ELEC-E5770 Sähkömagneettisten kenttien ja optisen säteilyn biologiset vaikutukset ja mittaukset Syksy 2016 PIENTAAJUISTEN KENTTIEN ALTISTUMISMITTAUKSET Lauri Puranen Säteilyturvakeskus Ionisoimattoman säteilyn valvonta
Sisältö Altistumisen määrittämisen vaiheet Altistumisen määritykseen liittyvien standardien valmistelu Standardien hyödyntäminen altistumisen arvioinnissa ja mittauksissa Standardit, jotka liittyvät altistumisen määrittämiseen pientaajuisille sähkö- ja magneettikentille Staattisten ja pientaajuisten sähkö- ja magneettikenttien mittausperiaatteet Staattisten ja pientaajuisten sähkö- ja magneettikenttien mittauslaitteiden kalibrointi 2
Altistumisen määrittämisen vaiheet Selvitetään yleisesti altistumistilanne. Hankitaan tekniset tiedot SM-kenttien lähteestä. Arvioidaan karkeasti altistumisen taso ja verrataan väestön altistumisen suositusarvoihin tai työntekijöiden toimenpidetasoihin. Karkean arvioinnin perusteella päätetään mittauksen tarpeellisuus. Valitaan tarkoitukseen sopivat mittauslaitteet, jotka on kalibroitu ja joiden toiminta on tarkistettu. Mitataan SM-kentät soveltuvinta mittausstandardia noudattaen. Aloitetaan yksinkertaisimmalla menetelmällä ja siirrytään tarvittaessa monimutkaisempaan menetelmään. Kirjataan mittaustulokset ja SM-kenttälähteen parametrit sekä ympäristöolosuhteet mittaushetkellä. Mittausselosteessa ilmoitetaan mittaustulokset, vertailu altistumisen suositusarvoihin tai toimenpidetasoihin, johtopäätökset ja mahdolliset turvallisuussuositukset sekä mittauksen epävarmuus ja jäljitettävyys. 3
Mittausstandardien valmistelu SM-kentille altistumiseen liittyviä mittausstandardeja valmistelevat IEC:n (International Electrotechnical Commission, www.iec.ch) komitea TC 106 ja CENELECin (European Committee for Electrotechnical Standardization,www.cenelec.eu) komitea TC 106X sekä näiden työryhmät ja projektityöryhmät IEC TC 106 Methods for the assessment of electric, magnetic and electromagnetic fields associated with human exposure CENELEC TC 106X Electromagnetic fields in the human environment SESKO RY; Suomen sähkö- ja elektroniikka-alan standardisointijärjestö (www.sesko.fi) osallistuu kansainväliseen IEC:n ja CENELECin standardisointityöhön Suomen edustajana ja saattaa tämän työn tulokset kansallisiksi SFSstandardeiksi kansallinen SK 106 komitea seuraa standardisointia IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) (www.ieee.org); amerikkalainen standardisointijärjestö 4
Standardityypit CENELEC valmistelee monia erityyppisiä standardeja: 1. Perusstandardit (Basic standards) mittaus- ja laskentamenetelmät mittauslaitteistot 2. Yleisstandardit (Generic standards) yleiset vaatimukset sen osoittamiseksi, että altistumisrajat eivät ylity viittaus perusstandardeihin 3. Tuoteperhestandardit (Product family standards) vaatimukset sen osoittamiseksi, että tuoteryhmää käytettäessä altistumisrajat eivät ylity 4. Tuotestandardit (Product standards) kohdan 3 erikoistapaukset 5. Tuotteen käyttöönottostandardit (Put into service standards) menettelytavat sen toteamiseksi, että altistumisrajat eivät ylity, kun tuote on asennettu käyttövalmiiksi 6. Ns. in situ -mittausstandardit erityisiin mittaustilanteisiin ja -kohteisiin soveltuvat standardit IEC valmistelee altistumisen määrittämiseen liittyviä standardeja 5
Altistumisen arviointi teknisten tietojen perusteella Altistumisen arvioinnissa voidaan hyödyntää seuraavaa yleisstandardia: EN 50499:2008 Procedure for the assessment of the exposure of workers to electromagnetic fields SM-kenttädirektiivin soveltamisstandardi työpaikoille (päivitettävänä) Ohjeistus, tarvitaanko työpaikalla SM-kenttiin liittyvää altistumisen ja riskinarviointia Lisäksi voidaan käyttää seuraavia standardeja: EN 62226-1, Exposure to electric or magnetic fields in the low and intermediate frequency range Methods for calculating the current density and internal electric field induced in the human body Part 1: General (IEC 62226-1) EN 62226-2-1, Exposure to electric or magnetic fields in the low and intermediate frequency range Methods for calculating the current density and internal electric field induced in the human body Part 2-1: Exposure to magnetic fields 2D models (IEC 62226-2-1) EN 62226-3-1, Exposure to electric or magnetic fields in the low and intermediate frequency range methods for calculating the current density and internal electric field induced in the human body Part 3-1: Exposure to electric fields Analytical and 2D numerical models (IEC 62226-3-1) EN 62311, Assessment of electronic and electrical equipment related to human exposure restrictions for electromagnetic fields (0 Hz 300 GHz) (IEC 62311, mod.) 6
Yleisiä pientaajuisen kentän mittausstandardeja IEC 61786-1:2014 Measurement of DC magnetic, AC magnetic and AC electric fields from 1 Hz to 100 khz with regard to exposure of human beings Part 1: Requirements for measuring instruments mittauslaitteille ja niiden kalibroinnille asetetut vaatimukset IEC 61786-2:2014 Measurement of DC magnetic, AC magnetic and AC electric fields from 1 Hz to 100 khz with regard to exposure of human beings - Part 2: Basic standard for measurements mittausohjeet Näitä sovelletaan silloin, kun mitattavaa laitetta koskevaa mittausstandardia ei ole. 7
Laitteita koskevia mittausstandardeja (1/3) IEC 62369-1:2008 Evaluation of human exposure to electromagnetic fields from short range devices (SRDs) in various applications over the frequency range 0 GHz to 300 GHz - Part 1: Fields produced by devices used for electronic article surveillance, radio frequency identification and similar systems Varashälyttimien, metallinpaljastimien ja radiotaajuustunnistinlaitteiden tuoteryhmää koskeva perusstandardi IEC 62110:2009 Electric and magnetic field levels generated by AC power systems - Measurement procedures with regard to public exposure sähkönsiirto- ja sähkönjakelujärjestelmien perusstandardi IEC 62233:2005 Measurement methods for electromagnetic fields of household appliances and similar apparatus with regard to human exposure kotitaloudessa käytettävien sähkölaitteiden sähkö- ja magneettikentän mittauksia koskeva perusstandardi 8
Laitteita koskevia mittausstandardeja (2/3) EN 50500, Measurement procedures of magnetic field levels generated by electronic and electrical apparatus in the railway environment with respect to human exposure mittaus- ja laskentamenetelmät altistumisen määrittämiseen rautateiden työ- ja oleskeluympäristön aiheuttamille sähkö- ja magneettikentille taajuusalueella 0 20 khz EN 50519:2010 Assessment of workers' exposure to electric and magnetic fields of industrial induction heating equipment Teollisuudessa käytettävien induktiokuumennuslaitteiden aiheuttaman SMkenttäaltistumisen määrittämiseen liittyvä standardi 9
Laitteita koskevia mittausstandardeja (3/3) Sähköhitsaukseen liittyviä standardeja: EN 50444, Basic standard for the evaluation of human exposure to electromagnetic fields from equipment for arc welding and allied processes EN 50445, Product family standard to demonstrate compliance of equipment for resistance welding, arc welding and allied processes with the basic restrictions related to human exposure to electromagnetic fields (0 Hz 300 GHz) EN 50505, Basic standard for the evaluation of human exposure to electromagnetic fields from equipment for resistance welding and allied processes 10
Staattisen sähkö- ja magneettikentän mittaukset staattisen sähkökentän mittaustarve on vähäinen staattisen magneettikentän mittauksiin käytetään pääasiassa Hallanturia muita staattisen magneettikentän mittausmenetelmiä: vuoporttimagnetometri NMR-magnetometri SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) NMR-magnetometri ja SQUID lähinnä tieteellisissä ja metrologisissa sovelluksissa 11
Hall-anturin toimintaperiaate V m I Bsin m c perustuu Lorentzin voimaan, joka kohdistuu magneettikentässä liikkuviin varauksiin puolijohdemateriaalista valmistettu ohut levy magneettikenttä kuljettaa enemmistövarauksen kuljettajat levyn toiseen reunaan, mikä aiheuttaa Hall-jännitteen V m m = levyn paksuudesta ja materiaalista johtuva herkkyyskerroin = 1/(ned), n on varauksenkuljettajien tiheys, e on alkeisvaraus ja d levyn paksuus I c on ohjausvirta B on magneettivuon tiheys on magneettivuon ja levyn tason välinen kulma 12
SM-kentän mittausperiaate pienikokoinen mittapää altistumislähteen lähellä mitattava sähkö- ja magneettikentän kolmen toisiaan vastaan kohtisuoran komponentin amplitudit ja vaiheet (12 suuretta) laajakaistaisesta kentästä tuhansia taajuuskomponentteja mittausdatan määrää rajoitettava 13
Sähkö- ja magneettikenttien mittareiden yleinen toimintaperiaate 14
Sähkökentän mittausperiaate aallonpituuteen nähden lyhyt dipoli 15
Pientaajuisen sähkökentän mittaus pallodipoliin (a-kuva) indusoituva virta määräytyy tarkasti pallon halkaisijasta I 2 3 r 0E0 pallodipolia ei tarvitse kalibroida pallodipolia voidaan käyttää mittanormaalina muunlaisten antennien antennivakio k on määritettävä kaliboinnilla I k 0 E 0 16
Radiotaajuisen sähkökentän mittapää dipolianturin taajuuskaistaa voidaan kasvattaa taajuuteen 50 GHz asti valmistamalla dipoli resistiivisestä materiaalista (resonanssi häviää) valmistamalla dipoli termopariketjusta 17
Isotrooppisen sähkökentän mittapään rakenteita 18
Magneettikentän mittausperiaate magneettikenttä kohtisuorassa silmukan tasoa vastaan R L c L rajataajuus vastuksen yli syntyvä jännite U L = N r 2 B, kun << c ( B-mittari) L U L = N r 2 BR L /L, kun >> c (B-mittari) pienillä taajuuksilla N on suuri 8r silmukan r ln( - 2) induktanssi a 19
Monikierroksinen suojattu silmukka suoja estää sähkökentän indusoimien pitkittäissuuntaisten jännitteiden kytkeytymisen suoja ei vaikuta magneettikentän indusoimaan jännitteeseen 20
Radiotaajuisen magneettikentän mittapää resistiivinen siirtojohto 21
Isotrooppisen magneettikentän mittapään rakenteita 22
Tyypillinen sähkö- tai magneettikentän mittari Sähkökentän mittauksissa mitattava kenttä häiriintyy vähemmän, kun mittaussignaali siirretään optisella kaapelilla mittapäästä mittariosaan. 23
Kalibrointi kentänvoimakkuusmittarien kalibroinnissa määritetään mittarin kalibrointikerroin (kerroin, jolla lukema kerrotaan oikean tuloksen saamiseksi), mittapään lineaarinen vaste, taajuusvaste ja isotrooppisuus käytetään standardikenttämenetelmää eli tuotetaan ilmaan tai nesteeseen (SAR-mittapää) mahdollisimman tasainen ja tarkkaan tunnettu sähkö- tai magneettikenttä joissakin tapauksissa käytetään myös standardimittapäämenetelmää eli pienikokoinen luotettavaksi havaittu mittapää kalibroidaan ensin standardikenttämenetelmällä ja sitä käytetään kentän määrittämiseen kalibrointipisteessä 24
Pientaajuisen sähkökentän mittarien kalibrointi Sähkökentän voimakkuus E V d 25
Staattisen ja pientaajuisen magneettikentän mittarien kalibrointi Helmholtzin kela Magneettikentän voimakkuus H (tai magneettivuon tiheys B) voidaan laskea virrasta I ja kelojen mitoista kaavoilla tai kalibrointipisteen H tai B määritetään ympyränmuotoisella vertailukelalla Faradayn lain nojalla 26
Mittausten epävarmuus Sähkö- ja magneettikentän mittauksen epävarmuuteen vaikuttavia tekijöitä: Mittarin ja sen mittapäiden kalibroinnin epävarmuus Taajuusvaste Lineaarisuusvaste Mittapään epäisotrooppisuus Mittapään vaste kentän modulaatioon Mittapään vasteen riippuvuus ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta Virheellisiä mittaustuloksia voivat aiheuttaa seuraavat tekijät: Mittarin ja mittapään vaste toimintataajuusalueen ulkopuolisille kentille Ulkoisen SM-kentän kytkeytyminen suoraan mittariin tai välijohtoon Mittaajan läheisyys sähkökentän mittauksissa Mittapää liian lähellä mittauskohdetta (minimietäisyys 30 cm) Mittauksen epävarmuuden tavoitetaso on ±30 % (k=2). 27
Kentänvoimakkuusmittausten jäljitettävyys Sähkökentän mittaukset ovat jäljitettävissä kalibrointilaitteiston geometristen ominaisuuksien kautta jännitteeseen. Magneettikentän mittaukset ovat jäljitettävissä kalibrointilaitteiston geometristen ominaisuuksien kautta virtaan tai vertailukelalla mitattuun jännitteeseen. Kalibrointilaitteistoilla tuotettu pientaajuisen sähkö- ja magneettikentän voimakkuuden epävarmuus voi olla ±10 % (k=2). 28
Sähkökentän voimakkuuden mittauksen epävarmuus Sähkökentän voimakkuuden mittauksen epävarmuuteen vaikuttavat mittauslaitteen epävarmuus, sis. kalibroinnin epävarmuuden mittausolosuhteet (lämpötila, ilman suhteellinen kosteus) mittapään asento ja lähiympäristö Mittauslaitteiden epävarmuus on yleensä muutama prosentti. Mittausolosuhteista ilman suhteellinen kosteus vaikuttaa eniten. Yli 70 % suhteellinen kosteus voi kasvattaa mittaustulosta yli 10 prosentilla. Eniten mittaustulokseen vaikuttavat mittapään asento ja sen lähiympäristö. Mittapään pitäisi leijua vapaasti ilmassa, (standardi IEC 61786-1, liite F) 29
Sähkökentän voimakkuuden mittauslaitteita Narda EFA-300 Wave control SMP2 Maschek ESM-100 30
Esimerkki sähkökentän mittauksesta 2 x 400 kv voimajohdon alla Sähkökentän maksimit reunimmaisten johtimien alla Sähkökentän voimakkuus 1 metrin korkeudella maasta EFA-300: 4800 5000 V/m (pysty) Wave control: 6000 V/m (pysty) 4200 V/m (vaaka) Toistomittauksessa mittapäiden ollessa noin 1,5 m pituisen vaakasuuntaisen onton muovisauvan päässä mitattu sähkökentän voimakkuus oli molemmilla mittareilla 4500 V/m. 31
Esimerkki sähkökentän laskennasta 2 x 400 kv voimajohdon alla Kaksi portaalijohtoa vierekkäin, vaiheistus R - S - T - R - S - T Johtimien korkeus maasta 10 m ja välimatka 9 m Sähkökentän voimakkuus 1 m korkeudella maasta Sähkökentän voimakkuus korkeuden funktiona kohdassa 0 m 32
Sähkökentän mittaus Vaihejohtimen korkeus noin 12 m kallion huipusta Sähkökentän voimakkuus mitattiin 1 m korkeudella kalliosta. Wave control 6700 V/m varsi pystysuorassa 5450 V/m varsi vaakasuorassa EFA-300 6020 V/m 33
Yhteenveto pientaajuisen sähkö- ja magneettikentän mittauksista Ennen mittauksia selvitetään kohteen tekniset tiedot. Jos mittaus on tarpeellinen, valitaan tarkoitukseen sopivat mittauslaitteet, jotka on kalibroitu ja joiden toiminta on tarkistettu. Mitataan standardien ohjeiden mukaisesti. Mittaustulokset ja SM-kenttälähteen parametrit sekä ympäristön olosuhteiden tiedot tallennetaan mittausten aikana. Mittauksista laaditaan seloste, jossa esitetään mittaustulokset, mittauksen epävarmuus ja jäljitettävyys, vertailu väestön suositusarvoihin tai työntekijöiden toimenpidetasoihin ja annetaan vertailun perusteella turvallisuussuosituksia. 34