Устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам контроля тока, протекающего через тело человека, индуцированного электрическим полем промышленной частоты, и может быть использовано для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека. Техническим результатом является измерение приведенного времени пребывания человека в электрическом поле, определенного на основании измерения тока. Устройство содержит первый канал приема сигнала, блок вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим уровнем тока, протекающего через тело человека, преобразователь «напряжение-частота», счетчик импульсов, дешифратор, знакосинтезирующий индикатор и первый пороговый элемент, при этом оно снабжено вторым каналом приема сигналов, блоком суммирования, вторым и третьим пороговыми элементами и блоком звуковой сигнализации, а в качестве датчика в каналах приема сигнала установлен датчик тока. 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам контроля тока, протекающего через тело человека, индуцированного электрическим полем промышленной частоты (ЭП ПЧ), и может быть использовано для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека.
Обеспечение защиты персонала, подвергающегося воздействию электрических полей, например полей промышленной частоты электроустановок напряжением 330 кВ и выше, предполагает либо периодический, либо постоянный контроль напряженности электрического поля в месте производства работ (расчистка трасс линий электропередачи 330 кВ и выше, монтаж и демонтаж молниезащитных тросов, обслуживание электрооборудования на открытых распределительных устройствах и т.д.). В настоящее время применительно к открытым распределительным устройствам это достигается путем составления карт напряженности электрического поля. Карты напряженности справедливы только на момент их составления, поскольку, например, изменение погодных условий вызывает существенные искажения картины напряженности электрического поля. Для линий электропередачи напряжением 330 кВ и выше карты не составляются, а периодический контроль может быть осуществлен с помощью различных приборов, предназначенных для измерения напряженности электрического поля, например NFM-1 [1]. И карты напряженности, и приборы типа NFM-1 не обеспечивают индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека. Следует отметить, что в настоящее время задача обеспечения безопасности персонала от указанного воздействия не решена должным образом. Общеизвестно, что основным фактором, определяющим отрицательное действие электрического поля промышленной частоты на живой организм, является обусловленный этим полем ток, протекающий через тело человека.
Однако, на сегодняшний день в качестве критерия безопасности для человека, находящегося в ЭП ПЧ, выбрана напряженность неискаженного электрического поля, что, на наш взгляд, не отражает всей картины негативного влияния ЭП ПЧ на организм человека.
Известные устройства для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека, предназначенные либо для измерения экспозиции (количественной характеристики интенсивности и продолжительности вредного фактора) [2..3], либо для оценки приведенного времени [4], основаны на измерении напряженности электрического поля промышленной частоты.
Устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека [4] содержит последовательно включенные антенный датчик электрического поля, усилитель тока, звено частотной коррекции, амплитудный детектор. В состав устройства входит пороговый элемент, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход - со вторым входом счетчика импульсов. В устройство введен блок вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущей напряженностью, подключенный входом к выходу амплитудного детектора, а выходом - к преобразователю "напряжение - частота". Устройство содержит также последовательно включенные преобразователь "напряжение - частота" (ПНЧ), счетчик импульсов, дешифратор, индикатор.
Устройство позволяет определить приведенное время пребывания человека в электрическом поле, при этом осуществляется интегрирование величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим уровнем напряженности. Показания прибора при напряженности поля от 5 кВ/м до 20 кВ/м прямо пропорциональны величине:
где Е - текущая величина напряженности электрического поля;
k - коэффициент, учитывающий индивидуальные антропометрические данные конкретного работника, k=0,8...1,2;
t - время, в течение которого работник подвергается воздействию поля с напряженностью свыше 5 кВ/м, 0<t<8 ч.
Показания прибора при напряженности поля от 20 кВ/м до 25 кВ/м прямо пропорциональны величине:
Недостатком этого устройства является то, что определяемое им значение величины приведенного времени пребывания человека в электрическом поле, на основании измерения текущей напряженности электрического поля (антенный датчик электрического поля, в прототипе, находится на уровне головы человека), не несет достоверной информации о степени воздействия электрического поля на организм человека, поскольку ток, индуцированный электрическим полем, наводится на всех участках тела человека, и зависит от длины охвата плечевого пояса человека (объема его тела), положения его рук в пространстве относительно токоведущих частей и земли. Таким образом, осуществлять такой контроль экспозиции электрического поля неэффективно.
В основу изобретения положена задача создать такое устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека, которое позволит устранить недостатки прототипа, а именно, получить информацию о величине приведенного времени пребывания человека в электрическом поле, определенного на основании измерения уровня тока, протекающего через тело человека, индуцированного этим полем.
Указанная задача решается тем, что устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека, содержащее последовательно включенные датчик, усилитель тока, звено частотной коррекции, амплитудный детектор, образующие канал приема сигнала, а также последовательно соединенные блок вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле, преобразователь «напряжение-частота», счетчик импульсов, дешифратор, знакосинтезирующий индикатор, а также первый пороговый элемент, выход которого соединен со вторым входом счетчика импульсов, согласно изобретению, оно снабжено вторым каналом приема сигналов, блоком суммирования, вторым и третьим пороговыми элементами и блоком звуковой сигнализации, при этом первый и второй входы блока суммирования подключены соответственно к выходам амплитудных детекторов первого и второго каналов приема сигнала, выход блока суммирования соединен со входом блока вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим уровнем тока, протекающего через тело человека, входом первого порогового элемента, входом второго порогового элемента, вход третьего порогового элемента соединен со вторым выходом счетчика импульсов, а выходы второго и третьего пороговых элементов соединены со входом блока звуковой сигнализации, причем в качестве датчика в каналах приема сигнала установлен датчик тока.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является введение второго канала приема сигнала, блока суммирования, второго и третьего пороговых элементов, блока звуковой сигнализации. Образование в устройстве двух каналов приема сигналов объясняется тем, что при проведении работ человек может находиться в движении, поэтому одна из его ног в некоторые моменты времени не имеет непосредственного контакта с землей. При этом весь ток, как показывают экспериментальные исследования [6], проходит через другую ногу, имеющую в данный момент контакт с землей. Следовательно, для контролирования полного тока протекающего через тело человека необходимо предусмотреть установку двух датчиков тока на обеих ногах человека, причем ближе к ступне, тем самым будет учитываться весь наведенный ток. Блок суммирования обеспечивает суммирование сигналов, поступающих от двух каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные датчик тока, усилитель тока, звено частотной коррекции, амплитудный детектор, тем самым формирует на его выходе сигнал, пропорциональный полному току, протекающему через тело человека. Второй пороговый элемент разрешает действие звуковой сигнализации при уровне тока, превышающего порог, при котором запрещается нахождение в зоне действия электрического поля промышленной частоты без средств индивидуальной защиты (250 мкА). Третий пороговый элемент служит для запрета счета, как только приведенное время становится равным 100 (%), и разрешает действие звуковой сигнализации. Звуковой сигнал применен для удобства эксплуатации прибора, отпадает необходимость постоянно контролировать показания знакосинтезирующего индикатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дана структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 изображен график зависимости величины тока, протекающего через тело человека, от его роста и длины охвата плечевого пояса (Е=5 кВ/м); на фиг.3 даны зависимости величины тока от антропометрических характеристик человека: а) при длине охвата плечевого пояса 125 см; б) при росте человека 180 см; на фиг.4 - зависимости величины тока, протекающего через тело человека, от напряженности электрического поля промышленной частоты для людей с разными антропометрическими данными.
Устройство содержит последовательно соединенные в два канала приема сигнала: 1, 2 - датчики тока; 3, 4 - усилители тока; 5, 6 - звенья частотной коррекции; 7, 8 - амплитудные детекторы. Выходы амплитудных детекторов каждого из каналов соединены с входом блока суммирования 9. Первый выход блока суммирования подключен к входу блока вычисления величины 10, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим уровнем тока, протекающего через тело человека. Второй выход блока суммирования подключен к входу первого порогового элемента 11. Третий выход блока суммирования подключен к входу второго порогового элемента 12. Выход блока вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим уровнем тока, протекающего через тело человека, подключен к входу преобразователя «напряжение-частота» 13. Выход преобразователя «напряжение-частота» подключен к входу счетчика импульсов 14. Первый выход счетчика импульсов, подключен к входу дешифратора 15. Выход дешифратора подключен к входу знакосинтезирующего индикатора 16. Второй выход счетчика импульсов подключен к входу третьего порогового элемента 17. Выходы второго 12 и третьего 17 пороговых элементов подключены к входу блока звуковой сигнализации 18.
Измерение дозы воздействия электрического поля на организм человека в заявляемом устройстве производится путем оценки приведенного времени, определенного на основании измерения уровня тока, протекающего через тело человека, индуцированного этим полем. Под приведенным временем понимается время нахождения персонала в ЭП ПЧ, эквивалентное по своему биологическому эффекту пребыванию человека в течение 8 часов при уровне безопасного для человека тока (50 мкА), протекающего через его тело, то есть человек, подверженный воздействию ЭП ПЧ, может работать до тех пор, пока будет выполняться условие:
где tдоп - предельно допустимое время пребывания при данном уровне тока, протекающего через тело человека (см. таблицу, [5]);
Тпр - приведенное время.
Для удобства эксплуатации заявленного устройства приведенное время выражается в процентах от предельно допустимой величины (8 ч):
| Таблица Предельно допустимые уровни времени пребывания в ЭП ПЧ | ||||
| Величина тока I, мкА | До 50 включительно | Свыше 50 до 200 включительно | Свыше 200 до 250 включительно | Свыше250 |
| tдоп | 8 часов | tдоп=500/I-2, где tдоп в часах; I в мкА | 10 минут | Без средств защиты не допустимо |
Устройство работает следующим образом. Переменное электрическое поле, воздействуя на организм человека, индуцирует в нем электрический ток, который протекает через тело человека в землю, и наводится в датчиках тока 1, 2. Полученный сигнал переменного тока поступает на вход блоков усилителей тока 3, 4, имеющих входное полное сопротивление, близкое к нулю. На выходе усилителей формируется сигнал напряжения, кратный величине входного тока. Напряжение с выходов усилителей тока поступает на звенья частотной коррекции 5, 6, учитывающие особенности частотных свойств датчиков тока и усилителя тока и повышающее точность измерений. После звеньев частотной коррекции сигнал подается на вход амплитудных детекторов 7, 8, которые преобразуют входное переменное напряжение в постоянное с величиной, равной амплитуде входного напряжения. Полученные сигналы, пропорциональные индуцированному электрическому току, поступают на вход блока суммирования 9, где они суммируются, при этом на выходе блока суммирования формируется сигнал, пропорциональный полному току, протекающему через тело человека. Далее сигнал поступает на вход пороговых элементов 11, 12. Первый пороговый элемент 11 блокирует измерения, если величина сигнала напряжения на входе порогового элемента ниже заданной величины, соответствующей уровню тока меньше безопасного для человека (50 мкА). Второй пороговый элемент 12 разрешает действие звуковой сигнализации 18 при уровне тока, превышающего величину, при которой запрещается работать без средств индивидуальной защиты (более 250 мкА). Напряжение с выхода блока суммирования поступает на вход блока вычисления величины 10, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим на данный момент уровнем тока, протекающего через тело человека. Напряжение с выхода блока вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим на данный момент уровнем тока, протекающего через тело человека, поступает на вход преобразователя «напряжение-частота» (ПНЧ) 13. На выходе ПНЧ формируется переменное напряжение прямоугольной формы, с частотой, кратной входному сигналу и, таким образом, кратной измеряемому току, протекающему через тело человека. Переменное напряжение с выхода ПНЧ поступает на цифровой счетчик импульсов 14, выход которого подключен через дешифратор 15 к знакосинтезирующему индикатору 16, который отображает число импульсов, поступивших на вход счетчика. Счетчик, помимо основного входа, имеет также вход запрета счета, который подключен к выходу первого порогового элемента 11. При помощи этой связи осуществляется запрет измерений при уровне тока меньше безопасного для человека (50 мкА). Количество импульсов, поступивших на вход счетчика отображается на знакосинтезирующем индикаторе 16 в виде числа, выраженного в процентах в зависимости от величины приведенного времени (при Тпр=8 ч сигнал пропорционален 100%). Третий пороговый элемент 17 служит для запрета счета: как только Тпр становится равным 100 (%), разрешается действие звуковой сигнализации 18.
Пример конкретной реализации. Выше отмечалось, что для оценки действия электрического поля на человека недостаточно определять величину приведенного времени пребывания человека в электрическом поле, на основании измерения текущей напряженности электрического поля необходимо определять приведенное время пребывания человека в электрическом поле, определенное на основании измерения уровня тока, протекающего через тело человека, индуцированного этим полем. На величину тока, протекающего через тело человека, может влиять множество факторов, а именно: рост человека, масса человека, длина охвата плечевого пояса, сопротивление тела человека по пути голова-ноги, сопротивление обуви, расстояние от провода до земли, напряжение линии электропередачи, нагрузка линии электропередачи, напряженность электрического поля на уровне 1,8 м от земли, температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, атмосферное давление, скорость ветра, высота над уровнем моря, напряженность магнитного поля земли, тип конструкции фазы, материал провода, влажность грунта, удельное сопротивление грунта. Пользуясь теорией планирования эксперимента, теорией отсеивающего эксперимента, были выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на величину тока, протекающего через тело человека. Этими факторами являются: напряженность неискаженного электрического поля, измеренная на уровне 1,8 метра от земли; рост человека; длина охвата его плечевого пояса [6]. Следовательно, ток, протекающий через тело человека, находящегося вблизи электроустановок сверхвысокого напряжения, определяется не только напряженностью электрического поля, измеренной на уровне его роста, но и длиной охвата плечевого пояса и рабочей позой. Так, исходя из фиг.2, видно, что через тело человека, имеющего рост 1,60 м и длину охвата плечевого пояса 1,05 м, протекает ток около 40 мкА, а для человека с ростом 2,00 м и длиной охвата плечевого пояса 1,50 м протекает уже около 70 мкА, хотя измерения для этих людей проведены в одной точке с напряженностью неискаженного электрического поля на уровне 1,8 м от земли, равной 5 кВ/м. Анализируя зависимости, представленные на фиг.3, можно отметить, что при увеличении роста человека со 160 см до 200 см практически в 1,5 раза возрастает и величина тока, протекающего через его тело. При увеличении длины охвата плечевого пояса со 105 см до 150 см при росте человека 180 см величина тока увеличивается на 15-20 мкА. Зависимости, приведенные на фиг.4, показывают, что через тело человека с большими ростом и плечевым поясом, находящегося в электрическом поле с напряженностью Е=4 кВ/м, может протекать больший ток, чем через тело человека с меньшими антропометрическими данными, но при этом находящемся в электрическом поле с напряженностью Е=6 кВ/м. Нельзя не учитывать и то, что во время проведения работ человек принимает различные положения относительно токоведущих частей и земли, существенно сказывающиеся на величине тока, протекающего через его тело. Величина тока может как возрастать до 40% (стоя, руки вытянуты в стороны), так и уменьшаться на 60% (сидя) по отношению к величине тока, протекающего через тело человека, стоящего вертикально с опущенными руками. Представленные примеры наглядно показывает некорректность определения приведенного времени на основании измерения текущей напряженности электрического поля.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано при организации работ, выполняемых, например, вблизи электроустановок напряжением 330 кВ и выше. Указанными устройствами должны обеспечиваться, например, лица оперативного, ремонтного и линейного персонала, на период ведения работ вблизи электроустановок напряжением 330 кВ и выше. Этот персонал по показаниям предлагаемого устройства имеет возможность контролировать продолжительность своего пребывания в электрическом поле промышленной частоты.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить защиту персонала от вредного воздействия электрического поля путем учета уровня этого воздействия.
Источники информации
1. ССБТ. ГОСТ 12.1.002-84. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах.
2. Обзорная информация. Энергетика и электрификация. Сер.: Линии электропередач и подстанции сельской электрификации. Вып.2 «Защита от электрических полей в электроустановках.» - М., Информэлектро, 1980, с.41-46.
3. Гареев М.В., Сидоров А.И., Окраинская И.С., Куфельд В.И. Патент RU №2149415, G 01 R 29/08, Устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека, опубликовано 20.05.2000, БИ №14.
4. Тряпицын А.Б., Сидоров А.И., Гареев М.В., Окраинская И.С. Патент RU №2189604, G 01 R 29/08, Устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека.
5. Долин П.А. Основы техники безопасности в электрических установках. - М.: Энергия, 1970. - 336 с.
6. Коржов А.В. Обоснование и разработка регламента для электрических полей промышленной частоты: Дис... канд. тех. наук. - Челябинск, 2003. - 138 с.
Устройство для индивидуального учета уровня воздействия электрического поля на организм человека, содержащее последовательно включенные датчик, усилитель тока, звено частотной коррекции, амплитудный детектор, образующие канал приема сигнала, а также последовательно соединенные блок вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле, преобразователь «напряжение - частота», счетчик импульсов, дешифратор, знакосинтезирующий индикатор, а также первый пороговый элемент, выход которого соединен со вторым входом счетчика импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено вторым каналом приема сигналов, блоком суммирования, вторым и третьим пороговыми элементами и блоком звуковой сигнализации, при этом первый и второй входы блока суммирования подключены соответственно к выходам амплитудных детекторов первого и второго каналов приема сигнала, выход блока суммирования соединен со входом блока вычисления величины, обратной допустимому времени пребывания в электрическом поле с текущим уровнем тока, протекающего через тело человека, входом первого порогового элемента, входом второго порогового элемента, вход третьего порогового элемента соединен со вторым выходом счетчика импульсов, а выходы второго и третьего пороговых элементов соединены со входом блока звуковой сигнализации, причем в качестве датчика в каналах приема сигнала установлен датчик тока.
