Politechnika ŚląskaInstytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki

WYBRANE ZAGADNIENIA METROLOGII PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH

Damian Gonscz

1) Wprowadzenie

2) Identyfikacja PEM i dobór narzędzi pomiarowych

3) Wzorcowanie mierników pól elektromagnetycznych

4) Procedury pomiarów pól elektromagnetycznych

5) Dopuszczalne poziomy i ocena wyników pomiarowych

6) Podsumowanie i wnioski

1. Wprowadzenie

m.in. 2004/108/WE

Cel pomiarów poziomów PEM ?

Kompatybilność wewnętrznanp. badania konstruktorskie

2/20

• Pole elektromagnetyczne (PEM) jako oddziaływanie zamierzone lub skutek uboczny !

• Strefa bliska i daleka oddziaływań.

• Dla punktowego źródła pola, strefa daleka zaczyna się od x > /2, gdzie to długość fali ( = c/f; c = 3108 m/s; f – częstotliwość oddziaływań).

• „Co” mierzymy w strefie bliskiej i dalekiej ?, 50 Hz ?, impedancja falowa Z = E/H ?

• Proces pomiaru PEM jest trudny:

- tylko pomiary pośrednie,

- brak możliwości detekcji organoleptycznej,

- wielkość wektorowa o charakterze pulsującym lub wirującym,

- konieczność uwzględnienia współrzędnych przestrzennych (x, y, z)

oraz zmienności wektora w czasie t,

- konieczność przyjęcia założeń upraszczających: dla 50 Hz zakłada

się np. quasi-stacjonarność oddziaływań,

- mała dokładność pomiarów,

- Wymagana: wstępna identyfikacja medium, poprawny dobór

przyrządu pomiarowego oraz „mile widziane” doświadczenie. 3/20

2. Identyfikacja PEM i dobór narzędzi pomiarowych

• Identyfikacja analizowanego obiektu: optymalny wybór metody i narzędzia pomiarowego.

• W ocenie ekspozycji zawodowej pracowników, zakłada się zwykle, że pola są wirujące harmoniczne, stacjonarne i jednorodne.

Problem poznawczy: na ile założenia są

słuszne ? !

• Pole harmoniczne, czy odkształcone ?

• Analiza dokumentacji obiektu badań (EUT).

• Proste metody wizualizacji, np. pomiary oscyloskopowe.

• Brak problemu z analizą pól odkształconych dla zalecanych mierników szerokopasmowych (True RMS).

• Poprawne wyznaczenie wartości skutecznej np. natężenia PE lub PM jest istotne z racji odniesienia wyników do poziomów dopuszczalnych, wyrażanych zwykle w wartościach skutecznych.

4/20

• Pomiary PEM – rola kierunkowych i bezkierunkowych sond indukcyjnych oraz pojemnościowych w postaci kondensatorów powietrznych.

• PNT06580 zaleca stosowanie w pomiarach przyrządów bezkierunkowych, ale dopuszcza stosowanie przyrządów kierunkowych.

• Problem ustawienia głowicy kierunkowej w polu harmonicznym pulsującym i wirującym (błędy, które nie wynikają z toru przetwarzania) ?

• Różne przyrządy pomiarowe w polu bliskim i dalekim – przenoszenie narzędzi ?

Przykłady przyrządów pomiarowych:

Zaburzanie mierzonego medium !

5/20

• Badania na stanowiskach pracy dotyczą głównie strefy bliskiej.

• Podawane niepewności przyrządów dotyczą z reguły pomiarów pól jednorodnych harmonicznego.

• Niepewności „dobrej klasy” mirników są rzędu kilkunastu procentów i w dużej mierze zależą od konstrukcji samych detektorów.

6/20

3. Wzorcowanie mierników pól elektromagnetycznych

• Proces wzorcowania przyrządów do pomiarów PEM jest skomplikowany.

• Wzorcowanie mierników PE i PM przeprowadza się w wytworzonym wzorcowym polu elektrycznym (np. kondensator płaski) i magnetycznym (np. cewki w układzie Helmholtz’a ) o określonych parametrach.

A B

śrR śrRHAHB

HA + HB

p

śrR5,0śrR

śr/ R,

z)t(I)t(H

23251

%9,0)]([][ maxmax tBH(t)Dla obszaru: 0,2Rśr 0,8 Rśr 7/20

• Dla strefy dalekiej: gęstość mocy mikrofalowej S [W/m2] lub wartość natężenia składowej elektrycznej pola E [V/m].

EUT

Przestrzeń robocza

Punkty kalibracji PEM

Obciążenie dla niskich częstotliwości (rezystory)

Obciążenie dla wysokich częstotliwości (absorbery)

H

H

H

L

h

max. 0,6 L

max. 0,33 hH > 0,05 h

Drzwi

Ekran

Podpora z dielektryka Przewodnik wewnętrzny

Złącze współosiowe

GTEM (ang. Gigahertz Transverse

Electromagnetic Cells)

TEM (ang. Transverse Electromagnetic Cell)

8/20

GTEM

9/20

4. Procedury pomiarów pól elektromagnetycznych

• Pomiary związane z oceną narażeń pracowników na oddziaływania PE i PM, wykonuje się według wytycznych:

Dz. U. Nr 217, poz. 1833,Dz. U. Nr 274, poz. 1621,Dz. U. Nr 21, poz. 94.

PE i PM – strefa oddziaływań bliskich

• BHP – jeżeli stwierdza się, że pracownicy na stanowiskach pracy mogą znajdować się w polu elektromagnetycznym, należy wykonywać okresowo pomiary natężeń PE i PM na tych stanowiskach oraz w otoczeniu urządzeń elektrycznych, będących źródłami powyższych oddziaływań. • Pomiary natężeń pól należy wykonywać minimum raz w roku, jeżeli podczas ostatniego pomiaru stwierdzono występowanie strefy zagrożenia albo dodatkowo strefy niebezpiecznej; co najmniej raz na dwa lata, jeżeli podczas ostatniego pomiaru stwierdzono występowanie tylko strefy pośredniej.

10/20

• Jeżeli podczas dwóch ostatnich pomiarów PEM, wykonanych w odstępie dwóch lat, nie stwierdzono występowania stref ochronnych, można odstąpić od wykonywania pomiarów (NDN to E1 i H1) !

• Stanowiska pracy oraz piony pomiarowe:

Pomiary na wysokości ok. 0,7 m i 1,4 m

Rozkłady PEM, obszary i piony SP

• Rzeczywisty poziom oddziaływań polowych na SP jest superpozycją oddziaływań, pochodzących od wszystkich źródeł pola, znajdujących się w otoczeniu badanego obszaru – (pomijany wpływ tła; różne źródła oddziaływań).

11/20

PEM – strefa oddziaływań dalekich

• Stanowisko pomiarowe wg np. PN–EN 55011: 2012:

• Pomiary zwykle wykonuje się w paśmie 30 MHz ÷ 1 GHz.

Zgodnie z wymaganiami 3 m lub 10 m

1 ÷

4 m

Kierunek fali elektromagnetycznej

Opcjonalna mata pochłaniająca falę odbitą

Miernik zaburzeń elektromagnetycznych

Komputer PC

0,8

m

Ziemia odniesienia

D = 3 m lub 10 m 1 m

W

d1

d2

d2 = d1 + 2 m

W = d1 + 1 m

Urządzenia z grupy 2 i klasy A (m.in. grzejnictwo indukcyjne)

12/20

Zakres

częstotliwości E0(f), V/m

S0(f), W/m2 Graf.

E1(f), V/m

S1(f), W/m2 Graf.

E2(f), V/m

S2(f), W/m2 Graf.

(0÷0,5) Hz; pole elektrostatyczne

10000 -

20000 - x x x x

x x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x x

40000 -

(0,5÷300) Hz 5000 - 10000 - 20000 -

(0,3÷1) kHz 100/(3f) - 100/f - 1000/f -

1 kHz÷3 MHz 33,3 - 100 - 1000 -

(3÷15) MHz 100/f - 300/f - 3000/f -

15 MHz÷3 GHz 6,66 0,12a) 20 1,1a) 200 106a)

(3÷300) GHz 0,053f + 6,5

(0,003f + 0,33)2

0,16f + 19,5

(0,008f + 1)2

1,6f + 195

(0,008f + 10)2

* Ekspozycja do 8 godzin na zmianę roboczą. ** Zakaz ekspozycji.

Wartości rozgraniczające

strefę pośrednią od bezpiecznej.

Granica ekspozycji zawodowej.

Str

efa

po

śred

nia *

Wartości rozgraniczające

strefy. Str

efa

za

gro

żen

ia

Wartości rozgraniczające

strefy. Str

efa

nie

bezp

ieczn

a *

*

a) - tylko jedynie w przypadku promieniowania o częstotliwości większej od 150 MHz, DdS(f) - doza dopuszczalna gęstości mocy, wyrażona zależnością: DdS(f)=8S1(f), jedynie w przypadku ekspozycji na pole o częstotliwości większej od 3 GHz.

Dla pól impulsowych dodatkowo powinien być spełniony warunek: Emaximp < 4,5 kV/m (Smaximp < 54 kW/m2) w zakresie częstotliwości (0,1÷3) GHz, Emaximp < 0,43f + 3,2 kV/m (Smaximp < 13,7f+12,9 kW/m2) w zakresie częstotliwości (3÷10) GHz, Emaximp < 7,5 kV/m (Smaximp < 150 kW/m2) w zakresie częstotliwości (10÷300) GHz gdzie: Emaximp - maksymalna wartość natężenia pola w impulsie; Smaximp - maksymalna gęstość mocy w impulsie; f w GHz.

5. Dopuszczalne poziomy i ocena wyników pomiarowych

PE i PM – strefa oddziaływań bliskich

• Poziomy natężeń PE i PM (wartości skuteczne) dla środowiska pracy:

PE

13/20

Zakres

częstotliwości H0(f), A/m

B0(f), µT Graf.

H1(f), A/m

B1(f), µT Graf.

H2(f), A/m

B2(f), µT Graf.

(0 ÷ 0,5) Hz pole

magnetostatyczne 2666 3333

8000 10000 x x x xx x x x

x x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x xx x x x

80000 100000

(0,5 ÷ 50) Hz 66,6 83,3 200 250 2000 2500

(0,05 ÷ 1) kHz 10/(3f) 12,5/(3f) 10/f 12,5/f 100/f 125/f

(1 ÷ 800) kHz 3,3 4,2 10 12,5 100 125

(0,8 ÷ 150) MHz 8/(3f) 10/(3f) 8/f 10/f 80/f 100/f

(0,15 ÷ 3) GHz 0,018 0,022 0,053 0,066 0,530 0,660

* Ekspozycja do 8 godzin na zmianę roboczą. ** Zakaz ekspozycji.

Wartości rozgraniczające

strefę pośrednią od bezpiecznej.

Granica ekspozycji zawodowej.

Strefa

po

śred

nia

*

Wartości rozgraniczające

strefy. Strefa

za

gro

żen

ia

Wartości rozgraniczające

strefy. Strefa

nieb

ezp

ieczn

a *

*

PM

• Funkcjonalność niektórych przyrządów pomiarowych – np. progi stref ochronnych.

• Strefa pozaprzemysłowa (Dz. U. Nr 192, poz. 1883) – dla częstotliwości 50 Hz, wartości natężenia PM, w którym można bezpiecznie przebywać, wynosi 60 A/m, zaś dla PE, odpowiednio 10 kV/m dla miejsc dostępnych dla ludzi oraz 1 kV/m dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową.

• PEM w. cz. w środowisku pozaprzemysłowym – strefy ochronne.

14/20

• Wielkością charakterystyczną w ocenie narażeń przemysłowych jest doza rzeczywista DX(f) (indeks x odnosi się do parametru PE lub PM), określająca ekspozycję pracownika w polu, podczas wykonywania czynności w czasie zmiany roboczej (PNT06580: 2002).

• Doza jest istotna jeżeli na SP mogą występować różne poziomy natężeń pola w różnych przedziałach czasu, zwłaszcza jeżeli łączny czas pracy jest > 8 h.

Zakres częstotliwości DdE(f) DdS(f), (W/m2)h

(0÷0,5) Hz pole elektrostatyczne

3200 (kV/m)2h

-

(0,5÷300) Hz 800

(kV/m)2h -

(0,3÷1) kHz 0,08/f2

(kV/m)2h -

1 kHz÷3 MHz 0,08

(kV/m)2h -

(3÷15) MHz 0,72/f2

(kV/m)2h -

15 MHz÷3 GHz 3200

(V/m)2h -

(3÷300) GHz (f/2 +55)2

(V/m)2h (0,02f +2,85)2

Zakres częstotliwości DdH(f) DdB(f)

(0 ÷ 0,5) Hz pole magnetostatyczne

512 (kA/m)2h

800 (mT)2h

(0,5 ÷ 50) Hz 0,32

(kA/m)2h 0,5

(mT)2h

(0,05 ÷ 1) kHz 800/f2

(A/m)2h 1250/f2

(µT)2h

(1 ÷ 800) kHz 800

(A/m)2h 1250

(µT)2h

(0,8 ÷ 150) MHz 512/f2

(A/m)2h 800/f2

(µT)2h

(0,15 ÷ 3) GHz 0,022

(A/m)2h 0,035

(µT)2h

15/20

• Doza rzeczywista jest sumą doz chwilowych dxk,m(f), rozpatrywanych dla k przedziałów czasowych ekspozycji i w m pionach SP, w których w czasie zmiany przebywa pracownik:

k m

mk,X )f(dx)f(D

• Doza chwilowa:

mk,mk,mk, t)f(X)f(dx 2

gdzie: Xk,m(f) – np. wartość natężenia pola elektrycznego lub magnetycznego, w k-tym przedziale czasu ekspozycji dla m-tego pionu pomiarowego (m-tego stanowiska SP), tk,m – k-ty przedział czasu oddziaływania pola na pracownika dla m-tego pionu pomiarowego.

• Wskaźnik ekspozycji dla dozy rzeczywistej, dotyczący pola PE lub PM:

f X

XX )f(Dd

)f(DW

?16/20

• Ekspozycja dopuszczalna jeżeli WX 1 oraz ekspozycja nadmierna dla WX > 1.

• Pełna analiza: W = WE + WH.

• Dopuszczalny czas ekspozycji dla stanowisk pracy – znajomości wartości natężeń PE lub PM: ]h[

)(

)()(

2X

X fX

fDdftd

Dopuszczalne poziomy PEM w miejscach dostępnych dla ludzi (środowisko pozaprzemysłowe):

Zakres częstotliwości PEM Składowa elektryczna Składowa magnetyczna Gęstość mocy

0 Hz 10 kV/m 2500 A/m -

od 0 Hz do 0,5 Hz - 2500 A/m -

od 0,5 Hz do 50 Hz 10 kV/m 60 A/m -

od 0,05 kHz do 1 kHz - 3/f A/m -

od 0,001 MHz do 3 MHz 20 V/m 3 A/m -

od 3 MHz do 300 MHz 7 V/m - -

od 300 MHz do 300 GHz 7 V/m - 0,1 W/m2

17/20

6. Podsumowanie i wnioski

• Wstęp do pomiarów PEM – analiza szeregu aspektów natury prawnej oraz technicznej.

• Aktualność tematyki – opracowywanie nowych narzędzi do pomiaru PEM: zwiększenie precyzji pomiarów oraz poprawna identyfikacja mezurandu.

• Kontrowersje w badaniach środowiskowych – trudność w ustaleniu poziomów pól aktywnych biologicznie oraz nie do końca znane skutki oddziaływań PEM na organizmy żywe.

• Obiekty 50 Hz – rozdzielnie, stacje trafo. (PM do kilkunastu µT) oraz linie niskiego, średniego i wysokiego napięcia (PE dla linii 110 kV ma wartość do 3 kV/m), nie są z reguły przedmiotem obaw ze strony osób związanych zawodowo z obsługą tych urządzeń.

• PEM w. cz. – narażenia można oceniać wyłącznie pomiarowo – modelowanie komputerowe nie zawsze jest poprawnym odniesieniem do rzeczywistości.

• Ograniczanie ekspozycji – technika ekranowania; oznakowanie stref ochronnych; archiwizacja dokumentacji z badań (protokoły).

18/20

Literatura

1. Aniołczyk H.: Pola elektromagnetyczne – źródła, oddziaływanie, ochrona. Instytut Medycyny Pracy, Łódź, 2000, 296 str.

2. Baron B., Gonscz D., Kolańska-Płuska J., Bartuchowski T.: Two-dimensional magnetic field nearby the low voltage power line. Rozdział monografii, Alwers, Poznań, 2006, s. 62÷71.

3. Tumański S.: Czujniki pola magnetycznego – stan obecny i kierunki rozwoju. Przegląd Elektrotechniczny, Sigma NOT, Warszawa, 2/2004, s. 74÷80.

4. Norma PNT06580: 2002: Ochrona pracy w polach i promieniowaniu elektromagnety- cznym o częstotliwości od 0 Hz do 300 GHz (część 1: Terminologia, część 3: Metody pomiaru i oceny pola na stanowisku pracy), zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej (Dz. U. Nr 79, poz. 513, z dnia 17.06.1998 r. oraz DU Nr 4, poz. 36

z dnia 02.01.2001 r.).

5. Skubis T., Gonscz D.: The directionalless instrument for the periodical magnetic field analysis. Mat. konf. IMTC, Como, Italy, 2004, s. 818÷821.

6. Gonscz D.: Analiza i pomiary pól magnetycznych w otoczeniu elektrycznych urządzeń przemysłowych dużej mocy. Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 53, nr 12/2007, s. 8587.

19/20

7. Gonscz D.: Ekspozycja pracowników w polu elektrycznym i magnetycznym w otoczeniu urządzeń elektroenergetycznych. Mat. Konferencji Naukowo-Technicznej „Badania eksploatacyjne, pomiary oraz diagnostyka w elektroenergetyce zawodowej i przemyśle”, Ustroń 8 ÷ 9. 10. 2009 (str. 135 144).

8. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29.11.2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 217 z dnia 18.12.2002 r., poz. 1833).

9. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 16. 12. 2011 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 274, poz. 1621).

10. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 2.02.2011r. w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 21, poz. 94).

11. Norma PN–EN 55011: 2012: Urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne. Charakterystyki zaburzeń o częstotliwości radiowej. Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru, opublikowanej przez PKN dnia 23. 05. 2012r.

12. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30.10.2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192 z dnia 14.11.2003 r., poz. 1883).

13. Groszko M.: Polskie przepisy o najwyższych dopuszczalnych natężeniach pól elektrycznych i magnetycznych częstotliwości 50 Hz oraz wytyczne Wspólnoty Europejskiej w zastosowaniu do elektroenergetyki. Medycyna Pracy, vol. 54, nr 2/2003, s. 175÷179.

20/20