Способ определения безопасности электромагнитного фона

Способ определения безопасности электромагнитного фона

Реферат

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения безопасности для окружающей среды суммарного уровня электромагнитного излучения (ЭМИ) - электромагнитного фона, создаваемого радиоэлектронными средствами (РЭС) различного назначения в полосе частот от 5 Гц до 300 ГГц.

Известны методы измерения и оценки безопасности для окружающей среды уровней ЭМИ, создаваемых РЭС различного назначения (передающие технические средства телевидения и ЧМ радиовещания; станции подвижной и спутниковой радиосвязи; промышленное оборудование; абонентские терминалы систем сотовой и спутниковой радиосвязи; средства электронно-вычислительной, офисной и бытовой техники, электрические сети и цепи промышленной частоты 50 Гц и др.) в процессе их функционирования, - в интересах экспертизы безопасности указанных отдельных видов радиоэлектронных средств и оборудования [1-11].

Наиболее близким по технической сущности является способ определения безопасности группы N источников ЭМИ [2] (прототип предлагаемого изобретения), в основу которого положены две операции:

- определение уровня ЭМИ, эквивалентного суммарному уровню ЭМИ группы, состоящей из N РЭС, для которых установлены одинаковые предельно допустимые уровни (ПДУ) ЭМИ, с последующим сравнением их с ПДУ для напряженности поля Е_ПДУ (на частотах 0,3-300 МГц) и плотности потока энергии (ППЭ) в единицу времени ППЭ_ПДУ (на частотах 0,3-300 ГГц):

или

где E_n - напряженность электрического поля на частотах 0,3…300 МГц; ППЭ_n - плотность потока энергии на частотах 0,3…300 ГГц, создаваемые n-м источником в группе РЭС, n [1; N];

- определение для группы, состоящей из N РЭС, работающих в диапазонах частот с разными значениями ПДУ, критерия безопасности КБ вида:

где N₁ - число РЭС в диапазоне 0,3…300 МГц; N₂ - число РЭС в диапазоне 0,3…300 ГГц; N=N₁+N₂ - общее число РЭС.

В случае выполнения условий (1)-(2) объект (группа РЭС) признается безопасным для окружающей среды по фактору ЭМИ, в случае невыполнения - считается небезопасным.

Недостатки прототипа состоят в следующем.

1. С помощью (1) эквивалентные уровни ЭМИ могут быть введены только для узкополосных сигналов, отвечающим условию Δf/f₀≤0,1; где Δf - занимаемая сигналом полоса частот; f₀ - центральная частота спектра сигнала, тогда как фон по ЭМИ занимает полосу частот от 5 Гц до 300 ГГц и не является узкополосным.

2. Составляющие фона по ЭМИ с шумовой (квазишумовой, шумоподобной) структурой характеризуются средними уровнями спектральной фоновой плотности напряженности электрического поля: S_E, В/м (Гц)^0,5, магнитного поля: S_H, А/м (Гц)^0,5 или ППЭ: S_П, Вт/м² Гц, что делает невозможной оценку их безопасности с помощью (1)-(2).

3. При вычислении КБ согласно (2) не учитываются уровни ЭМИ с частотами ниже 3 кГц (50 Гц; 5…2000 Гц; 2…400 кГц), для которых согласно [8-11] определены значения Е_ПДУ, В/м; Н_ПДУ, А/м; и плотности магнитного потока В_ПДУ, нТл.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности определения безопасности фона по ЭМИ за счет учета всех его составляющих в полосе частот от 5 Гц до 300 ГГц, включая ЭМИ промышленной частоты 50 Гц и ЭМИ сигналов, не являющихся узкополосными. Дополнительным результатом является возможность учета при определении безопасности фона по ЭМИ сигналов, которые характеризуются средними уровнями спектральной фоновой плотности - напряженности электрического поля S_E, В/м (Гц)^0,5, магнитного поля S_H, А/м (Гц)^0,5 или ППЭ: S_П, Вт/м² Гц, в том числе имеющих шумовую (квазишумовую, шумоподобную) структуру.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

1. Область частот 30 кГц…300 ГГц разделяется на М=7 декадных поддиапазонов, внутри каждого из которых имеется K=24 частотных участка с перекрытием на одну декаду: каждый такой участок имеет ширину Δf_k=f_2k-f_1k с центральной частотой f_0k=(f_1k+f_2k)/2, k [1; K], так, что для него выполняется условие K_f=Δf_k/f_0k≤0,1. Это позволяет представить реальный фон по ЭМИ в виде совокупности N дискретных монохроматических составляющих эквивалентного фона, обладающих той же энергией воздействия на биорецепторы ЭМИ, что и реальный фон.

2. В таблице 1 представлены расчетные значения нормированных коэффициентов F_1k; F_2k и F_0k, предназначенных для определения частот дискретных составляющих эквивалентного фона по ЭМИ в частотном диапазоне 30 кГц…300 ГГц. Индексы 1; 2 и 0 здесь относятся, соответственно, к нижним f_1k; верхним f_2k и центральным f_0k частотам каждого из К=24 участков поддиапазона с перекрытием на одну декаду. Из таблицы 1 видно, что последний 24 участок предыдущего поддиапазона совпадает с первым участком последующего поддиапазона, что обеспечивает непрерывность при переходе от одного декадного поддиапазона к другому внутри общего диапазона частот 30 кГц…300 ГГц. Поскольку число декадных поддиапазонов равняется М=7, максимальное число монохроматических составляющих эквивалентного фона по ЭМИ (с учетом перекрытия крайних участков декадных поддиапазонов) есть М (K-1)=161. Согласно данным таблицы 1 среднее для всех n [1; 24] участков декадного поддиапазона значение K_f=Δf_k/f_0k=0,1.

Таблица 1
Нормированные коэффициенты для определения частот дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона в М=7 декадных поддиапазонах
k	F1k	F2k	F0k
1	3,0	3,3	3,15
2	3,3	3,7	3,5
3	3,7	4,1	3,9
4	4,1	4,5	4,3
5	4,5	4,9	4,7
6	4,9	5,5	5,2
7	5,5	6,0	5,75
8	6,0	6,7	6,35
9	6,7	7,3	7,0
10	73	8,1	7,7
11	8,1	9,0	8,5
12	9,0	10,0	9,5
13	10,0	11,0	10,5
14	11,0	12,0	11,5
15	12,0	13,0	12,5
16	13,0	15,0	14,0
17	15,0	16,0	15,5
18	16,0	18,0	17,0
19	18,0	20,0	19,0
20	20,0	22,0	21,0
21	22,0	24,0	23,0
22	24,0	27,0	25,5
23	27,0	30,0	28,5
24	30,0	33,0	31,5

3. Переход от нормированных коэффициентов F_1k, F_2k и F_0k к реальным частотам f_1k, f_2k и f_0k для любого из М поддиапазонов в составе общего диапазона частот 30 кГц…300 ГГц производится по формулам f_1k=К_М F_1k, f_2k=К_М F_2k, f_0k=К_М F_0k, где значения и размерность коэффициента К_М берутся из таблицы 2.

Таблица 2
Значения и размерность коэффициента КМ для разных поддиапазонов в пределах диапазона частот 30 кГц…300 ГГц
№ п/п	Декадный поддиапазон	Коэффициент КМ
1	30…300 кГц	10 кГц
2	0,3…3 МГц	0,1 МГц
3	3…30 МГц	1 МГц
4	30…300 МГц	10 МГц
5	0,3…3 ГГц	0,1 ГГц
6	3…30 ГГц	1 ГГц
7	30…300 ГГц	10 ГГц

4. Поскольку каждый из М(К-1)=161 частотных участков с номером k отвечает условию K_f=Δf_k/f_0k≤0,1, в его пределах фон по ЭМИ можно считать узкополосным сигналом и заменить его эквивалентным монохроматическим сигналом с уровнем

или

где k - номер частотного участка; k [1; K]; K=24; n - номер РЭС из общего числа n [1; N] РЭС, размещенных в пределах k-го участка. Это позволяет представить реальный фон по ЭМИ в виде совокупности М (K-1)=161 дискретных монохроматических составляющих эквивалентного фона (3), обладающих той же энергией воздействия на биорецепторы ЭМИ, что и реальный фон, и по аналогии с (2) оценить безопасность ЭМИ в полосе частот 30 кГц…300 ГГц по критерию

где n - номер составляющей эквивалентного фона из числа N_1Э таких составляющих в диапазоне 0,3…300 МГц; m - номер составляющей эквивалентного фона из числа N_2Э таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N_Э=N_1Э+N_2Э - общее число составляющих эквивалентного фона; N_Э≤M (K-1).

5. Для ЭМИ промышленной частоты 50 Гц нормативными документами [8-9] для напряженности электрического поля Е₅₀, В/м определен ПДУ Е_ПДУ50, В/м; и для напряженности магнитного поля Н₅₀, А/м определен ПДУ Н_ПДУ50, А/м. Тогда, также по аналогии с (2), можно оценить безопасность ЭМИ частоты 50 Гц по критерию

6. Для ЭМИ в полосе частот 5 Гц…30 кГц ведомственными нормативными документами [7-11] для напряженности электрического поля n-го источника Е_Вn, В/м определены ПДУ Е_ПДУВn, В/м; и для напряженности магнитного поля H_Bn, А/м определены ПДУ Н_ПДУВn, А/м. Тогда, по аналогии с (4), можно оценить безопасность ЭМИ в полосе частот 5 Гц…30 кГц по критерию

где n [1; N] - число источников ЭМИ в полосе частот 5 Гц…30 кГц.

7. Для ЭМИ, создаваемого ЭВМ, нормативными документами [10-11] в полосе частот 5…2000 Гц для напряженности электрического поля Е_ЭНЧ, В/м определен ПДУ Е_{ПДУ ЭНЧ}, В/м; для плотности магнитного потока В_ЭНЧ, нТл определен ПДУ В_{ПДУ ЭНЧ}, нТл. В полосе частот 2…400 кГц для напряженности электрического поля Е_ЭВЧ, В/м определен ПДУ Е_{ПДУ ЭВЧ}, В/м; для плотности магнитного потока В_ЭВЧ, нТл определен ПДУ В_{ПДУ ЭВЧ}, нТл. Тогда, по аналогии с (5), можно оценить безопасность ЭМИ ЭВМ по критерию

8. Считая, что суммарный фон по ЭМИ состоит из ЭМИ в полосе частот 30 кГц…300 ГГц, ЭМИ промышленной частоты 50 Гц и ЭМИ ЭВМ, степень его безопасности, по аналогии с (2), определяется по критерию

9. Для ЭМИ каждого n-го шумового сигнала, в пределах каждого k-го занимаемого частотного участка из общего числа М(N-1) участков в полосе частот 30 кГц…300 ГГц, уровни и ППЭ_n, фигурирующие в (3), а также уровень определяются по формулам если известна фоновая плотность шума , и ППЭ_n=S_ПΔf, если известна фоновая плотность шума S_П, а также если известна фоновая плотность шума , после чего коэффициент КБ_Ш согласно общей схеме (4)-(8) находится как

где n - номер составляющей фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N_1Э таких составляющих в диапазоне 0,3…300 МГц; m - номер составляющей фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N_2Э таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N_Э=N_1Э+N_2Э - общее число составляющих фона, эквивалентного шумовому сигналу; N_Э≤M(K-1).

Критерий оценки безопасности суммарного фона по ЭМИ (9) с учетом присутствия шумовых (квазишумовых, шумоподобных) сигналов принимает вид

Предлагаемый способ оценки реализуется следующим образом:

- область частот 30 кГц…300 ГГц разделяют на М=7 поддиапазонов, каждый из которых делят на K=24 частотных участка с перекрытием К_f=Δf_k/f_0k≤0,1; где Δf_k=f_2k-f_1k - ширина участка, f_0k=(f_1k+f_2k)/2 - центральная частота, k [1; K];

- для каждого k-го участка определяют уровень дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона согласно (1) по формулам

или

где n - номер радиоэлектронного средства из общего числа n [1; N] радиоэлектронных средств, размещенных в пределах k-го участка, для всех М (K-1)=161 дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона в области частот 30 кГц…300 ГГц;

- определяют для области частот 30 кГц…300 ГГц коэффициент безопасности электромагнитного фона KБ_MN по формуле

где n - номер дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона из числа N_1Э таких составляющих в диапазоне 0,03…300 МГц; m - номер дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона из числа N_2Э таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N_Э=N_1Э+N_2Э≤М (K-1) - общее число дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона;

- определяют для источников электромагнитного излучения на промышленной частоте 50 Гц коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ₅₀ по формуле

где Е₅₀, В/м и Е_{ПДУ 50}, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля; Н₅₀, А/м и Н_{ПДУ 50}, А/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности магнитного поля на частоте 50 Гц;

- определяют для источников электромагнитного излучения в полосе частот 5 Гц…30 кГц коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ_В по формуле

где Е_Вn, В/м и Е_{ПДУ Bn}, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля для n-го источника; H_Bn, А/м и Н_{ПДУ Bn}, А/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности магнитного поля для n-го источника; n [1; N] - число источников в полосе частот 5 Гц…30 кГц;

- определяют для электромагнитного излучения ЭВМ коэффициенты безопасности электромагнитного фона КБ_НЧ и КБ_ВЧ по формулам

где Е_ЭНЧ, В/м и Е_ПДУЭНЧ, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля для ЭВМ в полосе частот 5…2000 Гц; В_ЭНЧ, нТл и В_ПДУЭНЧ, нТл - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение плотности магнитного потока для ЭВМ в полосе частот 5…2000 Гц; Е_ЭВЧ, В/м и Е_ПДУЭВЧ, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля для ЭВМ в полосе частот 2…400 кГц; В_ЭВЧ, нТл и В_ПДУЭВЧ, нТл - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение плотности магнитного потока для ЭВМ в полосе частот 2…400 кГц;

- для каждого n-го источника шумового электромагнитного излучения в пределах k-го занимаемого частотного участка из общего числа М(N-1) участков в полосе частот 30 кГц…300 ГГц определяют уровни дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона по формулам: если известна фоновая плотность шума по напряженности электрического поля ,

Δf_n, если известна фоновая плотность шума по напряженности магнитного поля , ППЭ_n=S_ПΔf, если известна фоновая плотность шума по плотности потока энергии в единицу времени S_П,

- определяют для суммарного шумового электромагнитного излучения в полосе частот 30 кГц…300 ГГц коэффициент безопасности КБ_Ш по формуле

где n - номер дискретной составляющей электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N_1Э таких составляющих в диапазоне 0,03…300 МГц; m - номер дискретной составляющей электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N_2Э таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N_Э=N_1Э+N_2Э≤М (K-1) - общее число дискретных составляющих электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу;

- критерий безопасности КБ суммарного электромагнитного фона определяют по формуле

КБ=КБ_MN+КБ₅₀+КБ_В+КБ_ЭНЧ+КБ_ЭВЧ+КБ_Ш≤1.

Таким образом, в отличие от прототипа, данный критерии безопасности учитывает все составляющие фона по ЭМИ в полосе частот 5 Гц…300 ГГц, для которых нормативными документами определены или могут быть определены значения ПДУ. Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и легко поддается автоматизации, поскольку данные, необходимые для расчета коэффициентов КБ_МN; КБ₅₀; КБ_В; КБ_ЭНЧ; КБ_ЭВЧ и КБ_Ш могут быть получены непосредственно при компьютерной обработке результатов измерений уровней ЭМИ для разных РЭС, формирующих фон по ЭМИ.

Литература

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

2. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. - М.: Минздрав России, 2003.

3. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03. - М.: Минздрав России, 2003.

4. Электромагнитные поля в производственных условиях. СанПиН 2.2.4.1191-03. - М.: Минздрав России, 2003.

5. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. СанПиН 2.2.2.542-96. - М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996.

6. Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи. МУК 4.3.1677-03. - М.: Минздрав России, 2003.

7. Гигиеническая оценка электромагнитных полей, создаваемых радиостанциями сухопутной подвижной радиосвязи, включая абонентские терминалы спутниковой связи. МУК 4.3.1676-03. - М.: Минздрав России, 2003.

8. Санитарные нормы и правила выполнения работ в условиях воздействия электрических полей промышленной частоты (50 Гц). СНиП №5802-91, Госкомсанэпиднадзор РФ, 1993.

9. Переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях. СанПиН 2.2.4.723-98. Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава РФ, 1999.

10. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. СанПиН 2.2.2.542-96. - М.: Госкомсанэпиднадзор РФ, 1996.

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

Способ определения безопасности электромагнитного фона, заключающийся в том, что измеряются уровни составляющих фона: E_n - напряженность электрического поля в диапазоне частот 0,03÷300 МГц, где задано предельно-допустимое значение Е_ПДУN, и ППЭ_n - плотности потока энергии в единицу времени в диапазоне частот 0,3÷300 ГГц, где задано предельно-допустимое значение ППЭ_пду, создаваемые n-ым источником в группе радиоэлектронных средств, n [1; N], и определяются дискретные эквивалентные уровни E_N и ППЭ_N по формулам или ;после чего безопасности фона соответствует выполнение условия ;где N₁ - число радиоэлектронных средств в диапазоне 0,03÷300 МГц, N[1, N₁];N₂ - число радиоэлектронных средств в диапазоне 0,3÷300 ГГц, m [1; N₂], общее число радиоэлектронных средств N₁+N₂,отличающийся тем, что область частот 30 кГц÷300 ГГц разделяют на М=7 поддиапазонов, каждый из которых делят на К=24 частотных участка с перекрытием K_f=Δf_k/f_0k≤0,1; где Δf_k=f_2k-f_1k - ширина участка, f_0k=(f_1k+f_2k)/2 - центральная частота, k [1; К];для каждого k-го участка определяют уровень дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона по формулам или ,где n - номер радиоэлектронного средства из общего числа n [1; N] радиоэлектронных средств, размещенных в пределах k-го участка, для всех М (К-1)=161 дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона в области частот 30 кГц÷300 ГГц;определяют для области частот 30 кГц÷300 ГГц коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ_MN по формуле ,где n - номер дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона из числа N_1Э таких составляющих в диапазоне 0,03÷300 МГц; m - номер дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона из числа N_2Э таких составляющих в диапазоне 0,3÷300 ГГц; N_э=N_1э+N_2э≤М (К-1) - общее число дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона;для источников электромагнитного излучения на промышленной частоте 50 Гц измеряют уровни напряженности электрического поля E₅₀, В/м, магнитного поля H₅₀, А/м, и определяют коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ₅₀ по формуле ,где Е_{пду 50}, В/м и Н_{пду 50}, А/м - предельно-допустимые значения напряженности соответственно электрического поля и магнитного поля на частоте 50 Гц;для источников электромагнитного излучения в полосе частот 5 Гц÷30 кГц измеряют уровни напряженности электрического поля Е_Bn, В/м, магнитного поля H_Bn, А/м, и определяют коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ_B по формуле ,где Е_{ПДУ Bn}, В/м и Н_{пду Bn}, А/м - предельно-допустимые значения напряженности электрического соответственно электрического и магнитного поля для n-го источника; n [1; N] - число источников в полосе частот 5 Гц÷30 кГц;- для электромагнитного излучения ЭВМ измеряют уровни напряженности электрического поля Е_энч, В/м, и плотности магнитного потока В_энч, нТл, в полосе частот 5÷2000 Гц; уровни напряженности электрического поля Е_эвч, В/м и плотности магнитного потока В_энч, нТл в полосе частот 2÷400 кГц, и определяют коэффициенты безопасности электромагнитного фона КБ_НЧ и КБ_вч по формулам где Е_{ПДУ энч}, В/м и В_{пду энч}, нТл - предельно-допустимые значения соответственно напряженности электрического поля и плотности магнитного потока для электромагнитного излучения ЭВМ в полосе частот 5÷2000 Гц; E_{пду эвч}, В/м и В_{пду эвч}, нТл, - предельно-допустимые значения соответственно напряженности электрического поля и плотности магнитного потока для электромагнитного излучения ЭВМ в полосе частот 2÷400 кГц;для каждого n-го источника шумового электромагнитного излучения в пределах k-го занимаемого частотного участка шириной Δf_n из общего числа M (N-1) участков в полосе частот 30 кГц÷300 ГГц измеряют уровни фоновой плотности шума по напряженности электрического поля , В/м (Гц)^0,5, и по напряженности магнитного поля , А/м (Гц)^0,5, в полосе частот 0,03÷300 ГГц измеряют уровни фоновой плотности шума по плотности потока энергии в единицу времени S_П, Вт/м² Гц, в полосе частот 0,3÷300 ГГц определяют уровни дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона по формулам: для измеренной фоновой плотности шума по напряженности электрического поля , для измеренной фоновой плотности шума по напряженности магнитного поля , ППЭ_n=S_ПΔf_n для измеренной фоновой плотности шума по плотности потока энергии в единицу времени S_П,определяют для суммарного шумового электромагнитного излучения в полосе частот 30 кГц÷300 ГГц коэффициент безопасности КБ_Ш по формуле ,где n - номер дискретной составляющей электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N_1э составляющих в диапазоне 0,03÷300 МГц; m - номер дискретной составляющей электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N_2э таких составляющих в диапазоне 0,3÷300 ГГц; N_э=N_1э+N_2э≤М (К-1) - общее число дискретных составляющих электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу;критерий безопасности КБ суммарного электромагнитного фона определяют по формулеКБ=КБ_MN+КБ₅₀+КБ_В+КБ_энч+КБ_Эвч+КБ_Ш≤1.