WYBRANE ZAGADNIENIA METROLOGII PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Politechnika Śląska Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki WYBRANE ZAGADNIENIA METROLOGII PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Damian Gonscz 1) Wprowadzenie 2) Identyfikacja PEM i dobór narzędzi pomiarowych 3) Wzorcowanie mierników pól elektromagnetycznych 4) Procedury pomiarów pól elektromagnetycznych 5) Dopuszczalne poziomy i ocena wyników pomiarowych 6) Podsumowanie i wnioski

Kompatybilność wewnętrzna np. badania konstruktorskie 1. Wprowadzenie Cel pomiarów poziomów PEM ? m.in. 2004/108/WE Kompatybilność wewnętrzna np. badania konstruktorskie 2/20

Strefa bliska i daleka oddziaływań. Pole elektromagnetyczne (PEM) jako oddziaływanie zamierzone lub skutek uboczny ! Strefa bliska i daleka oddziaływań. Dla punktowego źródła pola, strefa daleka zaczyna się od x > /2, gdzie  to długość fali ( = c/f; c = 3108 m/s; f – częstotliwość oddziaływań). „Co” mierzymy w strefie bliskiej i dalekiej ?, 50 Hz ?, impedancja falowa Z = E/H ? Proces pomiaru PEM jest trudny: - tylko pomiary pośrednie, - brak możliwości detekcji organoleptycznej, - wielkość wektorowa o charakterze pulsującym lub wirującym, - konieczność uwzględnienia współrzędnych przestrzennych (x, y, z) oraz zmienności wektora w czasie t, - konieczność przyjęcia założeń upraszczających: dla 50 Hz zakłada się np. quasi-stacjonarność oddziaływań, - mała dokładność pomiarów, - Wymagana: wstępna identyfikacja medium, poprawny dobór przyrządu pomiarowego oraz „mile widziane” doświadczenie. 3/20

na ile założenia są słuszne ? ! 2. Identyfikacja PEM i dobór narzędzi pomiarowych Identyfikacja analizowanego obiektu: optymalny wybór metody i narzędzia pomiarowego. W ocenie ekspozycji zawodowej pracowników, zakłada się zwykle, że pola są wirujące harmoniczne, stacjonarne i jednorodne. Pole harmoniczne, czy odkształcone ? Problem poznawczy: na ile założenia są słuszne ? ! Analiza dokumentacji obiektu badań (EUT). Proste metody wizualizacji, np. pomiary oscyloskopowe. Brak problemu z analizą pól odkształconych dla zalecanych mierników szerokopasmowych (True RMS). Poprawne wyznaczenie wartości skutecznej np. natężenia PE lub PM jest istotne z racji odniesienia wyników do poziomów dopuszczalnych, wyrażanych zwykle w wartościach skutecznych. 4/20

Przykłady przyrządów pomiarowych: Pomiary PEM – rola kierunkowych i bezkierunkowych sond indukcyjnych oraz pojemnościowych w postaci kondensatorów powietrznych. PNT06580 zaleca stosowanie w pomiarach przyrządów bezkierunkowych, ale dopuszcza stosowanie przyrządów kierunkowych. Problem ustawienia głowicy kierunkowej w polu harmonicznym pulsującym i wirującym (błędy, które nie wynikają z toru przetwarzania) ? Różne przyrządy pomiarowe w polu bliskim i dalekim – przenoszenie narzędzi ? Przykłady przyrządów pomiarowych: Zaburzanie mierzonego medium ! 5/20

Badania na stanowiskach pracy dotyczą głównie strefy bliskiej. Podawane niepewności przyrządów dotyczą z reguły pomiarów pól jednorodnych harmonicznego. Niepewności „dobrej klasy” mirników są rzędu kilkunastu procentów i w dużej mierze zależą od konstrukcji samych detektorów. 6/20

3. Wzorcowanie mierników pól elektromagnetycznych Proces wzorcowania przyrządów do pomiarów PEM jest skomplikowany. Wzorcowanie mierników PE i PM przeprowadza się w wytworzonym wzorcowym polu elektrycznym (np. kondensator płaski) i magnetycznym (np. cewki w układzie Helmholtz’a ) o określonych parametrach. Dla obszaru: 0,2Rśr  0,8 Rśr 7/20

TEM (ang. Transverse Electromagnetic Cell) Dla strefy dalekiej: gęstość mocy mikrofalowej S [W/m2] lub wartość natężenia składowej elektrycznej pola E [V/m]. TEM (ang. Transverse Electromagnetic Cell) GTEM (ang. Gigahertz Transverse Electromagnetic Cells) 8/20

GTEM 9/20

PE i PM – strefa oddziaływań bliskich 4. Procedury pomiarów pól elektromagnetycznych PE i PM – strefa oddziaływań bliskich Pomiary związane z oceną narażeń pracowników na oddziaływania PE i PM, wykonuje się według wytycznych: Dz. U. Nr 217, poz. 1833, Dz. U. Nr 274, poz. 1621, Dz. U. Nr 21, poz. 94. BHP – jeżeli stwierdza się, że pracownicy na stanowiskach pracy mogą znajdować się w polu elektromagnetycznym, należy wykonywać okresowo pomiary natężeń PE i PM na tych stanowiskach oraz w otoczeniu urządzeń elektrycznych, będących źródłami powyższych oddziaływań. Pomiary natężeń pól należy wykonywać minimum raz w roku, jeżeli podczas ostatniego pomiaru stwierdzono występowanie strefy zagrożenia albo dodatkowo strefy niebezpiecznej; co najmniej raz na dwa lata, jeżeli podczas ostatniego pomiaru stwierdzono występowanie tylko strefy pośredniej. 10/20

Stanowiska pracy oraz piony pomiarowe: Jeżeli podczas dwóch ostatnich pomiarów PEM, wykonanych w odstępie dwóch lat, nie stwierdzono występowania stref ochronnych, można odstąpić od wykonywania pomiarów (NDN to E1 i H1) ! Stanowiska pracy oraz piony pomiarowe: Pomiary na wysokości ok. 0,7 m i 1,4 m Rozkłady PEM, obszary i piony SP Rzeczywisty poziom oddziaływań polowych na SP jest superpozycją oddziaływań, pochodzących od wszystkich źródeł pola, znajdujących się w otoczeniu badanego obszaru – (pomijany wpływ tła; różne źródła oddziaływań). 11/20

PEM – strefa oddziaływań dalekich Pomiary zwykle wykonuje się w paśmie 30 MHz ÷ 1 GHz. Stanowisko pomiarowe wg np. PN–EN 55011: 2012: Urządzenia z grupy 2 i klasy A (m.in. grzejnictwo indukcyjne) 12/20

PE i PM – strefa oddziaływań bliskich 5. Dopuszczalne poziomy i ocena wyników pomiarowych PE i PM – strefa oddziaływań bliskich Poziomy natężeń PE i PM (wartości skuteczne) dla środowiska pracy: PE 13/20

PEM w. cz. w środowisku pozaprzemysłowym – strefy ochronne. PM Funkcjonalność niektórych przyrządów pomiarowych – np. progi stref ochronnych. Strefa pozaprzemysłowa (Dz. U. Nr 192, poz. 1883) – dla częstotliwości 50 Hz, wartości natężenia PM, w którym można bezpiecznie przebywać, wynosi 60 A/m, zaś dla PE, odpowiednio 10 kV/m dla miejsc dostępnych dla ludzi oraz 1 kV/m dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową. PEM w. cz. w środowisku pozaprzemysłowym – strefy ochronne. 14/20

Wielkością charakterystyczną w ocenie narażeń przemysłowych jest doza rzeczywista DX(f) (indeks x odnosi się do parametru PE lub PM), określająca ekspozycję pracownika w polu, podczas wykonywania czynności w czasie zmiany roboczej (PNT06580: 2002). Doza jest istotna jeżeli na SP mogą występować różne poziomy natężeń pola w różnych przedziałach czasu, zwłaszcza jeżeli łączny czas pracy jest > 8 h. 15/20

Doza rzeczywista jest sumą doz chwilowych dxk,m(f), rozpatrywanych dla k przedziałów czasowych ekspozycji i w m pionach SP, w których w czasie zmiany przebywa pracownik: Doza chwilowa: gdzie: Xk,m(f) – np. wartość natężenia pola elektrycznego lub magnetycznego, w k-tym przedziale czasu ekspozycji dla m-tego pionu pomiarowego (m-tego stanowiska SP), tk,m – k-ty przedział czasu oddziaływania pola na pracownika dla m-tego pionu pomiarowego. Wskaźnik ekspozycji dla dozy rzeczywistej, dotyczący pola PE lub PM: ? 16/20

Zakres częstotliwości PEM Ekspozycja dopuszczalna jeżeli WX  1 oraz ekspozycja nadmierna dla WX > 1. Pełna analiza: W = WE + WH. Dopuszczalny czas ekspozycji dla stanowisk pracy – znajomości wartości natężeń PE lub PM: Dopuszczalne poziomy PEM w miejscach dostępnych dla ludzi (środowisko pozaprzemysłowe): Zakres częstotliwości PEM Składowa elektryczna Składowa magnetyczna Gęstość mocy 0 Hz 10 kV/m 2500 A/m - od 0 Hz do 0,5 Hz od 0,5 Hz do 50 Hz 60 A/m od 0,05 kHz do 1 kHz 3/f A/m od 0,001 MHz do 3 MHz 20 V/m 3 A/m od 3 MHz do 300 MHz 7 V/m od 300 MHz do 300 GHz 0,1 W/m2 17/20

6. Podsumowanie i wnioski Wstęp do pomiarów PEM – analiza szeregu aspektów natury prawnej oraz technicznej. Aktualność tematyki – opracowywanie nowych narzędzi do pomiaru PEM: zwiększenie precyzji pomiarów oraz poprawna identyfikacja mezurandu. Kontrowersje w badaniach środowiskowych – trudność w ustaleniu poziomów pól aktywnych biologicznie oraz nie do końca znane skutki oddziaływań PEM na organizmy żywe. Obiekty 50 Hz – rozdzielnie, stacje trafo. (PM do kilkunastu µT) oraz linie niskiego, średniego i wysokiego napięcia (PE dla linii 110 kV ma wartość do 3 kV/m), nie są z reguły przedmiotem obaw ze strony osób związanych zawodowo z obsługą tych urządzeń. PEM w. cz. – narażenia można oceniać wyłącznie pomiarowo – modelowanie komputerowe nie zawsze jest poprawnym odniesieniem do rzeczywistości. Ograniczanie ekspozycji – technika ekranowania; oznakowanie stref ochronnych; archiwizacja dokumentacji z badań (protokoły). 18/20

Literatura 1. Aniołczyk H.: Pola elektromagnetyczne – źródła, oddziaływanie, ochrona. Instytut Medycyny Pracy, Łódź, 2000, 296 str. 2. Baron B., Gonscz D., Kolańska-Płuska J., Bartuchowski T.: Two-dimensional magnetic field nearby the low voltage power line. Rozdział monografii, Alwers, Poznań, 2006, s. 62÷71. 3. Tumański S.: Czujniki pola magnetycznego – stan obecny i kierunki rozwoju. Przegląd Elektrotechniczny, Sigma NOT, Warszawa, 2/2004, s. 74÷80. 4. Norma PNT06580: 2002: Ochrona pracy w polach i promieniowaniu elektromagnety- cznym o częstotliwości od 0 Hz do 300 GHz (część 1: Terminologia, część 3: Metody pomiaru i oceny pola na stanowisku pracy), zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej (Dz. U. Nr 79, poz. 513, z dnia 17.06.1998 r. oraz DU Nr 4, poz. 36 z dnia 02.01.2001 r.). 5. Skubis T., Gonscz D.: The directionalless instrument for the periodical magnetic field analysis. Mat. konf. IMTC, Como, Italy, 2004, s. 818÷821. 6. Gonscz D.: Analiza i pomiary pól magnetycznych w otoczeniu elektrycznych urządzeń przemysłowych dużej mocy. Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 53, nr 12/2007, s. 8587. 19/20

7. Gonscz D.: Ekspozycja pracowników w polu elektrycznym i magnetycznym w otoczeniu urządzeń elektroenergetycznych. Mat. Konferencji Naukowo-Technicznej „Badania eksploatacyjne, pomiary oraz diagnostyka w elektroenergetyce zawodowej i przemyśle”, Ustroń 8 ÷ 9. 10. 2009 (str. 135  144). 8. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29.11.2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 217 z dnia 18.12.2002 r., poz. 1833). 9. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 16. 12. 2011 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 274, poz. 1621). 10. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 2.02.2011r. w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 21, poz. 94). 11. Norma PN–EN 55011: 2012: Urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne. Charakterystyki zaburzeń o częstotliwości radiowej. Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru, opublikowanej przez PKN dnia 23. 05. 2012r. 12. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30.10.2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192 z dnia 14.11.2003 r., poz. 1883). 13. Groszko M.: Polskie przepisy o najwyższych dopuszczalnych natężeniach pól elektrycznych i magnetycznych częstotliwości 50 Hz oraz wytyczne Wspólnoty Europejskiej w zastosowaniu do elektroenergetyki. Medycyna Pracy, vol. 54, nr 2/2003, s. 175÷179. 20/20