Способ определения уровней низкочастотного электромагнитного излучения

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. Техническим результатом является повышение точности определения уровней исследуемого низкочастотного ЭМИ за счет исключения влияния ЭМИ промышленной частоты 50 Гц на результат определения уровня исследуемого ЭМИ и учета калибровочной характеристики (КХ) измерительной антенны. Определение уровней исследуемого ЭМИ и уровня ЭМИ промышленной частоты производят в четыре этапа: на первом этапе определяют КХ измерительной антенны и аппроксимируют ее аналитической функцией К(f); на втором этапе с помощью стандартного измерителя уровней ЭМИ производят измерение суммарного уровня исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты; на третьем этапе по спектрограмме уровней исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты, определяют их относительные энергетические уровни по приведенным математическим формулам, на четвертом этапе определяют уровни исследуемого ЭМИ и ЭМИ промышленной частоты. При определении уровня ЭМИ, создаваемого ЭВМ, выступающей в качестве внешнего источника, роль анализатора частотного спектра выполняет сама ЭВМ. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

 

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.