Индикатор магнитных полей промышленной частоты

Индикатор магнитных полей промышленной частоты

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для выбора безопасных для человека мест его жизнедеятельности, в частности в квартире, и для определения местоположения скрытой электропроводки при проведении ремонтных работ.

Известен «Индикатор уровня ЭМП промышленной частоты 50 Гц ВЕ-50И», предназначенный для измерения эффективных значений индукции магнитного поля и напряженности электрического поля промышленной частоты 50 Гц [1]. Прибор применяется для контроля электромагнитной безопасности промышленных электроустановок при проведении комплексного санитарно-гигиенического обследования жилых и производственных помещений и рабочих мест. Область применения - контроль по СанПиН 2.2.4.1191-03 и СанПиН 2.1.2.1002-00 предельно допустимых уровней электромагнитного поля промышленной частоты в производственных условиях и в жилых зданиях и помещениях. Конструктивно индикатор ВЕ-50И состоит из датчика индукции магнитного поля, датчика напряженности электрического поля, блока операционных усилителей, блока процессорной обработки сигналов, жидкокристаллического дисплея, отображающего измеренные величины, батареи аккумуляторов и блока их зарядки. Диапазон рабочих частот прибора - 45-55 Гц, диапазон измеряемых эффективных значений: индукции магнитного поля - 1-5000 мкТл и напряженности электрического поля - 0,05-50 кВ/м. Габариты устройства - 130×75×26 мм³. Цена на момент оформления заявки на изобретение - 21750 руб.

К недостаткам прибора следует отнести завышенные, по крайней мере в пять раз, начальные уровни измерения магнитной индукции и напряженности электрического поля. Покажем это на примере начального измеряемого этим прибором уровня магнитной индукции. В конце 70-х годов прошлого столетия в разных странах были проведены широкомасштабные исследования по влиянию низкочастотных (НЧ) магнитных полей (МП) на здоровье человека. Для человека НЧ МП считается безопасным, если величина его индукции не превышает 0,2 мкТл. Такая величина индукции в ряде стран установлена в качестве максимально допустимой для населения. Инициатором введения этой нормы была Швеция, в которой около 20 лет велись наблюдения за здоровьем полумиллиона человек, проживающих в условиях повышенных уровней МП промышленной частоты. Всемирная организация здравоохранения также рекомендовала величину 0,2 мкТл в качестве максимально допустимой для населения нормой индукции магнитных полей промышленной частоты. В России 15.12.2000 г. совершенно необоснованно были утверждены «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. СанПиН 2.1.2.102-00», в которых имеется следующий пункт: Индукция МП промышленной частоты 50 Гц в жилых помещениях (на расстоянии 0,2 м от стен и окон и на высоте 0,5-1,5 м от пола) не должна превышать 10 мкТл (принимается в качестве временного норматива). От величины индукции 0,2 мкТл она отличается в 50 раз. Авторы разработки СанПиН 2.2.4.1191-03 и СанПиН 2.1.2.1002-00, по-видимому, не знали, что в организме человека нет простейших ионов и более крупных заряженных частиц и молекул, взаимодействующих с магнитным полем частотой 50 Гц на фоне постоянного магнитного поля Земли (на этой частоте отсутствуют циклотронный и параметрический резонансы, стохастический резонанс и другие виды резонансов), и что бóльшую опасность для людей представляют продетектированные ими модулирующие 50 Гц биологически значимые частоты, находящиеся в диапазоне частот 0-20 Гц. В России гигиенические нормативы воздействий МП промышленной частоты на человека производятся при помощи генераторов, вырабатывающих синусоидальное напряжение (ток) частотой 50 Гц. Реальное магнитное поле промышленной частоты, воздействующее на человека, представляет амплитудно-модулированное магнитное поле. Модуляция токовой несущей частоты (50 Гц) осуществляется хаотическим подключением и отключением нагрузок к сетям переменного напряжения. Амплитуда МП в квартирах, расположенных вблизи высоковольтных ЛЭП, в течение двух часов может изменяться от 0,2 до 2,7 мкТл [2]. У потребителей электроэнергии МП состоит из несущей частоты 50 Гц, промодулированной инфранизкочастотным шумом. В организме человека содержится огромное количество нелинейных элементов, в частности биологических мембран, детектирующих амплитудно-модулированное напряжение, возникающее в тканях организма при изменении магнитной индукции во времени. Чувствительность биологических мембран к магнитным полям низких частот составляет около 10^-12 Вт/см² [3].

Биологические мембраны в отличие от полупроводниковых диодов имеют высокую степень нелинейности вольт-амперной характеристики вблизи нуля. Некоторые биологические мембраны обладают отрицательным сопротивлением [4]. Нелинейными элементами являются и биологически активные точки. Заметим, что российские нормативы на максимально допустимые низкочастотные магнитные поля определены для одной точки - 50 Гц, в то время как международные рекомендации экстраполированы на весь низкочастотный спектр [5]. Заметим, что индукция средней магнитной бури равна 0,2 мкТл. Исследования ученых Томского государственного университета и Сибирского медицинского университета в течение восемнадцати лет по влиянию магнитных полей промышленной частоты на развитие сердечно-сосудистых заболеваний, в частности показали, что относительно безопасным для здоровья населения уровнем магнитной компоненты электромагнитного поля промышленной частоты является 0,2 мкТл [6]. Таким образом, индикатор ВЕ-50И ввиду его малой чувствительности и устранения из принимаемого спектра частот модулирующих составляющих, находящихся в диапазонах частот 30-45 Гц и 55-70 Гц, не позволяет определять места, безопасные для здоровья человека. Другим недостатком прибора является высокая стоимость изделия.

Наиболее близким к заявляемому устройству по числу существенных признаков является индикатор магнитных полей промышленной частоты, содержащий автономный источник питания, датчик переменного магнитного поля, состоящий из магнитопроводящиего сердечника и катушки индуктивности, размещенной на этом сердечнике, конденсатор, включенный параллельно катушке индуктивности и образующий с ней параллельный резонансный контур, настроенный на частоту 50 Гц, усилитель переменного напряжения, вход которого через разделительный конденсатор подключен к параллельному резонансному контуру, резистивный делитель постоянного напряжения источника питания, включающий резистор переменного сопротивления, компаратор, имеющий два входа, первый из которых соединен с подвижным контактом резистора переменного сопротивления, а второй - с выходом усилителя переменного напряжения, и один выход, и состоящее из последовательно соединенных светодиода и резистора устройство световой сигнализации, вход которого соединен с выходом компаратора [7].

Данный прибор разработан для поиска скрытой электропроводки и не предназначен для определения мест в помещениях, безопасных для здоровья человека. Индикатор-прототип отфильтровывает на входе датчика магнитного поля переменные напряжения, спектры которых расположены в диапазонах частот 30-49 Гц и 51-70 Гц (модулирующие частоты несущей частоты 50 Гц и различные помехи) и которые совместно с напряжением несущей частоты преобразуются нелинейной системой человека в биологически значимые напряжения частот 1-20 Гц и которые оказывают большее влияние на человека, чем частота 50 Гц.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - расширение функциональных возможностей индикатора-прототипа.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в индикатор магнитных полей промышленной частоты, содержащий автономный источник питания, датчик переменного магнитного поля, состоящий из магнитопроводящиего сердечника и катушки индуктивности, размещенной на этом сердечнике, усилитель переменного напряжения, резистивный делитель постоянного напряжения источника питания, включающий резистор переменного сопротивления, компаратор, имеющий два входа, первый из которых соединен с подвижным контактом резистора переменного сопротивления, и один выход, и устройство световой сигнализации, вход которого соединен с выходом компаратора, дополнительно введены полосовой пропускающий фильтр с полосой пропускания 30-70 Гц, двухполупериодный выпрямитель переменного напряжения и устройство звуковой индикации, вход которого соединен с выходом компаратора, катушка индуктивности соединена с входом усилителя переменного напряжения, вход полосового пропускающего фильтра соединен с выходом усилителя переменного напряжения, вход двухполупериодного выпрямителя - с выходом полосового пропускающего фильтра, а второй вход компаратора - с выходом двухполупериодного выпрямителя, при этом уровни индукции магнитного поля, при которых происходят включения устройств световой и звуковой сигнализации, выбраны равными 0,2 мкТл и 2 мкТл на частоте 50 Гц при крайних положениях подвижного контакта резистора переменного сопротивления.

В частном случае световой сигнал, создаваемый устройством световой сигнализации, выбран мигающим с частотой мигания светового излучения, находящейся в диапазоне 2-5 Гц. В частном случае звуковой сигнал, создаваемый устройством звуковой сигнализации, выбран в виде несущей частоты, находящейся в диапазоне 1-2 кГц, модулированной частотой, равной частоте мигания светового излучения.

Функциональная схема предлагаемого индикатора магнитных полей промышленной частоты приведена на чертеже, на котором обозначено:

1 - автономный источник питания, выполненный на основе одного или двух гальванических элементов (имеющий в своем составе выключатель и индикатор разряда гальванических элементов);

2 - датчик переменного магнитного поля;

3 - усилитель переменного напряжения;

4 - полосовой пропускающий фильтр;

5 - двухполупериодный выпрямитель переменного напряжения;

6 - компаратор;

7 - устройство световой индикации;

8 - устройство звуковой индикации;

9 - резистивный делитель постоянного напряжения, в состав которого входит резистор переменного сопротивления.

Цепи питания усилителя переменного напряжения 3, полосового пропускающего фильтра 4, двухполупериодного выпрямителя переменного напряжения 5, компаратора 6 и устройств световой 7 и звуковой 8 сигнализации на чертеже не приведены.

Узлы и элементы индикатора размещаются в малогабаритном прямоугольном диэлектрическом корпусе, имеющем габаритные размеры приблизительно такие же, как и названные выше габаритные размеры индикатора-аналога «ВЕ-50И» [1]. Некоторые из элементов и узлов частично выходят через отверстия корпуса наружу (ручка выключателя, кнопка и светодиод, входящие в индикатор разряда гальванических элементов, светодиод, входящий в состав устройства световой сигнализации, динамик, ручка резистора переменного сопротивления). На верхней поверхности корпуса (через верхнюю стенку корпуса проходит ось резистора переменного сопротивления) рядом с ручкой резистора нанесена линия в виде дуги окружности, центр которой находится на оси резистора и которая расположена в секторе, на который поворачивается ручка резистора. На дуге нанесены две крайние риски и две промежуточные. На ручке нанесена одна риска, совмещаемая с крайними рисками дуги окружности при крайних положениях ручки резистора. Рядом с рисками дуги окружности нанесены значения порогов срабатывания индикатора в мкТл: 0,2; 0,5; 1,0 и 2,0. На одной из внешних боковых поверхностей корпуса нанесена стрелка, показывающая направление исследуемого магнитного поля (направление магнитного поля определяется при повороте индикатора в пространстве). По направлению магнитного поля определяется направление на источник магнитного поля.

Полоса частот детектируемого сигнала 30-70 Гц в предлагаемом устройстве выбрана потому, что в этом диапазоне находится значительная доля магнитной индукции, которая во взаимодействии с основной долей на 50 Гц создает в организме человека шумоподобные напряжения, похожие на шумоподобные колебания индукции магнитных бурь (в биологически значимом диапазоне частот 1-20 Гц). Для человека полезными являются только фликкер-шумовые колебания, у которых спектральная плотность обратно пропорциональна частоте. Не учитывая продетектированные нелинейными элементами человека составляющие мы уменьшаем измеренное значение индукции магнитного поля, отрицательно воздействующего на человека. Применяя двухполупериодное выпрямление переменного напряжения мы в два раза увеличиваем обрабатываемый сигнал.

Предлагаемый индикатор магнитных полей промышленной частоты позволяет определять безопасные для человека места его жизнедеятельности, что не позволяет осуществлять ни устройство-аналог [1], ни устройство-прототип [2[. Цена такого индикатора при его промышленном производстве не превысит 1500 руб.

Источники информации

1. Индикатор уровня ЭМП промышленной частоты 50 Гц. Руководство по эксплуатации. БВЕК43 1449.08 РЭ. ООО «НТМ-ЗАЩИТА». http://www.meteopribor.ru/emp/be50i.htm.

2. A.M.Белоусов, А.С.Бородин, А.Г.Колесник, С.А.Колесник, А.В.Соловьев. Электромагнитное загрязнение в КНЧ-диапазоне урбанизированных территорий как экологический фактор // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - №9/3. - С.193-196.

3. Н.И.Музалевская, А.В.Бобров. О возможной роли двойных электрических слоев в реакции биологических объектов на внешние воздействия // Биофизика. - 1988. Т.33. Вып.4. - С.725.

4. В.И.Гвоздев, В.В.Герасев, Б.Я.Климов. Модель биоклетки при сверхмалых дозах воздействия // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2000. - №4. - С.39-46.

5. Р.В.Афанасьев, А.А.Галкин. Крайне и очень низкие частоты электромагнитного спектра - биологическое действие и проблемы нормирования // Ежегодник Рос. нац. комитета по защите от неионизирующего излучения, Москва, 2003 г. - С.96-107.

6. А.С.Бородин, Л.П.Волкотруб, М.В.Гудина, А.Г.Колесник. Электромагнитное загрязнение урбанизированных территорий как предиктор риска сердечно-сосудистых заболеваний // Сб. трудов VI международной научно-практической конференции. Взгляд в будущее. - Ростов-на-Дону, 2010. - 456 с. (С.56-58).

7. Индикатор магнитного поля. http://cadzone.ru/content/view/496/22/ - прототип.

1. Индикатор магнитных полей промышленной частоты, содержащий автономный источник питания, датчик переменного магнитного поля, состоящий из магнитопроводящего сердечника и катушки индуктивности, размещенной на этом сердечнике, усилитель переменного напряжения, резистивный делитель постоянного напряжения источника питания, включающий резистор переменного сопротивления, компаратор, имеющий два входа, первый из которых соединен с подвижным контактом резистора переменного сопротивления, и один выход, и устройство световой сигнализации, вход которого соединен с выходом компаратора, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введены полосовой пропускающий фильтр с полосой пропускания 30-70 Гц, двухполупериодный выпрямитель переменного напряжения и устройство звуковой индикации, вход которого соединен с выходом компаратора, катушка индуктивности соединена с входом усилителя, вход фильтра соединен с выходом усилителя, вход выпрямителя - с выходом фильтра, и второй вход компаратора - с выходом выпрямителя, при этом уровни индукции магнитного поля, при которых происходят включения устройств световой и звуковой сигнализации, выбраны равными 0,2 и 2 мкТл на частоте 50 Гц при крайних положениях подвижного контакта резистора переменного сопротивления.

2. Индикатор по п.1, отличиющийся тем, что световой сигнал, создаваемый устройством световой сигнализации, выбран мигающим с частотой мигания, находящейся в диапазоне 2-5 Гц.

3. Индикатор по п.2, отличающийся тем, что звуковой сигнал, создаваемый устройством звуковой сигнализации, выбран в виде несущей частоты, находящейся в диапазоне 1-2 кГц, модулированной частотой, равной частоте мигания светового излучения.