CPC-OE
.pdfМIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ I НАУКИ УКРАЇНИ НАЦIОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ IНСТИТУТ»
|
|
|
2014 |
. |
2 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
МЕТОДИЧНI ВКАЗIВКИ |
|
|
||||
до практичних занять з дисциплiни |
|
|||||
|
«ЕКОЛОГIЯ» |
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
(вимiрювання електромагнiтного забруднення довкiлля) |
||||||
для бакалаврiв технiчних спецiальностей. |
НТУУ «КПI» |
|||||
|
copy |
|
|
З а т в е р д ж е н о |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
на засiданнi вченої ради |
|||
|
|
|
iнженерно-хiмiчного факультету |
|||
Free |
|
|
НТУУ «КПI» 19.01.2012 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Київ НТУУ «КПI» - 2014
УДК 372.862
. |
2 |
Методичнi вказiвки до практичних занять з дисциплiни «Еко-
логiя» (вимiрювання електромагнiтного забруднення довкiлля) для бакалаврiв технiчних спецiальностей НТУУ «КПI»
/ Укл.: О.М. Гороховський. – К.: НТУУ «КПI», 2014. -22 с.
Мiстять в достатньому об’ємi вiдомостi для успiшного виконання вимiрювань електромагнiтного забруднення довкiлля пiд час практичних занять з дисциплiни «Екологiя». Наведенно приклад вимiрювання, обробки отриманих результатiв, а також перелiк додаткової лi-
тератури.
Пiд час виконання практичного завдання студенти набудуть на-
вичок, якi можуть бути затребуванi надалi при роботi над курсовими, |
|||
дипломною, науковими роботами та в областi2014своєї професiйної дiяль- |
|||
ностi. |
|
v |
. |
|
|
||
|
copy |
|
|
Укладач: |
доцент О.М. Гороховський |
||
Вiдповiдальний |
зав.каф. Е та ТРП, |
||
редактор: |
професор М.Д. Гомеля |
||
Free |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
|
1 |
Измерение |
|
|
|
. |
|
|
от |
УВЧ |
|
|
|
|
|
|
|
1.2 |
|
|
|
2014 |
8 |
|
|
Описание возможностей прибора и начало работы2. . . |
||||||
|
1.4 |
Результаты измерений электромагнитного излучения от |
|
||||
мобильного телефона и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . |
13 |
||||||
|
1.5 |
Результаты измерений электромагнитного излучения от |
|
||||
Wi-Fi роутера и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
15 |
||||||
|
1.6 |
Оценка удельной поглощаемой мощности ЭМП (SAR) . |
16 |
||||
|
1.7 |
|
|
. |
|
|
21 |
|
Задание к выполнению практической работы . . . . . . |
||||||
|
|
|
copy |
v |
|
|
|
|
|
Free |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ УВЧ И СВЧ УСТРОЙСТВ
Везде, где есть напряжение и ток, возникают поля: электриче- |
||
ское (E) и магнитное (H). Все типы радио- и телевизионных передат- |
||
2014 |
|
и |
чиков генерируют электромагнитные поля (ЭМП). Поля возникают2 |
||
во время работы различных устройств дома и на производстве.. |
ЭМП |
|
оказывают влияние в целом на биосферу и на человека, в частности, даже если его органы чувств ничего не сообщают об этом.
1.1 Основные понятия
Электромагнитные поля распространяются как волны, которые
движутся со скоростью света (c), при этом длина волны обратно |
|||
пропорциональна частоте излучения : |
. |
||
= |
c |
v |
(1.1) |
|
|
||
В «ближней» зонеcopy(зона индукции), на расстоянии от источника r < 3 ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь напряженности
Одной из важных особенностей ЭМП является разделение его
на так называемые «ближнюю» и «дальнюю» зоны.
E и H сферической волны ЭМП быстро убывают с расстоянием — обратно пропорционально кубу r 3 или квадрату r 2 расстояния. Считается, что в «ближней» зоне излучения электромагнитная волна ещё не сформирована и для характеристики ЭМП, измерения переменного
электрического E и магнитного поля H производятся раздельно.
«Дальняя» зона — это зона сформировавшейся электромагнитной волны, которая начинается с расстояния r > 3 . В «дальней» зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию от
источника |
1 |
. |
|
|
|
|
|
||
|
r |
|
!E — векторная физиче- |
|
Напряжённость электрического поля |
||||
Free |
4 |
|
||
|
|
|
|
|
ская величина, характеризующая электрическое поле в данной точке
и численно равная отношению силы |
!F , действующей на неподвижный |
||||
|
|
|
|
2 |
|
заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q: |
|||||
|
! |
|
|
|
|
!E = |
|
F |
2014 |
|
|
|
q |
|
|
||
|
|
|
|
окружа- |
|
В практике экологического мониторинга за состоянием. |
|||||
ющей природной среды, напряжённость электрического поля измеряют в вольтах hВмi или милливольтах на метр hмВм i.
!
Под действием магнитного поля напряжённостью H в объёме
среды (например, атмосферного воздуха) возникает вектор намагни-
! !
ченности J , который пропорционален H . Он вызывается ориентацией индуцированных магнитных моментов (спинов) электронов атомов и молекул:
J = H . |
(1.2) |
где — безразмерная объёмная магнитная восприимчивость среды. |
|||||||||||
Векторная сумма магнитных полейv |
!H и !J , с учётом (1.2) опре- |
||||||||||
деляет величину магнитной индукции поля B ([Тл] = 10000[Гс]) в |
|||||||||||
этом объёме среды: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B = 0(H + J) = |
0(1 + )H = 0 H ! |
H = |
B |
(1.3) |
|||||||
|
|||||||||||
0 |
|||||||||||
где: 0 = 4 10 7 |
|
Н |
|
Гн |
— магнитная постоянная; |
||||||
|
|
|
|
||||||||
А2 |
|
м |
|||||||||
|
— относительная магнитная проницаемость среды. |
|
|||||||||
|
|
h |
|
|
i h |
|
i |
|
|
|
|
Все известные газы, как |
слабомагнитные |
вещества, |
характе- |
||||||||
ризуются значением |
copy |
|
|
|
|
|
|
||||
|
1, например, для газообразного кислорода |
||||||||||
|
Free |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O = 1.000017, воздуха возд. = 1.000038. Газы в зависимости от способа |
|||||||||||
2 ! !
ориентации векторов J и H относятся либо к парамагнетикам — > 0, направ-
! !
ления J и H совпадают и объём парамагнитного газа втягивается в область с
! !
большей напряжённостью H, либо к диамагнетикам — < 0, J и H направлены
противоположно, а объём диамагнитного газа выталкивается из области с большей напряжённостью H.
Подавляющее большинство газов диамагнитны (N2, CO2 Ar, He, Ne, H2), лишь кислород и некоторые его соединения (NO, NO2) являются парамагнетиками,
5
при этом у O2 магнитная восприимчивость аномально высокая (в > 500 раз). Поэтому, в целом атмосферный воздух рассматривают как среду с парамагнитными
свойствами. |
магнитного поля измеряют в амперах |
|
А |
или |
||||||
|
|
|||||||||
Напряжённость |
|
|
|
|
|
2 |
h |
|
i |
|
|
мкА |
|
|
|
м |
|||||
микроамперах на метр |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|||
В «дальней» зонеh |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
излучения ЭМП существует связь между на- |
||||||||||
|
i |
|
. |
|
|
|
|
|
||
пряжённостями электрического |
E и магнитного H поля: |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
E = 0 c0 H 0 c0 H = 120 H 377 H, |
|
|
|
(1.4) |
||||||
где c0 = 3 108 м/с — скорость света в вакууме;
0 c0 120 — волновое сопротивление вакуума, Ом.
В «ближней» же зоне напряжённость магнитного поля H не
может быть вычислена по ф-л. (1.4) из напряженности электрического |
|||
|
v |
. |
2014 |
|
|
||
поля. В связи с этим (поскольку длины волн достаточно большие и
дальняя зона расположена на значительном расстоянии), для частот меньше 300 МГц раздельно контролируют E и H (или B).
В отечественной практике санитарно-гигиенического надзора за электромагнитным загрязнением окружающей среды, для частот выше 300 МГц в «дальней» зоне излучения контролируют как напряжённость электрического поля E, так и плотность потока электромаг-
нитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга1):
ППЭ (S) — это мощностьcopyэнергии переносимой электромагнит-
ППЭ = S = jE Hj
ной волной, которая приходится на единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Она измеряется в еди-
|
|
квадратный метр |
|
мВт |
или микроватт на квад- |
|
ницах милливатт намкВт |
|
h |
|
i |
||
|
м2 |
|||||
ратный сантиметрFree |
h |
|
i. |
|
|
|
см2 |
|
|
|
|||
Вдальней зоне средняя ППЭ убывает пропорционально r 2.
1)За рубежом ППЭ обычно контролируется для частот выше 1 ГГц.
6
Нормативная база Украины в области гигиены электромагнит-
ного излучения — одна из самых жестких в мире. Для сравнения, предельно-допустимые уровни (ПДУ) ППЭ в разных странах следующие: Украина — 2.5 мкВт/см2; Россия, Венгрия — 10 мкВт/см2; США, Скандинавия — 100 мкВт/см2.
|
|
|
|
|
. 2 |
Таблица 1.1 – Предельно допустимые уровни (ПДУ) ЭМП |
|||||
|
|
|
|
||
Диапазон |
ПДУ |
|
Условия измерения |
||
|
|
|
|
||
50 Гц |
E = 500 В/м, B = 250 . . . 300 нТл |
|
|||
0.3–300 кГц |
25 В/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0.3–3 МГц |
15 В/м |
расстояние 0.5 м от корпуса |
|||
3–30 МГц |
10 В/м |
изделия |
|
2014 |
|
30–300 МГц |
3 В/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.3–30 ГГц |
2.5 мкВт/см2 |
|
. |
|
|
2.45 ГГц |
2.5 мкВт/см2 |
расстояние 0.50 0.05 м от любой |
|||
(СВЧ печи) |
|
точки, при нагрузке 1 литр воды |
|||
|
|
v |
|
|
|
Необходимо отметить, что в природных условиях значение плотности потока высокочастотного излучения исчезающе мало и составляет лишь ППЭ 9 . . . 15 нВт/см2.
Для определения искусственно создаваемого электромагнитно-
го излучения (загрязнения), в настоящей работе используется измери- |
|
тель напряжённости электромагнитногоcopy |
поля ТМ-196 (далее при- |
бор). С его помощью проведем измерения (мониторинг) некоторых нормируемых характеристик электромагнитного поля радиочастотного СВЧ диапазона — E и ППЭ.
Данный прибор откалиброван для измерений в частотном диа-
пазоне 10 МГц–8 ГГц и предназначен для измерений в дальней зоне
ЭМП. При измерениях в ближней зоне используется только режим |
|||||
измеренияFreeнапряженности электрического поля E, |
h |
V |
i = h |
В |
i. |
m |
м |
||||
7 |
|
|
|
|
|
1.2 Описание возможностей прибора и начало работы
|
|
|
2 |
С помощью используемого в работе прибора можно измерить |
|||
уровни электромагнитных полей, формируемых: |
. |
|
|
1) |
базовыми станциями операторов мобильной связи; |
||
2) |
мобильными и CDMA телефонами; |
|
|
3) |
устройствами беспроводной связи (CW, TDMA, GSM, |
||
DECT), Wi-Fi станций; |
|
|
|
4) |
телевизионными и радиопередатчиками; |
|
|
5) |
микроволновыми печами; |
|
|
6) |
скрытыми беспроводными камерами видеонаблюдения и дру- |
||
гими устройствами высокочастотных ЭМП.
Ненаправленная антенна и высокая чувствительность прибора |
||
|
v |
|
позволяют проводить точные измерения в 2014диапазоне напряженности |
||
E = 38 мВ/м . . . 20 В/м и частотном диапазоне. |
10 MГц . . . 8 ГГц. |
|
Абсолютная погрешность при 1 В/м и 2.45 ГГц: 1.0 dB. |
||
copy |
|
|
Единицы измерения могут быть выбраны в зависимости от ти-
па измеряемого поля (электрического или магнитного), а также ППЭ. Настройки прибора позволяют измерять мгновенные (текущие), максимальные (MAX), средние (AVG) и максимальные средние значения (MAX AVG). Также есть возможность производить изотропные измерения по отдельным осям X, Y, Z 3-х канальным датчиком.
Для включения прибора надо нажать кнопку «POWER».
ЭМП: |
Free |
|
Кнопкой «UNIT/ENTER» последовательно переключают режим |
mV mA mW W mV
измерения: m ! m ! m2 ! cm2 ! m ! . . .
Прибор измеряет или автоматически вычисляет (подбирает оптимальный масштаб единиц измерений) следующие характеристики
1)напряженность электрического поля E, Vmi = hВмi;
2)напряженность магнитного поля H, hmAm i = hмАм i;
8
|
|
|
|
|
|
|
2014 |
. |
|
2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
v |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
copy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 — 3-х осевой датчик, 2 — LCD дисплей; Кнопки: 3 — Hold/ALARM/*, |
|||||||||||||||||
4 — MAX/AVG/), 5 — UNIT/ENTER, 6 — XYZ/MEM/+, 7 — POWER, 8 — |
|||||||||||||||||
REC/time/(, 9 — SET, 10 — винт для штатива, 11 — отсек для батареи. |
|
|
|
||||||||||||||
Рисунок 1.1 – Общий вид измерителя напряженности |
|||||||||||||||||
электромагнитного поля ТМ-196 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3) вычисленную ППЭ S, |
mW |
|
= |
мВт |
|
; или |
W |
|
= |
мкВт |
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Free |
|
m2 |
|
|
|
|
м2 |
|
|
cm2 |
|
|
|
см2 |
|
||
Для выбора оси измеренийh |
— |
последовательно нажимают кноп- |
|||||||||||||||
|
i |
|
h |
|
i |
h |
|
|
i |
h |
|
|
i |
||||
ку «XYZ/MEM»: „Все оси XYZ“ ! „ось X“ ! „ось Y“ ! „ось Z“. |
|
||||||||||||||||
Отображение результатов измерений. |
Шкала аналоговой |
гисто- |
|||||||||||||||
граммы (3) на дисплее прибора (рис. 1.2) всегда отображает значение мгновенного измерения выбранного диапазона. При этом, цифровой дисплей (1) показывает результат в одном из выбранных кнопкой
9
2014 |
. |
2 |
|
||
|
|
1 — основной дисплей, 2 — режим HOLD (фиксирует значение), 3 —
аналоговая гистограмма, 4 — режим MAX значений, 5 — режим AVG (средних) значений, 7 — масштаб гистограммы x1 x10 x100, 8 — ось измерений X.Y.Z, 9
— сигнал, 10, 11, 12 — единицы измерений, 15 — время, 20 — дополнительный
дисплей. |
|
. |
||
|
|
|||
Рисунок 1.2 – Описание LCD дисплея прибора ТМ-196 |
||||
«MAX/AVG/)» режимов: |
v |
|
||
|
|
|||
1) Мгновенный (фактический) режим — на дисплее отобража- |
||||
|
|
copy |
|
|
|
|
|
|
|
ется последнее значение измеряемой величины и нет дополнительных
символов обозначения режима (4) и (5). Этот режим сразу включается при включении прибора.
2) Режим максимальных значений (MAX) — на дисплее отображается максимальное значение измеряемой величины. Этот режим
обозначается на дисплее символом «MAX» (4).
3) Режим средних значений (AVG) — на дисплее отображается
среднее значение измеряемой величины. Этот режим обозначается на дисплее Freeсимволом «AVG» (5).
4) Режим максимального из средних значений (MAX AVG) — отображается на дисплее символами «MAX AVG» (4),(5).
Следующий рисунок 1.3 показывает график работы прибора в разных режимах: мгновенного (фактического), MAX, AVG (среднего) и MAX+AVG (максимальное из средних) значений.
10