Автоматизированный многочастотный контроль электромагнитных излучений для оценки опасности электромагнитной обстановки

XX век ознаменовался стремительным развитием электротехники и радиотехники. Широкое распространение линий электропередач высокого напряжения, радиоэлектронных устройств и средств связи привело к существенному возрастанию уровней электромагнитных полей различных частотных диапазонов и расширению режимов генерации этих полей в окружающей среде. Было установлено, что электромагнитное поле представляет серьезную опасность жизни и здоровью человека и оказывает негативное влияние на функционирование радиоэлектронных средств. Факты свидетельствуют, что обычный уровень низкочастотного электромагнитного поля крупного промышленного города соответствует ситуации природной «магнитной бури». Уже сегодня электромагнитное загрязнение окружающей среды, наряду с химическим и радиационным, — наиболее распространенный вид загрязнения, несущий опасные глобальные последствия и вызывающий большую обеспокоенность как ученых, так и населения.

Всемирная организация здравоохранения включила проблему электромагнитного загрязнения окружающей среды в перечень приоритетных проблем человечества. Исследования убедительно показали существование значимого неблагоприятного воздействия ЭМП на здоровье человека. Этот вывод был сделан учеными России, США, Швеции, Германии и других стран. В решении межведомственной комиссии Совета безопасности Российской Федерации по экологической безопасности № 2−2 от 20 февраля 1996 г. Указано, что «неблагоприятное воздействие на человека и окружающую среду электромагнитных принимает опасные размеры». Актуальность этой проблемы нашла свое отражение в специальном постановлении Президиума Российской академии медицинских наук. Среди зарегистрированных последствий воздействия электромагнитного загрязнения на человека самым распространенным является поражение сердечно — сосудистой и пищеварительных систем. Среди последствий электромагнитного загрязнения специалисты называют также нарушение поведения (вплоть до самоубийства), потерю памяти, болезни Паркинсона и Альцгеймера, синдром внезапной смерти у грудных детей, расстройства половой функции и другие серьезные патологические заболевания. По некоторым данным, значительная часть случаев инфаркта миокарда в крупных городах вызвана «скачками» мощных техногенных низкочастотных электромагнитных полей.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость защиты людей, животных, электрических приборов от негативного воздействия электромагнитного поля, но лучшая защита это все-таки предупреждение, что в свою очередь подразумевает качественный инструментальный контроль показателей электромагнитного поля. Для этой цели на данный момент создано большое количество приборов контроля, как отечественного так и зарубежного производства, каждый из которых работает на узком диапазоне частот и измеряет определенную характеристику, поэтому что бы дать комплексное описание картины электромагнитного поля необходимо несколько приборов, что затрудняет работу оператора и увеличивает время измерений. Так же у большинства современных приборов отсутствует возможность автоматизации измерений, а те у которых все же есть такая возможность отличаются высокой стоимостью. Решению этих проблем посвящена данная научная работа, задачей которой является создание технологической платформы, которая способна объединить несколько приборов измерения показателей электромагнитного поля. Каждый из приборов будет рассчитан на свой показатель и свой диапазон частот. Затем данные с приборов будут проходить через технологическую платформу и передаваться на персональный компьютер, где будут обрабатываться в специально разработанной программе. Возможна также обратная связь, т. е. управление измерениями с компьютера. Посредствам именно этой обратной связи будет осуществляется автоматизация измерений.

1. Параметры электромагнитного излучения

1.1 Общие сведения

Электродинамика — это раздел физики, предмет которого — электрические и магнитные явления. Основу этих явлений составляют электромагнитные взаимодействия, которые по широте и разнообразию своих проявлений играют в природе особо важную роль. Можно без преувеличения сказать, что современным уровнем своего развития человечество обязано именно изучению и практическому использованию электромагнитных явлений.

В основе электродинамики лежат понятия электрического заряда и электромагнитного поля. Как все аксиоматизирующие научную дисциплину понятия, «электрический заряд» и «электромагнитное поле» не допускают полного и непротиворечивого определения.

Концепция электрона делает смысл понятия «электрический заряд» если не яснее, то по крайней мере — привычнее. Об электромагнитном поле нельзя сказать и этого. Вообще говоря (это определение относится не только к электродинамике) поле — суть способ описания того, что происходит в некоторой точке пространства. Простейшее поле — скалярное описывает ситуацию, в которой каждая точка пространства может быть описана одним числом — скаляром. Эти числа могут меняться от точки к точке, и тогда говорят о неоднородном поле, а также и со временем, и тогда говорят о нестационарном поле.

В качестве примера можно привести поле температур в помещении. В одних точках теплее, в других холоднее — температура меняется от точки к точке. Эту ситуацию можно адекватно описать, сказав, что температура — функция положения в пространстве, т. е. температурное поле неоднородно.

Если все это меняется со временем, то температура также и функция времени — температурное поле нестационарное. Одним из способов представить себе скалярное поле — вообразить «изоконтуры», т. е. поверхности, проведенные через точки с одинаковым значением поля, подобно горизонталям на картах, соединяющим точки на одной высоте над уровнем моря. Для температурного поля контуры носят название «изотермическая поверхность» или «изотерма».

Более сложно векторное поле — ситуация, когда каждая точка пространства может быть охарактеризована фактором, имеющим величину и направление, т. е. вектором. Так же как и скаляр, вектор может меняться от точки к точке и со временем.

Электромагнитное поле имеет еще более сложную структуру — это тензорное поле. Его можно описать двумя векторами — напряженностью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В, однако следует иметь в виду, что электричество и магнетизм — не независимые характеристики поля, они всегда должны рассматриваться в совокупности, как одно электромагнитное поле. В самой природе существует глубокая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, описываемая принципом относительности. Рассматривая эти поля с разных точек зрения (точнее — из разных систем координат), мы будем видеть различные соотношения между ними, вплоть до того, что одно из полей может исчезнуть (электрическое Е или магнитное В — в зависимости от выбора точки зрения). Иными словами — разделение поля на электрическую и магнитную части зависит от того, откуда (из какой системы координат) мы наблюдаем единое электромагнитное поле.

Точный анализ реальных физических проблем обычно крайне сложен, поэтому целесообразно выработать некоторые вспомогательные способы представления о поведении систем в различных обстоятельствах. В электродинамике этой цели служат представления о линиях поля, введенных М. Фарадеем. Линии поля — это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности поля. Некоторые примеры наглядного представления электромагнитного поля с помощью силовых линий будут приведены ниже, здесь же следует отметить, что ни одна из вспомогательных эвристических моделей (картина силовых линий, изопотенциали, движения эфира как среды распространения поля и т. п.) на самом деле не может адекватно и точно описать все явления в электродинамике. Например, даже если известны картины силовых линий двух изолированных совокупностей зарядов, из них никак не следует картина силовых линий в ситуации, когда обе совокупности действуют вместе. Практически невозможно сформулировать строгие количественные законы (например — принцип суперпозиции полей) в терминах линий поля. Существует лишь один точный и продуктивный способ представления законов электродинамики — язык дифференциальных уравнений.

1.2 Характеристики электромагнитных полей

Для объяснения происхождения и передачи сил, действующих между покоящимися зарядами вводится понятие электрического поля. Когда в каком-то месте пространства появляется электрический заряд, вокруг него возникает электрическое поле.

Основное свойство этого поля в том, что на всякий другой заряд, помещенный в это поле, действует сила. Если мы заменим этот заряд другим, то сила, действующая на этот заряд, изменится пропорционально величине заряда. Для электрического поля справедлив принцип суперпозиции — поле системы зарядов можно определить как сумму (разумеется — векторную) электрических полей от каждого из зарядов. Для количественной характеристики электрического поля служит специальная физическая величина — напряженность электрического поля Е. Напряженность электрического поля в данной точке измеряется силой, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Если сформулировать по другому, напряженность есть величина, равная отношению силы, действующей на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к этому заряду. Единицей электрического поля является 1 В/м (Вольт на метр).

(1.1)

Для того, чтобы представить диапазон возможных значений электрического поля, в таблице 1.1 приведены различные источники поля.

Таблица 1.1

На рисунке 1.1 приведена картина силовых линий электрического поля для достаточно характерной ситуации.

Рисунок 1.1 — Электрический диполь

Несмотря на то, что силовые линии образуют замкнутые на зарядах конфигурации, поле можно обнаружить на сколь угодно больших расстояниях от зарядов. На расстояниях, значительно больших расстояния между зарядами поле с изображенной конфигурацией называется дипольным. Перемещение заряда в электрическом поле связано с затратами или высвобождением энергии.

Постоянное электрическое поле потенциально — затраченная (или высвободившаяся) энергия не зависит от пути, по которому произошло это перемещение, а только от положения начальной и конечной точек перемещения заряда. Прямым следствием этого свойства постоянного электрического поля является возможность характеризовать поле в некоторой точке пространства величиной работы, требуемой для перемещения в эту точку единичного заряда из областей, бесконечно удаленных от полеобразующей системы. При таком определении работы она становится скалярной характеристикой точки в пространстве и, следовательно, сама определяет скалярное поле, называемое в электродинамике электрическим потенциалом. Единицей электрического потенциала является 1 В (Вольт). Для электрического потенциала справедлив принцип суперпозиции — потенциал системы зарядов можно определить как сумму электрических потенциалов от каждого из зарядов. Так как реально заряды не переносятся из бесконечности и не уносятся на бесконечность, практическое значение имеет разность потенциалов между двумя точками пространства. Так как поле, по определению, распределено по пространству, его энергия — так же распределенная по пространству величина, и реально имеет смысл говорить о плотности энергии. Для электрического поля плотность энергии W пропорциональна квадрату поля:

здесь коэффициент пропорциональности? o — т.н. диэлектрическая проницаемость вакуума. Если поле быстро меняется со временем, его энергия также меняется. Во многих случаях отслеживать эти изменения не требуется, вполне можно ограничиться определением среднего по большому (сравнительно с временем изменения поля) интервалу времени Т:

Стоящий здесь интеграл по интервалу времени [0, Т] играет важную роль как скалярная характеристика векторного поля. Для него введено специальное название «среднее квадратическое значение напряженности электрического поля» Es:

Именно это поле обычно используется для гигиенического нормирования электромагнитных полей.

Есть еще одна компонента силы, действующей на электрический заряд, которая зависит от его скорости V. Эта сила (называемая магнитной силой) имеет свойство: в любой точке пространства как направление, так и величина силы зависят от направления движения частицы; в каждый момент сила всегда перпендикулярна вектору скорости заряда; кроме того, сила всегда перпендикулярна определенному направлению в пространстве, и, наконец, величина силы пропорциональна компоненте скорости, перпендикулярной этому выделенному направлению. Все эти свойства можно описать, если ввести вектор магнитного поля В, с помощью которого полная электромагнитная сила F, действующая на электрический заряд q, может быть записана так:

Это сила Лоренца. Единицей магнитного поля является 1 Тл (Тесла). Для магнитного (также как и для электрического) поля справедлив принцип суперпозиции.

Для того, чтобы представить диапазон возможных значений магнитного поля, в таблице 1.2 приведены различные источники поля[2].

Таблица 1.2

Из самого определения электрического поля следует, что оно создается электрическим зарядом (покоящимся или движущимся) и, в свою очередь, действует на электрический заряд (также покоящийся или движущийся). С магнитным полем аналогичное утверждение не столь очевидно. Причина здесь в отсутствии в природе магнитных зарядов. Впервые этот вопрос рассмотрел А. Ампер. На проводник с током в магнитном поле, создаваемом магнитом, действует сила. Из закона Ньютона о равенстве действия и противодействия следует, что когда по проводнику течет ток, возникает сила, действующая на источник поля — магнит. Такие силы действительно существуют; в этом можно убедиться по отклонению стрелки компаса вблизи проводника с током (Х. Эрстед). Далее, известно, что магниты испытывают действие сил со стороны других магнитов, а отсюда можно заключить, что когда по проводнику течет ток, то он создает собственное магнитное поле.

На рисунке 1.2 приведена картина силовых линий магнитного поля, создаваемое проводником с током.

Рисунок 1.2 — Магнитное поле, создаваемое проводником с током Для магнитного поля плотность энергии W, также как и для электрического, пропорциональна квадрату поля здесь коэффициент пропорциональности ѓК0- т.н. магнитная проницаемость вакуума. Если поле быстро меняется со временем, его энергия также меняется. Во многих случаях отслеживать эти изменения не требуется, вполне можно ограничиться определением среднего по большому (сравнительно с временем изменения поля) интервалу времени Т:

Стоящий здесь интеграл по интервалу времени [0,Т] играет важную роль как скалярная характеристика векторного поля. Для него также (как и для электрического поля) введено специальное название «среднее квадратическое значение напряженности магнитного поля» Вs:

Именно это поле обычно используется для гигиенического нормирования электромагнитных полей.

При теоретических исследованиях электромагнитных полей часто бывает полезно начинать работу с анализа статических полей, т. е. с полей, создаваемых зарядами либо закрепленными на своих местах, либо движущимися с постоянной скоростью, так что постоянен создаваемый ими электрический ток. В этих условиях система уравнений Максвелла, описывающая поведение электромагнитного поля, распадается на две независимых системы, одна из которых описывает электрическое поле, а другая магнитное. Это означает, что коль скоро заряды и токи постоянны, электричество и магнетизм — явления разные. Нельзя обнаружить никакой связи полей Е и В друг с другом, пока не возникнут изменения в зарядах или токах, например, пока магнит, создающий магнитное поле не начнет двигаться. Только когда возникают достаточно быстрые изменения, Е и В начинают влиять друг на друга и их уже нельзя рассматривать по отдельности.

Быстроменяющиеся поля распространяются в виде электромагнитной волны на большие расстояния от источника волны (движущихся зарядов). В электромагнитной волне существует однозначная связь между полями Е и В и направлением распространения волны.

Рисунок 1.3 — Картина векторов электромагнитной волны Физические причины возможности распространения электромагнитного поля в виде волны обусловлены тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле В, а изменяющееся В — вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и В, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при выключении тока в излучившей их антенне). Наряду с периодом и частотой, электромагнитную волну можно охарактеризовать пространственным параметром — длиной волны ѓЙ, которая характеризует расстояние, пройденное волной за время, равное периоду Т.

При излучении электромагнитных волн излучающий объект теряет энергию. Потерянную энергию, однако, можно найти в другой форме — в форме энергии электромагнитной волны. Существует важная особенность закона сохранения энергии распределенных систем (в частности — энергии электромагнитного поля). Если энергия уходит из какой-либо области, это может происходить только за счет ее вытекания через границы этой области. Это обстоятельство приводит к выводу о существовании не только плотности энергии W, но и вектора S, представляющего плотность потока энергии через поверхность.

Так как векторы Е и В дают полное описание электромагнитного поля, вектор потока энергии S также как и плотность энергии W должны определяться только величинами Е и В. По имени ученого, определившего зависимость S от Е и В этот вектор называется вектором Пойнтинга:

Выписанное выражение для вектора S справедливо для любых электромагнитных полей. Для электромагнитной волны абсолютная величина S может быть определена через средние квадратические значения электрического и магнитного полей:

1.3 Нормирование параметров ЭМИ

1.3.1 Общие сведения о нормировании электромагнитных излучений

Нормирование является основным элементом электромагнитной безопасности. Основным критерием экологического нормирования электромагнитных полей может служить положение статьи 25 Федерального закона «Об охране окружающей природной среды» от 19 декабря 1991 г. № 2060;1, в соответствии с которым безопасным для экосистемы считается электромагнитное поле такой интенсивности, при которой возможна потеря отдельной особи при обязательном условии сохранения стабильности экосистемы. При экологическом нормировании предельно допустимый уровень (ПДУ) электромагнитных полей имеет смысл верхнего предела устойчивости организма, при превышении которого электромагнитное поле становится лимитирующим фактором окружающей среды (рисунок 1.3.1).

Рисунок 1.3.1 — Условная кривая изменений показателей жизнедеятельности организма от интенсивности воздействующего электромагнитного поля Стандарты, содержащие требования к различным видам продукции, отличаются тем, что конкретизируют нормированные значения и методы испытаний, учитывая особенности испытуемой продукции и условия ее эксплуатации. Например, к таким стандартам, касающимся образовательных учреждений, относятся:

ГОСТ 12.1.002−84 «Система стандартов безопасности труда. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля»;

ГОСТ 12.1.006−84 «Система стандартов безопасности труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля»;

ГОСТ 12.1.045−84 «Система стандартов безопасности труда. Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля».

Перечисленные стандарты распространяются на продукцию (оборудование), которая подключается к общей электросети, к которой, в свою очередь, присоединены и образовательные учреждения, и применяют тогда, когда отсутствует стандарт на конкретные виды продукции, такие, например, как:

ГОСТ Р 50 923−96 «Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения»;

ГОСТ Р 50 948−96 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности»;

ГОСТ Р 50 949−96 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерений и оценки эргономических параметров и параметров безопасности».

Перечисленные стандарты, в том числе определяют допустимые уровни излучений устройств отображения информации и методы их измерения: рентгеновского излучения, электростатического поля, переменного электрического и магнитного поля в диапазоне от 5 Гц до 2 кГц, переменного электрического и магнитного поля в диапазоне от 2 до 400 кГц.

Межгосударственные санитарные нормы и правила МСанПиН 001−96 «Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях» устанавливают, в том числе, допустимые уровни излучений товаров народного потребления: инфракрасного излучения, ультрафиолетового излучения, напряженности электромагнитного поля в диапазоне от 300 МГц до 30 ГГц; а также плотности потока энергии сотовых телефонов в диапазоне от 400 до 1200 МГц.

Национальные системы стандартов являются основой для реализации принципов электромагнитной безопасности в России. Как правило, системы стандартов включают в себя нормативы, ограничивающие уровни электрически, магнитных и электромагнитных полей различных частотных диапазонов путем введения предельно допустимых уровней воздействия (ПДУ) для различных условий облучения и различных контингентов.

В России система стандартов по электромагнитной безопасности складывается из Государственных стандартов (ГОСТ) и Санитарных правил и норм (СанПиН). Это взаимосвязанные документы, являющиеся обязательными для исполнения на всей территории России.

Государственные стандарты по нормированию допустимых уровней воздействия электромагнитных полей входят в группу Системы стандартов безопасности труда — комплекс стандартов, содержащих требования, нормы и правила, направленных на обеспечение безопасности, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Они являются наиболее общими документами и содержат:

· требования по видам соответствующих опасных и вредных факторов;

· предельно допустимые значения параметров и характеристик;

· общие подходы к методам контроля нормируемых параметров и методы защиты сотрудников и обучающихся в образовательных учреждениях.

Государственные стандарты России в области электромагнитной безопасности по состоянию на 1 июня 1999 г. приведены в таблице 1.3.1.

Санитарные правила и нормы регламентируют гигиенические требования более подробно и в более конкретных ситуациях облучения, а также к отдельным видам продукции. По своей структуре включают те же основные пункты, что и Государственные стандарты, однако излагают их более подробно. Как правило, санитарные нормы сопровождаются Методическими указаниями по проведению контроля электромагнитной обстановки и проведению защитных мероприятий.

В зависимости от отношения подвергающегося воздействию ЭМП человека к источнику излучения в условиях производства в стандартах России различаются два вида воздействия: профессиональное и непрофессиональное. Для условий профессионального воздействия характерно многообразие режимов генерации и вариантов воздействия. В частности, для облучения в ближней зоне обычно характерно сочетание общего и местного облучения. Уместно было бы напомнить, что под ближней зоной, или зоной индукции, понимается зона несформировавшейся электромагнитной волны на расстоянии от источника, меньшего длины волны. Дальняя зона — это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния, большего утроенного значения длины волны. Для непрофессионального облучения типичным является общее облучение. ПДУ для профессионального и непрофессионального воздействия различны.

Таблица 1.3.1 — Государственные стандарты РФ в области электромагнитной безопасности

Перечень Санитарных правил и Норм РФ для различных категорий облучаемых приведен в таблицах 1.3.2 и 1.3.3.

Таблица 1.3.2 — Санитарные нормы и правила для условий профессионального облучения электромагнитными полями

Таблица 1.3.3 — Санитарные нормы и правила для условий профессионального облучения

В основе установления предельно допустимого уровня лежит принцип пороговости вредного действия электромагнитного поля. В качестве предельно допустимого уровня электромагнитных полей принимаются такие значения, которые при ежедневном облучении в свойственном для данного источника излучения режиме не вызывают у человека без ограничения пола и возраста заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в период облучения или в отдаленные сроки после его прекращения .

Основной критерий определения уровня воздействия электромагнитных полей как предельно допустимого — воздействие не должно вызывать у человека даже временного нарушения гомеостаза (включая репродуктивную функцию), а также напряжения защитных и адаптационно-компенсаторных механизмов ни в ближайшем, ни в отдаленном периоде времени. Это означает, что в качестве ПДУ принимается дробная величина от минимального уровня электромагнитного поля, способного вызвать какую-либо реакцию.

В зависимости от места нахождения человека относительно источника электромагнитного поля он может подвергаться воздействию электрической или магнитной составляющей поля или их сочетанию, а в случае пребывания в волновой зоне — воздействию сформированной электромагнитной волны.

По этому признаку определяется необходимый критерий контроля безопасности.

В части требований ГОСТов и СанПиНов по проведению контроля указано: контроль уровней электрического поля осуществляется по значению напряженности электрического поля Е, В/м; контроль уровней магнитного поля осуществляется по значению напряженности магнитного поля Н, А/м, или значению магнитной индукции В, Тл; в зоне сформировавшейся волны (дальней зоне) контроль осуществляется по плотности потока энергии ППЭ, Вт/м2.

В России установлены самые жесткие в мире предельно допустимые уровни облучения людей электромагнитными полями. Система Санитарно-гигиенического нормирования предельно допустимых уровней электромагнитных полей в России исходит из принципа введения ограничений для конкретных случаев облучения.

Можно выделить следующие виды условий облучения, на которые для людей, находящихся в образовательных учреждениях, установлены специально разработанные СанПиНы:

1) элементы систем сотовой связи;

2) видеодисплейные терминалы и мониторы персональных компьютеров;

3) сверхвысокочастотные печи.

На иные условия облучения, где в качестве источников выступает бытовая потребительская техника, в настоящее время используются межгосударственные российско-белорусские СанПиНы, устанавливающие требования только к электрической составляющей диапазона 50 Гц и к уровню электростатического поля.

При определении конкретного значения предельно допустимого уровня разработчики руководствуются либо результатами специально выполненных работ (например, сверхвысокочастотные печи), либо результатами общих медико-биологических исследований (системы сотовой связи, персональные электронно-вычислительные машины).

В случае отсутствия на конкретный вид продукции отдельного норматива санитарно-гигиенические требования к этой продукции предъявляются на основе предельно допустимого уровня, установленного в общих стандартах .

1.3.2 Нормирование электромагнитных излучений промышленной частоты

Нормирование электромагнитных излучений промышленной частоты выполняется по электрическому и магнитному полям.

Электрическое поле. Нормы по напряженности полей промышленной частоты на рабочих местах подразделяются на три категории:

Первая категория — 6,1 кВ/м, 159 А/м — обязательна информация о параметрах электромагнитного поля.

Вторая категория — 12,3 кВ/м, 320 А/м — обязательны мероприятия по ограничению пребывания в электромагнитном поле.

Третья категория — 19,6 кВ/м, 480 А/м — обязательны ограничения пребывания в электромагнитном поле и наличие предупреждения «Опасная работа».

Магнитное поле. Нормативные документы, регламентирующие уровни магнитного поля, например, СанПиН 2.2.4.1191−03, приводят следующие данные:

· предельно допустимая величина магнитной индукции на территории образовательных учреждений не должна превышать 50 мкТл;

· предельно допустимая величина магнитной индукции в учебных помещениях не должна превышать 10 мкТл.

Для магнитного поля промышленной частоты предельно допустимые уровни являются дифференцированными (ПДУ № 3206−85) в зависимости от характера генерации и времени контакта (таблица1.3.4).

В диапазоне частот от 4 до 1000 Гц за базисное значение напряженности магнитного поля принято 4 кА/м, а для постоянного магнитного поля — 1,6 МА/м.

Таблица 1.3.4 — Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50Гц

Примечания:

1. tW — длительность импульса.

2. tp — длительность интервала между импульсами В таблицах 1.3.5 и 1.3.6 приведены предельно допустимые уровни излучений магнитного поля для условий общего (на все тело) и локального (на конечности) воздействия, согласно СанПиН 2.2.4.1191−03.

Таблица 1.3.5 — Предельно допустимый уровень постоянного магнитного поля в учебных помещениях

Таблица 1.3.6 — Предельно допустимый уровень периодического воздействия магнитного поля частотой 50 Гц

1.3.3 Нормирование электромагнитных излучений высоких и сверхвысоких частот

СанПиН 2.2.4.1191−03 устанавливает предельно допустимый уровень воздействия электромагнитных излучений в диапазоне от 30 кГц до 300 ГГц и основные санитарно-гигиенические требования к приобретению и использованию источников излучения. Оценка воздействий этих излучений на людей осуществляется по следующим параметрам:

по энергетической экспозиции, которая определяется интенсивностью излучения и временем его воздействия (эта оценка применяется для лиц, деятельность или обучение которых связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния источников радиоизлучений);

по значениям интенсивности излучения (эта оценка используется применительно ко всем остальным категориям людей, не связанных с работой источников радиоизлучений, но вынужденных находиться в зоне их действия).

В диапазонах частот от 30 кГц до 300 МГц интенсивность излучений оценивается по значениям напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля, а в диапазонах частот от 300 МГц до 300 ГГц — по значениям плотности потока энергии.

Максимально допустимые значения интенсивности излучения для различного диапазона частот приведены в таблице 1.3.7.

Таблица 1.3.7 — Максимально допустимые значения интенсивности электромагнитных полей

Поскольку воздействие электромагнитного излучения на человека зависит от времени, существуют предельно допустимые значения энергетической экспозиции по каждому из вышеназванных параметров.

Предельно допустимые уровни электромагнитного излучения радиочастотного диапазона приведены в таблицах 1.3.8 и 1.3.9.

Таблица 1.3.8 — Предельно допустимые значения энергетической экспозиции

Примечание — во всех случаях при указании диапазонов частот каждый диапазон включает нижний и верхний диапазоны Предельно допустимые уровни воздействия электромагнитных излучений, создаваемых источниками излучения высоких и сверхвысоких частот, для людей, находящихся в различных помещениях, приведены в таблицах 1.3.10 — 1.3.11.

Таблица 1.3.10 — Предельно допустимые уровни напряжённости электрической и магнитной составляющих в диапазоне частот от 30 кГц до 300 МГц в зависимости от продолжительности воздействия

Примечание — при продолжительности воздействия менее 0,08 часа дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается

Таблица 1.3.11 — Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц — 300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия

Примечание — при продолжительности воздействия менее 0,2 часа дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается Сотовая радиосвязь. Уровень безопасности сотовых телефонов в настоящее время оценивается в SAR (Specifie Asorption Rates) — по уровню излучения (эмиссии излучаемой энергии) в ваттах на 1 кг мозгового вещества (Вт/кг). Чем меньше значение SAR, тем безопаснее устройство. Значения SAR для некоторых сотовых телефонов приведены в таблице 2.12.

Таблица 1.3.12 — Значение SAR для некоторых моделей сотовых телефонов

Примечания: 1) B — встроенная антенна; 2) D — дипольная антенна; 3) H спиральная антенна Временно допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемых сотовой радиосвязью, приведены в таблице 1.3.13.

Таблица 1.3.13 — Временно допустимые уровни воздействия электромагнитных излучений, создаваемых сотовой радиосвязью

Таблица 1.3.14 — Данные национальных стандартов ряда стран и рекомендаций международных организаций

Примечания: 1) INIRC — Международный комитет по защите от ионизирующих излучений; 2) CENELEK — Европейский комитет по электромагнитной стандартизации

Сравнение приведенных в таблице 1.3.14 данных национальных стандартов ряда стран и рекомендаций международных организаций показывает, что требования норматива РФ более жесткие.

2. Анализ аппаратуры для контроля электромагнитной обстановки

2.1 Физические эффекты, положенные в основу реализации современного измерительного оборудования

Измерительное оборудование, которое сегодня представлено на рынке, функционирует на основании большого числа различных физических эффектов. Чтобы мотивированно выбрать измерительное оборудование, необходимо понимать, как функционируют измерительные датчики в этом оборудовании. В данном разделе рассмотрены основные физические эффекты, которые используются при создании датчиков.

2.1.1 Измерение параметров электрического поля

2.1.1.1 Резистивные эффекты

К резистивным относятся эффекты изменения удельного электрического сопротивления или проводимости полупроводников, аморфных проводников (эффект Овшинского) и многослойных полупроводниковых структур под действием ЭП.

Резистивный эффект, связанный с изменением электрического сопротивления под действием ЭП, используется в датчиках напряженности, чувствительным элементом которых выступают такие полупроводниковые материалы, как тирит, вилит, тервит и лэтин. В основе этих материалов лежит карбид кремния (SiC), зерна которого скрепляются связывающим веществом, таким как глина, ультрафарфор, жидкое стекло. Материал со связкой подвергается длительному воздействию высокой температуры, в зависимости от которой и происходит деление материалов на различные виды.

Резистивный эффект, связанный с изменением проводимости под действием сильного СВЧ электрического поля. Чувствительным элементом одних датчиков выступает монокристаллический полупроводниковый материал (германий, кремний и др.). При прохождении СВЧ импульса по полупроводниковому материалу носители тока в нем нагреваются, что приводит к изменению его проводимости. Чувствительным элементом других датчиков этой группы используются жидкости с упорядоченной структурой ассоциатов, изменения которой зависят от воздействия ЭП, что приводит к изменению электропроводности жидкости. Чувствительным элементом может выступать, например, дистиллированная вода с удельным сопротивлением не ниже 18 МОмсм.

Датчики, основанные на резистивном эффекте, обладают нелинейными характеристиками R=f (E) (R — сопротивление; E напряженность ЭП) и плохой их воспроизводимостью. Это характерно для большинства известных полупроводниковых материалов и аморфных проводников. Теоретическая оценка ожидаемой погрешности датчиков, построенных на резистивном эффекте, составляет =23% и более.

2.1.1.2 Емкостные эффекты

К емкостным эффектам относятся эффекты изменения диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков (сегнетоэлектриков, ферродиэлектриков) под действием напряженности ЭП. Изменение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков под действием напряженности ЭП объясняется тем, что внешнее поле вызывает в сегнетоэлектриках поляризацию не только за счет смещения электрических зарядов, но и за счет смещения и переориентации целых областей доменов.

Емкостные эффекты широко используются для построения датчиков напряженности ЭП. В одних датчиках в качестве чувствительного элемента используется сегнетоэлектрик, расположенный между обкладками конденсатора. Конденсатор выступает в роли модулятора тока за счет изменения под действием ЭП емкости в измерительной цепи. Изменение тока в цепи пропорционально измеряемой напряженности ЭП. В других датчиках в качестве чувствительного элемента используется полупроводник варикапа, изменяющего свою емкость под действием напряженности ЭП. Варикап включается в мостовую цепь. При полной компенсации мостовой цепи на её выходе устанавливается напряжение, величина и знак которого соответствуют модулю и направлению вектора напряженности ЭП.

2.1.1.3 Токовые эффекты

К токовым относятся эффекты, основанные на возникновении или изменении электрического тока под действием напряженности ЭП.

Токовые эффекты основаны на явлениях автои термоэлектронной эмиссии. Датчик представляет собой электровакуумный диод с одним, двумя или тремя анодами. Внесение датчика в ЭП изменяет распределение потока электронов между анодами. Так как аналогичные действия на распределение потока электронов оказывает и магнитное поле, то датчики такого вида могут использоваться только в условиях, когда магнитное поле мало. Погрешность таких датчиков составляет 10%.

2.1.1.4 Потенциальные эффекты

К потенциальным относятся эффекты, основанные на явлениях электрической и электромагнитной индукций, т. е. возникновении электрических зарядов или изменении ЭДС под действием напряженности ЭП.

Явление электрической индукции проявляется при внесении в ЭП проводящего тела. При этом проводящее тело поляризуется, т. е. на его поверхности индуцируются равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды, разделенные плоскостью электрической нейтрали. Поверхностная плотность заряда на поверхности тела или его части пропорциональна составляющей вектора напряженности исходного ЭП.

На основе электрической индукции можно строить датчики напряженности ЭП, позволяющие преобразовывать напряженность ЭП в диапазоне от десятых долей киловольт на метр до тысяч киловольт на метр с погрешностью в десятые доли процента. Их недостатком является необходимость дополнительной ориентации в пространстве для измерения всех составляющих поля.

Явление электромагнитной индукции проявляется, например, при внесении тороидальной катушки из ферромагнитного материала в ЭП. Катушка располагается таким образом, чтобы через ее центральное отверстие проходила одна из составляющих вектора напряженности ЭП. Изменение ЭП вызывает изменение магнитного поля, которое наводит в катушке ЭДС, пропорциональную преобразуемой составляющей вектора напряженности ЭП.

На основе электромагнитной индукции можно строить датчики напряженности ЭП, имеющие ограниченный диапазон преобразования (вследствие необходимости работы на начальном участке кривой намагничивания). Их недостатками являются низкая чувствительность (единицы вольт на киловольт на метр), существенная зависимость от влияющих факторов и необходимость дополнительной ориентации в пространстве для измерения всех составляющих поля.

2.1.1.5 Электромагнитные эффекты

К электромагнитным эффектам можно отнести физические эффекты, связанные с изменением магнитной проницаемости в некоторых ферриэлектриках (ферриты, магнитодиэлектрики) под действием ЭП.

Ожидаемые показатели датчиков, построенных на электромагнитном эффекте: нелинейность характеристики, гистерезис, влияние магнитных полей, погрешность =34% и более.

2.1.1.6 Электромеханические эффекты

Электромеханическими эффектами называются совокупности явлений, возникающих в дисперсионных системах и выражающихся либо в движении одной фазы относительно другой, либо в изменении других механических свойств материалов под действием напряженности ЭП.

Среди электромеханических эффектов можно выделить два эффекта, используемых для построения датчиков напряженности ЭП. К первому эффекту можно отнести электрореологический эффект изменение вязкости жидкости под действием напряженности ЭП, а ко второму — возникновение силы, действующей на электрод, находящийся в непроводящей жидкости или газе под действием напряженности ЭП. Эти эффекты наблюдаются как в постоянных, так и в переменных ЭП.

Чувствительным элементом датчиков, построенных с использованием первого эффекта, служат суспензии, состоящие из неполярной дисперсионной среды и твердой дисперсионной фазы с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью. Составы таких суспензий можно найти в работе. Одна из разновидностей датчиков, основанных на электрореологическом эффекте, приведена в работе. В этом датчике электровязкая жидкость (суспензия), имеющая заранее определенные характеристики электроиндуцированной вязкости, подвергается воздействию напряженности измеряемого ЭП с одновременным воздействием на суспензию постоянной скорости сдвига и соотнесением сопротивления сдвига суспензии с указанными заранее определенными характеристиками. Суспензия отвечает на приложенное ЭП мгновенным, но обратимым изменением эффективной вязкости. Причем вязкость суспензии повышается пропорционально напряженности приложенного поля. Конструктивно датчик состоит из внутреннего и наружного цилиндров. Один из цилиндров приводится во вращение. Под действием ЭП изменяется вязкость жидкости, и это приводит к изменению момента вращения. В другой конструкции жидкость прогоняется насосом по замкнутому контуру. Усилия насоса, необходимые для сохранения прежней скорости жидкости, пропорциональны напряженности ЭП. Подобные датчики характеризуются сложностью конструкции, влиянием различных воздействующих факторов (температуры, частоты поля) на их характеристики, искажением поля и как следствие этого низкой точностью (=35% и более). Их достоинство заключается в том, что они реагируют на действующее значение напряженности ЭП, не зависящее от ориентации датчика в пространстве.

Чувствительным элементом датчиков, построенных с использованием второго эффекта, служит металлическая пластина. Как известно, на электроды, находящиеся в непроводящей жидкости или газе, при приложении к ним напряжения воздействуют силы, измерение которых позволяет определить напряженность ЭП. Сила, действующая на поверхность чувствительного элемента, находящегося в ЭП определяется выражением где 0 — диэлектрическая постоянная, r — диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится датчик. Одна из разновидностей таких датчиков приведена в работе. Здесь чувствительный элемент датчика выполнен в виде пластины из нержавеющей стали 2,3 мм и толщиной 10 мкм. Датчик предназначен для измерения напряженности ЭП на поверхности высоковольтного кабеля. Он преобразует напряженности до 30 кВ/мм при давлении до 9 Н/м2 с погрешностью в единицы процентов. Недостатком датчиков, построенных на этом эффекте, является нелинейность статической характеристики.