Автоматизированный многочастотный контроль электромагнитных излучений для оценки опасности электромагнитной обстановки
Работа из раздела: «
Физика и энергетика»
/
Введение
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 [2].
Таблица 1.1
|
Источники поля
|
Напряженность поля
|
|
|
Космическое излучение
|
10 мкВ/м
|
|
|
Поле радиопередатчика мощностью 100 Вт на расстоянии 1 км
|
50 мВ/м
|
|
|
Поле антенны GSM на расстоянии 100 м
|
0,5 В/м
|
|
|
Поле в жилых помещениях (типичные значения)
|
1-10 В/м
|
|
|
Поле на расстоянии 1м от электрической лампочки
|
50 В/м
|
|
|
Фоновое поле вблизи поверхности земли
|
100-300 В/м
|
|
|
Поле грозы (перед ударом молнии)
|
1-3 МВ/м
|
|
|
Поле в биологических мембранах
|
10 МВ/м
|
|
|
Поле в радиотехнических конденсаторах
|
до 1 ГВ/м
|
|
|
Поле в потоке излучения мощного лазерного импульса
|
До 10 ТВ/м
|
|
|
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
|
Источники поля
|
Магнитная индукция поля
|
|
|
Наименьшее измеряемое поле
|
1фТл
|
|
|
Межгалактическое магнитное поле
|
0,1-3пТл
|
|
|
Поле вблизи работающего сердца
|
1-10 пТл
|
|
|
Магнитное поле Земли
|
20-70 мкТл
|
|
|
Поле внутри современного жилого помещения
|
0,1 мТл
|
|
|
Поле постоянных магнитов
|
0,1-1Тл
|
|
|
Плазма солнечных вспышек
|
1 Тл
|
|
|
Физические установки (ускорители, плазменные установки)
|
До 50 Тл
|
|
|
Импульсные магнитные поля в физических лабораториях
|
До 1 кТл
|
|
|
Поле в потоке излучения мощного лазерного импульса
|
До 30 кТл
|
|
|
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 50923-96 «Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения»;
ГОСТ Р 50948-96 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности»;
ГОСТ Р 50949-96 «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
|
Обозначение
|
Наименование
|
|
|
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
|
|
|
ГОСТ Р МЭК 60065-2002
|
Аудио-, видео- и аналогичная электронная аппаратура. Требования безопасности
|
|
|
ГОСТ Р 52084-2003
|
Приборы электрические бытовые. Общие технические условия
|
|
|
ГОСТ Р 52161.2.25-2007 (МЭК 60335-2-25:2006)
|
Национальный стандарт Российской Федерации. Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Частные требования для микроволновых печей, включая комбинированные микроволновые печи
|
|
|
ГОСТ 12.2.007.0-75
|
Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования 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
|
Обозначение
|
Наименование
|
Примечание
|
|
|
СанПиН 2.2.4.1191-03
|
Санитарные правила и нормы. Электромагнитные поля в производственных условиях
|
Утв.30.01.03. ГКСЭН
|
|
|
СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03
|
Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы
|
Утв.14.07.96. ГКСЭН
|
|
|
СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03
|
Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов
|
Утв.30.06.03. ГКСЭН
|
|
|
СанПиН 2.2.4.1329-03
|
Требования по защите персонала от воздействия импульсных электромагнитных полей
|
Утв.27.05.03. ГКСЭН
|
|
|
СП № 5060-89
|
Ориентировочные безопасные уровни воздействия переменных магнитных полей частотой 50Гц при производстве работ под напряжением на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи напряжением выше 220 кВ
|
Утв.28.09.89. МЗ СССР
|
|
|
МУК 4.3.2491-09
|
Методические указания. Гигиеническая оценка электрических и магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях
|
Утв.28.02.09. ГКСЭН
|
|
|
МУК 4.3.1167-02
|
Методические указания. Определение плотности потока энергии электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц
|
Утв.07.10.02. ГКСЭН
|
|
|
СанПиН 2.2.4.1329-03
|
Требования по защите персонала от воздействия импульсных электромагнитных полей
|
Утв.27.05.03. ГКСЭН
|
|
|
МУК 4.3.1676-03
|
Методические указания. Гигиеническая оценка электромагнитных полей, создаваемых радиостанциями сухопутной подвижной связи, включая абонентские терминалы спутниковой связи
|
Утв.29.06.03. ГКСЭН
|
|
|
Таблица 1.3.3 - Санитарные нормы и правила для условий профессионального облучения
|
Обозначение
|
Наименование
|
Примечание
|
|
|
СН № 2971-84
|
Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты
|
Утв.28.02.84. МЗ СССР
|
|
|
СанПиН 2.1.2.1002-00
|
Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям. Проектирование, строительство и эксплуатация жилых зданий, предприятий коммунально-бытового обслуживания, учреждений образования, культуры, отдыха, спорта
|
Утв.15.12.00. ГКСЭН
|
|
|
МСанПиН 001-96
|
Межгосударственные санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях
|
Утв.19.01.96. ГКСЭН
|
|
|
МГСН 2.03-97
|
Допустимые параметры электромагнитных излучений в помещениях жилых и общественных зданий и на селитебных территориях
|
Утв.01.04.97. ЦГСЭН
|
|
|
СН № 2550-82
|
Предельно допустимые нормы напряженности электромагнитного поля, создаваемого индукционными бытовыми печами, работающими на частоте 20 - 22 кГц
|
1982 г.
|
|
|
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
|
Время воздействия, ч
|
Напряжённость магнитного поля Н, А/м
|
|
|
Постоянные и импульсные магнитные поля с шириной импульса tW ? 0,02 с и интервалом tp ? 2 с
|
Импульсное магнитное поле с шириной импульса 60 с > tW ? 1 с и интервалом tp > 2 с
|
Импульсное магнитное поле с шириной импульса tW ? 0,02 с и интервалом tp > 2 с
|
|
|
1,0
|
6000
|
8000
|
10000
|
|
|
1,5
|
5500
|
7500
|
9500
|
|
|
2,5
|
4500
|
6500
|
8500
|
|
|
3,0
|
4000
|
6000
|
8000
|
|
|
3,5
|
3600
|
5600
|
7600
|
|
|
4,0
|
3200
|
5200
|
7200
|
|
|
4,5
|
2900
|
4900
|
6900
|
|
|
5,0
|
2500
|
4500
|
6500
|
|
|
5,5
|
2300
|
4300
|
6300
|
|
|
6,0
|
2000
|
4000
|
6000
|
|
|
6,5
|
1800
|
3800
|
5800
|
|
|
7,0
|
1600
|
3600
|
5600
|
|
|
7,5
|
1500
|
3500
|
5500
|
|
|
8,0
|
1400
|
3400
|
5400
|
|
|
2,0
|
4900
|
6900
|
8900
|
|
|
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
|
Время воздействия за учебный день, мин
|
Условия воздействия
|
|
|
Общее
|
Локальное
|
|
|
ПДУ напряженности магнитного поля, кА/м
|
ПДУ магнитной индукции, мТл
|
ПДУ напряженности магнитного поля, кА/м
|
ПДУ магнитной индукции, мТл
|
|
|
0 - 10
|
24
|
30
|
40
|
50
|
|
|
11 - 60
|
16
|
20
|
24
|
30
|
|
|
61 - 480
|
8
|
10
|
12
|
15
|
|
|
Таблица 1.3.6 - Предельно допустимый уровень периодического воздействия магнитного поля частотой 50 Гц
|
Время пребывания, ч
|
Условия воздействия
|
|
|
Общее
|
Локальное
|
|
|
ПДУ напряженности магнитного поля, А/м
|
ПДУ магнитной индукции, мкТл
|
ПДУ напряженности магнитного поля, А/м
|
ПДУ магнитной индукции, мкТл
|
|
|
менее 1
|
1600
|
2000
|
6400
|
8000
|
|
|
2
|
800
|
1000
|
3200
|
4000
|
|
|
4
|
400
|
500
|
1600
|
2000
|
|
|
8
|
80
|
100
|
800
|
1000
|
|
|
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
|
Величина
|
Диапазон частот
|
|
|
30 кГц - 3 МГц
|
3 - 30 МГц
|
30 - 300 МГц
|
300 МГц - 300 ГГц
|
|
|
Епду, В/м
|
500
|
396
|
80
|
-
|
|
|
Нпду, А/м
|
50
|
3
|
3 (30 -50 МГц)
|
-
|
|
|
ППЭпду, мкВт/см2
|
-
|
-
|
-
|
1000
|
|
|
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
|
Диапазоны частот
|
Предельно допустимая энергетическая экспозиция
|
|
|
по электрической составляющей, (В/м)2 ·ч
|
по магнитной составляющей, (А/м)2 ·ч
|
по плотности потока энергии, (мкВт/см2)·ч
|
|
|
30 кГц - 3 МГц
|
20000
|
200,0
|
-
|
|
|
3 - 30 МГц
|
7000
|
не разработаны
|
-
|
|
|
30 - 50 МГц
|
800
|
0,72
|
-
|
|
|
50 - 300 МГц
|
800
|
не разработаны
|
-
|
|
|
300 МГц - 300 ГГц
|
-
|
-
|
200
|
|
|
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
|
Продолжительность воздействия, ч
|
EПДУ , В/м
|
HПДУ , А/м
|
|
|
0,03 - 3 МГц
|
3- 30 МГц
|
30 - 300 МГц
|
0,03- 3 МГц
|
30- 50 МГц
|
|
|
8,0 и более
|
50
|
30
|
10
|
5,0
|
0,3
|
|
|
7,0
|
53
|
32
|
11
|
5,3
|
0,32
|
|
|
5,0
|
63
|
37
|
13
|
6,3
|
0,38
|
|
|
3,0
|
82
|
48
|
16
|
8,2
|
0,49
|
|
|
1,0
|
141
|
84
|
28
|
14,2
|
0,85
|
|
|
0,5
|
200
|
118
|
40
|
20,0
|
1,20
|
|
|
0,25
|
283
|
168
|
57
|
28,3
|
1,70
|
|
|
0,125
|
400
|
236
|
80
|
40,0
|
2,40
|
|
|
0,08 и менее
|
500
|
296
|
80
|
50,0
|
3,00
|
|
|
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
|
Продолжительность воздействия, ч
|
ППЭПДУ , мкВт/см2
|
|
|
8,0 и более
|
25
|
|
|
7,0
|
29
|
|
|
5,0
|
40
|
|
|
3,0
|
67
|
|
|
1,0
|
200
|
|
|
0,5
|
400
|
|
|
0,25
|
800
|
|
|
0,20
|
1000
|
|
|
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
|
Производитель
|
Модель
|
Тип антенны
|
Значение SAR, Вт/кг при 0,25 Вт выходной мощности на 10 кг веса
|
|
|
Hagenuk
|
Global Handy
|
B
|
0,28
|
|
|
Motorola
|
StarTac
|
D
|
0,33
|
|
|
Sony
|
CM-DX 1000
|
D
|
0,41
|
|
|
Nokia
|
8110 i
|
H
|
0,73
|
|
|
Motorola
|
d 160
|
D
|
0,81
|
|
|
Sony
|
CMD-Z1
|
D
|
0,88
|
|
|
Ericsson
|
GF 788
|
H
|
0,91
|
|
|
Ericsson
|
GHF 688
|
H
|
0,95
|
|
|
Panasonic
|
EB G 500
|
D
|
0,98
|
|
|
Sharp
|
TQ G 700
|
D
|
1,01
|
|
|
Philips
|
Genie
|
D
|
1,05
|
|
|
Nokia
|
6111
|
H
|
1,06
|
|
|
Philips
|
Diga
|
H
|
1,06
|
|
|
Bosch
|
M-COM 906
|
D
|
1,32
|
|
|
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
|
Категория облучения
|
Величина ВДУ
|
Примечание
|
|
|
Облучение пользователей радиотелефонов
|
ППЭ=100 мкВт/см2
|
Условия измерения: измерения ППЭ следует производить на расстоянии от источника излучений, соответствующего расположению головы человека, подвергающегося облучению
|
|
|
Таблица 1.3.14 - Данные национальных стандартов ряда стран и рекомендаций международных организаций
|
Страна, организация
|
Область распространения нормативного документа
|
Частотный диапазон, МГц
|
ПДУ воздействия, мкВт/см2
|
Время усреднения, мин
|
|
|
РФ, нормативГН .1.8/2.2.4.019 -94
|
Пользователи радиотелефонов
|
400 - 1200
|
100
|
-
|
|
|
США, стандарт ANSI С.95.-91
|
Неконтролируемые условия
|
300 - 300000
|
200-2000
|
30
|
|
|
Германия
|
Пользователи радиотелефонов
|
30 - 3000
|
2500
|
6
|
|
|
CENELEK** (проект стандарта)
|
Неконтролируемые условия
|
400 - 2000
|
200 - 2000
|
6
|
|
|
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 авто- и 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.
2.1.1.7 Электротепловые эффекты
Электротепловыми эффектами называются эффекты, в которых под действием ЭП происходит изменение температуры диэлектрика (электрокалорический эффект) или теплопроводности газов.
Чувствительным элементом датчиков, построенных с использованием электрокалорического эффекта, служат пироэлектрики, изменение температуры в которых пропорционально напряженности ЭП.
Однако такие датчики имеют весьма низкую чувствительность (в частности, для турмалина T=1,410-2 оС на 1 кВ/м).
Что же касается датчиков, основанных на изменении теплопроводности газов в зависимости от изменения напряженности ЭП, то найти их описаний в научно-технической литературе не удалось. Однако это не говорит об отсутствии таких датчиков вообще.
2.1.1.8 Электрооптические эффекты
Электрооптическими эффектами называются эффекты, связанные с изменениями интенсивности оптического излучения, коэффициента преломления, цвета электрооптических материалов, а также возникновением оптического излучения в газах под действием напряженности ЭП.
Эффекты возникновения и изменения интенсивности оптического излучения под действием ЭП, наблюдаемые в люминофорах и сублимированных пленках, обусловлены рекомбинацией электронов с возбужденными центрами люминесценции. Их применение для построения датчиков напряженности ЭП ограничивается целым рядом факторов. Существенным недостатком порошковых люминофоров является их низкая чувствительность S=(0,010,04) НТ/(кВ/м) (для возбуждения свечения нужны поля с напряженностью 5000 кВ/м и более). Сублимированные пленки имеют более высокую чувствительность [до единиц НТ/(кВ/м)]. Для возбуждения их свечения нужны ЭП с напряженностью в десятки и сотни киловольт на метр. Общим недостатком таких датчиков является существенная зависимость яркости от частоты, температуры и влажности. Возможно построение датчиков на основе возникновения и изменения газового разряда. Их характеризует в первую очередь низкая точность =35 % и более.
К эффектам изменения коэффициента преломления под действием ЭП можно отнести линейный и квадратичный электрооптические эффекты Поккельса и Керра - возникновение оптической анизотропии в пьезоэлектрических кристаллах; эффект Штарка, т.е. расщепление спектральных линий, обусловленное изменением движения заряженных частиц и приобретением системой дополнительной энергии, и эффект осцилляции четности в ридберговских состояниях атомов водорода.
Датчики на эффекте Поккельса характеризуются высокой точностью преобразования ( 0,5 %) и могут применяться в диапазоне входных напряженностей от 1 до 1000 кВ/м. Датчики на эффекте Керра имеют погрешности порядка 1 % и характеризуются ограниченным температурным диапазоном. Общим недостатком датчиков на эффектах Поккельса и Керра является сложность их конструкций.
Чувствительным элементом датчиков, построенных на эффекте Штарка, выступают водородоподобные атомы. Такие датчики обладают средней чувствительностью (50 В/см), высокой точностью = 0,51 %, но сложны в конструкции.
Эффекты изменения цвета под действием ЭП, наблюдаемые в жидких кристаллах, обусловлены переориентацией кристаллов. Датчики на основе изменения цвета жидких кристаллов могут работать в диапазоне от сотен до тысяч киловольт на метр. Применение датчиков на нематических жидких кристаллах ограничивается узким температурным диапазоном (2550 оС), а датчиков на нематохолеотерических жидких кристаллах - сложностью измерительных цепей.
2.1.1.9 Электропространственные эффекты
Электропространственными эффектами называются эффекты, связанные с изменением пространственного положения (перемещения) материальных объектов или изменением их геометрических размеров под действием напряженности ЭП.
Здесь можно выделить три физических эффекта, пригодных для построения датчиков напряженности ЭП.
Первый физический эффект связан с отклонением электронного луча и заряженных частиц под действием ЭП. Недостатком датчиков с использованием этого эффекта является низкая точность =23 % и сложность конструкции.
Вторым физическим эффектом является обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в деформации пьезоэлектриков под действием ЭП. Линейность характеристики датчика наблюдается до 250 кВ/м. Погрешность таких датчиков обусловлена влиянием температуры и временной нестабильностью физических свойств пьезоэлектрика и составляет 12 %.
Третьим физическим эффектом является электрострикция - деформация диэлектриков (твердых, жидких и газообразных) под действием ЭП. Датчики, построенные с использованием этого эффекта, имеют квадратичную характеристику и низкую чувствительность.
2.1.2 Измерение параметров магнитного поля
2.1.2.1 Магнитомеханические эффекты
Магнитомеханическими называют такие магнитометрические преобразователи, принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. Как правило, магнитомеханический преобразователь состоит из постоянного магнита и устройства, удерживающего магнит и позволяющего ему вращаться в какой-либо плоскости. Очень часто конструкция магнитомеханического преобразователя содержит демпфирующее устройство, а также зеркальце, являющееся составной частью системы отсчета.
В зависимости от наличия или отсутствия противодействующего момента все магнитомеханические преобразователи можно разделить на две группы. К первой группе относятся такие преобразователи, у которых магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и принимает направление, совпадающее с направлением магнитной индукции B.
Магнитомеханические преобразователи, относящиеся к первой группе, применяются главным образом в приборах, предназначенных для измерения угловых величин -- буссолях, инклинаторах и т. д.
Ко второй группе относятся такие магнитомеханические преобразователи, в конструкции которых создается дополнительный момент, противодействующий повороту магнита под действием магнитного поля. Такие преобразователи используются главным образом для измерения модуля и составляющих В. Противодействующий момент может создаваться силой тяжести магнита, моментом кручения нити или посредством другого магнита (отклоняющего), расположенного по отношению к отклоняемому магниту определенным образом.
2.1.2.2 Гальваномагнитные эффекты
Гальваномагнитными называются преобразователи, принцип действия которых основан на использовании физических явлений, возникающих при воздействии магнитного поля на движущийся заряд. Как правило, в большинстве гальваномагнитных преобразователей одновременно в той или иной мере возникают несколько или же все известные гальваномагнитные эффекты: Холла, магнитосопротивления, Нернста и Эттингсгаузена. Вместе с тем специфические особенности преобразователей, способствующие наиболее яркому проявлению того или иного эффекта, позволяют разделить их на преобразователи Холла и преобразователи, основанные на изменении внутреннего сопротивления.
К преобразователям Холла обычно относят те гальваномагнитные преобразователи, выходная величина которых прямо пропорциональна холловской э. д. с., возникающей внутри него. К преобразователям, основанным на изменении внутреннего сопротивления, мы отнесем все те преобразователи, выходная величина которых (обычно ток или напряжение) прямо пропорциональна изменению их внутреннего сопротивления (проводимости).
В зависимости от механизма изменения сопротивления (принципа действия) гальваномагнитные преобразователи, основанные на изменении внутреннего сопротивления, в свою очередь, можно разделить на три группы.
К первой группе относятся преобразователи, приращение внутреннего сопротивления которых вызывается изменением подвижности носителей заряда. Такие преобразователи получили название преобразователей магнитосопротивления (или магниторезисторов). Ко второй группе относятся преобразователи, изменение сопротивления которых связано с изменением средней концентрации носителей заряда (магнитодиоды, биполярные магнитотриоды, гальваномагниторекомбинационные преобразователи). Наконец, к третьей группе следует отнести те преобразователи, изменение внутреннего сопротивления которых обусловлено изменением в магнитном поле отношения s/; при этом под геометрическими размерами проводящего канала преобразователя следует понимать размеры, ограниченные не только конструктивными поверхностями, но иногда (как, например, у полевых магнитотриодов) и р--п-переходами.
В настоящее время известно значительное количество гальваномагнитных преобразователей, различающихся как принципом действия, так и конструктивным исполнением. Однако, учитывая объем и цели, поставленные в данной книге, мы остановимся только на основных их типах, изготавливаемых серийно и нашедших применение при разработке магнитометрической аппаратуры.
Рисунок 2.1 - Гальваномагнитные преобразователи: а -- преобразователь Холла; б -- преобразователь магнитосопротивления в виде диска Корбино; в -- преобразователь магнитосопротивления в виде меандра; г -- гальваномагниторекомбинационный преобразователь
Преобразователи магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.
Суть эффекта поясняется рисунком 2.2. Через полупроводниковую пластину пластину протекает ток от внешнего источника.
Рисунок 2.2 - Эффект Холла
Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока.
Рисунок 2.3 - Выходные характеристики датчика Холла
В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, т.е. возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения - напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля (рисунок 2.3).
Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.
Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.
Магниторезистивные преобразователи магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов.
Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.
Рисунок 2.4 - Движение носителей заряда в магниторезисторе
В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.
Таким образом, зная величину сопротивления можно судить о количественной характеристике магнитного поля.
Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.
Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие преобразователи обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.
С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино(рисунок 4-1 б). Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.
Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.
Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМР-преобразователи), получившие название в соответствии с названием физического эффекта, обнаруженного Сулом и Шокли в 1949 г., относятся ко второй группе гальваномагнитных преобразователей, основанных на изменении внутреннего сопротивления под действием магнитного поля.
Суть ГМР-эффекта заключается в изменении сопротивления полупроводника с током, помещенного в магнитное поле, в результате изменения средней по сечению полупроводника концентрации носителей заряда, возникающего при условии различных скоростей поверхностной рекомбинации на его гранях.
Конструктивно ГМР-преобразователь представляет собой пластинку, выполненную из полупроводника с собственной проводимостью, у которой с целью получения различных скоростей поверхностной рекомбинации грани 1 и 2 (рисунок 4-1, г) обработаны различными способами: например, грань отшлифована или обработана пескоструйным способом, а грань 2 отполирована. Очень часто при изготовлении ГМР-преобразователей из Ge для удаления механических повреждений применяют травление в растворе СР-4 (смесь плавиковой и азотной кислоты с добавлением небольшого количества брома), после чего одну грань подвергают тщательной химической полировке. В результате такой различной обработки скорости поверхностной рекомбинации граней могут различаться иа два порядка и больше.
Предположим теперь, что ГМР-преобразователь (полупроводниковая пластинка с током, имеющая на гранях 1 и 2 скорости поверхностной рекомбинации Sa и S0) помещен в магнитное поле, так как показано на рисунке 4.5
Рисунок 2.5 - ГМР в магнитном поле
Если направление магнитной индукции таково, что электроны и дырки отклоняются в направлении шлифованной грани, то процесс поверхностной рекомбинации преобладает над процессом тепловой генерации и число носителей заряда в объеме пластинки уменьшится, а ее сопротивление возрастет. При противоположном направлении магнитного поля в области полированной грани наблюдается увеличение концентрации носителей тока; при этом происходит также общее увеличение концентрации носителей заряда, приводящее к уменьшению сопротивления ГМР-преобразователя.
2.1.2.3 Индукционные эффекты
Принцип работы индукционных преобразователей базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.
Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.
По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.
Рисунок 2.5 - Индукционный преобразователь
Конструкция преобразователя показана на рисунке 2.5. Он состоит из проводника в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенной на валу электродвигателя. Съем напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.
2.1.2.4 Ферроиндукционные эффекты
Феррозонды являются разновидностью ферроиндукционных преобразователей. Поэтому прежде чем перейти к описанию принципа действия феррозондов и особенностей их применения, надлежит хотя бы кратко остановиться и на других типах преобразователей.
Возможны по крайней мере три типа ферроиндукционных преобразователей: 1) преобразователи с механическим возбуждением; 2) преобразователи с тепловым возбуждением; 3) преобразователи с магнитным возбуждением. К последним как раз и относятся феррозонды.
На рисунке 2.6-а, изображена схема преобразователя первого типа. Преобразователь содержит кварцевую пластинку, на которую нанесено ферромагнитное покрытие, например в виде тонкой пермаллоевой пленки. Поверх пластинки с пленкой надета измерительная катушка (обмотка). При подведении к обкладкам кварцевой пластинки электрического напряжения резонансной частоты последняя периодически удлиняется, механически воздействуя на пленку. В результате этого воздействия магнитные свойства пленки изменяются и ее магнитная проницаемость становится функцией времени. В измерительной катушке при этом возникает э. д. с., пропорциональная компоненте Bi измеряемого поля, совпадающей с продольной осью пластинки и катушки.
Рисунок 2.6 - Ферроиндукционные преобразователи с механическим(а) и тепловым(б) и магнитным (в) возбуждением; 1 -- ферромагнитный сердечник (покрытие); 2 -- измерительная обмотка;3 -- кварцевая пластинка; 4 -- тепловой инжектор; 5 -- обмотка возбуждения
Описанный преобразователь имеет сравнительно низкую чувствительность, поскольку степень воздействия на параметр м оказывается незначительной.
На рис. 2-6, б приведена схема преобразователя второго типа. Преобразователь содержит малоинерционный тепловой инжектор, находящийся в непосредственном контакте с тонкой ферромагнитной пластинкой или пленкой, выполненной из материала с низкой точкой Кюри, например из пермаллоя 72НМДХ (0 = 120° С). Инжектор и пермаллоевую пластинку охватывает измерительная катушка (обмотка). Преобразователь работает следующим образом. Сначала к инжектору подводят постоянный ток, нагревающий сердечник до температуры, близкой к точке Кюри. При этом его магнитная проницаемость аномально возрастает (эффект Гопкинсона). Затем к инжектору подводят также переменный ток, который заставляет пульсировать температуру вблизи точки Кюри с удвоенной частотой (энергия, преобразуемая в тепло, пропорциональна квадрату силы тока). В результате этого магнитная проницаемость сердечника начинает также пульсировать с удвоенной частотой и в измерительной катушке возникает э. д. с., пропорциональная измеряемой компоненте Вi.
Благодаря резкому подъему и еще более резкому спаду магнитной проницаемости вблизи точки Кюри тепловое воздействие на нее оказывается эффективным, вследствие чего преобразователь имеет достаточно высокую чувствительность. Можно предположить, что данный преобразователь будет обладать низким уровнем собственных шумов и поэтому найдет свое место в приборах, предназначенных для измерения слабых магнитных полей.
На рис. 2.6,в приведена схема преобразователя третьего типа-- феррозонда. То обстоятельство, что здесь изображен один пермаллоевый сердечник взамен обычно используемых двух, не имеет принципиального значения. Во-первых, при пропускании по сердечнику переменного тока, т. е. при возбуждении его поперечным магнитным полем, вполне достаточно иметь один сердечник. Во-вторых, даже в случае продольного возбуждения, когда переменный ток подается в специальную обмотку (как показано на рисунке 2.6), одностержневой феррозонд оказывается столь же работоспособным, как и двухстержневой.
Непосредственным параметром, на который воздействует в феррозонде поле возбуждения, является магнитная проницаемость вещества м. Однако если поле возбуждения неоднородно, а также если форма сердечника отличается от эллипсоидальной (и то и другое имеет место на практике), то одновременно с изменением параметра изменяется и параметр N-- коэффициент размагничивания сердечника.
Поэтому в уравнение преобразования феррозонда целесообразно ввести совокупный параметр -- относительную проницаемость тела. Этот же параметр может быть введен и в уравнение преобразования других ферроиндукционных преобразователей.
2.1.2.5 Магнитооптические явления
В 1846 г. Фарадеем было открыто физическое явление, заключающееся в том, что вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации света (потока электромагнитного излучения), приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Фарадей установил, что вращение плоскости поляризации происходит при распространении потока излучения в прозрачном веществе вдоль магнитной силовой линии; при этом угол поворота ц плоскости поляризации пропорционален длине пути l потока излучения в веществе, находящемся в магнитном поле, и магнитной индукции:
где k -- постоянная Верде -- коэффициент, характеризующий способность данного вещества вращать в магнитном поле плоскость поляризации.
Следует отметить, что если вещества обладают естественной оптической активностью (т. е. способностью вращать плоскость поляризации), то их естественная способность складывается со способностью, приобретенной под действием магнитного поля. Различные тела вращают плоскость поляризации в различных направлениях. Правовращающими, или положительными, называются вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо для наблюдателя, смотрящего вдоль направления вектора В. Вещества, вращающие плоскость поляризации в направлении, противоположном указанному, называются левовращающими или отрицательными. Направление вращения для каждого данного вещества определяется только направлением В и не зависит от направления распространения потока излучения. Этим магнитное вращение отличается от естественного, для которого направление зависит от того, наблюдается оно вдоль потока излучения или навстречу ему.
Физическая сущность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в том, что магнитный момент электронов ѓК, входящих в состав атомов и молекул, при помещении вещества в магнитное поле начинает прецессировать вокруг вектора В. В результате такой прецессии вещество приобретает разные значения коэффициентов преломления для потоков излучения, поляризованных по часовой стрелке и против часовой стрелки по кругу. Благодаря этому скорость распространения потоков, поляризованных по кругу в различных направлениях, становится различной, что, в свою очередь, и приводит к повороту плоскости поляризации.
Поворот плоскости поляризации наблюдается и в очень тонких ферромагнитных пленках, при этом значение угла ц оказывается пропорциональным не магнитной индукции В, а намагниченности ферромагнитного вещества J
где -- постоянная Кундта. Характерно, что для тонких ферромагнитных пленок значение угла ц во много раз больше, чем для других твердых тел, жидкостей и газов, и может достигать десятых долей радиана.
Необходимо отметить, что в среде, в которой нет двойного лучепреломления, входящий плоскополяризованный поток излучения остается плоскополяризованным и на выходе. Однако в среде, где одна из поляризованных по кругу компонент поглощается больше, чем другая, выходящий свет эллиптически поляризован. При этом эллиптичность поляризации связана с разницей в поглощении двух поляризованных по кругу компонент. Это явление называется вращательным дихроизмом.
Другим магнитооптическим эффектом, нашедшим применение при построении магнитометрической аппаратуры, является эффект Керра. Суть эффекта состоит в том, что при отражении плоскополяризованного света от ферромагнитной зеркальной поверхности он становится эллиптически поляризованным, при этом главная ось эллипса поворачивается относительно плоскости поляризации падающего света.
Этот эффект связан с эффектом Коттона -- Мутона в неферромагнитных веществах (возникновение двойного лучепреломления при наложении внешнего магнитного поля нормально к направлению распространения потока излучения). Если направление компоненты магнитной индукции совпадает с направлением распространения поляризованного потока излучения, то плоскость поляризации поворачивается, причем из-за вращательного дихроизма может возникнуть эллиптичность.
Эффект Керра, как и эффект Фарадея, пропорционален не внешнему магнитному полю, а полной намагниченности образца, за исключением случая, когда внешнее поле определяет намагниченность в многодоменных образцах. Магнитооптический эффект Керра обнаружен только в ферромагнетиках, и установлено, что кроме особых магнитных свойств необходимое условие его существования -- наличие поглощаемого света, т. е. комплексность показателя преломления вещества.
Можно выделить три различные модификации магнитооптического эффекта Керра: а) полярный эффект, при котором вектор намагниченности перпендикулярен плоскости образца, но параллелен плоскости падения потока излучения; б) меридиональный, при котором вектор намагниченности параллелен поверхности образца и плоскости падения; в) экваториальный, при котором вектор намагниченности параллелен поверхности образца, но перпендикулярен плоскости падения.
2.2 Антенны, используемые в современных средствах контроля параметров электромагнитного поля
2.2.1 Дипольная электрическая антенна
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.
На рисунке 2.7 представлена дипольная антенна, представляющая собой симметричный вибратор большого диаметра, составленный из проводов. Провода располагаются по образующим цилиндра.
Рисунок 2.7 - Схема дипольной антенны
Измеряемое напряжение пропорционально величине электрического поля:
U = k*E (2.7)
Коэффициент k зависит от параметров антенны, нагрузки Z и частоты f изменения поля. Упрощенная схема дипольной антенны представлена на рисунке.
Рисунок 2.8 - Дипольная антенна
Для постоянного поля ( f = 0 ) k = 0. Для измерения постоянного поля используют антенны с изменяющейся геометрией. О таком приборе подробно рассказывалось в разделе об электростатическом поле.
2.2.2 Дипольная магнитная антенна
Дипольная магнитная антенна представляет собой катушку с сердечником или без него.
Рисунок 2.9 - Дипольная магнитная антенна
Измеряемое напряжение пропорционально величине магнитного поля:
U = k*В (2.8)
Коэффициент k зависит от параметров антенны (числа витков, наличия сердечника и пр.), нагрузки Z и частоты f изменения поля. Выбирая число витков, сердечник можно сделать компактную, чувствительную антенну.
Для постоянного поля ( f = 0 ) k = 0. Для измерения постоянного поля используют датчики Холла, магниторезисторы и феррозондовые измерители.
2.2.3 Магнитная антенна на основе Датчика Холла
На рисунке 2.9 преобразователь выполнен в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 выполняются по ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней. Выходная величина пропорциональна произведению двух входных величин - тока и магнитной индукции.
Достоинства: простота конструкции, отсутствие трения. Недостатки: остаточное напряжение, погрешность линейности, погрешность от возникновения собственного магнитного поля преобразователя, нестабильность, перепад температур зависит от наличия примесей. Преобразователи применяются для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, для определения характеристик ферромагнитных материалов.
Рисунок 2.9 - Преобразователь Холла
На основе датчика Холла выполняется магнитная антенна. Магнитная антенна представлена на рисунке 2.10
Рисунок 2.10 - Магнитная антенна на основе датчика Холла
В магнитном поле В при приложении напряжения U появляется ток J (направления как на рисунке 2.10).
2.2.4 Магнитная антенна на основе магниторезистора
Магниторезисторы - это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.
Рисунок 2.11 - принцип работы магниторезистора
Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.
Магниторезисторы представляют собой гальваномагнитные преобразователи, изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного поля траектории носителей искривляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается.
К магниторезистивным преобразователям относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные магниторезисторы, полевые магнитотриоды и гальваномагниторекомбинационные преобразователи.
Достоинства: бесконтактность, высокая чувствительность.
Недостатки: малое начальное сопротивление, нелинейность, чувствительность к температуре, трудность ориентации в магнитном поле.
Рисунок 2.12 - Магнитная антенна на основе магниторезистора
2.2.5 Феррозондовая магнитная антенна
Феррозонд - чувствительный преобразователь градиента или напряженности магнитного поля в электрический сигнал. Он измеряет напряженность магнитного поля или его градиент. Феррозонд состоит из одной либо из двух частей - полузондов. Каждый полузонд имеет пермалоевый или ферритовый сердечник 1(рисунок 2.13) и две обмотки: обмотку возбуждения 2 и сигнальную обмотку 3. Обмотка возбуждения создает переменное магнитное поле, намагничивающее сердечник, а в сигнальной обмотке на выходе генерируется ЭДС, которая пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля или его градиенту.
Взаимодействие собственного магнитного поля феррозонда с магнитным полем контролируемого изделия при наличии полей рассеивания вызывает изменение напряженности и градиента результирующего магнитного поля, и как следствие, изменение ЭДС в сигнальной обмотке( изменение частоты гармоники и т.д.). Контроль можно осуществлять как в приложенном магнитном поле, так и на остаточной индукции. С увеличением Частоты тока возбуждения до 100 кГц и выше чувствительность феррозондов весьма значительна: можно выявлять поверхностные трещины.
Рисунок 2.13 - Схема феррозонда
Рисунок 2.14 - Феррозондовая антенна
Запитка на одной частоте приводит к появлению ее гармоник за счет нелинейности феррита. Относительная амплитуда гармоник тем больше, чем больше величина постоянного магнитного поля, насыщающего ферритовый сердечник.
Достоинства антенны: стабильность, широкая полоса частот.
Недостатки антенны: сложность, разброс параметров ферритов, невысокая чувствительность.
2.3 Перечень доступного на рынке измерительного оборудования
Обязательным условием выбора представленных приборов является, наличие связи с компьютером.
Измеритель СВЧ-излучения П3-41
Рисунок 2.15 - ПЗ-41
Измеритель П3-41 разработан с целью обнаружения и контроля биологически опасных уровней электромагнитных излучений напряженности, плотности потока энергии и экспозиции для обеспечения выполнения требований Общего Технического Регламента об электромагнитной совместимости и безопасности, действующего в странах Европейского Союза и РФ.
Стоимость составляет от 322 907 рублей.
Назначение
Измеритель предназначен для выполнения измерений в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Госкомэпиднадзора РФ: ГОСТ 12.1.006-84, СанПин 2.1.8/2.2.4.1383-03, СанПин 2.1.8/2.2.4.1190-03, СанПин 2.2.2.2/2.4.1340-03, СанПин 2.1.2.1002-00,СанПин 2.2.4.1191-03.
Удовлетворяет требованиям национальных и международных стандартов ANSI/IEEE C95. 1, FCC, ICNIRP, Buwal, O-Norm S-1120. Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.35.002.A №40558 Прибор зарегистрирован в Государственном реестре под №27826-10 от 29.09.10. Технические решения защищены патентом РФ №31860
Особенности:
Изотропное измерение сигналов
Широкая полоса частот от 10 кГц до 40 ГГц
Широкий динамический диапазон от 0,26 мкВт/см2 до 1 Вт/см2 и от 0,5 до 1500 В/м (до 2000 В/м по требованию Заказчика)
Высокая точность и стабильность измерений
Автоматизация измерений при подключении к ПЭВМ через оптический кабель.
Рабочие условия применения и транспортирования по 4 группе ГОСТ 22261 Структура поставки определяется заказчиком.
Совместим с портативным компьютером (ноутбуком), что позволяет проводить на расстояниях до 100м мониторинг окружающей среды.
Измеритель электромагнитных излучений «П3-31»
Рисунок 2.16 - П3-31
Назначение
Обнаружение и контроль биологически опасных электромагнитных излучений с целью принятия мер по защите от них населения.
Измерение параметров электромагнитных полей: напряженности, плотности потока энергии и экспозиции в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Госстандарта и Роспотребнадзора: ГОСТ 12.1.006-84, ГОСТ 22261-94, ГОСТ Р 51350 - 99, ГОСТ Р 51070-97, ГН 2.1.8./2.2.4.019-90, ГОСТ Р51317.4.2-99, СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03, СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96.
Особенности:
· Диапазон измерений от 0.01 МГц до 40 ГГц.
· Стоимость от 203 580 руб
· Изотропные антенны
· Портативен, экономичен и удобен в работе
· Цифровая обработка результатов и автоматизация управления, измерений и установки параметров при подключении к ПЭВМ через RS-232S
· Запись в энергонезависимую память текущих, средних и максимальных значений (по 880 точек) плотности потока энергии (ППЭ), напряженности электрического (магнитного) поля с интервалом 1 секунда, при интервале усреднения и периоде считывания информации от 10 сек до 15 мин с привязкой к реальному времени и указанием частоты электромагнитного поля (ЭМП) и типа используемого антенного преобразователя (А i)
· Измерение экспозиции облучения
· Ввод ПДУ напряженности электрического (магнитного) поля, ППЭ и экспозиции
· Визуальное и звуковое оповещение пользователя при превышении ПДУ
· Индикация результатов измерения в единицах В/м, А/м, мкВт/см2, В2/м2·час, А2/м2·час, мкВт/см2·час или в процентах от установленных ПДУ
· Длительное время непрерывной работы
· Пользователь может ввести в прибор с помощью клавиатуры пороговые значения ППЭ, напряженности и экспозиции. При достижении порогов прибор осуществляет визуальное оповещение оператора.
· Высокая точность измерений и стабильность характеристик
· Самодиагностика и контроль разряда элементов питания.
Измеритель электромагнитного поля П3-70/1
Рисунок 2.17 - ПЗ-70/1
Универсальный прибор для изотропных измерений электромагнитных полей и излучений.
Стоимость от 55 224 руб.
Назначение
П3-70/1 - прибор, удовлетворяющий требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, так как имеет в своем составе изотропные антенны-преобразователи по всем типам электромагнитных полей.
Измеритель П3-70/1 предназначен для оперативного контроля переменных низкочастотных электрических и магнитных полей от ПЭВМ, промчастоты 50 Гц, переменных электромагнитных полей в диапазоне частот 5 Гц ... 2 кГц, 10... 30 кГц, 2 ... 400 кГц на рабочем месте , электростатических полей на любых рабочих местах, в том числе с ПЭВМ , постоянных магнитных и геомагнитных полей в помещениях и на рабочих местах при аттестации рабочих мест по условиям труда, проведении производственного контроля и электромагнитного мониторинга.
Сфера использования:
1) рабочие места с компьютерной и офисной техникой;
2) технологическое оборудование;
3) системы энергоснабжения;
4) рабочие места с иными техническими средствами, являющимися;
5) источниками низкочастотных электрических и магнитных полей;
6) производственные зоны и производственные помещения.
Изотропный измеритель электромагнитных полей П3-60
Рисунок 2.18 - ПЗ-60
Изотропный измеритель электромагнитных полей П3-60 предназначен для одновременного измерения среднеквадратических значений вектора напряженности переменного электрического поля и напряженности (индукции) переменного магнитного поля и применяется для измерения биологически опасных уровней низкочастотных электрических и магнитных полей в области низких частот независимо от природы его возникновения.
Прибор удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 51070-97, САНПИН 2.2.4.1191-03, САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03, ГОСТ Р 50946-01. В пределах своих технических характеристик прибор может использоваться для измерения указанных выше параметров электромагнитного поля независимо от природы его возникновения.
Цена: 76 700 руб.
Назначение
П3-60 - первый отечественный прибор, имеющий изотропную характеристику антенны с отклонением от изотропности не более 2%, среднеквадратические детекторы, позволяющие детектировать сигналы в полосе частот от 5Гц до 1МГц с погрешностью не более 1%, что обеспечивает возможность измерения полей с амплитудной, импульсной и частотной модуляцией с коэффициентом амплитуды Ка не менее 4, набор фильтров верхних и нижних частот 5 Гц, 2 кГц, полосовой фильтр 50 Гц.
Развитое программное обеспечение прибора позволяет проводить измерения как в ручном режиме в реальном времени, так и в автоматическом с сохранением результатов в памяти и последующим их считыванием в компьютер через USB порт. Прибор комплектуется программой, позволяющей автоматизировать процесс обработки информации и формирование протоколов измерения.
Питание прибора П3-60 осуществляется автономно от блока аккумуляторов или внешнего блока питания.
Измеритель П3-60 допускает непрерывную работу без подзарядки не менее 8 час. Потребляемая мощность - не более 2 Вт.
Измеритель электромагнитного поля промышленной частоты «ВЕ-50»
Рисунок 2.19 - BE-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 пригигиенической 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.
Цена с НДС: 48000 руб
Таблица 2.1 Технические характеристики измерителя параметров электрического и магнитного поля «ВЕ-50»
|
Диапазон частот, Гц
|
от 49 до 51
|
|
|
Диапазон измеряемых индукции магнитного поля, мТл
|
от 0,01 до 5,0
|
|
|
напряженности электрического поля, кВ/м
|
от 0,05 до 50
|
|
|
Предел допускаемой относительной погрешности, %
|
|
|
индукции магнитного поля
|
20
|
|
|
напряженности электрического поля
|
20
|
|
|
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.
2.4 Выбор оборудования необходимого для проведения многочастотного контроля параметров электромагнитного поля
Для комплексного проведения измерений параметров ЭМП одного прибора недостаточно, поскольку один прибор не покрывает всего диапазона частот регламентирующими существующими нормами. Технологическая платформа способна получать данные от нескольких приборов измерения. В связи с этим возникает необходимость выбора оборудования, которое покроет требуемый нормами диапазон измеряемых частот. Выбор осуществим из приборов представленных в разделе 2.3.
Критерии выбора:
a) Наибольший диапазон измеряемых частот в сумме от всех приборов;
b) Невысокая стоимость;
c) Измеряемые параметры;
d) Наличие внешнего интерфейса взаимодействия.
На основании этих критериев были выбраны следующие приборы:
1) ПЗ-41.
a) Технические характеристики:
b) Полоса частот от 10кГц до 40 ГГц;
c) Стоимость от 322 907 рублей;
d) Напряженность электрического, магнитного поля, ППЭ;
e) Передача данных через COM порт.
2) ПЗ-70/1.
Технические характеристики:
a) Полоса частот от 0 Гц до 400 кГц;
b) Стоимость от 55 224 рублей;
c) Напряженность электрического поля, магнитного поля
d) Передача данных через COM порт.;
Рисунок 2.20 - Диаграмма частот
3. Разработка системы автоматизированного многочастотного контроля электромагнитных излучений для оценки опасности электромагнитной обстановки
3.1 Обоснование необходимости разработки системы автоматизированного многочастотного контроля электромагнитных излучений для оценки опасности электромагнитной обстановки
На основании материалов предоставленных выше, можно сделать вывод о необходимости наличия автоматизированного аппарата интегрированного контроля параметров электромагнитного поля. Необходимость создания прибора обусловлена следующими условиями:
1. Существующие нормативные документы регламентируют уровни электромагнитных излучений в достаточно широком диапазоне частот - от постоянного излучения до десятков гигагерц.
2. Имеющиеся приборы позволяют единовременно проводить измерения параметров электромагнитного поля только для одной частоты. Автоматический обход диапазона частот отсутствует. Более того, для анализа различных диапазонов зачастую используются различные приборы, различные схемные решения, различные антенны для одного прибора. Это осложняет автоматизацию процесса измерений и существенно влияет на их точность (три измерения с временным интервалом порядка одной секунды не могут дать полного представления о картине электромагнитной обстановки в помещении).
3. необходимость повышенного внимания исследователя; как следствие - повышенная вероятность ошибки;
4. невозможность одновременного измерения сразу нескольких параметров.
Сложности автоматизации сбора данных обусловлены несколькими факторами:
1. часть современных приборов вообще не позволяют автоматизировать сбор данных и выводят их только на цифровой дисплей;
2. те приборы, которые имеют внешний интерфейс взаимодействия (обычно это порт RS-232), работают по своим собственным, не унифицированным протоколам, что затрудняет централизованный сбор информации с них.
Таким образом, разрабатываемый прибор должен служить своеобразной технологической платформой, позволяющей подключать другие измерительные приборы и датчики в качестве модулей, которые могут разрабатываться отдельно от основной платформы.
3.2 Разработка технических требований к технологической платформе
3.2.1 Общие требования
Ввиду изложенных выше недостатков сочтено целесообразным создание интегрирующей технологической платформы, к которому предъявляются следующие требования:
· возможность интеграции в платформу любых аппаратов для измерения параметров электромагнитного поля, имеющих внешний интерфейс (например, RS-232, USB);
· автоматизированная передача данных на обработку в единообразном виде;
· возможность соединения с ПЭВМ;
· возможность управлять параметрами измерения (частоты и виды измеряемых полей) для тех приборов, для которых это актуально (например, П3-41), в автоматическом режиме (в соответствии с требованиями методик измерения).
3.2.2 Требования к области применения
Измерительный прибор должен применяться при измерении уровней напряженности электрического и магнитного полей в широком диапазоне частот для персонала, находящегося в зоне влияния электромагнитного излучения на производстве и для населения, находящегося под воздействием электромагнитного поля.
3.2.3 Требования к выполняемым функциям
Измерительный прибор должен выполнять следующие функции:
1) измерение напряженности электрического поля;
2) измерение напряжённости магнитного поля;
3) измерение плотности потока энергии электромагнитного поля высокой частоты;
4) передача результатов измерения в пункт сбора информации по стандарту USB или RS-232.
3.2.4 Требования к техническим характеристикам
Требования к техническим характеристикам приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Технические характеристики прибора
|
Наименование параметра
|
Значение
|
|
|
Диапазон частот, Гц
|
от 0 до 4 ГГц
|
|
|
Диапазон измерения напряженности электрического поля, кВ/м
|
от 0,1 до 75
|
|
|
Диапазон измерения напряженности магнитного поля, кА/м
|
от 0,08 до 20
|
|
|
Предел допускаемой относительной погрешности, %
|
|
|
Напряженности электрического поля
|
20
|
|
|
Напряженности магнитного поля
|
20
|
|
|
Время установления рабочего режима, мин
|
1
|
|
|
Время непрерывной работы без подзарядки аккумуляторной батареи, ч
|
4
|
|
|
Напряжение питания, В
|
12
|
|
|
Масса, кг, не более
|
0,8
|
|
|
3.2.5 Требования к климатическим условиям эксплуатации
Таблица 3.2-Требования к климатическим условиям эксплуатации
|
Температура окружающего воздуха, єС
|
от 0 до + 50
|
|
|
Атмосферное давление, кПа
|
от 86 до 106
|
|
|
Относительная влажность воздуха при температуре 35є С,%
|
от 40 до 98
|
|
|
3.2.6 Требования к надежности
Таблица 3.3 - Требования к надежности
|
Срок службы, лет, не менее
|
5
|
|
|
Наработка на отказ, ч, не менее
|
5000
|
|
|
3.2.7 Требования к измерительным преобразователям
Таблица 3.4-Требования к измерительным преобразователям
|
Чувствительность прибора на расстоянии 200 мм, Вт
|
20
|
|
|
Единицы измерения
|
мТл (А/м), В/м
|
|
|
Напряжение питания, В, не более
|
±9
|
|
|
Размеры, мм, не более
|
5010050
|
|
|
Масса, кг, не более
|
0,1
|
|
|
3.2.8 Требования к устройству передачи данных
Таблица 3.5 - Требования к устройству передачи данных
|
Интерфейс
|
USB или RS-232
|
|
|
Пропускная способность, Кбит / с
|
192
|
|
|
3.2.9 Требования к блоку питания
Таблица 3.6 - Требования к блоку питания
|
Номинальное выходное напряжение, В
|
±12
|
|
|
Емкость, мАмпер-час, не менее
|
1200
|
|
|
Максимальная постоянная нагрузка, мА
|
120
|
|
|
Размер, мм, не более
|
503020
|
|
|
Масса, кг
|
0,050
|
|
|
3.3 Структурная схема технологической платформы
Рисунок 3.1 Структурная схема технологической платформы
3.4 Вариант оснащения технологической платформы
Рисунок 3.2 - Вариант оснащения технологической платформы
Интегрирующее устройство представлено комплексом из микроконтроллера и коммутатора сигналов. Коммутатор сигналов предназначен для того, чтобы переключить активный модуль связи с конечным прибором (то есть именно коммутатор управляет тем, с какого именно из подключенных приборов принимаются данные в каждый момент времени).
Связь между ПЭВМ и микроконтроллером осуществляется по интерфейсу RS-232. Для согласования уровней напряжения используется микросхема MAX-232 [7]. Такая же микросхема необходима на входе коммутатора, чтобы преобразовать сигналы с прибора П3-41 (который также общается по интерфейсу RS-232).
Роль микроконтроллера в данной схеме - это преобразование сигналов, получаемых от прибора П3-41, в общий формат, а также расшифровка сигналов из ПЭВМ и управление конфигурацией П3-41 (путём передачи на него управляющих команд в формате прибора). Клиентское программное обеспечение на ПЭВМ осуществляет универсальных приём, регистрацию и обработку этих сигналов. В точно таком же формате проводится приём сигналов с любого другого прибора, подключенного к интегрирующему аппарату.
В данном устройстве используется микроконтроллер на аппаратной платформе Arduino. Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Язык программирования устройств Arduino основан на C/C++.
На рисунке 3.3 представлена принципиальная схема прибора с выделением функциональных блоков. Приведена схема подключения согласующей микросхемы MAX232, а также реализация коммутатора сигналов с использованием логических элементов типа «И». Технологическая плата Arduino контролирует коммутатор сигналов при помощи встроенных контактов 2 и 3.
Рисунок 3.3 - Принципиальная схема технологической платформы
3.5 Программное обеспечение
В рамках дипломной работы было разработано программное обеспечение (ПО), предназначенное для записи в микроконтроллер на плате Arduino, а также для установки на ПЭВМ, которая осуществляет управление технологической платформой.
Для разработки ПО был выбран язык программирования C++, поскольку он обеспечивает максимальную совместимость с технологической платой Arduino, а также с распространёнными операционными системами.
На рисунке 3.4 приведена блок-схема алгоритма работы прошивки микроконтроллера.
Рисунок 3.4 - Блок-схема прошивки микроконтроллера
Для работы с портами прибора и ПЭВМ используется аппаратный и программный последовательные порты, расположенные на Arduino. Для других версий Arduino (например, Mega) доступно большее число аппаратных портов, что позволяет одновременно работать с несколькими приборами.
Реализован простой протокол обмена между ПЭВМ и микроконтроллером. Взаимодействие осуществляется с помощью порта USB, который эмулирует последовательный интерфейс обмена данных. С точки зрения микроконтроллера это выглядит так, как будто общение происходит по последовательному интерфейсу RS-232 (эта функциональность конструктивно встроена в технологическую плату Arduino).
Протокол обмена данными является текстовым, каждое сообщение передаётся с новой строки. В рабочем режиме микроконтроллер постоянно сообщает на ПК информацию, которую он принял с прибора. Микроконтроллер при обработке учитывает особенности каждого конкретного прибора; на текущий момент реализовано взаимодействие с прибором П3-41.
Разработана простая программа для приёма и обработки данных на ПЭВМ. Программа работает под управлением операционной системы Windows, как наиболее распространённой на сегодняшний момент.
Пользовательский интерфейс программы приведён на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 - Пользовательский интерфейс
3.5.1 Взаимодействие с прибором П3-41
Был разработан программный модуль для взаимодействия с прибором П3-41. Протокол передачи данных П3-41 бинарный, нешифрованный. Данные передаются пакетами разной длины. Структура входящего пакета (т.е. пакета, отправляемого с ПК) приведена на рисунке 3.6
Рисунок 3.6 - Пример входного пакета
Пакет входной пакет занимает 6 байт. Байты с индексами 0 и 4 равны коду команды. Например, для начала измерения электрического поля нужно подать команду `E' (код символа 0x45).
Структура выходного пакета (т.е. пакета с результатами измерений, приходящего с прибора) приведена на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 - Пример выходного пакета
Выходной пакет состоит из трёх частей.
1. Размер тела пакета (без учёта контрольной суммы) - двухбайтовое целое число (записанное по правилам little-endian, то есть в обратном порядке). Всегда 3 или 5 байт.
2. Тело пакета - 3- или 5-байтовое целое число, записанное по правилам little-endian. При получении этого числа его следует преобразовать в дробное, поделив на коэффициент, зависящий от антенны и измеряемой величины. Коэффициент принимает значения от 100 до 10000. Например, при получении числа 8760 в режиме измерения напряжённости электрического поля с помощью антенны № 1, микроконтроллер интерпретирует это число как величину 0.876 В/м.
3. Контрольная сумма пакета - используется для контроля целостности данных. Если контрольная сумма, вычисленная на основании длины пакета и его данных, не совпадает с ожидаемой, сеанс передачи данных завершается и COM-порт закрывается.
Подобные форматы кодирования широко применяются в аппаратных датчиках. Есть основания полагать, что похожий формат используется и для взаимодействия с прибором П3-70/1.
4. Проведение автоматизированного многочастотного контроля электромагнитных излучений ламп, с использованием технологической платформы, оснащённой измерителем П3-41
Одни и те же люминесцентные лампы, установленные в светильниках различной конструкции, создают электромагнитные поля, различающиеся по интенсивности в десятки раз, что требовало дополнительных исследований.
Для выяснения причины этого явления были проведены исследования компактных люминесцентных ламп различной мощности. В процессе экспериментальных исследований было установлено расстояние от одной, двух и трех одновременно включенных ламп, на котором зарегистрировано превышение ПДУ электромагнитного поля. Было также зафиксировано, что изменение порядка расположения ламп вдоль прямой слабо влияет на результирующее электромагнитное поле.
4.1 Расположение ламп
Измерения для опыта с двумя проводились в соответствии с рисунком 4.1.
Рисунок 4.1 - Схема опыта: M - точка, в которой производились измерения; l - расстояние, указанное в таблице 4.1
Измерения для опыта с тремя лампами проводились в соответствии с Рисунком 4.2
Рисунок 4.2 - Схема эксперимента с тремя лампами
4.2 Построение модели
Таблица 4.1 - Экспериментальные данные измерения напряженности электрического поля люминесцентных ламп в аудитории 304 «В», от 04.04.2011
|
Частота, МГц
|
ПДУ, В/м
|
Фоновое значение, В/м
|
Расстояние от измерителя до каждой лампы l, см
|
Напряженность электрического поля Е, В/м
|
|
|
|
|
|
лампа №1
|
лампа №2
|
обе лампы
|
|
|
0,00005
|
500
|
1,15
|
1
|
468
|
285
|
866
|
|
|
|
|
5
|
255
|
222
|
320
|
|
|
|
|
15
|
225
|
188
|
162
|
|
|
0,03
|
25
|
6,77
|
1
|
418,33
|
310
|
758,34
|
|
|
|
|
5
|
182,13
|
158,12
|
323,78
|
|
|
|
|
10
|
425,20
|
325
|
248,37
|
|
|
|
|
15
|
71,59
|
55,20
|
108,35
|
|
|
3
|
15
|
2,17
|
1
|
109,30
|
63,35
|
145,79
|
|
|
|
|
5
|
50,30
|
30,03
|
76,43
|
|
|
|
|
10
|
22,61
|
17,35
|
32,65
|
|
|
|
|
15
|
17,33
|
10,33
|
22,85
|
|
|
|
|
20
|
7,18
|
5,44
|
9,68
|
|
|
|
|
30
|
9,56
|
3,94
|
16,32
|
|
|
|
|
40
|
4,22
|
3,46
|
12,54
|
|
|
30
|
10
|
1,25
|
1
|
61,18
|
72,20
|
128,25
|
|
|
|
|
5
|
40,64
|
34,65
|
67,17
|
|
|
|
|
10
|
21,79
|
17,02
|
32,65
|
|
|
|
|
15
|
12,87
|
9,34
|
16,86
|
|
|
|
|
20
|
7,70
|
6,83
|
9,87
|
|
|
|
|
30
|
5,07
|
3,92
|
5,07
|
|
|
|
|
40
|
3,67
|
3,78
|
6,08
|
|
|
50
|
3
|
3,51
|
1
|
70,62
|
68,12
|
241,37
|
|
|
|
|
5
|
48,66
|
34,59
|
68,35
|
|
|
|
|
10
|
22,29
|
17,70
|
38,67
|
|
|
|
|
15
|
11,76
|
9,81
|
19,32
|
|
|
|
|
20
|
7,68
|
6,89
|
10,53
|
|
|
|
|
30
|
4,47
|
4,30
|
25,61
|
|
|
|
|
40
|
3,83
|
3,51
|
10,55
|
|
|
300
|
3
|
1,86
|
1
|
96,15
|
64,21
|
230,52
|
|
|
|
|
5
|
38,29
|
25,91
|
78,06
|
|
|
|
|
10
|
18,86
|
13,76
|
43,63
|
|
|
|
|
15
|
11,66
|
8,36
|
21,92
|
|
|
300
|
3
|
1,86
|
20
|
7,23
|
6,39
|
14,05
|
|
|
|
|
25
|
5,06
|
4,02
|
8,62
|
|
|
|
|
30
|
4,16
|
3,94
|
6,11
|
|
|
|
|
40
|
3,53
|
3,59
|
15,63
|
|
|
|
|
45
|
2,93
|
2,52
|
6,31
|
|
|
Примечания:
1. В процессе экспериментальных исследований использовались компактные люминесцентные лампы со следующими характеристиками: Лампа №1 - «Navigator» (20 W, E27, 2700 K, 220-240 V, 50/60 Hz, 1200 lm); Лампа №2 - «Zeon» (3U, 15 W, E27, 4200 K, 220-240 V, 50-60 Hz, T091203).
2. Цветом выделены ячейки, содержащие данные о превышении ПДУ.
3. В квадратных скобках указан ПДУ.
электромагнитный излучение измерительный контроль
Таблица 4.2 - Экспериментальные данные измерения плотности потока энергии на частоте 300 МГц от компактных люминесцентных ламп в аудитории 304 «В»
|
ПДУ, мкВт/см2
|
Фоновое значение, мкВт/см2
|
Расстояние от антенны прибора ПЗ-41 до каждой лампы, см
|
Плотность потока энергии, мкВт/см2
|
|
|
|
|
лампа №1
|
лампа №2
|
обе лампы
|
|
|
10
|
1,03
|
1
|
2600
|
1150
|
8720
|
|
|
|
5
|
325,81
|
168,71
|
1500
|
|
|
|
10
|
102
|
54,96
|
357,65
|
|
|
|
15
|
41,84
|
19,25
|
127,79
|
|
|
|
20
|
14,96
|
11,27
|
57,86
|
|
|
|
25
|
7,73
|
4,24
|
19,07
|
|
|
|
30
|
4,93
|
2,97
|
9,99
|
|
|
|
40
|
4,13
|
3,65
|
8,59
|
|
|
|
45
|
2,23
|
1,60
|
6,55
|
|
|
Примечание: в процессе экспериментальных исследований использовались компактные люминесцентные лампы со следующими характеристиками: лампа №1 - «Navigator» (20 W, E27, 2700 K, 220-240 V, 50/60 Hz, 1200 lm); лампа №2 - «Zeon» (3U, 15 W, E27, 4200 K, 220-240 V, 50-60 Hz, T091203).
Вывод: типичным явлением является превышение ПДУ электрического поля, генерируемого компактными люминесцентными лампами, на всех нормируемых частотах на расстояниях 15 см и менее.
Таблица 4.3 - Экспериментальные данные измерения напряженности электрического поля от двух компактных люминесцентных ламп в аудитории 304 «В»
|
Частота, МГц
|
Расстояние от измерителя до каждой лампы, см
|
Напряженность электрического поля Е, В/м
|
|
|
|
Фоновое значение
|
ПДУ
|
влево
|
вправо
|
вверх
|
вдоль оси лампы
|
|
|
0,03
|
1
|
10
|
25
|
190,43
|
252,53
|
338,54
|
335,96
|
|
|
5
|
|
|
76,98
|
113,56
|
165,33
|
137,64
|
|
|
10
|
|
|
44,80
|
56,31
|
73,30
|
77,46
|
|
|
15
|
|
|
22,76
|
29,70
|
35,57
|
31,26
|
|
|
20
|
|
|
20,16
|
20,39
|
17,70
|
17,96
|
|
|
25
|
|
|
12,29
|
14,47
|
16,66
|
15,92
|
|
|
30
|
|
|
8,05
|
10,55
|
15,20
|
12,60
|
|
|
3
|
1
|
1,87
|
15
|
57,89
|
94,64
|
103,03
|
78,38
|
|
|
5
|
|
|
25,58
|
38,37
|
44,41
|
32,33
|
|
|
10
|
|
|
17,28
|
16,59
|
19,12
|
22,79
|
|
|
15
|
|
|
3,35
|
9,89
|
9,01
|
6,65
|
|
|
20
|
|
|
5,40
|
5,95
|
5,81
|
5,87
|
|
|
25
|
|
|
3,78
|
4,48
|
5,28
|
4,0
|
|
|
30
|
|
|
3,30
|
3,64
|
4,91
|
3,25
|
|
|
30
|
1
|
1,76
|
10
|
52,31
|
92,53
|
115,81
|
68,38
|
|
|
5
|
|
|
20,94
|
35,11
|
40,54
|
27,88
|
|
|
10
|
|
|
11,61
|
17,64
|
20,44
|
16,90
|
|
|
15
|
|
|
6,88
|
9,22
|
7,67
|
9,49
|
|
|
20
|
|
|
4,93
|
5,49
|
5,61
|
7,15
|
|
|
25
|
|
|
3,54
|
4,33
|
4,65
|
5,17
|
|
|
30
|
|
|
2,93
|
3,24
|
4,63
|
4,16
|
|
|
50
|
1
|
1,96
|
3
|
60,29
|
88,88
|
97,69
|
63,96
|
|
|
5
|
|
|
23,76
|
36,87
|
60,84
|
25,48
|
|
|
10
|
|
|
12,42
|
18,66
|
20,03
|
13,57
|
|
|
15
|
|
|
7,28
|
11,19
|
9,37
|
11,91
|
|
|
20
|
|
|
4,85
|
5,18
|
5,78
|
7,30
|
|
|
25
|
|
|
3,52
|
3,89
|
4,93
|
5,13
|
|
|
30
|
|
|
3,0
|
3,71
|
4,35
|
3,35
|
|
|
35
|
|
|
2,74
|
3,02
|
4,27
|
3,73
|
|
|
40
|
|
|
|
2,56
|
3,98
|
2,25
|
|
|
Примечание: в процессе экспериментальных исследований использовались следующие компактные люминесцентные лампы: лампа слева - «Navigator» (производитель КНР) мощностью 25 Вт (дневной белый свет); лампа справа - «Navigator» мощностью 25 Вт (теплый белый свет).
Таблица 4.4 - Экспериментальные данные измерения напряженности электрического поля от трех компактных люминесцентных ламп в аудитории 304 «В», от 04.04.2011
|
Частота, МГц
|
Расстояние от измерителя до каждой лампы, см
|
Напряженность электрического поля Е, В/м
|
|
|
|
Фоновое значение
|
ПДУ
|
влево
|
вправо
|
вверх
|
вдоль оси лампы
|
|
|
0,03
|
1
|
10
|
25
|
215,37
|
239,68
|
178,42
|
250
|
|
|
5
|
|
|
110,97
|
125,95
|
95,62
|
74,55
|
|
|
10
|
|
|
45,55
|
60,56
|
48,10
|
34,65
|
|
|
15
|
|
|
29,49
|
33,17
|
28,26
|
22,10
|
|
|
20
|
|
|
18,59
|
22,56
|
22,02
|
16,06
|
|
|
25
|
|
|
14,50
|
16,33
|
17,54
|
18,26
|
|
|
30
|
|
|
10,73
|
12,69
|
1,49
|
16,51
|
|
|
3
|
1
|
1,87
|
15
|
72,51
|
75,45
|
53,90
|
85,01
|
|
|
5
|
|
|
37,70
|
38,23
|
28,11
|
34,37
|
|
|
10
|
|
|
14,22
|
21,46
|
15,73
|
13,82
|
|
|
15
|
|
|
8,41
|
12,11
|
10,67
|
6,66
|
|
|
20
|
|
|
5,45
|
7,06
|
6,68
|
5,71
|
|
|
25
|
|
|
4,10
|
5,25
|
4,13
|
5,03
|
|
|
30
|
|
|
3,13
|
3,22
|
2,62
|
5,30
|
|
|
30
|
1
|
1,76
|
10
|
62,67
|
63,50
|
59,27
|
81,93
|
|
|
5
|
|
|
30,98
|
35,39
|
30,87
|
22,67
|
|
|
10
|
|
|
13,38
|
17,58
|
16,53
|
11,63
|
|
|
15
|
|
|
7,53
|
9,77
|
10,40
|
7,38
|
|
|
20
|
|
|
5,05
|
6,46
|
7,17
|
5,5
|
|
|
25
|
|
|
4,12
|
4,80
|
5,91
|
5,0
|
|
|
30
|
|
|
2,91
|
3,67
|
1,93
|
4,84
|
|
|
50
|
1
|
1,96
|
3
|
55,65
|
64,99
|
66,80
|
87,57
|
|
|
5
|
|
|
26,65
|
30,24
|
35,91
|
33,92
|
|
|
10
|
|
|
13,81
|
16,34
|
17,84
|
13,52
|
|
|
15
|
|
|
8,20
|
9,06
|
11,46
|
5,52
|
|
|
20
|
|
|
5,23
|
6,24
|
7,47
|
4,44
|
|
|
25
|
|
|
4,10
|
4,20
|
6,10
|
4,29
|
|
|
30
|
|
|
3,16
|
3,50
|
4,48
|
4,77
|
|
|
Примечание: в процессе экспериментальных исследований использовались следующие компактные люминесцентные лампы: лампа слева - «Navigator» мощностью 15 Вт (теплый белый свет); лампа посередине «Navigator» мощностью 25 Вт (дневной белый свет); лампа справа - «Navigator» мощностью 25 Вт (теплый белый свет)
Выводы: изменение порядка расположения ламп на столе и даже добавление ещё одной лампы не слишком сильно сказывается на картине превышения ПДУ электрическим полем, генерируемым лампами.
4.3 Практическое применение метода конечных разностей во временной области к моделированию электромагнитного поля
Уравнения Максвелла, впервые сформулированные в 1870 году, описывают зависимости между электрическим и магнитным полем в пространстве. Известны несколько точных решений этих уравнений для различных упрощённых условий.Сегодня, в связи со стремительным развитием информационных технологий, для решения этих дифференциальных уравнений всё чаще применяются численные методы.
Основными методами являются проекционные, в которых решение проецируется на какой-либо удобный функциональный базис, и дискретизационные, в которых область пространства разбивается на множество малых конечных областей. Две категории универсальных дискретизационных методов, получивших сегодня наибольшее распространение, это метод конечных элементов и метод конечных разностей во временной области. Метод конечных элементов применяется для расчёта задач электростатики, магнитостатики и квазистационарных явлений. Метод конечных разностей во временной области был разработан специально для решения уравнений Максвелла, в которых изменение электрического и магнитного поля во времени зависит от изменения, соответственно, магнитного и электрического поля в пространстве. В рамках этого метода область пространства и временной интервал подвергаются равномерной дискретизации с заданием начальных условий.
К преимуществам метода конечных разностей во временной области относят :
1) Простота реализации - для расчётов не применяется линейная алгебра, которая в случае применения других методов ограничивает размеры пред предметной областью всего 106 неизвестными величинами.
2) Поскольку метод работает во временной области, он позволяет получить результат для широкого спектра длин волн за один расчет. Это может полезно при решении задач, в которых не известны резонансные частоты или в случае моделирования широкополосных сигналов.
3) Позволяет создавать анимированные изображения распространения волны в счетном объеме.
4) Удобен при задании анизотропных, дисперсных и нелинейных сред.
5) Метод позволяет непосредственно моделировать эффекты на отверстиях, так же как эффекты экранирования, причем поля внутри и вне экрана могут быть рассчитаны как напрямую, так и нет.
Сущность конечно-разностных методов состоит в замене частных производных в каждой точке пространства конечными разностями, зависящими от значений параметра в соседних точках пространства. Метод конечных разностей во временной области добавляет также временное измерение.
Данный метод позволяет провести симуляцию (модельный эксперимент) и проследить эволюцию электромагнитного процесса во времени. В основу метода конечных разностей во временной области положенына уравнения Максвелла для области, не имеющей свободных электрических и магнитных зарядов.
Закон Фарадея:
(4.1)
Закон Ампера:
(4.2)
Закон Гаусса для электрического поля:
(4.3)
Закон Гаусса для магнитного поля:
(4.4)
В выражениях (1 - 4) приняты следующие обозначения:
- напряжённость электрического поля;
- плотность электрического потока;
- напряжённость магнитного поля;
- плотность магнитного потока (вектор магнитной индукции);
- плотность электрического тока;
- плотность эквивалентного магнитного тока.
Знаком обозначен оператор Гамильтона.
Конечно-разностный метод требует предварительного разбиения пространства на области. Параметры электрического поля внутри области принимаются равномерно распределёнными, что приводит к некоторой «ступенчатости» расчётных данных (это считается недостатком метода по сравнению с методом конечных элементов, который позволяет более гибко задавать размеры ячеек). Эта проблема решается двумя способами:
1. Общим уменьшением масштаба размерной сетки для всего счётного пространства.
2. Локальным повышением детализации (уменьшением масштаба сетки) вблизи от объектов сложной формы.
Разбиение пространства обычно происходит на одноразмерные кубы. Размер одного куба рекомендуется делать в 10-20 раз меньше длины исследуемой волны.
КейномЙи предложено оригинальное смещение точек приложения различных параметров электромагнитного поля по отношению к ячейке размерной сетки (вокселю). Расположение векторов представлено на рисунке 1, расположение куба внутри вокселя - на рисунке 2.
Сам алгоритм расчёта является рекурсивным: параметры электрического поля в каждый момент времени рассчитываются на основании параметров магнитного поля в предыдущий момент времени; параметры электромагнитного поля рассчитываются на основании параметров электрического поля. Важным фактором является смещение векторов электрического и магнитного поля на половину временного шага и половину пространственного шага друг относительно друга (что иллюстрируется кубом Йи).
Рисунок 4.3 - Расположение векторов Eи Hна кубе Йи
Рисунок 4.4 - Расположение куба Йи внутри вокселя
Самый простой вариант алгоритма Йи позволяет моделировать развитие электромагнитного процесса внутри вещества, обладающего линейными изотропными недисперсными электромагнитными параметрами, откуда следуют два важных равенства:
(4.5)
(4.6)
где - диэлектрическая проницаемость материала;
- относительная диэлектрическая проницаемость материала;
- диэлектрическая проницаемость вакуума;
- магнитная проницаемость материала;
- относительная магнитная проницаемость материала;
- магнитная проницаемость вакуума.
Для отдельных компонентов векторов получимшесть связанных уравнений Максвелла [3]
Уравнения (7-12) могут быть решены с помощью метода конечных разностей.
Алгоритм конечных разностей во временной области применим для расчёта различных классов объектов:
1. Статические источники электрического и магнитного поля (можно проследить эволюцию электромагнитного поля вблизи статического источника в момент его активации).
2. Источники периодических колебаний электрического и магнитного поля (можно проследить распространение колебаний во времени и пространстве).
3. Источники апериодических колебаний электрического и магнитного поля. Может быть изучено влияние на электромагнитную обстановку источников колебаний любой формализуемой формы.
4. Изотропная среда.
5. Анизотропная среда.
6. Среда с параметрами, зависящими от частоты колебаний электромагнитного поля (например, плазма).
Метод конечных разностей во временной области - современный метод исследования и моделирования электромагнитного поля, который применяется в промышленности и научных исследованиях. Его применение целесообразно в случае, когда необходимо одновременно контролировать широкие диапазоны частот на небольших областях пространства (здания, помещения). Возможно его применение, например, для проверки электромагнитной обстановки на соответствие нормам СанПиН (на этапе обработки полученных экспериментальных данных).
Построение модели
Были составлены модели в среде COMSOL Multiphisics для одной, двух и трех компактных люминесцентных ламп.
Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого одной компактной люминесцентной лампой мощностью 20 Вт, представлена на рисунке 4.5 (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показаны потенциалы электрического поля, В). Справа от изображения поля представлена шкала напряженности электрического поля в В/м. По осям х и у приведены расстояния (м).
На рисунке 4.6 приведена та же картина после осуществления перехода от оси электрического потенциала к оси допустимого времени пребывания в соответствии с методикой, разработанной в АлтГТУ. Справа от изображения поля представлена шкала допустимого времени пребывания в часах и минутах, на сносках приведено допустимое время пребывания человека на указанном в скобках расстоянии от лампы (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показано время допустимого пребывания человека).
Рисунок 4.5 - Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого компактной люминесцентной лампой мощностью 20 Вт
Рисунок 4.6 - Картина распределения времени допустимого пребывания вблизи компактной люминесцентной лампы мощностью 20 Вт
Как видно из экспериментальных исследований, и что следует из результатов моделирования на основе опытов, компактные люминесцентные лампы могут представлять опасность для здоровья (поле в радиочастотном диапазоне превышает ПДУ) на расстояниях менее 15 см. Отсюда следует, что такие лампы следует с осторожностью использовать в жилых помещениях, а также при организации локального освещения рабочих мест.
На рисунке 4.7 приведена картина поля для модели, в которую была добавлена еще одна лампа мощностью 15 Вт (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показан потенциал электрического поля, В).
На рисунке 4.8 приведена та же картина после осуществления перехода от оси потенциала к оси допустимого времени пребывания в соответствии с методикой, разработанной в АлтГТУ (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показано время допустимого пребывания человека).
Рисунок 4.7 - Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого двумя компактными люминесцентными лампами мощностями 20 Вт и 15 Вт
Рисунок 4.8 - Картина распределения времени допустимого пребывания вблизи двух компактных люминесцентных ламп мощностями 20 Вт и 15 Вт
Из рисунков и опытных данных видно, что добавление второй лампы существенно не влияет на картину электрического поля. Отсюда можно сделать вывод, что генерация компактными люминесцентными лампами высокочастотного электрического поля слабо зависит от количества ламп.
На рисунке 4.9 приведена картина поля для модели, в которой исследовались две компактные люминесцентные лампы мощностью 25 Вт и одна люминесцентная лампа мощностью 15 Вт (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показан потенциал электрического поля, В).
На рисунке 4.10 приведена та же картина после осуществления перехода от оси электрического потенциала к оси допустимого времени пребывания в соответствии с методикой, разработанной в АлтГТУ (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показано время допустимого пребывания человека).
Рисунок 4.9 - Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого двумя компактными люминесцентными лампами мощностями 25 Вт и одной лампой мощностью 15 Вт
Рисунок 4.10 - Картина распределения времени допустимого пребывания вблизи двух компактных люминесцентных ламп мощностями 25 Вт и одной лампы мощностью 15 Вт
По результатам моделирования видно, что картина электрического поля на высоких частотах формируется, как правило, наиболее мощными лампами; лампы меньшей мощности в формировании поля практически не участвуют.
5. Технико - экономический расчет
Целью технико-экономического расчета являются составление сметы затрат на проведение научно-исследовательской работы (НИР).
Разработке сметы затрат на проведение научно - исследовательских работ предшествует разработка сетевого графика выполнения дипломного проекта.
Для определения трудоемкости выполнения НИР, прежде всего, составляется перечень всех этапов и видов работ, которые должны быть выполнены. При этом особое внимание должно быть уделено логическому упорядочению последовательности выполнения отдельных видов работ. В основе такого упорядочения лежит анализ смыслового содержания каждого вида работ и установление взаимосвязи между всеми видами работ. Поэтому при планировании НИР.
Работа - это производственный процесс, требующий затрат времени и ресурсов. Каждая работа характеризуется продолжительностью. Событием является факт окончания одной или нескольких работ, необходимых и достаточных для начала последующих работ. Ожиданием называется процесс, требующий только затрат времени. Зависимость (фиктивная работа) отражает правильную взаимосвязь работ при построении сетевого графика и не требует ни ресурсов, ни времени.
Таблица 5.1 - Перечень работ
|
Название события
|
Кол-во необходимых дней
|
|
|
0
|
Начало работ
|
0
|
|
|
1
|
Составление и утверждение задания на дипломное проектирование
|
1
|
|
|
2
|
Сбор информационных материалов по заданной теме
|
7
|
|
|
3
|
Разработка технологической платформы
|
25
|
|
|
4
|
Сборка технологической платформы
|
12
|
|
|
5
|
Испытания технологической платформы
|
5
|
|
|
6
|
Анализ результатов проведения НИР
|
30
|
|
|
7
|
Охрана труда
|
5
|
|
|
8
|
Экономическая часть
|
5
|
|
|
9
|
Оформление пояснительной записки
|
7
|
|
|
Итого
|
|
97
|
|
|
Рисунок 5.1 Диаграмма Гантта
Рисунок 5.2 Диаграмма PERT
Основными затратами на выполнение темы научно-исследовательского характера являются затраты на приобретение материалов и специального оборудования (таблица 5.2), затраты на проведение собственно научных исследований и затраты на оформление отчета
Стоимость выполнения НИР складывается из следующих статей затрат:
- материалы;
- спецоборудование для научных работ;
- основная и дополнительная заработная плата;
- отчисления на социальные нужды;
- прочие прямые расходы.
К материальным затратам относятся затраты на сырье, основные и вспомогательные материалы, необходимые для выполнения НИР.
Затраты на материалы отражены в таблице 5.2.
Таблица 5.2 - Расчет затрат на материалы
|
Материалы
|
Единица измерения
|
Потребное количество
|
Цена за единицу, руб.
|
Сумма, руб.
|
|
|
Микроконтроллер AVR
|
шт.
|
1
|
102
|
102
|
|
|
Платформа arduino
|
шт.
|
1
|
200
|
200
|
|
|
Текстолит
|
шт.
|
1
|
80
|
80
|
|
|
Итого
|
|
|
|
382
|
|
|
Определение затрат по статье спецоборудование производится по фактической стоимости приобретения с учетом затрат на установку, монтаж и регулировку оборудования по следующей формуле:
Соб = 1,1• Цоб = 1,1 • 36810 = 40491 руб, (5.1)
где Сбо - стоимость оборудования, руб.;
Цоб - цена оборудования, руб.;
1,1 - коэффициент, учитывающий затраты на установку, монтаж, регулировку.
(5.2)
где - норма амортизации;
Т - срок окупаемости.
А = Соб • = 40491 • 0,125 = 5061,38 (5.3)
где А - амортизационные отчисления на спецоборудование
Время, затраченное на компьютерное моделирование лабораторных работ - 3 месяца. Исполнитель - инжинер, среднемесячный оклад - 5207руб.
Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоемкости отдельных видов работ, и их часовой ставки:
(5.4)
где Зосн - основная заработная плата, руб.;
Тi - трудоемкость работ, выполняемых i-м работником ,ч;
Cmi -часовая тарифная ставка i-го работника, руб.;
n - количество исполнителей.
Затраты на заработную плату руководителя:
при окладной системе оплаты труда часовая заработная плата может быть определена по формуле:
(5.5)
Оплата инженера за 1час.
(5.6)
оплата руководителю за 1час ,
с учетом районного коэффициента: Ст = 273 • 1,15 = 313,95 руб ,
где Зм - месячный оклад каждого работника с учетом районного коэффициента, руб.;
Д - среднее количество рабочих дней в месяце, дн;
tn - средняя продолжительность рабочего дня, ч.
Расчет основной заработной платы приведен в таблице 4.3.
Таблица 4.3 - Расчет основной заработной платы
|
Виды работ
|
Трудоемкость, Чел - час
|
Сумма основной заработной платы, руб.
|
|
|
Научный руководитель
|
Исполнители
|
Научный руководитель
|
Исполнители
|
|
|
1.Составление и утверждение задания на дипломное проектирование (НИР)
|
1
|
8
|
314
|
209,12
|
|
|
2.Сбор информационных материалов по заданной теме
|
4
|
48
|
1256
|
1254,72
|
|
|
3. Разработка технологической платформы
|
7
|
120
|
2198
|
3136,8
|
|
|
4. Сборка технологической платформы
|
4
|
200
|
1256
|
5228
|
|
|
5.Анализ результатов проведения НИР
|
5
|
240
|
1570
|
6273,6
|
|
|
6.Охрана труда
|
1
|
40
|
314
|
1045,6
|
|
|
7.Экономическая часть
|
1
|
40
|
314
|
1045,6
|
|
|
8.Оформление пояснительной записки
|
3
|
56
|
942
|
1463,84
|
|
|
Итого
|
26
|
725
|
8164
|
19657,28
|
|
|
Дополнительная заработная плата работников научных учреждений соcтавляет 11% от основной заработной платы:
Здоп = (Зрук + Зинж) • 0,11 (5.7)
Здоп = (8164+19657,28) • 0,11 =3060,3 (5.8) Зсум = 8164+19657,28+ 3060,3 = 30881,28 (5.9)
Размер «Отчисление в внебюджетные государственные фонды» определяется в процентах от суммы основной и дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР, и составляет 30,2%.
Зсоц нужды= 30881,28· 0,302 =9326,15 руб. (5.10)
На статью «Прочие прямые расходы» относятся расходы на электроэнергию при проведении НИР. Они определяются исходя из количества потребленной энергии и действующего тарифа.
(5.11)
Затраты на электроэнергию в день:
Зэл.д = 0,3 · 8 ·4,5 = 10,8 руб. (5.12)
Затраты на электроэнергию:
Зэл = 10 • Зэл.д =10 · 10,8 =108 руб. (5.13)
где Зэл - затраты на электроэнергию, руб.;
N - мощность прибора, кВт;
T - время работы прибора, ч;
Ц - тариф на электроэнергию, руб/кВт•ч.
Таблица 4.4 - Смета затрат на НИР
|
Смета затрат
|
Сумма, руб
|
Удельный вес, %
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
|
Материалы и покупные элементы
|
328
|
0,72
|
|
|
Амортизация спецоборудования
|
5061,38
|
11,07
|
|
|
Заработная плата основная и дополнительная
|
30881,28
|
67,57
|
|
|
Отчисления на социальные нужды
|
9326,15
|
20,41
|
|
|
Прочие прямые расходы
|
108
|
0,23
|
|
|
Итого
|
45704,81
|
100
|
|
|
Из сметы затрат видно, что основная статья расходов (67,57%) приходится на основную и дополнительную заработную плату, затем идут отчисления на социальные нужды (20,41%), амортизационные отчисления (11,07%), материалы и покупные элементы (0,72%) и прочие прямые расходы (0,23%).
6. Охрана труда
6.1 Роль исследований электромагнитного поля в охране труда
Одним из направлений охраны труда является соблюдение на рабочем месте действующих норм по предельно допустимым уровням параметров электромагнитного поля. Такое исследование всегда проводится с целью составления целостного представления о картине электромагнитной обстановки в помещении. Для получения такой картины используется математическое моделирование.
В рамках исследования электромагнитной обстановки помещения особую роль играет её компьютерное моделирование. Компьютерное моделирование позволяет получить наиболее полную картину электромагнитной обстановки за счёт двух факторов:
1) с помощью компьютерного моделирования возможно, хоть и приблизительно, рассчитать напряжённость электрического поля в любой точке помещения, а не только в тех точках, в которых проводились измерения;
2) современные ПЭВМ, оборудованные автоматизированным программным обеспечением, позволяют визуализировать картину электромагнитного поля, чтобы более наглядно представить опасные зоны помещения.
6.2 Составление компьютерной модели помещения с учётом требований охраны труда
Рассмотрим компьютерное моделирование помещения на примере программной среды COMSOL Multiphisics.
После запуска программы COMSOL Multiphisics на экране появится окно Навигатор моделей, позволяющее выбрать тип создаваемой модели. Так как необходимо произвести моделирование в объеме, то выберем в поле Размерность пространства значение 3D. Затем выберем из списка пункт Электромагнетизм > Электростатика, позволяющий работать с диэлектрическими и проводящими материалами, после чего нажмем кнопку OK (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 - Выбор пункта Электростатика
На экране появится главное окно программы COMSOL Multiphisics, в котором можно создавать модели. Приступим к моделированию условий задания. Для задания пространства аудитории используем параллелепипед. Нажмем на панели инструментов, расположенной в левой части экрана, на кнопку «Блок» (рисунок 6.2).
Рисунок 6.2 - Кнопка «Блок»
Появится окно Блок для задания параметров создаваемого помещения аудитории (рисунок 6.3).
Рисунок 6.3 - Окно «Блок» для задания параметров аудитории
Необходимо установить параметры: в группе «Длина»: х = 2,05 м; у = 7,12 м; z = 2,38 м (значения задаются в системе СИ), а в группе «Стиль»: «Тело». Расположим модель аудитории в начале координат для облегчения дальнейших построений. Для этого параметры «Начальной точки оси» оставляем по умолчанию, т.е. х = у = z = 0 м. После ввода параметров необходимо нажать кнопку OK, и созданный объект отобразится на экране (рисунок 6.4).
Рисунок 6.4 - Созданное помещение аудитории
Аналогично строим все остальные объекты в аудитории. После построения мы получаем картину, изображенную на рисунке 6.5.
Рисунок 6.5 - Вид построенных объектов в аудитории
Теперь зададим граничные условия построенных объектов. Перейдем в меню «Физика > Настройки границы…» (рисунок 6.6).
Рисунок 6.6 - Переход в «Настройки границы» меню «Физика»
Появится окно «Настройки границы - Электростатика». Для каждой грани определяем «Граничное условие». Для всех граней аудитории и стола граничным условием будет «Нулевой заряд / Симметрия». А для граней экрана, клавиатуры ноутбука и его блока питания граничным условием будет «Электрический потенциал». В силу того, что значение «Электрического потенциала» нам не задано, для определения этой величины будем использовать следующую формулу:
, (6.1)
где - электрический потенциал, В;
- расстояние между объектом измерения и измерительным устройством (b = 0,5 м согласно Санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 [2]);
- напряжённость электростатического поля, В/м.
Напряжённость электростатического поля определяем экспериментально с помощью прибора ПЗ-41. При вычислении электрического потенциала нужно учитывать, что шкала прибора - в кВ/м и показания прибора нужно умножать на 0,1.
Например, для 15-й грани в строку редактирования «V0» вписываем выражение «1,3*100*b» (рисунок 6.7).
Рисунок 6.7 - Окно «Настройки границы - Электростатика»
Сейчас можно задать материальные свойства полученного объекта, изображённого на рисунке 6.5. Перейдем в меню «Физика > Настройки подобласти…» (рисунок 6.8).
Рисунок 6.8 - Переход в «Настройки подобласти» меню «Физика»
Появится окно «Настройки подобласти - Электростатика». Для объекта желательно задать какой-либо материал. Для этого нажмем кнопку «Загрузить...». Появится окно «Библиотечный материал». Выберем требуемый материал для характеристики пространства между объектами аудитории и стенами этого помещения (если он имеется в библиотеке); также можно просто ввести значение относительной диэлектрической проницаемости . После этого нажимём кнопку «ОК» (рисунок 6.9).
Рисунок 6.9 - «Окно Настройки подобласти - Электростатика»
Все условия заданы, теперь нужно настроить параметры отображения результатов. Для этого откроем меню «Последующая обработка > Параметры графиков...» (рисунок 6.10).
Рисунок 6.10 - Переход в меню Последующая обработка
На экране появится окно настройки результирующих диаграмм «Параметры графиков». Перейдем на вкладку «Изоповерхность». В группе «Данные изоповерхности» в выпадающем меню «Предопределенный параметр» выберем пункт «Электрический потенциал». В группе «Уровни изоповерхности» установим большее количество уровней, нежели заданное по умолчанию, например, 20. В группе «Цветные данные» в выпадающем меню «Предопределенный параметр» выберем пункт «Электрический потенциал». Для получения более полной картины уровни изоповерхности можно раскрасить в соответствии со значениями электрического потенциала. Для этого в группе «Цвет изоповерхности» выберем пункт «Цветовая карта» (рисунок 6.11).
Рисунок 6.11 - Вкладка Изоповерхность окна Параметры графиков
Перейдем на вкладку «Линия тока». В группе «Данные линии тока» в выпадающем меню «Предопределенный параметр» выберем пункт «Электрическое поле». В группе «Стартовые точки линии тока» установим большее количество точек начала, нежели заданное по умолчанию, например, 50. Для получения более полной картины линии можно раскрасить в соответствии со значениями напряженности электростатического поля. Для этого в группе «Цвет линии тока» выберем пункт «Использовать выражение для цвета линии тока». Затем нажмём кнопку «ОК».
Для расчета и получения результата нажмем кнопку «Решить» на верхней панели инструментов (рисунок 6.12).
Рисунок 6.12 - Кнопка «Решить»
После этого мы получим картину электростатического поля (рисунок 6.13).
Рисунок 6.13 - Картина электростатического поля в приближении
Для того, чтобы узнать величину напряжённости электростатического поля или значение другой физической величины, характеризующей данное поле в конкретной точке, нужно выбрать пункт меню «Последующая обработка > Параметры графика поперечного сечения…» (рисунок 6.14).
Рисунок 6.14 - Переход в меню «Последующая обработка»
В появившемся окне «Параметры графика поперечного сечения» откроем вкладку «Точка». В группе «Y - ось данных» в выпадающем меню «Предопределённый параметр» выберем пункт «Электрическое поле, норма», а потом введём координаты искомой точки в соответствующей группе. После этого нажмём кнопку «ОК», и на экране появится окно «Фигура 1 - FEMLAB», в котором изображён график напряжённости электростатического поля в данной точке (рисунок 6.15).
Рисунок 6.15 - Окно «Фигура 1 - FEMLAB»
6.3 Анализ соответствия результатов измерений требованиям охраны труда
Исходя из требований санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, временно-допустимый уровень напряженности электростатического поля, создаваемого ПЭВМ на рабочих местах, не должен превышать 15 кВ/м за восьмичасовой рабочий день [2]. Максимальное значение напряженности электростатического поля, создаваемого от источников излучений, расположенных на первом рабочем столе компьютерной аудитории 110 корпуса «Д» Алтайского государственного технического университета имени И. И. Ползунова:
экспериментальное значение - 200 В/м; расчетное - 204 В/м.
Значение напряженности электростатического поля, создаваемого от источников излучений, расположенных на первом рабочем столе этой же дисплейной аудитории в зоне расположения оператора:
экспериментальное значение - 4 В/м; расчетное - 5,16 В/м.
Максимальное значение напряженности электростатического поля, полученное с помощью компьютерного моделирования (204 В/м), отличается от максимального значения напряженности электростатического поля, полученного на основании показаний прибора ПЗ-41 (200 В/м), на 2,04 %. Экспериментальное значение напряжённости электростатического поля в зоне расположения оператора отличается от расчётного значения напряжённости электростатического поля на 22,5 %. Отклонение между измеренным и рассчитанным значениями объясняется погрешностью прибора ПЗ-41, несоответствием координат точек измерения при экспериментальном исследовании и при задании параметров графика поперечного сечения в программе COMSOL Multiphisics и др.
Условия труда на обследованном рабочем месте соответствуют 2 классу (допустимые) в соответствии с руководством Р 2.2.2006-05.
Выводы по результатам моделирования
В рамках проведения данной дипломной работы была на практике испытана методика комплексных исследований электромагнитной обстановки, разработанная в Алтайском техническом университете им. И. И. Ползунова, на примере помещения 110 аудитории корпуса «Д». В данном помещении были обнаружены серьезные превышения установленных норм электромагнитных излучений в соответствии с СанПиН. Были выявлены зоны наибольшей электромагнитной опасности, а также электроприборы, оказывающие максимально негативное влияние на электромагнитную обстановку в помещении.
Была разработана чёткая последовательность действий при проведении измерений, позволяющая максимально эффективно использовать средства измерения и скоординировать работу с целью экономии времени.
Планируется дальнейшее совершенствование концепции комплексного контроля электромагнитной обстановки в помещениях, а также совершенствование методик реализации данной концепции.
Заключение
В рамках проведения данной дипломной работы были изучены нормативные документы, регламентирующие уровни воздействия ЭМП, виды и предельно-допустимые нормы излучения, а также физические основы построения аппаратуры для измерения параметров электромагнитного поля. Составлен перечень измерительной техники, которая имеется в России и за рубежом.
Проведён выбор необходимой аппаратуры, разработаны предложения по автоматизации процесса измерения электромагнитного поля.
Разработаны требования к технологической платформе интегрированного контроля параметров электромагнитного поля.
К преимуществам платформы можно отнести следующие:
· возможность подключения любых приборов, которые обладают внешним интерфейсом - для каждого прибора нужно разработать только соответствующий модуль, чтобы подключить его к коммутирующему блоку;
· универсальная обработка и регистрация всех сигналов на ПЭВМ (нет необходимости в отдельных программных средствах, которые предлагаются производителями каждого прибора);
· обобщение полученных данных в рамках выбранной информационной модели (исследование электромагнитной обстановки на предмет соответствия СанПиН [8 - 11]).
К недостаткам такого решения можно отнести необходимость разработки соответствующего аппаратного модуля для каждого подключаемого измерителя, а также доработки программной стороны для приборов, которые могут управляться по внешнему интерфейсу. Этот недостаток невозможно устранить до тех пор, пока промышленность не выработает единые программные и аппаратные способы управления и передачи данных для измерительных приборов рассматриваемого типа.
За счёт применения результатов дипломного проекта может быть достигнута экономия рабочего времени, затрачиваемого на проведение измерений. Как следствие, ожидается повышение продуктивности измерений.
Список использованных источников
1) Карякин, Р. Н. Основы электромагнитной совместимости [Текст]: учебник для вузов / Р.Н. Карякин, Л.В. Куликова, О.К. Никольский, А.А. Сошников, Н.Т. Герцен, Т.В. Еремина, А.А. Зайцев; под ред. Р.Н. Карякина; Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. - Изд. 2-е, перераб. - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2009. - 470 с.
2) Федорович, Г.В. Экологический мониторинг электромагнитных полей - Москва 2004. -140 с.
3) Бирюков С.В. Б 64 Физические основы измерения параметров электрических полей: Монография. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. - 111 с.
4) Средства измерений параметров магнитного поля/ Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов, В.Н. Хорев, Е.Н. Чечурина, А.П. Щелкин. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979 - 320 с. ил.
5) Лукина Е.В. Методические указания по выполнению расчетов экономического раздела дипломных работ студентов специальности «Системы автоматизированного проектирования» / АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - 37 с.
6) НТМ - Защита. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ntm.ru/center/107/7574, свободный.- Загл.с экрана.
7) Кузьминов А. Ю. Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером [Текст] / М.: Радио и связь. 2004.
8) СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы [Текст]. - Введ. 2003-06-30. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 27 с.
9) СанПиН 2.2.4-2.1.8.055-96. Излучения радиочастотного диапазона. [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - М., [2009]. - Режим доступа: http://www.vashdom.ru/sanpin/224_218055-96/, свободный. - Загл. с экрана.
10) СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ). Приложение 4 (справочное). Перечень методик расчета интенсивности электромагнитных излучений, создаваемых передающими радиотехническими объектами.
11) СанПиН 2.2.4-2.1.8.055-96 дополнение. Экранирующие материалы для изготовления средств защиты от ЭМИ РЧ в диапазоне частот 30 МГц-40 ГГц.
12) МГСН 2.03-97. Допустимые параметры электромагнитных излучений в помещениях жилых и общественных зданий и на селитебных территориях.
13) СН № 2971-84. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты.
14) СанПиН 2.2.4.1191-03. Гигиенические требования к уровню электромагнитных излучений [Текст]. - Введ. 2003-02-7. - М. : Изд-во стандартов, 2003.
15) СанПиН 2.2.4.1191-03 дополнение. Требования к коллективным и индивидуальным средствам защиты от неблагоприятного влияния ЭМП.
16) Руководство P 2.2.2006-05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда.
17) СанПиН 2.2.4.1329-03. Требования по защите персонала от воздействия импульсных электромагнитных полей.
18) СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Санитарные правила и нормы. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ).
19) Методические указания МУК 4.3.677-97 'Определение уровней электромагнитных полей на рабочих местах персонала радиопредприятий, технические средства которых работают в НЧ, СЧ и ВЧ диапазонах'.
20) Методические указания МУК 4.3.679-97 'Определение уровней магнитного поля в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов'
