Двухэтапный метод измерения, визуализации и идентификации источников переменных электромагнитных полей путём картирования и спектрального анализа

Актуальность

В современных условиях научно-технического прогресса в результате развития различных видов энергетики и промышленности электромагнитные излучения (далее – ЭМИ) занимают одно из ведущих мест по своей экологической и производственной значимости среди других факторов окружающей среды. Поэтому появилась крайняя необходимость принятия обязательных мер для обеспечения безопасности жизнедеятельности человека и определения мер защиты от ЭМИ.

И в быту, и в процессе трудовой деятельности (учёбы) человека окружают разнообразные технические средства, электрические кабели и розетки, создающие электромагнитные поля (далее – ЭМП), которые обладают различными пространственно-временными характеристиками. В настоящее время источники ЭМП получают всё более широкое распространение как в производственных, так и в бытовых условиях, создавая все большую опасность для здоровья населения.

Используемые обычно методики для аттестации условий труда не дают полной картины распределения ЭМП различной природы в помещении. Присутствует необходимость не только выявлять места с повышенным уровнем ЭМП, но также знать причины и источники, их вызывающие.

В связи с этим был разработан двухэтапный метод визуализации (картирования по площади) и изучения природы переменных ЭМП (спектральный анализ) с целью точной идентификации источников ЭМИ.

Цель

Разработать двухэтапный метод измерения и визуализации уровня электромагнитного «загрязнения» стандартного школьного кабинета путём картирования и идентификации источников действующих переменных ЭМП с помощью спектрального анализа в различных частотных диапазонах.

Задачи

Этап 1

1. Изучить и проанализировать информацию о свойствах и влиянии электромагнитных полей на человека и провести анализ технических характеристик устройств для измерения переменных ЭМП и принципы их работы.
2. Разработать методику картирования переменных ЭМП применительно к стандартному школьному кабинету и провести замеры параметров низкочастотного и высокочастотного магнитного и электрического полей по разработанной методике.
3. Провести обработку полученных данных с помощью компьютерной программы OriginPro и визуализировать данные, построив карты распределения ЭМП.
4. Определить места повышенного фона ЭМП, сравнив с наличием возможных источников ЭМИ в классе, и максимальные значения ЭП и МП в низкочастотном и высокочастотном диапазонах, сравнив их с регламентирующими нормами СанПиН и ГН).

Этап 2

1. Изучить основы теории измерения и анализа спектра и провести анализ технических характеристик и принципов работы спектроанализаторов.
2. Выявить особенности измерений с анализаторами спектра, применяемыми в работе, и подобрать частотные диапазоны и оптимальные параметры для измерений спектров в этих диапазонах частот.
3. Провести измерения спектров в различных областях класса, характеризующихся повышенными значениями ЭМП, выявленными на 1-м этапе, обработать и проанализировать полученные данные с помощью специализированного программного обеспечения для анализа спектров MCS Spectrum Analyzer.
4. Проанализировать выявленные частоты ЭМП и идентифицировать соответствующие им источники ЭМИ, предложить организационные меры защиты от ЭМИ или уменьшения степени их влияния на находящихся в помещении людей.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным ПО
• Высокочастотный анализатор спектра Aaronia AG SPECTRAN HF-6080
• Антенна Aaronia AG HyperLOG 6080
• Низкочастотный анализатор спектра Aaronia AG SPECTRAN NF-5020
• Измеритель уровня электромагнитного фона (поля) АКТАКОМ ATT-2592
• Индикатор электромагнитных полей SOEKS Импульс
• EMF Meter Gigahertz Solutions ME-3030B
• CORNET Microsystem ED78S RF/LF

Описание

На начальном этапе авторы познакомились с литературными источниками по теме исследований, выбрали оборудование для выполнения исследования, проанализировали технические характеристики оборудования и принципы работы с ним.

Далее распределили работу на два этапа.

На первом этапе автор провёл картирование низкочастотного ЭП. Измерил размер класса с помощью рулетки и лазерного дальномера. Разбил площадь класса (12×6 м) на равномерную сеть квадратов 0,5×0,5 м (24×12 квадратов). Измерил уровень ЭМП в центре каждого квадрата сети и на одинаковой высоте – 0,8 м, соответствующей средней высоте сидящего за партой ученика. Во время измерений данные фиксировались в таблице Microsoft Excel. Для визуализации экспериментальных данных использовалась программа OriginPro  (OriginLab Corporation).

Причиной увеличения результатов измерений ЭП на графиках низкочастотных измерений являются предположительно розетки, кабели и большое скопление приборов и устройств на столе преподавателя, излучающие ЭП.

Причиной увеличения результатов измерений МП на графиках высокочастотных измерений предположительно является некоторое коммутационно-распределительное устройство системы «Умное тепло» со стороны коридора, чьё содержание предположительно и излучает МП даже внутрь помещения класса.

На втором этапе авторы выполнили спектральный анализ ЭМП. В ходе 1 этапа в классе были выявлены 3 области, где наблюдается повышение ЭМП (см. рисунок плана класса слева): 1-я область (обозначена синим цветом и цифрой 4) – повышение низкочастотного ЭП, 2-я область (обозначена зелёным цветом и цифрой 5) – повышение высокочастотного ЭМП, 3-я область (обозначена красным цветом и цифрой 6) – повышение низкочастотного МП. В двух режимах: как в неподключённом к ноутбуку состоянии, так и подключённом к ноутбуку с управлением через специализированное программное обеспечение и передачей данных по высококачественному USB-кабелю c экранировкой.

Результаты обрабатывались в программе MCS Spectrum Analyzer 2.1.6: производилось построение и анализ спектров, определялись частоты и соответствующие им значения полей основных пиков спектров.

Существенный вклад вносят высокочастотные поля, связанные с телевизионным вещанием, мобильной связью (например, LTE-800 оператора «Теле-2»), радионавигационные системы. Наиболее существенный вклад в МП в точке 3 дают поля, связанные с прохождением переменного тока (электропроводка) и его преобразованием (трансформаторы), т.е. с подключенным к сети устройством, использующим ток (коммутационное устройство системы «Умное тепло»).

Были получены трёхмерные графики переменных ЭМП как низкочастотного, так и высокочастотного диапазонов спектра, которые позволили полностью визуализировать картину распределения ЭМП в трёх точках класса с целью выявления причин возникновения превышений ЭМП, а также с целью обеспечения безопасного нахождения учащихся в данных точках класса.

В результате применения метода картирования ЭМП была комплексно оценена электромагнитная обстановка по всей площади класса для разных частотных диапазонов техногенных ЭМИ, выявлены причины их возникновения и локализованы места повышенной электромагнитной «загрязнённости», которые могут неблагоприятно влиять на здоровье долговременно пребывающих там людей. Путём спектрального анализа, т.е. получением спектров в различных частотных диапазонах, были выявлены источники и типы электромагнитного излучения.

Результаты работы/выводы

На основании проведённых исследований авторы предложили следующие организационные меры защиты от ЭМИ или уменьшения степени их влияния на находящихся в помещении людей:

• экранировать источники ЭМИ, где это возможно – улучшение экранировки проводки, использование экранированных проводов, замена устаревших и некачественных розеток, использование качественных удлинителей и прочее;
• максимально удалить электротехнические средства и оборудование от парт учеников;
• экранировать конструкции здания, используя специальные материалы для отделки стен и штор;
• если невозможно устранить ЭМП в области постоянного нахождения учеников, стоит проводить ротацию учеников (смена учеников за партой) в областях повышенных значений ЭМП для уменьшения совокупного времени воздействия вредоносного ЭМИ на каждого сидящего ученика.