Повышение безопасности электротехнологий апк на основе интегрированного контроля электромагнитных излучений
На правах рукописи
Титов Евгений Владимирович ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ АПК НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Барнаул - 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сошников Александр Андреевич
Официальные оппоненты: Худоногов Анатолий Михайлович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», кафедра «Электроподвижной состав», профессор;
Меновщиков Юрий Александрович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», кафедра «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», профессор
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Защита состоится « 20 » марта 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.
Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, проспект Ленина, 46.
http://www.altstu.ru;
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан « 4 » февраля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Куликова Лидия Васильевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Интенсивное использование электромагнитной энергии в современном обществе привело к формированию нового фактора за грязнения окружающей среды – электромагнитного. Источники электромаг нитных полей (ЭМП) получают все более широкое распространение, как в про изводственных, так и в бытовых условиях, создавая все большую опасность для здоровья людей. Поэтому возникает необходимость принятия защитных мер для обеспечения безопасности жизнедеятельности.
В настоящее время рядом нормативных документов установлены пре дельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитного излучения (ЭМИ), воз действующего на рабочий персонал и людей, профессионально связанных и не связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМИ.
Как показывает анализ, значения ПДУ электромагнитных полей, возни кающих при реализации некоторых электротехнологических процессов в АПК, могут быть существенно превышены.
Для обоснования мероприятий по обеспечению безопасности необходимо контролировать электромагнитную обстановку на объектах с источниками ЭМИ.
Известные способы контроля электромагнитной обстановки имеют узкую область применения и реализуют измерение только отдельных составляющих ЭМП. При этом отсутствует возможность получения полной картины опасно сти контролируемого пространства, так как для этого необходимо производить измерения во всех его точках для всех составляющих поля и возможных частот излучения.
Целью работы является повышение электромагнитной безопасности электротехнологий, используемых на объектах АПК.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- анализ известных способов контроля электромагнитной обстановки;
- выбор информативного критерия оценки опасности ЭМИ от нескольких источников и обоснование перспективного способа контроля состояния элек тромагнитной обстановки;
- разработка методики оценки опасности электромагнитной обстановки в различных зонах исследуемого пространства;
- обоснование требований к условиям практической реализации способа интегрированного контроля электромагнитных излучений;
- выбор мероприятий для обеспечения электромагнитной безопасности по результатам интегрированного контроля ЭМИ.
Объект исследования. Электромагнитная обстановка электротехнологи ческих процессов АПК.
Предмет исследования. Контроль параметров электромагнитных излу чений для обоснования мероприятий по повышению электромагнитной безопасности.
Методы исследования. Теория электромагнитного поля, математи ческое, физическое и имитационное моделирование.
Научную новизну представляют:
- новая концепция исследования электромагнитной обстановки на объек тах АПК;
- метод определения наиболее опасной составляющей электромагнитного поля по результатам оценки допустимого времени пребывания человека в кон тролируемой зоне;
- методика компьютерного моделирования ЭМП для формирования про странственной картины опасности электромагнитных излучений;
- способ интегрированного контроля электромагнитных излучений.
Практическую ценность работы представляют:
- методика определения допустимого времени пребывания человека в различных зонах объекта с источниками ЭМИ;
- метод оценки состояния электромагнитной обстановки с помощью про странственной картины опасности ЭМИ;
- рекомендации по обоснованию мероприятий для повышения электро магнитной безопасности электротехнологических процессов АПК.
Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года (МСХ РФ, приказ от 25 июня 2007 года № 342) и аналитической ведомственной целевой программой «Разви тие научного потенциала высшей школы» (2010-2012 годы).
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты диссертации реали зованы при выполнении проекта Министерства образования и науки РФ № 3453 «Создание комплексной системы техногенной безопасности образова тельных учреждений» аналитической ведомственной целевой программы «Раз витие научного потенциала высшей школы (2009-2012 годы)».
Научные положения, выводы и рекомендации использованы при разработ ке методических и практических рекомендаций «Обеспечение электромагнитной безопасности электротехнологических процессов на объектах АПК», принятых Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края.
Результаты диссертационной работы представлены в монографии «Электромагнитная безопасность технологических процессов АПК», учебном пособии «Обеспечение безопасности технологических процессов с источниками электромагнитного излучения» для аспирантов специальности 05.20.02, а также включены в Образовательный стандарт учебной дисциплины «Электромагнитная безопасность» по направлению подготовки: «Электроэнергетика и электротехника» в АлтГТУ.
Апробация работы. Основные материалы и результаты работы пред ставлялись и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (Барнаул, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.);
XI Всероссийской научно-технической конференции «Новые техно логии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2011 г.);
XI Международной научно-технической конференции «Ав томатизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих» (Донецк, 2011 г.);
Всероссийской студенческой конференции «Безопасность жизнедея тельности глазами молодежи» (Челябинск, 2011 г.);
Международных научно практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век» (Орел, 2010, 2011, 2012 гг.).
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Повышение безопасности электротехнологических процессов АПК возможно на основе интегрированного контроля электромагнитных излучений.
2. В качестве критерия оценки опасности ЭМИ можно использовать наименьшее допустимое время пребывания человека в контролируемой зоне пространства, соответствующее наиболее опасной составляющей ЭМП.
3. Состояние электромагнитной обстановки на контролируемом объекте оценивается пространственной картиной электромагнитной опасности, пред ставляющей собой карту допустимого времени пребывания человека в различ ных зонах исследуемого пространства, получаемую в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диапазоне исследуемых частот и последующего компьютерного моделирования электромагнитного поля.
4. Эффективность разработанного способа интегрированного контроля ЭМИ обусловлена упорядочением процесса оценки состояния электромагнит ной обстановки. При этом не только снижается трудоемкость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная пространственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обоснованно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и технических ограничений.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опублико вано 15 печатных работ, в том числе, 6 - в изданиях по перечню ВАК, а также получено Решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности (РОСПАТЕНТ) о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Ра бота изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 33 таблицы, 5 приложений. Список литературы включает 124 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены сведения об апробации основных ре зультатов работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ электромагнитной обстановки на объек тах АПК и обоснованы цель и задачи исследования.
Повышенное внимание к проблеме электромагнитного загрязнения окру жающей среды вызвано его масштабностью: энерговооруженность в последней трети XX века возросла в тысячи раз.
При длительном пребывании людей в зонах с повышенной интенсив ностью различных излучений появляются такие симптомы заболеваний, как го ловная боль;
слабость;
потеря работоспособности;
плохой, поверхностный сон;
снижение потенции;
нестабильность температуры тела;
аллергические реакции;
нарушение логики мышления и речи;
нарушение функционирования ослаблен ных органов, переходящее в постоянное болезненное состояние;
функциональ ные нарушения центральной и вегетативной нервной систем;
склонность к по тению;
легкое дрожание пальцев;
вегетонические нарушения сердечно сосудистой системы;
нестабильность пульса;
нестабильность артериального давления;
помутнение хрусталика глаза;
нарушение работы механизмов адап тации организма к изменениям условий внешней среды;
нарушение обмена ве ществ;
онкологические заболевания;
болезни Паркинсона и Альцгеймера;
при увеличении энергии электромагнитных излучений – нагревание тканей, ожоги.
Энергетической причиной нарушения здоровья людей в зонах с повы шенной интенсивностью ЭМИ признано устойчивое изменение характеристик энергетических полей организма (биополей) под воздействием различных элек тромагнитных излучений. Под воздействием таких энергетических сгустков ор ганы человека изменяют свои природные параметры функционирования. И только после выхода из опасной зоны защитные механизмы здорового орга низма в состоянии частично или полностью устранить образовавшиеся измене ния биополя или молекулярной структуры организма.
Для оценки опасности технологий АПК проведена классификация основ ных технологических процессов с использованием электромагнитных полей.
Выделены электротехнологии с использованием электростатического поля и поля коронного разряда, электрического поля частой 50 Гц, магнитных полей, а также электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты.
Определена группа технологических процессов с источниками ЭМИ, со здающими ЭМП с возможным превышением предельно допустимых уровней, в том числе:
- предпосевная обработка семян в электростатическом и в электромаг нитном полях сверхвысокой частоты;
- электроискровая обработка травы;
- искусственная аэроионизация воздуха;
- обработка кормов;
- обеззараживание сельскохозяйственных сред;
- стерилизация питательных растворов;
- омагничивание воды аппаратами с постоянными магнитами и электро магнитами;
- борьба с сорняками СВЧ-полем.
Автоматизация и компьютеризация сельскохозяйственных процессов, а также внедрение в АПК современных электротехнических изделий способ ствуют повышению уровня опасного электромагнитного излучения от таких источников ЭМИ, как компьютерная техника, силовая и осветительная электро проводка, электрические распределительные щиты, электрические лампы.
В результате анализа нормативных требований к допустимым параметрам ЭМП, установлено, что электротехнологические процессы сельскохозяйствен ного производства с использованием различных источников ЭМИ могут пред ставлять высокую опасность из-за превышения ПДУ составляющих электро магнитного поля.
Для повышения электромагнитной безопасности на объектах АПК необходимо обеспечить контроль состояния электромагнитной обстановки и применять обоснованные защитные мероприятия.
На основании изложенного определены цель проводимых исследований и задачи, подлежащие решению.
Во второй главе с учетом анализа наиболее известных способов кон троля электромагнитной обстановки предложен новый способ интегрированно го контроля ЭМИ.
В результате проведенного анализа установлено, что известные спосо бы имеют узкую область применения и реализуют измерение только отдель ных составляющих электромагнитного поля. При этом отсутствует возмож ность получения полной картины опасности контролируемого пространства, так как для этого необходимо производить измерения во всех его точках для всех составляющих поля и возможных частот излучения.
Учитывая, что весьма информативным и удобным для восприятия пара метром является допустимое время пребывания человека в различных зонах помещений с источниками ЭМИ, для оценки состояния электромагнитной об становки предложена новая концепция исследования.
В рамках этой концепции состояние электромагнитной обстановки на контролируемом объекте оценивается пространственной картиной электромагнитной опасности, представляющей собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, получаемую в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диапазоне исследуемых частот и последующего компьютерного моделирования электромагнитного поля.
Опасные составляющие электромагнитных излучений соответствуют наименьшему допустимому значению времени пребывания человека в точках измерения напряженностей электрических, магнитных полей и плотности потока энергии (ППЭ) электромагнитных полей вблизи источников излучения на частотах, регламентированных действующими нормативными документами.
В основу реализации концепции положен следующий алгоритм:
- проводятся экспериментальные исследования уровней статических электрических полей, переменных электрических, магнитных и электромагнитных полей в диапазоне частот и на расстоянии от центра каждой внешней поверхности каждого источника излучения, соответствующих требованиям санитарно-эпидемиологических правил и нормативов;
при этом учитывают только наибольшие значения напряженностей электрического, магнитного полей и плотности потока энергии;
- определяется наименьшее допустимое время пребывания людей в зонах воздействия излучения от внешних поверхностей источников ЭМИ в измеренных статических электрических полях и частотных диапазонах переменных электрических, магнитных и электромагнитных полей;
- измеренные значения напряженностей электрических, магнитных полей и ППЭ, соответствующие наименьшему допустимому времени пребывания людей в зонах воздействия излучения от внешних поверхностей источников ЭМИ, используют для компьютерного моделирования пространственной картины электромагнитных излучений, а также сочетания различных видов излучений в исследуемом помещении;
- на основе результатов компьютерного моделирования получают карти ны уровней электрического, магнитного и электромагнитного полей во всех точках исследуемых объектов;
- с помощью полученной пространственной картины электромагнитных полей определяют области исследуемого пространства, характеризуемые превышением предельно допустимых уровней исследуемых полей;
- о состоянии электромагнитной обстановки судят по полученной пространственной картине опасности электромагнитного излучения, преобразуя узловые значения шкалы напряженности электрического или магнитного полей или плотности потока энергии в узловые значения допустимого времени пребывания, формируя шкалу допустимого времени и заменяя шкалу поля на шкалу допустимого времени пребывания в опасных зонах объекта;
- полученную пространственную картину опасности ЭМИ используют в качестве карты допустимого времени пребывания людей в различных зонах исследуемого помещения, а также для проведения организационно-технических мероприятий по снижению степени влияния электромагнитных излучений на людей, находящихся в рассматриваемом помещении.
Измерение напряженностей электрического, магнитного полей и плотно сти потока энергии электромагнитного поля осуществляется в соответствии с действующей системой санитарно-гигиенического нормирования.
Компьютерное моделирование в процессе решения проблемы электро магнитной безопасности используется для получения информации об электро магнитном поле в помещении в любой точке пространства, а также для опреде ления превышений ПДУ во всем исследуемом помещении.
Кроме того, моделирование электромагнитных полей позволяет решать задачи определения мероприятий по нормализации электромагнитной обста новки в помещениях с источниками ЭМИ, в том числе:
- выбора способов организации рабочих мест;
- выбора мер защиты от электромагнитного излучения;
- обоснования целесообразности замены оборудования.
Представленная концепция положена в основу нового способа интегри рованного контроля электромагнитных излучений.
Для реализации способа на объектах с источниками ЭМИ производятся измерения нормируемых параметров электростатического, переменных элек трического, магнитного и электромагнитного полей на частотах: 0 Гц, 50 Гц, 30 кГц, 3 МГц, 30 МГц, 50 МГц, 300 МГц и при необходимости на более высо ких частотах (до 300 ГГц) на расстоянии 0,1 м (0,5 м) от центра внешних по верхностей каждого источника излучения. В точках измерения определяется допустимое время пребывания людей по следующей методике.
Известны расчетные выражения для определения допустимого времени пребывания в зоне действия электромагнитного поля людей, профессионально связанных и не связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМИ.
В частности, предельно допустимый уровень напряженности электроста тического поля (ЭСП) при воздействии менее 1 часа за смену составляет 60 кВ/м. Допустимое время пребывания персонала в этом электростатическом поле (час) без средств защиты определяется по формуле, Tдоп ( ЭСП) (1) Е факт где Ефакт – значение напряженности электростатического поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ, на частоте 0 Гц, кВ/м.
При воздействии этого поля более 1 часа за смену величина ПДУ напря женности электростатического поля определяется по формуле Е ПДУ, (2) t где t – время воздействия, ч.
Вычисленное по формуле (2) ПДУ напряженности электростатического по ля для людей, профессионально связанных с эксплуатацией и обслуживанием ис точников ЭМИ, при воздействии в течение 8 часов составляет 21 кВ/м.
Аналогично можно определить допустимое время пребывания людей в зонах действия источников ЭМИ на объектах АПК, например, с персональными электронно-вычислительными машинами (ПЭВМ).
При определении допустимого времени пребывания людей в электриче ском поле (ЭП) промышленной частоты руководствуются следующим.
ПДУ напряженности электрического поля промышленной частоты для людей, профессионально связанных с эксплуатацией и обслуживанием источ ников ЭМП при воздействии в течение всей смены (8 часов) составляет 5 кВ/м.
Допустимое время пребывания людей (час) в этом поле рассчитывается по формуле 2, Tдоп ( ЭП (3) Е 50) факт где Е2факт – значение напряженности электрического поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ и бытовой техники, на промышленной частоте 50 Гц, кВ/м.
Нормированное значение ПДУ напряженности электрического поля про мышленной частоты, создаваемого ПЭВМ на рабочих местах, составляет 0,025 кВ/м для 8-часового рабочего дня. Используя формулу (3), можно полу чить формулу для определения допустимого времени пребывания человека в электрическом поле 50 Гц, создаваемом ПЭВМ (час) 0, 2, Tдоп ( ЭП (4) Е 50) ПЭВМ факт где Е3факт – значение напряженности электрического поля, создаваемого ПЭВМ, на частоте 50 Гц, кВ/м.
Допустимое время пребывания людей в магнитном поле (МП), создаваемом источниками ЭМИ кроме ПЭВМ, на частоте 50 Гц можно определить, используя таблично заданные в СанПиН нормированные значения этих показателей для производственных условий, по формуле Tдоп ( МП, (5) 50) Н1факт где Н1факт – значение напряженности магнитного поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ, на частоте 50 Гц, А/м.
Аналогично определяется допустимое время пребывания людей в зонах действия магнитного поля других частот.
При облучении в течение 8 часов от нескольких источников, работающих в радиочастотном диапазоне, для которых установлены разные предельно до пустимые уровни, допустимое время пребывания человека определяется по формуле Tдоп ( ЭМП РЧ ), (6) KT где K T – поправочный временной коэффициент, задаваемый, например, для электрического поля частотой до 300 МГц и магнитного поля частотой до 50 МГц, следующим образом ЭЭ E ЭЭ E1 ЭЭ E 2 ЭЭ E 4 ЭЭ H1 ЭЭ H KT (7).
ЭЭ E.ПДУ1 ЭЭ E.ПДУ 2 ЭЭ E.ПДУ3 ЭЭ E.ПДУ 4 ЭЭ H.ПДУ1 ЭЭ H.ПДУ Здесь ЭЭ E1, ЭЭ E 2, ЭЭ E 3 и ЭЭ E 4 – энергетические экспозиции по напряжен ности электрического поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц, 3 - 30 МГц, 30 - 50 МГц и 50 - 300 МГц соответственно, определяемые по формуле ЭЭEn Е 2 T, (В/м) ·ч, (8) n где Е n – напряженность электрического поля в контролируемом диапазоне ча стот в исследуемой зоне, В/м, T – время воздействия, ч;
ЭЭH1 и ЭЭ H 2 – энергетические экспозиции по напряженности магнитного поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц и 30 - 50 МГц соответственно, опреде ляемые по формуле ЭЭHn H 2 T, (А/м) ·ч, (9) n где H n – напряженность магнитного поля в контролируемом диапазоне частот в исследуемой зоне, А/м;
ЭЭE.ПДУ1, ЭЭ E.ПДУ2, ЭЭ E.ПДУ3 и ЭЭ E.ПДУ 4 – ПДУ энергетических экспозиций по напряженности электрического поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц, 3 30 МГц, 30 - 50 МГц и 50 - 300 МГц соответственно, определяемые по формуле ЭЭE. ПДУ E2 T, (В/м) ·ч, (10) ПДУ где E ПДУ – ПДУ напряженности электрического поля, В/м;
ЭЭH.ПДУ1 и ЭЭ H.ПДУ 2 – ПДУ энергетических экспозиций по напряженности магнитного поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц и 30 - 50 МГц соответ ственно, определяемые по формуле ЭЭH. ПДУ H 2 T, (А/м) ·ч, (11) ПДУ где H ПДУ – ПДУ напряженности магнитного поля, А/м.
Наименьшее допустимое время пребывания в точках измерений определя ется путем сопоставления допустимого времени пребывания человека в электро статическом поле Tдоп (ЭСП), в электрическом поле промышленной частоты Tдоп ( ЭП 50), в магнитном поле промышленной частоты Tдоп ( МП 50) и в электромаг нитном поле радиочастотного диапазона (10 кГц - 300 ГГц) Tдоп (ЭМП РЧ).
Измеренные значения напряженностей электрических или магнитных по лей или ППЭ, соответствующие наименьшему допустимому значению времени пребывания в точках измерений, используются для формирования простран ственной картины электромагнитных полей в зависимости от характеристики выбранного поля в исследуемом объекте с помощью компьютерного модели рования, которое проводится, например, в среде COMSOL Multiphisics (FEMlab).
Об уровне электромагнитной безопасности судят по полученной про странственной картине опасности электромагнитного излучения.
В третьей главе представлено аппаратурное и программное обеспече ние способа интегрированного контроля электромагнитных излучений и рас смотрена методика его практической реализации.
Для измерения параметров электромагнитных полей может быть исполь зована совокупность следующих измерительных приборов:
- универсальный измеритель уровней электростатических полей СТ-01;
- измеритель напряженности поля промышленной частоты П3-50;
- измеритель электромагнитных полей П3-41.
Методика практической реализации предложенного способа предусмат ривает 3 этапа:
1) сбор исходных данных;
2) компьютерное моделирование электромагнитного поля;
3) формирование пространственной картины опасности электромагнитно го излучения путем преобразования узловых значений шкалы напряженности электрического или магнитного полей в узловые значения допустимого време ни пребывания в рассматриваемом помещении.
Для сбора исходных данных:
- составляется план помещения с указанием его размеров и геометриче ской формы;
- на составленном плане изображаются источники ЭМИ;
- измеряются параметры электромагнитных полей возле каждой поверх ности всех источников ЭМИ.
Измеренные значения напряженностей электрического поля, соответ ствующие наименьшему допустимому значению времени пребывания в точках измерений, используются для моделирования электромагнитных излучений.
В соответствии с полученной моделью выполняется численный расчет электромагнитной обстановки в исследуемом помещении. В итоге формируется пространственная картина опасности электромагнитного излучения.
Для примера на рисунке 1 представлена трехмерная модель исследуемого помещения с источниками ЭМИ.
По результатам измерений и оценки допустимого времени установлено, что наиболее опасной составляющей является электрическое поле промышлен ной частоты 50 Гц.
1 – прибор приемно-контрольный охранно-пожарный «КВАРЦ»;
2 – МФУ сканер-принтер-копир «Xerox Phaser 7700»;
3, 8 – аудио колонка «microlab M-400II»;
4 – принтер «HP Laser Jet 1320»;
5 – сабвуфер «microlab M-400II»;
6, 18, 23 – системный блок ПЭВМ «MAKS line»;
7 – жидкокристаллический монитор (ЖК) «Samsung Sync Master»;
9 – блок бесперебойного питания «Power Com 800 ВА»;
10, 22 – электрический обогреватель мощностью 1 кВт;
11 – блок бесперебойного питания «UPS 800 ВА»;
12 – принтер «HP Laser Jet 4200»;
13, 16 – сабвуфер «Swen SPS820»;
14 – жидкокристаллический монитор «Samsung Sync Master 710N»;
15, 17, 34 – аудио колонка «Swen SPS820»;
19 – жидкокристаллический монитор «View Sonic Vg700»;
20, 24 – сканер «HP»;
21 – фильтр-удлинитель «Power Cube SPG B» с 5 гнездами;
25 – мультифункциональное устройство «Eco Sys FS 6950DN»;
26, 29 – радиотелефон «Panasonic»;
27 – сетевой коммутатор (switch) «3Com» (40 портов);
28 – жид кокристаллический монитор «NEC 17»;
30 – системный блок ПЭВМ «GLX» (сервер);
31 – факс «Panasonic»;
32 – блок питания зарядного устройства телефона «Fly»;
33 – электрический чайник «Scarlett Laura»;
35 – ис точник бесперебойного питания «APC 800 ВА»;
36 – источник бесперебойного питания «APC 1000 ВА» Рисунок 1 – Трехмерная модель исследуемого помещения Трехмерная картина распределения напряженности электрического поля показана на рисунке 2.
Далее формируется пространственная картина опасности электромагнит ного излучения путем преобразования узловых значений шкалы напряженности электрического поля в узловые значения допустимого времени пребывания в рассматриваемом помещении. Для этого значения напряженностей электриче ского поля на шкале картины, по формулам, приведенным во второй главе, переводятся в значения допустимого времени пребывания человека.
Полученная картина опасности электромагнитного излучения в исследуе мом помещении представлена на рисунке 3. Здесь показаны области допустимого Рисунок 2 – Трехмерная картина распределения напряженности электрического поля в исследуемом помещении Рисунок 3 – Картина опасности электромагнитного излучения в исследуемом помещении (проекция развернута на 90) времени пребывания людей в различных зонах исследуемого помещения в виде изоповерхностей, окрашенных в различные цвета. Справа от картины указана шкала допустимого времени, с помощью которой можно визуально определить потенциально опасные зоны в зависимости от цветового оттенка изображения в исследуемом пространстве. Отдельно указано допустимое время пребывания в зонах долговременного нахождения операторов ПЭВМ (на рабочих местах), а также – в местах наибольшего уровня ЭМИ.
Картина опасности электромагнитного излучения может быть использована для выбора защитных мер, обеспечивающих безопасность персонала. С этой целью рассмотрены организационные и технические мероприятия по обеспечению электромагнитной безопасности.
В четвертой главе представлены результаты оценки опасности электро магнитных излучений на примере процесса обработки семян в СВЧ-поле, вы браны мероприятия по обеспечению электромагнитной безопасности и опреде лена экономическая и социальная эффективность способа интегрированного контроля электромагнитных излучений.
Для определения эффективности рассмотренной методики в АлтГТУ на базе микроволновой печи «Dialog» мощностью 900 Вт (инвертер частотой 2450 МГц) создан аналог разработанной в Красноярском государственном аграрном университете лабораторной установки конвейерного типа для иссле дования влияния режимных параметров СВЧ-поля на качественные показатели семян гречихи и произведена оценка степени опасности электромагнитных излучений в процессе предпосевной обработки семян.
На рисунке 4 представлен план исследуемого помещения с СВЧ установкой.
Измерения уровней напряженности электрического, магнитного полей и плотности потока энергии производились на расстояниях от 0,5 м до 2 м от передней стенки СВЧ-камеры на частотах: 50 Гц, 30 кГц, 3 МГц, 30 МГц, 50 МГц, 300 МГц и 2450 МГц с помощью приборов ПЗ-50, ПЗ-41. Результаты измерений напряженности электрического поля и плотности потока энергии приведены в таблице 1 (выделены значения, превышающие ПДУ).
По результатам исследований уровень напряженности электрического поля на расстоянии 0,5 м превышает ПДУ электрического поля на частотах:
50 Гц, 0,03 МГц, 3 МГц, 30 МГц и 50 МГц, соответственно: в 36, 42, 33, 35 и 46 раз. Уровень ППЭ электромагнитного СВЧ-поля на расстоянии 0,5 м пре вышает ПДУ на частотах: 300 МГц, 2450 МГц, соответственно: в 46 и 48 раз.
Безопасные уровни переменного электрического и сверхвысокочастотного электромагнитного полей достигаются на расстоянии более 2 м.
1 – транспортерная лента с ячейками;
2 – бункер;
3 – барабан;
4 – стол;
5 – СВЧ-камера;
6 – электродвигатель Рисунок 4 – План исследуемого помещения с СВЧ-установкой Таблица 1 – Результаты измерений напряженности электрического поля и плотности потока энергии на расстояниях от 0,5 м до 2 м от передней стенки СВЧ-камеры Плотность потока энергии, Напряженность электрического поля, В/м Расстояние между мкВт/см измерительным Измерительные приборы / измерительные преобразователи преобразователем и передней стенкой ПЗ-50/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ СВЧ-камеры, АП ЕЗ-50 АП-3 АП-3 АП-3 АП-3 АП-1 АП- м Контролируемая частота 50 Гц 0,03 МГц 3 МГц 30 МГц 50 МГц 300 МГц 2450 МГц более более 0,5 1054,24 349,22 138,41 464,21 483, 180000 1,0 177000 723,45 388,07 339,09 116,24 205,34 343, 1,5 17510 645,51 337,15 232,75 80,55 86,42 73, 2,0 15340 599,02 310,83 212,80 73,89 54,32 52, Максимальное фоновое значение на расстоянии 0,1 м от установки 38 5,07 2,68 1,92 1,90 0 Предельно допустимый уровень 5000 25 15 10 3 10 Уровень напряженности магнитного поля на расстоянии 0,5 м превы шает ПДУ на частотах 50 Гц и 50 МГц более чем в 3 и в 2 раза соответствен но. При отсутствии средств защиты безопасные уровни магнитного поля до стигаются на расстоянии более 1 м.
По результатам сопоставления допустимого времени пребывания челове ка в электрическом и магнитном полях промышленной частоты, в электромаг нитном поле РЧ-диапазона наиболее опасным по уровню ЭМИ является элек тромагнитное поле частотой 2450 МГц.
Измеренные значения плотности потока энергии электромагнитного поля частотой 2450 МГц использовались для компьютерного моделирования электромагнитных излучений, которое проводилось в среде COMSOL Multiphisics.
На рисунке 5 представлен результат преобразования модели распреде ления ППЭ электромагнитного СВЧ-поля в картину опасности электромаг нитного излучения по критерию допустимого времени. На этой картине по казаны зоны допустимого времени пребывания людей при работе СВЧ установки в виде изоповерхностей, окрашенных в различные цвета в зави симости от числового значения допустимого времени.
Рисунок 5 – Картина опасности электромагнитного излучения В соответствии с картиной опасности приближение на расстояние ме нее 0,5 м к СВЧ-камере недопустимо. В зоне от 0,5 м до 1,5 м время пребы вания человека не должно превышать 8 мин, в зоне от 1,5 м до 2,5 м – 20 мин. На расстоянии более 2,5 м можно находиться в течение всей 8 часо вой рабочей смены.
Таким образом, работа с СВЧ-установкой без применения защитных мероприятия должна быть запрещена.
Для защиты от электромагнитных излучений в рассматриваемом случае могут применяться организационные и инженерно-технические мероприятия.
К организационным мероприятиям можно отнести:
- ограничение продолжительности времени пребывания рядом с установкой;
- удаление от СВЧ-камеры на расстояние, обеспечивающее электро магнитную безопасность.
Таблица 2 – Результаты измерений напряженности электрического поля и плотности потока энергии на расстояниях от 0,5 м до 2 м от передней стенки СВЧ-камеры в условиях экранирования Плотность потока Напряженность электрического поля, В/м энергии, мкВт/см Расстояние между измерительным Измерительные приборы / измерительные преобразователи преобразователем и передней стенкой ПЗ-50/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ ПЗ-41/ СВЧ-камеры, АП ЕЗ-50 АП-3 АП-3 АП-3 АП-3 АП-1 АП- м Контролируемая частота 50 Гц 0,03 МГц 3 МГц 30 МГц 50 МГц 300 МГц 2450 МГц 0,5 615 26,50 10,74 16,39 5,12 17,34 17, 1,0 308 20,47 6,88 8,25 2,71 9,54 7, 1,5 195 15,64 5,04 6,73 1,75 4,73 6, 2,0 130 13,31 3,78 5,31 1,38 4,15 5, Максимальное фоновое значение на расстоянии 0,1 м от установки 0,038 10,07 2,68 1,92 1,9 0 Предельно допустимый уровень 5000 25 15 10 3 10 Из инженерно-технических мероприятий можно рассматривать исполь зование:
- защитного экранирования;
- инструментов, манипуляторов индивидуального пользования с ди станционным управлением;
- защитной одежды.
В качестве основного защитного мероприятия выбран вариант экранирования с использованием латунной сетки из проволоки диаметром 0,1 мм с шагом ячеек 1 мм, соединенной с контуром заземления. Сетка устанавливается на расстоянии 0,1 м от элементов установки, таким образом, чтобы не был нарушен технологический процесс.
В таблице 2 приведены результаты измерений уровней переменных электрического и электромагнитного полей в условиях экранирования.
На расстоянии более 0,5 м уровни переменного электрического и элек тромагнитного полей не превышают ПДУ. На расстоянии 0,5 м ПДУ напря женности электрического поля на частотах 0,03 МГц, 30 МГц и 50 МГц пр е вышен соответственно в 1,1, 1,6 и 1,7 раза, а ППЭ электромагнитного поля на частотах: 300 МГц, 2450 МГц в 1,7 раза.
Уровни напряженности магнитного поля на расстоянии 0,5 м не пре вышают установленные нормативы на всем исследуемом частотном диапа зоне.
На рисунке 6 приведена картина опасности ЭМИ в условиях экраниро вания.
Рисунок 6 – Картина опасности электромагнитного излучения в условиях экранирования В соответствии с картиной опасности время пребывания человека в зоне от 0,5 м до 2,5 м от установки допускается до 10 ч, а на расстоянии более 2,5 м – в течение 24 ч.
В условиях экранирования безопасное время пребывания человека в зоне 1,5 м увеличено в 75 раз, в зоне от 1,5 м до 2,5 м – в 30 раз.
При необходимости могут быть использованы дополнительные мероприятия, позволяющие увеличить допустимое время пребывания возле установки.
Таким образом, пространственная картина опасности электромагнитных излучений, полученная в результате использования предложенного способа интегрированного контроля электромагнитной обстановки, позволяет обоснованно выбирать эффективные мероприятия по обеспечению безопасного пребывания на рабочих местах, улучшению и оздоровлению условий труда.
Экономическая эффективность предложенного способа оценивалась по затратам на его реализацию в сравнении с известными способами контроля.
Среднее значение удельных затрат на исследование одного объекта с по мощью предлагаемого способа контроля составляют около 740 руб., аналогич ный показатель при использовании известных способов измерения параметров электромагнитных полей – более 2200 руб.
Меньшие затраты предложенного способа обусловлены существенным уменьшением времени исследования электромагнитной обстановки экспертом экологом. При этом, более чем в 2 раза, увеличивается число исследуемых объ ектов в течение года.
В то же время в качестве основного результата проведенных исследова ний необходимо рассматривать не экономический, а социальный эффект, обу словленный, прежде всего упорядочением процесса оценки состояния элек тромагнитной обстановки. При этом не только снижается трудоемкость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная простран ственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обосно ванно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и техниче ских ограничений.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Электротехнологические процессы сельскохозяйственного производ ства с использованием различных источников электромагнитных излучений могут представлять высокую опасность из-за превышения ПДУ составляю щих электромагнитного поля. Для повышения электромагнитной безопасно сти на объектах АПК необходимо обеспечить контроль состояния электро магнитной обстановки и применять обоснованные защитные мероприятия.
2. Известные способы контроля электромагнитной обстановки имеют уз кую область применения и реализуют измерение только отдельных составляю щих электромагнитного поля. При этом отсутствует возможность получения полной картины опасности контролируемого пространства.
3. В качестве критерия оценки опасности ЭМИ от нескольких источников целесообразно использование минимально допустимого времени пребывания человека в различных зонах помещения, соответствующего наиболее опасным составляющим электромагнитного поля.
4. Совершенствование механизма контроля электромагнитных излучений возможно на основе разработанной концепции комплексных исследований электромагнитной обстановки, предусматривающей получение пространствен ной картины электромагнитной опасности, которая представляет собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах пространства.
5. Практическую реализацию разработанной концепции обеспечивают новый способ и методика интегрированного контроля электромагнитных излу чений, позволяющие получить карту допустимого времени пребывания челове ка в различных зонах пространства в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диа пазоне исследуемых частот и компьютерного моделирования электромагнит ных полей.
6. Применение предложенной методики при исследовании электромаг нитной обстановки позволяет не только выявить наиболее опасные составляю щие электромагнитных излучений, но и оценить эффективность защитных ме роприятий. В частности, для технологического процесса предпосевной обра ботки семян в СВЧ-поле предложенное защитное экранирование увеличивает безопасное время пребывания человека в зоне от 0,5 м до 2,5 м от СВЧ-камеры до 10 ч, а на расстоянии более 2,5 м – до 24 ч. Без экранирования допустимое время пребывания в зоне от 0,5 м до 1,5 м составляло 8 мин, а в зоне от 1,5 м до 2,5 м – 20 мин.
7. Экономическая эффективность предложенного способа определяется уменьшением удельных затрат на обследование электромагнитной обстановки до 3 раз и увеличением, более чем в 2 раза, числа исследуемых объектов в тече ние года.
8. Социальный эффект обусловлен упорядочением процесса оценки со стояния электромагнитной обстановки. При этом не только снижается трудоем кость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная про странственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обоснованно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и технических ограничений.
Список основных публикаций по теме диссертационной работы В изданиях по перечню ВАК 1. Сошников, А.А. Развитие методов инструментального контроля состо яния электромагнитной безопасности [Текст] / А.А. Сошников, Е.В. Титов // Международный научный журнал. – Москва, 2010. – № 4. – С.97 - 99.
2. Воробьев, Н.П. Использование компьютерного моделирования для оценки электромагнитных загрязнений [Текст] / Н.П. Воробьев, А.А. Сошни ков, Е.В. Титов // Ползуновский вестник. – Барнаул, 2009. – № 4. – С.31 - 33.
3. Сошников, А.А. Современные технологии в системах техногенной без опасности образовательных учреждений [Текст] / А.А. Сошников, Н.П. Воробь ев, Б.С. Компанеец, Е.В. Титов // Вестник КрасГАУ. – Красноярск, 2012. – № 6.
– С. 184 - 189.
4. Титов, Е.В. Методика контроля электромагнитной обстановки на объ ектах АПК [Текст] / Е.В. Титов, И.Е. Мигалев // Вестник КрасГАУ. – Красно ярск, 2012. – № 7. – С. 136 - 138.
5. Воробьев, Н.П. Оценка состояния электромагнитной обстановки в по мещениях [Текст] / Н.П. Воробьев, Е.В. Титов, И.Е. Мигалев // Вестник Крас ГАУ. – Красноярск, 2013. – № 1. – С. 134 - 138.
6. Титов, Е.В. Анализ опасности электромагнитных излучений в поме щениях [Текст] / Е.В. Титов // Вестник АГАУ. – Барнаул, 2012. – № 12 (98). – С. 94 – 97.
В других изданиях 7. Воробьев, Н.П. К обеспечению электромагнитной безопасности рабо чих мест с использованием ПЭВМ в образовательных учреждениях [Текст] / Н.П. Воробьев, А.А. Сошников, Е.В. Титов // Энерго- и ресурсосбережение – XXI век: Сборник материалов VIII-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н.
Качанова, д.т.н., проф. Ю.С., Степанова. – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2010.
– С.8 - 10.
8. Сошников, А.А. Совершенствование механизма контроля состояния электромагнитной безопасности [Текст] / А.А. Сошников, Е.В. Титов // Энерго и ресурсосбережение – XXI век: Сборник материалов VIII-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенко ва, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С., Степанова. – Орел: Госуни верситет-УНПК, 2010. – С.10 - 12.
9. Титов, Е.В. Исследование параметров и моделирование простран ственной картины электромагнитных излучений [Текст] / Е.В. Титов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производ стве: Труды всероссийской конференции / Воронежский государственный тех нический университет. – Воронеж, 2011. – С.196 - 197.
10. Титов, Е.В. Формирование пространственной картины опасности электромагнитных излучений [Текст] / Е.В. Титов // Автоматизація техно логічних об’єктів та процесів. Пошук молодих: Збірник наукових праць ХІ нау ково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17-20 травня 2011 р. / ДонНТУ. – Донецьк, 2011. – С.243 - 245.
11. Титов, Е.В. Исследование электромагнитной безопасности мониторов персональных компьютеров [Текст] / Е.В. Титов, И.Е. Мигалев, Клепиков А.С.
// Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи: Сборник материалов II ой всероссийской студенческой конференции (с международным участием). – Челябинск, 2011. – С.267 - 268.
12. Титов, Е.В. Исследование электромагнитных излучений многофунк циональных устройств [Текст] / Е.В. Титов // Электробезопасность: Ежеквар тальный теоретический и научно-практический журнал. – Челябинск, 2011. – С.40 - 42.
13. Титов, Е.В. Исследование электромагнитного излучения, создаваемо го компактными люминесцентными лампами [Текст] / Е.В. Титов, И.Е. Мига лев// Энерго- и ресурсосбережение – XXI век.: Сборник материалов X-ой меж дународной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф.
В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С., Степанова. – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. – С.181-183.
14. Воробьев, Н.П. Оценка состояний электромагнитных излучений в помещениях [Текст] / Н.П. Воробьев, Е.В. Титов, И.Е. Мигалев // Энерго- и ре сурсосбережение – XXI век.: Сборник материалов X-ой международной науч но-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С., Степанова. – Орел: Госунивер ситет-УНПК, 2012. – С.183-188.
15. Титов, Е.В. Методика исследования электромагнитных излучений на объектах АПК [Текст] / Е.В. Титов // Энерго- и ресурсосбережение – XXI век.:
Сборник материалов X-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С., Степанова. – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. – С.188-191.
16. Решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности (15.06.2012 г.) о выдаче патента на изобретение МПК7 G 01 R 29/08. «Способ контроля электромагнитной безопасности» по заявке № 2011113569/28(020098) / Н.П. Воробьев, О.К. Никольский, А.А. Сошников, Е.В. Титов. Патентообла датель: ФГБОУ ВПО Алтайский государственный технический университет им.
И.И. Ползунова.