesbildningar okänsliga för snabba fädningar (lokala variationer i fältstyrka). Vägmätningar kan utföras med kompletta RF spektra 0-3 GHz samt för 50 Hz magnetfält. Speciella vägmätningar kan också komma ifråga, t.ex. Wimax, WLAN och dylikt. BEMI RFGIS är ett mätsystem utvecklat av BEMI som tar hänsyn till alla de faktorer som diskuterats i detta dokument. Ingående delar är kalibrerade hos Statens Provningsanstalt SP i kombination med egen fortlöpande kalibrering och kontroll vid varje mätprojekt. Resultaten är lätta att tolka i form av kartor. Rådata levereras i enkla självdokumenterande textfiler som lätt kan importeras till GIS-system, statistikprogramvara eller kalkylprogram.