Электромагнитные волны: контроль уровня, визуализация и меры защиты

Давно уже не секрет, что электромагнитные волны (ЭМВ), особенно искусственного происхождения, наносят определенный вред человеческому организму. В современном мире мы буквально опутаны этой паутиной: будучи в офисе или дома и даже просто прогуливаясь по улице, мы находимся в так называемой искусственной волновой ванне. Все, что включается в розетку или работает от аккумуляторов, излучает ЭМВ. Пересечение ЭМВ одного оборудования с другим, будь то промышленные системы или компактные устройства, не только увеличивает область их воздействия, но и может вывести приборы из строя. Ключевым фактором здесь являются длина и частота исходящих волн, которые обуславливаются строением самих устройств. Поэтому очевидно, что любой производитель должен делать замеры электромагнитного излучения (ЭМИ) выпускаемого им оборудования. Существуют государственные стандарты, правила и нормативы, соответствие которым является обязательным и требует проведения производственного контроля, аттестации рабочих мест, научных исследований влияния производственных физических факторов на человека и др. Вот некоторые из них:

• ГОСТ 12.1.002-84 «Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля».
• СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях».
• ГН 2.1.8/2.2.4. 2262-07 «Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях».
• СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона».
• ГОСТ 12.1.045-84 «Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля».

Электромагнитные волны (рис. 1) способны вызывать движение элементарных частиц: электронов, ионов, протонов и молекул. В клетках любого живого организма (от бактерии до человека) содержится большое количество заряженных молекул (белки, аминокислоты, фосфолипиды…). При воздействии сильного электромагнитного поля (ЭМП) заряженные молекулы совершают колебательные движения, что может привести к ряду нарушений в работе клеток и организма в целом. В результате такого воздействия человек начинает отмечать головокружения, головные боли, бессонницу, усталость, ухудшение концентрации внимания. В дальнейшем эта симптоматика перерастает в серьезные хронические заболевания: сердечную аритмию, колебания уровня сахара в крови, хронические респираторные заболевания и т. д.

Рис. 1. Строение электромагнитной волны

Еще одной особенностью ЭМП являются побочные ЭМИ (ПЭМИ). Наибольшую актуальность представляют вопросы, связанные с информативными ПЭМИ, которые содержат сведения об обрабатываемой информации и могут быть перехвачены заинтересованными лицами, что обуславливает утечку информации. Чтобы обеспечить нормальное функционирование электронных средств в условиях ЭМ-помех, в последние годы потребовалось решать вопрос ЭМ-совместимости (ЭМС). Вводились новые отечественные стандарты и методы испытаний, регламентирующие объем современных требований к техническим средствам по обеспечению ЭМС и меры по обеспечению требований охраны труда. Для соответствия требованиям данных стандартов необходимо проводить аттестационные измерения характеристик ЭМП.

Ранее уже были изобретены различные инструменты для определения напряженности ЭМП и измерения плотности потока ЭМВ, но все получаемые данные до настоящего момента отображались в качестве цифр или графиков соотношений на небольших экранах приборов. Особого внимания заслуживают разработки японской компании NoiseKen — лидера на мировом рынке в производстве оборудования для испытаний на устойчивость к электростатике и электромагнитной индукции. Созданная фирмой система EPS‑02xxx (рис. 2) способна не только проводить измерения ЭМП, отображая все показатели в графическом виде, но также и визуализировать их на экране монитора, воспроизводя в цветовой гамме силу и область воздействия ЭМП.

Рис. 2. Система EPS 02Ev2

Существуют конфигурации EPS‑02, позволяющие измерять высокочастотные и низкочастотные магнитные поля с учетом плотности потока, а также упрощенная система (без частотного анализа).

Измерительный комплекс EPS‑02 позволяет автоматизировать процесс сканирования ЭМИ на персональном компьютере. Система определяет положение ручного зонда, изображение сканируемого объекта, совмещается с цветной полупрозрачной картой распределения интенсивности ЭМИ при помощи методики распознавания цветовых образов, создает карту распределения силы света, которую накладывает на реальное изображение сканируемого объекта. Таким образом, система без особого труда позволяет определять источники ЭМВ и принимать необходимые меры для уменьшения их воздействия и, что немаловажно, помогает пройти испытания на соответствие стандартам ЭМС.

Рис. 3. Зонды и набор насадок

Зонды различных размеров позволяют фиксировать данные как от малых областей печатных плат, так и от крупного оборудования (рис. 3, 4). Время, затрачиваемое на весь процесс, включая снятие показаний и визуализацию полученных данных, занимает не более двух минут.

Рис. 4. Замер ЭМП на компонентах печатной платы

Система особенно полезна для проектирования печатных плат с наименьшим электромагнитным влиянием (рис. 5, 6).

Рис. 5. Визуализация измеряемой области печатной платы

Рис. 6. Визуализация измеряемой печатной платы:
а) печатная плата до улучшения;
б) печатная плата после улучшения

ЭМИ также принято делить по частотным диапазонам. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жестко связана с длиной волны в вакууме. ЭМИ, у которых частоты отличаются на несколько порядков величин, такие как радиоволны и рентгеновские лучи, имеют качественно различные свойства (таблица).

Как уже было отмечено ранее, система EPS‑02 проводит измерения ЭМП бытовой техники, промышленного оборудования и различных устройств, а также их воздействия на организм человека с учетом облучения. Карта распределения напряженности поля может дать более конкретную информацию о диапазоне частот (рис. 7). Также можно проводить низкочастотные измерения магнитного поля электромобилей и гибридных электромобилей, воздействия ЭМП транспортных средств на человека.

Рис. 7. Распределение напряженности поля

Измерение ЭМП автомобилей с аккумуляторной системой накопления энергии в диапазоне низких частот 10 Гц – 400 кГц, согласно стандарту ICNIRP 2010, позволяет определить:

• воздействие на мозг, грудную клетку (сердце) и репродуктивные органы пассажиров;
• параметры при нормальной/ускоренной езде, при замедлении (регенерации энергии) и зарядке автомобиля.

Рис. 8. EPS 02EMF: результаты измерения на приборной панели в автомобиле

Также производятся измерения во время бесконтактной зарядки автомобиля в диапазоне 10 Гц – 400 кГц, согласно стандарту международной комиссии по защите от неионизирующих излучений IEC61980-1. Замеры осуществляются внутри и снаружи транспортного средства (рис. 8–10).

Рис. 9.
а) Измерения в салоне;
б) показания измерений магнитного поля

Рис. 10.
а) Измерения в районе двигателя;
б) результаты измерений

Данные замеры позволяют не только выявить область распространения ЭМВ, но и определить конкретные детали и компоненты, которые излучают наиболее сильные волны и над которыми, возможно, следует провести ряд экспериментов по их замене на узлы с наименьшей силой ЭМП. Система будет полезна при ведении разработок новых устройств, работающих от сети или от аккумулятора, что позволит удовлетворить всем необходимым стандартам на соответствие и поднять уровень качества выпускаемой продукции на рынке, значительно уменьшив оказываемое ею негативное влияние на организм человека. Подобные измерения также необходимы для наиболее благоприятного расположения электронных устройств и бытовых приборов в доме или офисе — таким образом, чтобы их магнитные поля не пересекались, то есть не накладывались друг на друга, тем самым увеличивая область воздействия и их силу.

Отдельно можно выделить систему визуализации звуковых полей — EPS‑02S (рис. 11), применяемую для изучения полей сложной формы в целях проведения дефектоскопии и медицинской диагностики, а также для визуализации акустических изображений предметов.

Рис. 11. Система визуализации звуковых полей в EPS 02S

EPS‑02S создает карту распределения звуков, наложенную на изображение реального объекта, и показывает области сканирования (рис. 12). Система измеряет интенсивность звука, то есть его энергию, идущую в одном направлении, что позволяет определить источник звука и превратить его в видимое изображение. Наиболее распространенный метод для получения подобных данных — специальные системы локализации источника звуков, но, как правило, они существенно дороже и их необходимо устанавливать в безэховых камерах, которые, в свою очередь, тоже недешевое дополнение. Кроме того, данные системы не могут использоваться напрямую в местах установки оборудования (там, где необходимо снять замеры), так как они улавливают все звуки вокруг в широком диапазоне. Таким образом, аргументы в пользу EPS‑02S очевидны: система не требует больших вложений, для работы с ней нет необходимости в создании безэховой камеры, она может использоваться непосредственно в местах установки оборудования и очень компактна.

Рис. 12. Карта распределения звуков на изображении объекта

Помимо уже указанных преимуществ системы визуализации ЭМП EPS‑02, она обладает возможностью создания 3D-модели плотности напряженности ЭМП (рис. 13), благодаря которой можно наиболее точно определить источник ЭМВ.

Рис. 13. 3D-модель плотности напряженности ЭМП

Существует ряд организационных мероприятий по защите от ЭМП. К ним относятся:

• выбор режимов работы излучающего оборудования, обеспечивающих уровень излучения, не превышающий предельно допустимый;
• ограничение места и времени нахождения в зоне действия ЭМП (защита расстоянием и временем);
• обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМП.

Защита временем применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения в данной точке до предельно допустимого уровня (ПДУ). В регламентации действующих ПДУ предусмотрена зависимость между интенсивностью плотности потока энергии и временем облучения. Защита расстоянием основывается на падении интенсивности излучения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния, и применяется, если невозможно ослабить воздействие ЭМП другими мерами, в том числе и защитой временем. Для каждой установки, излучающей ЭМВ, должны определяться санитарно-защитные зоны, в которых интенсивность ЭМП превышает ПДУ. Границы зон рассчитываются для каждого конкретного случая размещения излучающей установки при ее работе на максимальную мощность излучения и контролируются с помощью приборов.

Хотя основная ответственность лежит на плечах производителей электронных устройств, не нужно забывать о мерах снижения воздействия ЭМВ на свой организм, основными среди которых являются выбор приборов с наименьшей мощностью ЭМИ и их размещение в помещениях в соответствии с принятыми нормативами и правилами.