Sähkö- ja magneettikentät työpaikoilla , Teknologiakeskus Pripoli, Pori KENTTIEN MITTAUSPERIAATTEET JA -ONGELMAT

Transkriptio

1 Sähkö- ja magneettikentät työpaikoilla , Teknologiakeskus Pripoli, Pori KENTTIEN MITTAUSPERIAATTEET JA -ONGELMAT Ylitarkastaja Lauri Puranen Säteilyturvakeskus 1 Esityksen sisältö SM-direktiivin vaatimukset SM-kentistä mitattavat suureet sähkökentän mittausperiaate magneettikentän mittausperiaate laajakaistaisen pientaajuisen kentän mittaukset esimerkkejä laajakaistaisen pientaajuisen magneettikentän mittaustuloksista mittauslaitteisiin liittyviä ongelmia kehoon indusoituvien radiotaajuisten virtojen mittaukset SAR-mittaukset mittauslaitteiden kalibrointi mittausepävarmuus mittausstandardit ja -ohjeet 2

2 Altistumisen määrittäminen SM-direktiivin 4 (altistumisen ja riskin arviointi): Ulkoisten sähkö- ja magneettikenttien tasot laskettava tai mitattava Jos toiminta-arvot ylittyvät, työnantajan on arvioitava ja tarvittaessa laskettava, ovatko altistuksen raja-arvot (virrantiheys pienillä taajuuksilla ja SAR radiotaajuuksilla) ylittyneet altistumisen määrittäminen perustuu suurimmaksi osaksi sähkö- ja magneettikenttien mittauksiin altistumislähteen ollessa kehon lähellä kehoon indusoituvan RF-virran mittauksia taajuuksilla 1-50 MHz altistuvalla henkilöllä ja SAR-mittauksia 30 MHz - 3 GHz ihmisen kehoa jäljittelevillä fantomeilla 3 SM-kentän mittausongelma altistumislähteen lähellä mitattava sähkö- ja magneettikentän kolmen toisiaan vastaan kohtisuoran komponentin amplitudit ja vaiheet (12 suuretta) laajakaistaisesta kentästä tuhansia taajuuskomponentteja mittausdatan määrää rajoitettava 4

3 SM-kenttien mittausten yksinkertaistaminen mitataan kentän kolmesta komponentista vain amplitudit mittareilla, joissa isotrooppiset laajakaistaiset mittapäät yli 300 MHz taajuuksilla mitataan vain sähkökenttä yleensä kentät kapeakaistaisia, jolloin mittaustulosta voi sellaisenaan verrata altistumisrajaan jos kentässä taajuuskomponentteja, joilla erilaiset altistumisrajat, mitataan pientaajuisten laajakaistaisten kenttien tapauksessa aikatasossa biologisesti painotettu kentän huippuarvo radiotaajuisten kenttien tapauksessa selektiivisellä mittauslaitteella kunkin taajuuskomponentin taso erikoisia mittauslaitteita vaativat mittaustilanteet: vuotosäteily pulssimuotoinen mikroaaltosäteily 5 Sähkö- ja magneettikentän mittauksissa käytettävien mittarien toimintaperiaate 6

4 Tyypillinen sähkö- tai magneettikentän mittari 7 Isotrooppisen mittapään rakenteita Sähkökentän mittapää Magneettikentän mittapää 8

5 Sähkökentän mittausperiaate aallonpituuteen nähden lyhyt dipoli 9 Sähkökentän mittausantenneita a) pallodipoli I = 3πr 2 ωε 0 E o b) levyelektrodi c) dipoliantenni d) levyelektrodi, jossa maa vertailutasona 10

6 Radiotaajuisen sähkökentän mittapää dipolianturin taajuuskaistaa voidaan kasvattaa taajuuteen 50 GHz asti valmistamalla dipoli resistiivisestä materiaalista (resonanssi häviää) valmistamalla dipoli termopariketjusta 11 Termopari-ilmaisin tasajännite verrannollinen kentän keskimääräiseen tehotiheyteen modulaatiosta riippumatta V = τ (T H - T C ) τ materiaaleista riippuva kerroin 12

7 Staattisen magneettikentän mittausanturi Hall-anturi =γ IB I c B puolijohdemateriaalista valmistettu levy magneettikenttä kuljettaa enemmistövarauksen kuljettajat levyn toiselle reunalle 13 Magneettikentän mittausperiaate magneettikenttä kohtisuorassa silmukan tasoa vastaan ω c = R L L rajataajuus vastuksen yli syntyvä jännite U L = Nπr 2 ωb, kun ω << ω c (ωb-mittari) U L = Nπr 2 BR L /L, kun ω >> ω c (B-mittari) 14

8 Monikierroksinen suojattu silmukka suoja estää sähkökentän indusoimien pitkittäissuuntaisten jännitteiden kytkeytymisen suoja ei vaikuta magneettikentän indusoimaan jännitteeseen 15 Radiotaajuisen magneettikentän mittapää resistiivinen siirtojohto 16

9 Laajakaistainen pientaajuinen kenttä ICNIRPin monitaajuussääntö: sähkökentän voimakkuus n magneettivuon tiheys Bn 1 B n E E n L, n L, n virrantiheys 1 Heidi Nyberg, Ari-Pekka Sihvonen n J J n L, n 1 17 Magneettivuon tiheyden viitearvot (tehollisarvoina) M a g n e e ttiv u o n tih e y s ( µ T ) , , , ,0 100,0 10,0 1,0 0,1 0,0 30,7 µt 6,14 µt väestö työntekijät Taajuus 0,2 µt Hz 1 khz 100 khz 10 MHz 1 GHz 100 GHz

10 ICNIRPin ohje ei-sinimuotoisille aaltomuodoille alle 100 khz taajuuksilla (2003) Painotetun huippuarvon menetelmä magneettivuon tiheydelle Painotettu huippuarvo (µt) Painotussuodattimen kulmataajuus (Hz) Työntekijät Väestö 2 30,7 = 2 6,14 = 44 8, Painotetun huippuarvon mittaaminen U in U out 10 1 Uin/Uout RC-filter approximation Hz Frequency [khz] Taajuus (khz) 20

11 Painotetun huippuarvon menetelmä pientaajuiselle magneettikentälle 10 Hz khz Magneettivuon tiheys (B) painotetaan yksinkertaisella ylipäästösuodattimella ja saatua huippuarvoa verrataan viitearvosta johdettuun raja-arvoon. B p B p,l = 44 µt (työntekijät) 21 Taajuuskomponenttien vaiheiden sekoittaminen Virrantiheys tai db/dt aika Phase 150 Hz 100 Hz 50 Hz Summa Suurimman summan aiheuttava tilanne, jossa taajuuskomponenttien huiput ovat samanaikaisia tuottaen terävän huipun summasignaaliin. Virrantiheys tai db/dt aika 150 Hz 100 Hz 50 Hz Summa Taajuuskomponenttien vaiheet ovat satunnaiset, ja summasignaalin huippuarvo on paljon pienempi kuin yllä. 22

12 Mitä hyötyä on painotetun huippuarvon menetelmästä? Biologisesti, painotetun huippuarvon menetelmä antaa realistisemman kuvan altistumisesta kuin ICNIRPin monitaajuussääntö. Helpompi käyttää kuin monitaajuussääntö. ICNIRP suosittelee molempia menetelmiä. 23 Ylipäästösuodatus lisää harmonisten taajuuskomponenttien vaikutusta Altistumista ei-sinimuotoisille jaksollisille kentille voidaan rajoittaa painotettua huippuarvoa käyttämällä 24

13 Painotetun huippuarvon menetelmä Kirjallisuutta: ICNIRP. Guidance on determining compliance of exposure to pulsed and complex non-sinusoidal waveforms below 100 khz with ICNIRP guidelines. Health Phys Mittarit: STUKin mittari Narda ELT-400 Jokela K. Restricting exposure to pulsed and broadband magnetic fields. Health Phys Varashälytinporttien sisältä mitattuja magneettivuon tiheyksiä Tyyppi Ref Aaltomuoto B (µt peak ) Viitearvo (µt peak ) Etäisyys lähetinkelasta (cm) painotettu työntekijät väestö Sähkömagneettinen 1) 2) 1) 2) 1) 1) 1) SCW 73 Hz SCW 219 Hz SCW 230 Hz SCW Hz SCW khz CW 5kHz/7.5 khz 3) PW 1 khz ,2 30,8 13,2 8,8 8,8 8,8 31, ,5 41 Akustomagneettinen 2) 2) 2) 1) PW 58 khz PW 58 khz PW 58 khz PW 58 khz 65 62,2 61,7 17, ,8 8,8 8,8 8, ,5 1) Jokela, Toivo, Keskinen ) Casamento J.P, ) Exposure to triangular 16.6 Hz field is not significant SCW = sinimuotoinen jatkuva aalto CW = jatkuva aalto PW = pulssitettu aalto 26

14 Varashälytinporttien magneettivuon tiheyksiä Eskelinen, Toivonen, Juutilainen, Jokela: Occupational exposure to magnetic fields from EAS devices, Porttityyppi Magneettivuon tiheys (µt, painotettu huippuarvo) ulkopuolella työntekijän istuin portin sisäpuolella, keskellä portin sisäpuolella, 20 cm kelasta SM 0, SM SM 0, SM 0,4-0, AM 0, AM 0,2-0, AM 0,2-0, Metallinpaljastinporttien sisältä mitattuja magneettivuon tiheyksiä Laite Altistumissuhde Painotettu huippuarvo 1) (µt) Monitaajuussääntö (µt) ,4 (18/44 ) 0,8 (33/44) 1 (43/44) 1 (44/44) 1,4 (61/44) 1,7 (74/44) 1) Suora maksimiarvon mittaus H. Nyberg, A-P. Sihvonen, K. Jokela, STUK

15 Mittauslaitteisiin liittyviä ongelmia (1/3) lähteen sähköstaattinen kenttä voi kytkeytyä suoraan mittapäähän läheisen staattisen sähkön varauksen (esim. mittaajan vaatetus) aiheuttama staattinen kenttä voi vaikuttaa mittarin lukemaan mittapää pinnoitettava heikosti johtavalla materiaalilla lähellä metallipintoja lähteen pientaajuiset kentät voivat kytkeytyä kapasitiivisesti tai induktiivisesti mittapäähän mittausetäisyydeksi vähintään 20 cm radiotaajuinen kenttä voi kytkeytyä antureiden lähellä oleviin resistiivisiin johtoihin tai välijohtoon radiotaajuinen kenttä voi kytkeytyä mittariosaan puutteellisen RFsuojauksen vuoksi 29 Mittauslaitteisiin liittyviä ongelmia (2/3) erittäin voimakkaassa lähikentässä resistiiviset johdot voivat kuumentua mittapään tehollinen tilavuus vaikuttaa mittaustulokseen yli 5 GHz taajuuksilla mittapää voi olla epäisotrooppinen epäsymmetrisen rakenteen vuoksi mittapää voi reagoida kenttiin, joiden taajuudet ovat mittapään taajuusalueen ulkopuolella sähkökentän mittapää voi reagoida taajuusalueen alapuolella olevilla taajuuksilla magneettikentän mittapää voi reagoida taajuusalueen yläpuolella olevilla taajuuksilla myös sähkökenttään 30

16 Mittauslaitteisiin liittyviä ongelmia (3/3) diodi-ilmaisimin varustetuilla mittapäillä on monenlaisia virhevasteita: moduloidussa ja monitaajuisessa kentässä ilmaisinpiiri toimii jonkinlaisena huippuarvonilmaisimena mittarin lukema on tavoiteltua tehollisarvoa suurempi herkkiä valolle ja ympäristön lämpötilan muutoksille termopari-ilmaisimin varustettujen mittapäiden ongelmia: tuhoutuvat herkästi ylikuormitustilanteissa epäherkkiä, vaativat suurimpedanssisen esivahvistimen herkkiä ympäristön staattisille sähkövarauksille nollaus siirtyy herkästi 31 Kehoon indusoituvien RF-virtojen mittaukset levymittari jalkavirrat virtamuuntajamittari raaja- ja kaulavirrat (ferriittisydäminen virtamuuntaja) kehovirrat (ilmasydäminen virtamuuntaja) kosketusvirtamittari 32

17 Virtamittarit virtamuuntajamittari levymittari kosketusvirtamittari 33 SAR-mittaukset σe 2 SAR= ρ σ = kudosekvivalentin nesteen sähköinen johtavuus E = sähkökentän voimakkuus nesteessä ρ = nesteen tiheys, SAR määritetään kuitenkin tiheydellä 1000 kg/m 3 34

18 Pientaajuisten kenttien mittarien kalibrointi Pientaajuisen sähkökentän mittarit Staattisen ja pientaajuisen magneettikentän mittarit Helmholtzin kela 35 Radiotaajuisten kenttien ja mikroaaltosäteilymittarien kalibrointi Radiotaajuisen sähköja magneettikentän mittarit Mikroaaltosäteilymittarit TEM-kammio 36

19 SAR-mittapään kalibrointi SAR määritetään kalibrointipisteessä kenttää häiritsemättömällä lämpötila-anturilla T SAR = c t c = kudosekvivalenttinesteen ominaislämpökapasiteetti T on nesteen lämpötilan nousu aikavälillä t, jolla nesteeseen syötetään suuri vakioteho 37 Virtamittarien kalibrointi STUKissa käytetty, ei standardisoitu menetelmä 1-50 MHz 38

20 Mittausten epävarmuus sähkö- ja magneettikentän mittausten epävarmuus ± 3 db, josta kalibroinnin epävarmuus ± 1 db kehoon indusoituvan RF-virran mittausten epävarmuus ± 2 db, josta kalibroinnin epävarmuus ± 1 db SAR-mittausten epävarmuus pienempi kuin ± 30% 39 Mittausstandardeja ja -ohjeita IEC Ed. 1.0 b:1998 Measurement of low-frequency magnetic and electric fields with regard to exposure of human beings - Special requirements for instruments and guidance for measurements Rakennusten magneettikenttien mittaaminen. STUK tiedottaa 1/2003. EN 50357: Evaluation of human exposure to electromagnetic fields from devices used in Electronic Article Surveillance (EAS),Radio Frequency Identification (RFID) and similar applications IEC 62233: Measurement methods for electromagnetic fields of household appliances and similar apparatus to human exposure IEEE C standard: IEEE Recommended Practice for Measurements and Computations of Radio Frequency Electromagnetic Fields With Respect to Human Exposure to Such Fields, 100 khz 300 GHz IEC : Human exposure to radio frequency fields from hand-held and body-mounted wireless communication devices - Human models, instrumentation, and procedures - Part 1: Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for hand-held devices used in close proximity to the ear (frequency range of 300 MHz to 3 GHz) EN 50383: Basic standard for the calculation and measurement of electromagnetic field strength and SAR related to human exposure from radio base stations and fixed terminal stations for wireless telecommunication systems (110 MHz - 40 GHz) 40