Способ определения уровней низкочастотного электромагнитного излучения

Способ определения уровней низкочастотного электромагнитного излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано при определении уровней электромагнитного излучения (ЭМИ), создаваемого радиоэлектронными средствами различного назначения в полосе частот, включающей промышленную частоту 50 Гц.

Известны способы измерения ЭМИ, создаваемого средствами электронно-вычислительной, офисной и бытовой техники в процессе их функционирования [1-5], целью которых является обеспечение максимально возможной метрологической точности определения характеристик ЭМИ в интересах экспертизы электромагнитной безопасности указанных средств [6-8].

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения характеристик неионизирующего ЭМИ ЭВМ, который заключается в измерении уровней электрической напряженности поля Е, Вм; и магнитной индукции В, нТл; в двух полосах частот: 5 Гц ... 2 кГц и 2...400 кГц [3]. Известный способ позволяет определить уровни Е и В как в непосредственной близости от источника ЭМИ, так и в окружающем пространстве, чтобы затем, на основе полученных данных, провести экспертизу. Например, если речь идет о безопасности ЭВМ для здоровья пользователей, результаты измерений следует сравнить с действующими нормативами [3-6] и сделать соответствующие выводы. Если влиянием общего фона по ЭМИ (обычно определяемого ЭМИ промышленной частоты 50 Гц) в помещении, где размещены источники исследуемого ЭМИ, на результаты измерений можно пренебречь, проведение экспертизы затруднений не вызывает (предельно допустимые уровни общего фона по ЭМИ для ЭВМ приводятся в [4].

В реальных условиях уровни общего фона по ЭМИ (за счет ЭМИ промышленной частоты 50 Гц) существенно превышают нормы [4] и правильная интерпретация полученных данных встречает трудности. Например, для ЭМИ, создаваемых ЭВМ, согласно [3-6], нормами являются значения

- Е_НЧ=25 В/м и В_НЧ=250 нТл при допустимых уровнях фона Е_НФ=2 В/м и В_НФ=40 нТл в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц;

- Е_ВЧ=2,5 В/м и В_ВЧ=25 нТл при допустимых уровнях фона Е_ВФ=0,2 В/м и В_ВФ=5 нТл в полосе частот 2...400 кГц.

В то же время в помещениях, где размещены ЭВМ, за счет дефектов электропроводки, наличия других радиоэлектронных, офисных и бытовых средств, уровни общего фона достигают, соответственно, 40...100 В/м; 150...400 нТл в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц и 0,5...2 В/м; 1...1,5 нТл в полосе частот 2...400 кГц [8]. Особенно сложной при этом становится экспертиза безопасности по характеристикам Е_НЧ и B_НЧ в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц [7-8], поскольку нормы для ЭМИ ЭВМ [3-4] и ЭМИ промышленной частоты 50 Гц [5-6] не совпадают между собой.

Действительно, если приведенные уровни ЭМИ Е_НЧ и В_НЧ созданы ЭВМ, их следует считать опасными для людей - со всеми вытекающими отсюда последствиями. Однако если они создаются источниками ЭМИ промышленной частоты, их же следует признавать безопасными - поскольку, согласно [6], нормой для Е_НЧ в этом случае является 500 В/м; согласно [5] - 5000 В/м; а также согласно [5] норма для В_НЧ в течение 8-часового рабочего дня составляет 100 мкТл. Методические указания [7] ясность в ситуацию не вносят, поскольку рекомендация признавать безопасными ЭМИ, для которых разность значений Е_НЧ при включенном и выключенном оборудовании не превышает 20 В/м, не является научно обоснованной (пространственно-временная структура ЭМИ неоднородна и при выключении ЭВМ уровни Е_НЧ и В_НЧ на рабочих местах могут как уменьшаться, так и возрастать, изменяясь достаточно сложным и неоднозначным образом).

Решение проблемы состоит в разделении (расфильтровке) ЭМИ промышленной частоты 50 Гц и исследуемого ЭМИ (создаваемого ЭВМ, средствами офисной и бытовой техники) в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц, с учетом калибровочной характеристики (КХ) измерительной антенны.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения уровней исследуемого ЭМИ в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц за счет исключения влияния ЭМИ промышленной частоты 50 Гц и учета КХ измерительной антенны.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что:

1. Определение уровней исследуемого ЭМИ и уровня ЭМИ промышленной частоты f₀=50 Гц производят в четыре этапа:

- на первом этапе определяют КХ измерительной антенны и аппроксимируют ее аналитической функцией K(f);

- на втором этапе с помощью стандартного измерителя уровней ЭМИ производят измерение суммарного уровня Э исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты;

- на третьем этапе с помощью приемной антенны и анализатора частотного спектра, по спектрограмме уровней исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты, определяют их относительные энергетические уровни по формулам:

где S₀ - относительный энергетический уровень ЭМИ промышленной частоты; S_Э - относительный энергетический уровень исследуемого ЭМИ; S_0n - относительный энергетический уровень n-й гармоники ЭМИ промышленной частоты; S_Эm - относительный энергетический уровень m-й гармоники исследуемого ЭМИ; N и М - число гармоник, соответственно, ЭМИ промышленной частоты и исследуемого ЭМИ;

- на четвертом этапе уровни исследуемого ЭМИ Э_Э и ЭМИ промышленной частоты Э₀ определяют по формулам

где

2. При определении уровня ЭМИ, создаваемого ЭВМ, выступающей в качестве внешнего источника, роль анализатора частотного спектра выполняет сама ЭВМ.

На Фиг.1 представлена КХ измерительной антенны, аппроксимированная по выделенным экспериментальным точкам в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц.

На Фиг.2 приведена структурная схема аппаратурной реализации предлагаемого способа при определении ЭМИ, создаваемого внешним источником (общий случай).

На Фиг.3 приведена структурная схема аппаратурной реализации предлагаемого способа при определении ЭМИ, создаваемого ЭВМ, выступающей в качестве внешнего источника.

На Фиг.4 представлена спектрограмма ЭМИ Э, представляющего собой суперпозицию ЭМИ Э_Э и Э₀, уровни которых подлежат определению.

Устройство для реализации способа содержит измерительную антенну 1 и анализатор частотного спектра 2, который представляет собой ЭВМ с исследовательским интерфейсом DSP.

Способ осуществляется следующим образом.

1. В случае определения уровня ЭМИ, создаваемого внешним источником:

- на первом этапе, который предваряет непосредственные измерения, экспериментальным путем определяют КХ измерительной антенны в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц (см. Фиг.1) и аппроксимируют ее функцией K(f) - например, в системе Mathcad в соответствии со встроенной функцией linfit, после чего K(f) заносят в память портативной ЭВМ (note book) с интерфейсом DSP, которая выполняет роль анализатора частотного спектра (в качестве интерфейса DSP может быть использована звуковая карта Cristal 4235 на базе однокристального 16-разрядного цифрового сигнального процессора АЦП/ЦАП, встроенного в note book); в дальнейшем данные действия могут проводиться периодически: при смене или проверке измерительной антенны;

- на втором этапе с помощью стандартного измерителя уровней исследуемого ЭМИ (для ЭМИ ЭВМ - соответствующего требованиям [3]), производят измерение общего уровня исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты Э (для ЭМИ ЭВМ - напряженности электрического поля Е, В/м; магнитной индукции В, нТл, в полосе частот 5 Гц ... 2 кГц);

- на третьем этапе антенну 1 ориентируют на источник исследуемого ЭМИ (см. Фиг.2) и с помощью ЭВМ - анализатора частотного спектра 2 определяют спектрограмму уровней исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты S(f) - (Фиг.4), а затем по спектрограмме исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты определяют их относительные энергетические уровни по формулам:

где S₀ - относительный энергетический уровень ЭМИ промышленной частоты;

S_Э - относительный энергетический уровень исследуемого ЭМИ;

S_0n - относительный энергетический уровень n-й гармоники ЭМИ промышленной частоты (в спектре присутствуют нечетные гармоники);

S_Эm - относительный энергетический уровень m-й гармоники исследуемого ЭМИ;

N и М - число гармоник, соответственно, ЭМИ промышленной частоты и исследуемого ЭМИ, попадающих в полосу частот 5 Гц ...2 кГц;

K(f_0n) и К(f_Эm) - значения функции К(f), соответственно, на частотах f_0n и f_Эm;

- на четвертом этапе уровни исследуемого ЭМИ Э_Э и ЭМИ промышленной частоты Э₀ определяют по результатам измерения уровней Э (для ЭМИ ЭВМ - Е, В/м; В, нТл; на частотах 5 Гц ... 2 кГц) по формулам

- где

2. В случае определения уровня ЭМИ, создаваемого ЭВМ, выступающей в роли внешнего источника, антенна 1 ориентируется на ЭВМ (см. Фиг.3), которая в данном случае сама выполняет роль анализатора частотного спектра 2 со встроенным интерфейсом DSP. Другие действия по определению Э₀ и Э_Э аналогичны рассмотренным в п.1.

В таблице приведены экспериментальные результаты определения для ЭМИ ЭВМ по В, нТл; при наиболее часто встречающихся частотах кадровой развертки f_к (без учета и с учетом КХ измерительной антенны). Из данных таблицы видно, что учет КХ измерительной антенны увеличивает «вес» Э₀ по сравнению с Э_Э, что соответствует форме КХ, представленной на Фиг.1, и свидетельствует о повышенной метрологической точности предлагаемого способа определения уровней низкочастотного ЭМИ.

Таблица
fк, Гц	50	70	75	85	100
, %; без учета КХ измерительной антенны	81,59	51,71	61,09	95,39	44,65
, %; с учетом КХ измерительной антенны	91,36	55,78	71,13	97,90	52,81

Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и позволяет наглядно контролировать структуру исследуемых ЭМИ путем визуального анализа спектрограмм. Поскольку в качестве анализатора спектра 2 используется ЭВМ, процесс определения всех уровней ЭМИ согласно (1)-(2) легко поддается автоматизации. Учет КХ измерительной антенны позволяет оперативно и просто - только программным путем - учитывать все возможные изменения затухания в антенно-фидерном тракте.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ определения уровня низкочастотного электромагнитного излучения средств электронно-вычислительной техники // Маслов О.Н., Толмачев В.Б. Патент RU 2187825 от от 25.06.2001, опубл. 20.08.2002, бюлл. № 23.

2. Способ измерения уровней электромагнитного излучения // Маслов О.Н., Толмачев В.Б., Шакиров P.P. Патент RU 2189605 от 11.07.2001, опубл. 20.09.2002, бюлл. № 26.

3. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. М.: Минздрав России, 2003. Введены 30.06.2003, № 118.

4. ГОСТ Р 50949-96. Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерений и оценки эргономических параметров безопасности. Введен 11.09.96, №577.

5. Электромагнитные поля в производственных условиях. СанПиН 2.2.4.1191-03. М.: Минздрав России, 2003. Введены 01.05.2003, № 118.

6. Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях. МСанПиН 001-96, Госкомсанэпиднадзор России, 1996.

7. Методические материалы по измерению электромагнитных полей от видеомониторов и ПЭВМ. М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора, исх. № 12РУ/1437 от 02.09.97.

8. Маслов О.Н. Электромагнитная безопасность радиоэлектронных средств. М.: МЦНТИ, «Мобильные коммуникации», 2000. - 82 с.

1. Способ определения уровней низкочастотного электромагнитного излучения, заключающийся в том, что с помощью стандартного измерителя уровня, приемной антенны и анализатора частотного спектра производят определение уровней электромагнитного излучения, отличающийся тем, что определение уровней исследуемого электромагнитного излучения, создаваемого внешним источником, и уровня электромагнитного излучения промышленной частоты f₀=-50 Гц производят в четыре этапа: на первом этапе определяют калибровочную характеристику измерительной антенны и аппроксимируют ее аналитической функцией К(f); на втором этапе с помощью стандартного измерителя уровней электромагнитного излучения производят измерение суммарного уровня Э исследуемого электромагнитного излучения и электромагнитного излучения промышленной частоты; на третьем этапе с помощью приемной антенны и анализатора частотного спектра по спектрограмме уровней исследуемого электромагнитного излучения и электромагнитного излучения промышленной частоты определяют их относительные энергетические уровни по формулам

где S₀ - относительный энергетический уровень электромагнитного излучения промышленной частоты; S_Э - относительный энергетический уровень исследуемого электромагнитного излучения; S_0n - относительный энергетический уровень n-й гармоники электромагнитного излучения промышленной частоты; S_Эm - относительный энергетический уровень m-й гармоники исследуемого электромагнитного излучения; N и М - число гармоник соответственно электромагнитного излучения промышленной частоты и исследуемого электромагнитного излучения;

на четвертом этапе уровни исследуемого электромагнитного излучения Э_Э и электромагнитного излучения промышленной частоты Э₀ определяют по формулам

где

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении уровня электромагнитного излучения, создаваемого ЭВМ, выступающей в качестве внешнего источника, роль анализатора частотного спектра выполняет сама ЭВМ.