Разработка прибора для измерения электромагнитного поля

Введение

Электромагнитное поле является особой формой материи. Различные части спектра электромагнитного поля характеризуются разными областями значений величины, которую называют частотой или связанной с ней через скорость света в вакууме длиной волны. В зависимости от этого параметра спектр электромагнитных излучений обычно делят на три части: радиоизлучение (диапазон длин волн до 0,1 мм), оптическое, включающее в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую области (до 10−2 мкм) и ионизирующее, к которому относят рентгеновское и гамма-излучения. При такой классификации спектра электромагнитных излучений исключаются электромагнитные явления, не зависящие от времени, соответствующие бесконечно большой длине волны или нулевой частоте, т. е. статические поля. Однако, электростатические и магнитостатические поля также являются физическими факторами, воздействующими на человека.

К потенциально опасным для здоровья человека относят гипогеомагнитные поля, постоянные электрические и магнитные поля, переменные электромагнитные поля (ЭМП) в диапазоне частот от 1 Гц до 300 ГГц, в котором особо выделяют электромагнитные поля промышленной частоты 50/60 Гц (ЭМП ПЧ) и электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) от 10 кГц до 300 ГГц.

Электростатическое поле (ЭСП) отмечается часто в бытовых условиях при использовании тканей из волокон с высокими диэлектрическими свойствами, эксплуатации персональных ЭВМ, при применении установок для ионизации воздушного пространства и т. д.

Источниками постоянного магнитного поля (ПМП) в быту могут быть средства электротранспорта (поезда метрополитена, железной дороги, трамваи), физиотерапевтическая аппаратура или диагностическое оборудование (установки ядерного магнитного резонанса).

Источниками ЭМП ПЧ являются элементы токопередающих систем различного напряжения (линии электропередачи, распределительные устройства и др.), электротранспорт, различные типы бытового электрооборудования.

Источниками электромагнитной энергии радиочастотного и микроволнового диапазонов в окружающей среде служат антенные системы радиолокационных станций, радиои телерадиостанций, в том числе систем мобильной радиосвязи, а также физиотерапевтические аппараты и персональные ЭВМ. Причем, уровень электромагнитных полей радиочастотного диапазона искусственного происхождения, созданных человеком, существенно превышает уровень естественных полей.

Из-за того, что у человека нет органов чувств, непосредственно реагирующих на ЭМП РЧ, населению практически неизвестен тот факт, что в спектре электромагнитных излучений Земли из-за радиочастотных излучений произошли масштабные изменения. В некоторых участках спектра излучений Земля «светит» ярче Солнца. Такое сильное отклонение от естественного состояния электромагнитного спектра планеты произошло в XX веке в результате изобретения беспроводных средств коммуникаций, использующих электромагнитные волны радиочастотного диапазона. Радиосвязь, телевидение, радионавигация, системы сотовой телефонной связи явились источниками негативного влияния на окружающую среду и человека.

Целью данного дипломного проекта является разработка такого измерительного прибора, который мог бы использоваться для решения вопросов обеспечения экологической безопасности ЭМП и в первую очередь определять величины, которыми характеризуется электромагнитное поле промышленной частоты.

1. Параметры электромагнитного поля и механизмы его воздействия на человека

1.1 Параметры электромагнитного поля

Существуют четыре основные векторные функции координат и времени, определяющие электромагнитное поле:

— напряженность электрического поля;

— электрическая индукция;

— напряженность магнитного поля;

— магнитная индукция.

Радиус-вектор означает зависимость от пространственных координат, t — от времени. В изотропной среде (в среде, свойства которой не зависят от направления) векторы, и, связаны соотношениями:

;

;

(1.1)

где? — диэлектрическая проницаемость — параметр, характеризующий электрические свойства среды;

? — магнитная проницаемость — параметр, характеризующий магнитные свойства среды;

— плотность тока проводимости;

? — удельная проводимость среды.

В частности, в вакууме? = ?0,? = ?0, ?0 = 107/4?с2ф/м — электрическая постоянная, ?0 = 4p· 10−7 Гн/м — магнитная постоянная, с = 2,9979· 108 м/с — скорость света в вакууме.

Используя последнее соотношение из (1.1), можно вывести формулу:

(1.2)

где R — электрическое сопротивление цилиндрического проводника длиной l с площадью поперечного сечения S.

Наличие связи (1.1) позволяет для характеристики электромагнитного поля в воздухе, а также в вакууме и вообще в любой изотропной среде использовать вместо четырех величин только две: либо или (обычно используют), либо или (используют как ту, так и другую величину).

Определить электромагнитное поле в некоторой области пространства, например, в воздухе, значит определить векторы и или в каждый момент времени в каждой точке пространства.

Перечисленные выше векторные величины являются силовыми характеристиками электромагнитного поля. Так, является отношением силы, действующей на положительный точечный заряд и направленной вдоль скорости движения, если заряд движется, к заряду. В свою очередь, есть отношение силы, действующей на положительный точечный заряд и направленной перпендикулярно скорости движения, к произведению заряда на модуль скорости движения.

В Международной системе единиц (СИ) величины, связанные с электромагнитным полем, именуются электрическими. В качестве основной электрической величины выбрана сила электрического тока, с единицей измерения ампер, размерность которой (I) входит во все производные единицы измерения электрических величин.

В таблице 1.1 приведены основные величины, характеризующие электромагнитное поле и единицы их измерения.

Таблица 1.1

Величины, характеризующие электромагнитное поле

По временной зависимости величины, характеризующие электромагнитное поле, подразделяются на следующие основные виды:

1) постоянные (не зависящие от времени);

2) гармонические колебания;

3) произвольные периодические колебания;

4) импульсы;

5) шумы;

6) модулированные колебания.

В отличие, например, от акустических полей, которые представляют собой зависимость некоторой одной скалярной величины от времени, электромагнитное поле является более сложным объектом, так как описывается двумя векторными величинами и, т. е. шестью скалярными величинами. Специфику описания временной зависимости электромагнитного поля можно продемонстрировать на примере наиболее распространенного вида колебаний — гармонического колебания. Это колебание описывается следующими математическими выражениями:

где

 — амплитудные векторы напряженности электрического поля, зависящие только от пространственных координат и ортогональные друг другу;

 — амплитудные векторы напряженности магнитного поля, зависящие только от пространственных координат и ортогональные друг другу;

f — частота колебания. С частотой однозначно связаны такие величины как? = 2pf — круговая частота, Т =1/f — период колебания,? = c/f — длина волны.

В случае гармонического колебания, напряженность электрического (магнитного) поля характеризуется частотой и двумя векторными величинами (шестью скалярными). Если один из векторов равен нулю, то напряженность электрического (магнитного) поля не меняет своей ориентации в пространстве, изменяясь во времени только по величине и меняя направление на противоположное при прохождении через нуль. В общем случае (оба вектора отличны от нуля), конец вектора () описывает эллипс, а если ¦¦=¦¦ (¦¦=¦¦), то — окружность. При этом эллипс (окружность) расположен в плоскости, проходящей через векторы () и ().

В случае произвольных периодических колебаний конец вектора () описывает в пространстве замкнутую кривую, форма которой может быть весьма сложной.

Постоянное электрическое поле часто называют электростатическим. Оно создается заряженными диэлектрическими или металлическими телами. Графически структуру электрического поля принято изображать при помощи силовых линий, к которым вектор напряженности электрического поля касателен в каждой точке. Каждая силовая линия начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном или уходит в бесконечность. Густота силовых линий качественно характеризует модуль напряженности электрического поля. Наиболее простую структуру имеет электрическое поле неподвижного точечного положительного заряда. Если поместить точечный положительный заряд q в начало декартовой системы координат, то вектор будет направлен вдоль радиуса-вектора и его модуль будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния ¦¦. В этом случае силовые линии — лучи, выходящие из начала координат (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Электрическое поле неподвижного точечного положительного заряда Более сложную структуру имеет система, состоящая из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 — Электрическое поле системы двух равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов Наконец, самую простую структуру имеет электрическое поле равномерно заряженной плоскости (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 — Электрическое поле равномерно заряженной плоскости Выше и ниже плоскости электрическое поле является однородным (напряженность электрического поля одинакова во всех точках), а векторперпендикулярен заряженной плоскости.

Практически в любой реальной структуре постоянного электрического поля можно найти структурные элементы, изображенные на рисунки 1.1 — 1.3. Например, имеется положительно заряженное металлическое тело (рисунок 1.4), и на некотором расстоянии от него — заземленное металлическое тело.

Рисунок 1.4 — Электрическое поле реальной структуры Так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, то положительные заряды уйдут с заземленного тела в землю, и оно зарядится отрицательно. Поэтому в целом структура электрического поля будет похожа на структуру, изображенную на рисунок 1.2. Вблизи плоских участков обоих тел электрическое поле будет по структуре близко к однородному полю (рисунок 1.3), а вблизи острых кромок похоже на электрическое поле, изображенное на рисунок 1.1. Подобным образом можно проанализировать любую систему заряженных тел.

Постоянное магнитное поле создается постоянным магнитом или проводниками с постоянным током. Графически структуру постоянного магнитного поля изображают при помощи силовых линий магнитного поля — линий, к которым вектор напряженности магнитного поля касателен в каждой точке.

Простейшим элементом, создающим магнитное поле, является бесконечно тонкий прямолинейный провод с постоянным током. В этом случае силовые линии магнитного поля — окружности, центры которых расположены на проводе с током, а сами окружности лежат в плоскостях, перпендикулярных проводу.

При наличии временной зависимости электрическое и магнитное поля связаны друг с другом и образуют единое целое — электромагнитное поле. В случае гармонических колебаний, пространственная структура электромагнитного поля зависит не только от распределения зарядов и токов на некотором проводящем теле, но и от частоты, а точнее от соотношения между длиной волны? размерами источника Lu и расстоянием от источника до точки наблюдения R:

1) Lu << ?; R << ?. Размеры источника и расстояние от источника до точки наблюдения малы по сравнению с длиной волны. В этом случае электрическое и магнитное поля практически не зависят друг от друга. Электрическое поле возбуждается только зарядами, а магнитное — только токами. При этом в каждый момент времени в каждой точке пространства, удовлетворяющей условию R << ?, мгновенное значение напряженности электрического (магнитного) поля соответствует мгновенному значению распределения зарядов (токов). По величине и направлению эти значения такие же, как при постоянном распределении зарядов (токов). При выполнении этого условия точка наблюдения находится в ближней зоне. В рассматриваемом случае нет электромагнитного излучения, а есть независимые друг от друга квазистатические переменные электрическое и магнитное поля. Поэтому объект, находящийся в таком электромагнитном поле, подвергается как бы отдельно воздействию электрического и магнитного полей. Так как физические механизмы взаимодействия электрического и магнитного полей с помещенным в них телом разные, предельно допустимые уровни устанавливаются отдельно для электрического и магнитного полей.

2) Lu << ?; R >> ?. При выполнении условия R >>? говорят, что точка наблюдения находится в дальней зоне. В этой зоне независимо от вида источника (переменные заряды или токи) существует сформировавшееся электромагнитное поле в виде сферической волны, которая распространяется во все стороны от источника электромагнитного поля. В такой волне векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, а их модули связаны соотношением

(1.3)

где — волновое сопротивление свободного пространства.

При этом модули напряженности электрического и магнитного полей убывают обратно пропорционально расстоянию от источника до точки наблюдения. Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии электромагнитного поля в направлении распространения волны. Плотность потока энергии электромагнитного поля р определяется по формуле:

. (1.4)

3) Lu >> ?. Как правило, источники излучения, для которых выполняется это условие, являются антеннами радиолокаторов или систем дальней связи. В отличие от предыдущего случая, кроме ближней и дальней зоны, есть еще промежуточная зона, в которой электромагнитная волна распространяется по законам геометрической оптики и в случае зеркальной антенны или многоэлементной антенной решетки имеет вид прожекторного луча.

Независимо от того, в какой зоне находится объект, подвергаемый воздействию электромагнитного поля, характер воздействия, главным образом, зависит от соотношения между длиной волны? и размером объекта Lo. Если Lo << ?, то даже, если объект расположен в промежуточной или дальней зоне, электрическое и магнитное поля воздействуют на объект, возбуждая в нем токи, как независимо существующие поля, которые взаимодействуют сразу со всем объектом. В этом случае, например, для оценки тепла, выделяемого в объекте, надо найти токи, возбуждаемые электрическим и магнитным полями отдельно, а затем по суммарному току рассчитать выделяемое в объекте тепло.

Если Lo >> ?, то объект находится в поле электромагнитной волны, как в едином целом. В этом случае оценивается предельное значение тепла, которое можно выделить в объекте, умножив плотность потока энергии электромагнитного поля на площадь максимального сечения объекта в плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Как уже отмечалось выше, напряженность электрического (магнитного) поля является векторной функцией времени и координат, и измерение ее в каждый момент времени и в каждой точке пространства не реально, да в этом и нет необходимости. Поэтому, когда говорят об измерении напряженности переменного электрического (магнитного) поля, то подразумевают, что речь идет об измерении одного или нескольких скалярных параметров напряженности электрического (магнитного) поля или электромагнитной волны.

Для характеристики периодических электромагнитных колебаний используют следующие параметры:

1) среднее квадратическое значение напряженности электрического поля :

(1.5)

где Т — период колебаний;

2) среднее квадратическое значение проекции напряженности электрического поля на заданное направление

(1.6)

где — единичный вектор, определяющий заданное направление;

3) средние квадратические значения напряженности магнитного поля и магнитной индукции. Они определяются аналогичным образом. Соответствующие формулы получаются в результате замены Е на Н или В;

4) средняя плотность потока энергии электромагнитного поля в плоской волне.

1.2 Механизмы воздействия электромагнитного поля на человека Любое вещество, в том числе и то, из которого состоит человек, является смесью частиц, имеющих положительные и отрицательные заряды. Важнейшей электромагнитной характеристикой свойств вещества является его электропроводность. В зависимости от степени электропроводности, вещества делятся на диэлектрики (? > 0) и проводники (? > ?). В результате резкого различия диэлектриков и проводников, их поведение в электромагнитных полях оказывается неодинаковым. Однако большинство веществ по параметру электропроводности занимают промежуточное положение между идеальными диэлектриками и идеальными проводниками. Вещества типа земли и воды ведут себя, в зависимости от характеристик электромагнитного поля, то как проводники, то как диэлектрики. Если зависимость электромагнитного поля от времени является гармонической, то существует мера оценки свойств вещества на частоте ?. Если, то вещество характеризуется как диэлектрик, если, то как проводник. Следовательно, в широком диапазоне частот свойства вещества могут меняться весьма значительно. Однако имеется общая тенденция превращения вещества в диэлектрик с ростом частоты.

Исходя из того, что при отсутствии внешнего электростатического поля тело человека электрически нейтрально (суммарный заряд равен нулю), при его воздействии на человека можно выделить три ситуации:

1) тело человека находится в поле и изолировано от остальных тел. В этом случае подвижные заряженные частицы вещества расположатся как у проводника на поверхности тела, а связанные поляризуются, как у диэлектрика;

2) тело человека заземлено. Тогда подвижные заряженные частицы, определяющие проводимость тела человека, перетекут на землю и тело приобретет заряд, который можно обнаружить, изолировав тело от земли и экранировав его от электрического поля;

3) тело человека является частью электрической цепи, в которой ток проводимости (перенос заряженных частиц) вызывается сторонней напряженностью электрического поля.

Действие постоянного магнитного поля на вещество, являющееся проводником, по которому течет электрический ток (движутся заряженные частицы), связано с магнитной силой, действующей под прямым углом к направлению движения. Общее движение представляет собой движение по цилиндрической спирали.

Взаимодействие внешних электромагнитных полей с биологическими объектами осуществляется путем наведения внутренних полей и электрических токов, величина и распределение которых в теле человека зависят от целого ряда параметров, таких как размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и магнитные свойства тканей (диэлектрическая и магнитная проницаемости и удельная проводимость), ориентация тела относительно векторов электрического и магнитного полей, а также от характеристик ЭМП (частота, интенсивность, модуляция и др.).

Согласно современным представлениям, по механизму действия ЭМП сверхнизкочастотного и низкочастотного диапазонов (вплоть до 10 — 30 кГц), основную опасность для организма представляет влияние наведенного электрического тока на возбудимые структуры (нервную, мышечную ткань). Параметром, определяющим степень воздействия, является плотность наведенного в теле вихревого тока. При этом, для электрических полей (ЭП) рассматриваемого диапазона частот характерно слабое проникновение в тело человека, для магнитных полей (МП) — организм практически прозрачен.

Плотности наведенного тока (j) могут быть рассчитаны по формулам:

— для ЭП

j = k · f · E,

где f — частота, Е — напряженность ЭП,

k — коэффициент, отличающийся для различных тканей;

— для МП

j = p · R ·? · f · B,

где В — магнитная индукция,

? — проводимость ткани.

Поглощение энергии ЭМП в тканях определяется главным образом двумя процессами: колебанием свободных зарядов и колебанием дипольных моментов с частотой воздействующего поля. Первый эффект приводит к возникновению токов проводимости и связанным с электрическим сопротивлением среды потерям энергии (потери ионной проводимости), тогда как второй процесс приводит к потерям энергии за счет трения дипольных молекул в вязкой среде (диэлектрические потери). На низких частотах основной вклад в поглощение энергии ЭМИ вносят потери, связанные с ионной проводимостью. Ионная проводимость возрастает с ростом частоты поля до 106 — 107 Гц в связи с уменьшением емкостного сопротивления мембран и со все большим участием внутриклеточной среды в общей проводимости, что ведет к увеличению поглощения энергии. При дальнейшем увеличении частоты ионная проводимость среды остается практически постоянной, а поглощение энергии продолжает увеличиваться за счет потерь на вращение дипольных молекул среды, главным образом, молекул воды и белков. Первичные механизмы действия поглощенной энергии на микромолекулярном, субклеточном, клеточном уровнях изучены слабо. Одним из проявлений взаимодействия ЭМП с веществом вообще и с биологическими структурами, в частности, является их нагрев. Однако доказано, что биологические эффекты влияния ЭМП могут проявляться не только при действии сравнительно высоких интенсивностей излучений, вызывающих общий нагрев тканей, но и при так называемых «нетепловых» уровнях, когда общего повышения температуры не наблюдается. Возможно, при любых интенсивностях воздействия поглощение энергии ЭМП в тканях приводит к тепловыделению, однако распределение тепла может иметь неравномерный характер и приводить к возникновению внутренних «горячих точек» при интенсивности ЭМИ на порядок ниже интегрального теплового порога. Имеются данные о влиянии ЭМИ на клеточные мембраны, структуру некоторых белков, электрическую активность нейронов. Отмеченные эффекты не всегда могли быть интерпретированы как чисто тепловые. То есть принципиальная возможность неоднородного нагрева в мелкодисперсных биологических системах не вызывает сомнения, но вопрос о его количественной оценке остается открытым и не теряет своего значения.

В последнее десятилетие получила дальнейшее развитие информационная теория воздействия ЭМИ, основанная на концепции взаимодействия внешних полей с внутренними полями организма.

2. Анализ методов измерения электромагнитного поля

2.1 Методы измерения параметров электромагнитного поля

2.1.1 Напряженность электрического поля Наиболее распространенным методом измерения параметров электрического поля является метод, в основе которого лежит свойство проводящего тела, помещенного в электрическое поле. Если поместить в электрическое поле незаряженное проводящее тело, то под действием электрического поля произойдет перераспределение электрических зарядов в теле и на его поверхности таким образом, что напряженность электрического поля в теле и касательная составляющая напряженности на его поверхности обратятся в нуль. При этом, кроме внешнего (падающего) поля, которое существовало в пространстве до внесения в него проводящего тела, появится электрическое поле, возбуждаемое зарядами на теле (рассеянное электрическое поле). Именно напряженность полного (суммарного, т. е. равного сумме внешнего и рассеянного) электрического поля в теле и касательная составляющая на поверхности должны равняться нулю. Равенство нулю касательной составляющей напряженности суммарного электрического поля на поверхности тела и напряженности суммарного электрического поля в теле означает, что потенциал суммарного электрического поля во всех точках тела одинаков. Этот потенциал называется потенциалом проводящего тела. Он равен потенциалу внешнего электрического поля в некоторой точке проводящего тела. Если проводящее тело находится в однородном электрическом поле, то эта точка совпадает с центром электрических зарядов тела (понятие центра электрических зарядов аналогично понятию центра масс в механике). Положение центра электрических зарядов зависит только от формы тела, и для тел, имеющих центр симметрии (шар, куб, цилиндр), совпадает с центром симметрии. Это значит, что потенциал проводящего шара (куба, цилиндра), помещенного в однородное электрическое поле, равен потенциалу внешнего электрического поля в центре шара (куба, цилиндра).

Если в однородное электрическое поле поместить два проводящих тела, то возникнет разность потенциалов, равная разности потенциалов внешнего электрического поля между центрами электрических зарядов тел. Эта разность потенциалов U связана с модулем напряженности внешнего электрического поля Е0 соотношением:

U = L E0 cos?, (1.11)

где L — расстояние между центрами электрических зарядов,

? — угол между вектором напряженности внешнего электрического поля и прямой, соединяющей центры электрических зарядов.

Приведенное соотношение лежит в основе измерения напряженности электрического поля, так как связывает разность потенциалов U между двумя проводящими телами, которая может быть измерена, с модулем напряженности внешнего электрического поля. Все сказанное выше относится как к постоянному, так и переменному электрическим полям при условии, что в случае переменного электрического поля размеры системы, состоящей из проводящих тел, малы по сравнению с длиной волны.

Модуль напряженности постоянного электрического (электростатического) поля. Формально для измерения модуля напряженности постоянного электрического поля можно использовать описанный выше принцип и использовать соотношение (1.12), измеряя вольтметром постоянного тока с большим входным сопротивлением напряжение U между проводящими телами, образующими первичный преобразователь. Однако из-за конечного входного сопротивления вольтметра между проводящими телами будет протекать ток. В результате протекания тока тела будут заряжаться, а разность потенциалов между телами будет уменьшаться. При этом показания вольтметра будут меняться. Формула применима при бесконечно большом входном сопротивлении вольтметра. Чтобы избежать этого, первичный преобразователь приводят во вращение, тем самым, изменяя во времени угол ?. Если угловая скорость вращения первичного преобразователя ?, то получаем:

U = L E0 cos? t. (1.12)

Таким образом, на выходе первичного преобразователя (между проводящими телами) будет действовать переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна модулю напряженности внешнего электростатического поля. Измерение U позволяет найти модуль напряженности внешнего электростатического поля.

Существуют различные варианты описанного метода измерения модуля напряженности электростатического поля. Например, можно вращать первичный преобразователь вокруг его центра симметрии, а можно использовать несимметричный преобразователь, оставляя при вращении одно из проводящих тел неподвижным. Наконец, можно оставить оба тела неподвижными, а вращать дополнительное третье тело, которое периодически экранирует первичный преобразователь.

Среднее квадратическое значение напряженности переменного электрического поля. При измерении напряженности переменного электрического поля в качестве первичного преобразователя, как правило, используется дипольная антенна, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. Дипольная антенна состоит из двух одинаковых, симметрично расположенных и изолированных друг от друга металлических тел. Это могут быть, например, два соосных цилиндра (цилиндрическая антенна), два соосных конуса, обращенных вершинами друг к другу (биконическая антенна), две тонкие металлические полоски на диэлектрическом основании, две параллельные пластины (конденсаторная антенна) и т. д. Дипольная антенна имеет ось симметрии, например, общую ось цилиндров у цилиндрической антенны или общую ось конусов у биконической антенны. Эта ось называется осью дипольной антенны.

Если поместить дипольную антенну в однородное электрическое поле, то между элементами, образующими дипольную антенну (цилиндрами, конусами и т. д.), возникнет переменное напряжение, мгновенное значение которого будет пропорционально проекции мгновенного значения напряженности электрического поля на ось дипольной антенны. Измерение среднего квадратического значения этого напряжения даст величину, пропорциональную среднему квадратическому значению проекции напряженности электрического поля на ось дипольной антенны. Здесь речь идет о внешнем электрическом поле, т. е. об электрическом поле, которое существовало в пространстве, до внесения в него дипольной антенны. Таким образом, основными элементами измерителя электрического поля (измерителя среднего квадратического значения напряженности переменного электрического поля) являются дипольная антенна и средний квадратический вольтметр.

2.1.2 Напряженность (индукция) магнитного поля Модуль напряженности постоянного магнитного поля. Существует несколько типов измерительных преобразователей постоянного магнитного поля, основанных на различных физических явлениях. Однако, в диапазоне значений напряженности магнитного поля, принятом для измерения на соответствие санитарным нормам, обычно используются преобразователи, основанные на эффекте Холла. Их широкое распространение связано отчасти с тем, что они используются не только для измерения постоянного магнитного поля, но и позволяют измерять низкочастотное переменное поле.

Эффект Холла относится к гальваномагнитным явлениям, под которыми понимают ряд вторичных эффектов, возникающих при помещении проводника или полупроводника с током в магнитное поле. К ним относятся: возникновение разности потенциалов (ЭДС), изменение электрического сопротивления проводника, возникновение разности температур.

Эффект Холла проявляется, если к паре противоположных граней прямоугольной пластины из полупроводника приложить напряжение, вызывающее постоянный ток. Под действием вектора индукции, перпендикулярного пластине, на движущиеся носители заряда будет действовать сила, перпендикулярная вектору плотности постоянного тока. Следствием этого будет возникновение разности потенциалов между другой парой граней пластины. Эту разность потенциалов называют ЭДС Холла. Ее величина пропорциональна составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной пластине, толщине пластины и постоянной Холла, которая является характеристикой полупроводника. Таким образом, зная коэффициент пропорциональности между ЭДС и магнитной индукцией и измеряя ЭДС, определяют значение магнитной индукции.

Среднее квадратическое значение напряженности переменного магнитного поля. В качестве первичного преобразователя используется рамочная антенна, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. Под действием переменного магнитного поля на выходе рамочной антенны возникает переменное напряжение, мгновенное значение которого пропорционально проекции мгновенного значения напряженности магнитного поля на ось, перпендикулярную плоскости рамочной антенны и проходящую через ее центр. Измерение среднего квадратического значения этого напряжения дает величину, пропорциональную среднему квадратическому значению проекции напряженности магнитного поля на ось рамочной антенны.

2.1.3 Плотность потока энергии электромагнитного поля На частотах до нескольких десятков гигогерц плотность потока энергии измеряется в уже сформировавшейся электромагнитной волне, структура которой близка к структуре плоской волны. В этом случае плотность потока энергии связана с напряженностью электрического или магнитного поля. Поэтому для измерения плотности потока энергии используются фактически измерители среднего квадратического значения напряженности электрического или магнитного полей, которые отградуированы в единицах плотности потока энергии электромагнитного поля.

2.2 Приборы для измерения параметров электромагнитного поля

2.2.1 Narda EFA-200 / EFA-300 — Портативный анализатор ЭМП промышленной частоты Измеритель напряженности электрического и магнитного поля EFA-300 является идеальным портативным анализаторами для измерения магнитных и электрических полей на рабочих местах и в местах общественного пользования. Обеспечивают проведение практически любых необходимых измерений в области низких частот с высокой точностью, сочетающейся с простотой в обращении.

Область применения. Приборы EFA-200 и EFA-300 являются идеальными портативными анализаторами для измерения магнитных и электрических полей на рабочих местах и в местах общественного пользования. Обе модели EFA-200 / EFA-300 рассчитаны на профессиональное применение на предприятиях энергетики, в муниципальных учреждениях, в страховых обществах, а также в индустрии безопасности и охраны здоровья. Приборы EFA-200 и EFA-300 обеспечивают проведение практически любых необходимых измерений в области низких частот с высокой точностью, сочетающейся с простотой в обращении.

Основные операции. Оба прибора, EFA-200 и EFA-300, имеют встроенные изотропные датчики магнитного поля. Возможно использование также дополнительных внешних датчиков. Например, для стандартизованных измерений различных магнитных полей может использоваться изотропный датчик В-поля с высокой чувствительностью и большой (100 см2) площадью поперечного сечения. Для измерений в труднодоступных местах предусмотрен миниатюрный датчик-анализатор В-поля диаметром 3 см. В состав модели EFA-300 входит модуль для изотропных измерений Е-поля. Этот модуль содержит датчик и электронику, позволяющую ему функционировать независимо от базового модуля. Для считывания результатов измерения в реальном масштабе времени и управления этим модулем может использоваться как базовый прибор, так и компьютер с программным обеспечением EFA-TS для удаленного доступа. Модуль, измеряющий Е-поле, может использоваться автономно в режиме регистрации данных. Прибор можно использовать, как анализатор электромагнитного поля. Сохраненные данные позднее можно считать и проанализировать с помощью компьютера и программного обеспечения EFA-TS. Главное преимущество удаленного управления при измерении Е-поля заключается в том, что при этом значительно снижается искажение измеряемого поля присутствием человеческого тела.

Таблица 2.1

Характеристики Narda EFA-200 / EFA-300

Прибор для измерения электромагнитных полей EFA-300 значительно превосходит по функциональным характеристикам аналоги П3−50 и П3−70.

Режимы работы:

— Режим измерения напряженности поля (Широкополосные измерения напряженности поля измерения на выбранной частоте, измерение индукции магнитного поля).

— Режим измерения STD (формирование временной области) — инновационная технология для измерения полей независимо от формы сигнала.

— Спектральный режим быстрого преобразования Фурье (FFT) (опция).

— Режим гармонического анализа (обеспечивается вместе с режимом FFT).

Таблица 2.2

Режим измерения напряженности поля Narda EFA-200 / EFA-300

2.2.2 Прибор для измерения параметров электромагнитных полей промышленной частоты BE-50

Прибор для измерения параметров электромагнитных полей промышленной частоты 50 Гц. Измеряет эффективные значения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля, частоту осцилляций поля, параметры эллипса поляризации.

Область применения — контроль требований по СанПиН 2.2.4.1191−03 и СанПиН 2.1.2.1002−00 предельно допустимых уровней электромагнитного поля промышленной частоты в производственных условиях, в жилых и общественных зданиях и помещениях.

Рисунок 2.1 — Внешний вид прибора ВЕ-50

Измеритель электромагнитного поля промышленной частоты «ВЕ-50» совмещает свойства высокоточных профессиональных измерителей с компактностью и простотой обслуживания бытовых приборов. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» принадлежит к поколению новых приборов, которые отличает портативность и универсальность. Это переносной аппарат с возможностями стационарного. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» прост в управлении за счет малого числа функциональных клавиш и развитого меню. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» снабжен встроенными часами и общераспространенным портом RS-232, для анализа данных на персональном компьютере. Применение прогрессивных технических решений, конструктивных элементов, в частности быстродействующего микроконтроллера, пленочной клавиатуры, обуславливает высокую надежность Измерителя «ВЕ-50». Никакая другая марка аналогичных отечественных приборов не приближается по комплексу рабочих параметров и функциональных возможностей к Измерителю «ВЕ-50».

Назначение измерителя электромагнитного поля «ВЕ-50» — проведение мероприятий по охране труда, производственный контроль и контроль требований коммунальной гигиены.

Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» предназначен для проведения измерений при гигиенической оценке всех видов производственных и жилых помещений. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» используется в работе ЦГСЭН, лабораторий по аттестации рабочих мест и контроля соблюдения нормативных требований (СанПиН 2.2.4.1191−03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002−84 Электрические поля промышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262−07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях.) на электрических станциях и подстанциях, а также на предприятиях с силовым и высоковольтным оборудованием.

Таблица 2.3

Технические характеристики измерителя параметров электрического и магнитного поля «ВЕ-50»

Использование измерителя параметров электрического и магнитного поля для контроля санитарно-гигиенических норм (СанПиН 2.2.4.1191−03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002−84 Электрические поляпромышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262−07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) при проведении производственного контроля, аттестации рабочих мест.

Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» отвечает ряду требований, соблюдение которых необходимо при контроле санитарно-гигиенических норм (СанПиН 2.2.4.1191−03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002−84 Электрические поляпромышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262−07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) при проведении мероприятий по охране труда, производственного контроля, аттестации рабочих мест:

— Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» не искажает измеряемое электрическое поле. Это обусловлено электрической развязкой антенны (посредством волоконно-оптической линии связи) от блока индикации. Такая конструкция одновременно повышает безопасность процесса измерений, что немаловажно для условий работы с высоковольтным электротехническим оборудованием.

— Датчиком электромагнитного поля в Измерителе «ВЕ-50» служит трехкомпонентная антенна, обеспечивающая измерение действующих значений уровней электрического и магнитного поля при любой ориентации датчика в пространстве. Это убирает ориентационную погрешность измерения, присущей приборам с однокоординатным (дипольным) датчикам электрического и магнитного поля.

— Использование приборов с трехкоординатными датчиками становится безусловно необходимым при измерении электромагнитного поля, генерируемого трехфазным силовым электрооборудованием. В этом случае поле может быть эллиптически поляризованным и его действующее (эффективное) значение в v2? 1,42 раза отличается от действующего значения линейно поляризованного поля. «Распознавание» эллиптически поляризованного поля принципиально невозможно без использования приборов с трехкоординатными датчиками и со специальной программой анализа фазовых сдвигов между составляющими вектора поля.

— Соответствующие требованиям нормативных документов (СанПиН 2.2.4.1191−03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002−84 Электрические поля промышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262−07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) динамические диапазоны измерения, погрешности не превышающие требуемых.

— Для возможности инструментального анализа вредных условий труда, когда требуется уменьшение времени воздействия этих условий (защита временем), необходимо измерение среднесменных значений параметров, т. е. проведение длительных (многочасовых) измерений. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» снабжен достаточно емкой встроенной памятью, допускающей возможность многочасовой автономной работы с записью результатов и последующим считыванием их.

— Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» позволяет использовать эффективные средства для сбора, анализа и хранения данных измерения. Применение цифровых носителей в сравнении с обычными системами хранения данных обеспечивает ряд преимуществ: возможность количественного анализа и коррекции результатов измерений, повышение их информативности, удобство архивирования и доступа.

Программное обеспечение мероприятий по охране труда (производственный контроль, аттестация рабочих мест). Методика проведения контроля: планирование измерений, анализ результатов измерений.

Измеритель «ВЕ-50» инкорпорирован в измерительный комплекс «НТМ-ЭкоМ». Это дает возможность, строго следуя Методическим указаниям «Гигиеническая оценка электрических и магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях» (МУК 4.3.1.491−09), проводить в автоматическом режиме следующие операции:

1. Планирование измерений при проведении производственного контроля и аттестации рабочих мест.

2. Записи плана измерений в память прибора для обеспечения инструментальных замеров электромагнитных полей промышленной частоты.

3. Анализ результатов измерений и выводы по ним, Определение классов условий труда на рабочих местах по всей совокупности полученных результатов.

4. Ведение предусмотренной нормативными документами документации (рабочих журналов, протоколов измерений) и выработка проектов экспертных заключений.

5. Оформление и распечатка итоговых документов инструментального контроля условий на рабочих местах сотрудников обследуемого предприятия.

Программа «НТМ-ЭкоМ», представляет собой экспертную систему — программу, использующую представленные в некотором формальном виде знания и определенную логику принятия решений в трудно формализуемых задачах. Программа «НТМ-ЭкоМ» способна в сложной ситуации (при недостатке времени, информации или опыта) дать квалифицированную консультацию (совет, подсказку), помогающую специалисту принять обоснованное решение. Основная идея таких систем состоит в том, что знания и опыт, накопленные одними специалистов высокой квалификации в данной предметной области, используются другими специалистами (возможно — не столь высокой квалификации) в той же предметной области при решении возникающих перед ними проблем. Программа «НТМ-ЭкоМ» — это программное обеспечение для компьютера, оперирующее с информацией об окружающей среде по правилам, определяемым всем корпусом нормативных документов, с целью выработки экспертных решений по условиям труда и быта. С ее помощью в интерактивном режиме составляется план инструментальных измерений, который затем заносится в измеритель электромагнитного поля прибор. Полученные по этому плану результаты измерений передаются в ПК, где программа «НТМ-ЭкоМ» производит анализ результатов на соответствие действующим нормативам (СанПиН 2.2.4.1191−03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002−84 Электрические поля промышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262−07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) и оформляет всю необходимую документацию (рабочий журнал, протокол измерений, экспертное заключение).

2.2.3 Измеритель напряженности поля промышленной частоты П3−50

Измеритель напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50 предназначен для измерения напряженности электрического и магнитного поля промышленной частоты (50 Гц) и применяется для контроля предельно допустимых уровней электрического и магнитного поля согласно ГОСТ 12.1.002−84 и СН № 3206−85.

Измеритель П3−50 выполнен в виде малогабаритного носимого прибора автономным питанием. Основными элементами измерителя являются: устройство отсчетное УОЗ-50 и антенныпреобразователи (АП) направленного приема. Работа измерителя основана на возбуждении в АП под воздействием измеряемого поля переменного напряжения, пропорционального напряженности поля. Переменное напряжение предварительно усиливается в АП и поступает на вход УОЗ-50, где происходит его фильтрация, дальнейшее усиление, преобразование в постоянное напряжение и индикация.

Измеритель поставляется в 3-х комплектах:

— ПЗ-50А предназначен для измерения напряженности электрического поля.

— ПЗ-50Б предназначен для измерения магнитного поля.

— ПЗ-50 В совмещает функции этих комплектов.

Таблица 2.4

Технические характеристики измерителя параметров электрического и магнитного поля ПЗ-50

3. Разработка технических требований к прибору

3.1 Требования к назначению Прибор должен предназначаться для измерения параметров электромагнитного поля промышленной частоты.

3.2 Требования к области применения Измерительный прибор должен применяться при измерении уровней напряженности электрического (ЭП) и магнитного полей (МП) промышленной частоты (50 Гц) для персонала, находящегося в зоне влияния электромагнитного излучения на производстве и для населения, проживающего вблизи источников электромагнитного поля частотой 50 Гц.

3.3 Требования к выполняемым функциям Измерительный прибор должен выполнять следующие функции:

1) измерение напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты

2) передача результатов измерения в пункт сбора информации по стандарту USB и RS-232.

3.4 Требования к техническим характеристикам Требования к техническим характеристикам приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Технические характеристики, предъявляемые к прибору

3.5 Требования к составу Измерительный прибор должен состоять из следующих основных частей:

3.6 Требования к климатическим условиям эксплуатации

3.7 Требования к надежности

3.8 Требования к датчику напряженности

3.9 Требования к микроконтроллеру

3.10 Требования к индикации

3.11 Требования к устройству передачи данных на ПК

3.12 Требования к блоку питания электромагнитный поле измерение параметр

4. Разработка структурной схемы прибора и выбор элементной базы

4.1 Разработка структурной схемы Структурная схема прибора для измерения параметров электромагнитного поля представлена в Приложении 3.

Датчик предназначен для измерения напряженности электрического поля и магнитного поля.

Микроконтроллер (МК) осуществляет оцифровку входных сигналов с датчиков, обработав данные, передает информацию в доступном для пользователя (блок индикации) или компьютера (порты USB/RS-232) виде.