Monitoring pól elektromagnetycznych 

Jednym z głównych skutków rozwoju techniki polepszającej i ułatwiającej życie człowieka, jest coraz większe zanieczyszczenie naturalnego środowiska elektromagnetycznego (wzrost intensywności sztucznych pól elektromagnetycznych - PEM). Dotyczy to zwłaszcza ekspozycji zawodowej na PEM, ale też coraz większym stopniu ekspozycji środowiskowej (sztuczne PEM występujące w domach są kilka rzędów wielkości wyższe od wielkości pól naturalnych o tych samych częstotliwościach). Obecnie w wielu krajach, w tym również w Polsce, występują duże obawy społeczne odnośnie zagrożeń zdrowia związanych z instalacją urządzeń elektroenergetycznych (np. linii przesyłowych prądu wysokiego napięcia) czy system radiokomunikacji (np. stacji bazowych telefonii komórkowej). Obawy te przejawiają się między innymi protestami przeciwko budowie nowych odcinków linii energetycznych czy stacji bazowych.

Dyskusje na temat poziomów PEM (o częstotliwościach 300 GHz), które można uznać za bezpieczne, trwają na całym świecie. Jest to spowodowane coraz liczniejszymi doniesieniami na temat negatywnych skutków zdrowotnych długotrwałych ekspozycji na słabe PEM (dotychczas uważane za bezpieczne).

Promieniowanie elektromagnetyczne

W drugiej połowie XIX wieku, J.C. Maxwell wykazał, że jeżeli jedno z pól l (elektryczne lub magnetyczne) zmienia się w czasie, to w wyniku tego powstaje pole drugie (również zmienne w czasie), tak więc w przestrzeni jednocześnie istnieją oba pola, czyli pole elektromagnetyczne (PEM). Pole elektryczne nazywa się w tym przypadku „składową elektryczną PEM” a pole magnetyczne - „składową magnetyczną PEM”. Maxwell pokazał, że na skutek zaburzenia jednego z pól (spowodowania, że zmienia się ono w czasie) powstaje impuls elektromagnetyczny, który będzie przesuwał się w przestrzeni. Wraz z impulsem przesuwa się w przestrzeni energia elektromagnetyczna. Zjawisko to nazywa się promieniowaniem elektromagnetycznym (w tym przypadku także używa się skrótu PEM). Jeżeli na drodze PEM znajdzie się jakiś obiekt materialny o objętości V to energia W zmagazynowana w PEM zmieniana jest częściowo na energię kinetyczną K ładunków zamkniętych w objętości V (czyli je porusza) a częściowo opuszcza napromieniowany obiekt i rozchodzi się dalej. Zjawisko to opisuje tzw. równanie Poyntinga

-= +

gdzie Σ jest powierzchnią otaczającą V a - gęstością strumienia energii (wektor Poyntinga)

Źródła PEM

Pomiary natężenia pola elektromagnetycznego (PEM) są, obok teoretycznych analiz rozkładów pola, podstawowym narzędziem oceny ekspozycji na PEM w środowisku i na stanowiskach pracy. Do prowadzenia pomiarów obligują również  polskie przepisy ochronne. Przepisy te podają w zarysie metodykę, nie opisują natomiast aparatury pomiarowej przeznaczonej do takich  pomiarów. Fakt ten, w powiązaniu ze stosunkowo małą dokładnością metrologii pola elektromagnetycznego, przyczynia się do wielu kontrowersji związanych ze samymi pomiarami, jak również interpretacją wyników i oceną ekspozycji na PEM.

W pracy zostanie przedstawiony krótki przegląd źródeł PEM z zakresu radiofal i mikrofal, możliwe metody pomiaru PEM oraz ograniczenia ich stosowania, rozwiązania techniczne aparatury pomiarowej oraz próba oszacowania niepewności takich pomiarów.

W zakresie radiofal i mikrofal dominującymi źródłami PEM - istotnymi z punktu widzenia ochrony przed polem elektromagnetycznym - są między innymi: systemy radiokomunikacyjne (w najszerszym rozumieniu tego pojęcia), sprzęt  ISM, urządzenia powszechnego użytku (ESPU, systemy przeciwkradzieżowe  (EAS) oraz czujniki i sensory wykorzystujące fale radiowe do realizacji funkcji podstawowych (np. mikrofalowe czujniki ruchu) lub do transmisji danych. W tabeli 1 dokonano przeglądowego zestawienia źródeł PEM w zakresie radiofal i mikrofal.

 

Tabela.1 Przegląd źródeł PEM w zakresie radiofal i mikrofalowe

 

Dziedzina zastosowań	Zakres częstotliwości	Typowe moce nadajników/generatorów
Radiokomunikacja
Nadajniki radiowe i telewizyjne	180 kHz - 860 MHz	5W - 2MW
Stacje bazowe telefonii komórkowej	450(900) - 2100 MHz	2W - 50W/kanał
Linie radiowe naziemne i satelitarne	1 - 40GHz	10mW - 20W
Radiotelefony i terminale przenośne	27MHz - 2,1GHz	0,1W - 15W
Radiolokacja (radary)	1 - 10GHz	1W - 3MW w impulsie
Transmisja danych
Punkty dostępowe Wi - Fi	2,4;5,1 - 5,8GHz	0,1W - 1W
Systemy PMP	3,5 - 26GHz	0,1W - 20W
Karty Wi - Fi	2,4;5,1 - 5,8GHz	10 - 100mW
ISM
Nagrzewnice, suszarki i zgrzewarki dielektryczne	27,12MHz	100W - 100kW
Mineralizatory, suszarki mikrofalowe	2,45GHz	300W - 10kW
Aparaty do elektrochirurgii	300 - 400kHz, 1 - 3MHz	30 - 200W
Diatermie krótko i mikrofalowe	27,12MHz, 2,45GHz	50 - 1000W (w impulsie)
MRI (niezależne od pola ma gnetycznego, występuje pole z zakresu radiofal)	40 - 100MHz	30 - 200W
EAS	1 - 20MHz i 2,45GHz	brak danych, praca impulsowa
ESPU
Kuchenki mikrofalowe	2,45GHz	600 - 100W
Czujniki ruchu	2,45GHz	<20mW

 

      Metodyka pomiarów

 

Pole elektromagnetyczne charakteryzuje szereg parametrów, które można poddać ocenie. Parametry te można sklasyfikować w trzech grupach (aczkolwiek jest to klasyfikacja umowna): widmo, amplituda i polaryzacja. Do parametrów związanych z widmem zaliczamy: częstotliwość, szerokość pasma zajmowanego przez sygnał i rodzaj modulacji. Z amplitudą związane są: natężenie pola (w tym natężenie składowej elektrycznej E, składowej magnetycznej H i ewentualnie gęstość mocy S) oraz modulacja (zależnie od rodzaju, modulacja wpływa zarówno na widmo, jak i amplitudę). Polaryzacja pola niesie informacje o położeniu wektora E i H w przestrzeni i zmianach tego położenia. W systemach radiokomunikacyjnych mamy do czynienia z polaryzacją liniową lub elipsoidalną, a w przypadku polaryzacji liniowej: poziomą, pionową, lub coraz powszechniej stosowaną w systemach telefonii komórkowej, polaryzacją ±45°. W otoczeniu urządzeń przemysłowych czy medycznych oraz w polu bliskim z reguły występuje duże nieuporządkowanie polaryzacyjne PEM. W zależności od celu pomiarów dokonuje się analizy wybranych parametrów, wykorzystując prawidłowo dobrany sprzęt pomiarowy oraz odpowiednie metody.

Rodzaje pomiarów PEM również umownie możemy podzielić na dwie grupy pomiarów: propagacyjne i umowne.

Pod pojęciem pomiarów propagacyjnych rozumie się pomiary realizowane pod kątem planowania i analizy systemów radiokomunikacyjnych. Obejmują one wyznaczanie zasięgów, określanie poziomu sygnałów niepożądanych, kompatybilność międzysystemową itp. Pomiary ochronne służą natomiast ocenie ekspozycji na PEM ludzi i środowiska, w tym dotrzymania dopuszczalnych poziomów PEM. W obu przypadkach stosuje się różne metody pozwalające na osiągnięcie wymaganej dokładności. Są to w szczególności pomiary selektywne, szerokopasmowe oraz pomiary szerokopasmowe miernikiem selektywnym.

Pomiary selektywne stosowane są głównie w przypadku pomiarów propagacyjnych i oceny parametrów PEM od jednego źródła. Typowo pomiar realizuje się z wykorzystaniem anteny dołączonej  do selektywnego odbiornika pomiarowego.

Pomiary szerokopasmowe z kolei stosowane są powszechnie w pomiarach związanych z ochroną przed polami elektromagnetycznymi. Wykorzystuje się tego typu pomiarach mierniki szerokopasmowe umożliwiające wykonywanie pomiarów w bezpośrednim otoczeniu żródeł PEM (zarówno pierwotnych jak i wtórnych). Wynikiem pomiaru jest wypadkowe natężenie pola z całego pasma pomiarowego sondy.

Znacznie bardziej skomplikowane jest wyznaczenie natężenia pola odpowiadającemu pomiarowi sondą izotropową przy zastosowaniu anten o dużej kierunkowości (np. anten logarytmiczno - periodycznych (LPDA)). W tym przypadku pomiary ogranicza się zwykle do pomiaru maksymalnego natężenia pola na kierunkach do dominujących źródeł.

Aparatura pomiarowa 

Do pomiarów w strefie bliskiej najczęściej stosuje się czujniki szerokopasmowe, w których detekcja sygnału odbywa się bezpośrednio przy antenie i sygnał stałoprądowy transmitowany jest przez linię transparentową (przezroczystą dla PEM) do układu wskaźnikowego (monitora). Do pomiaru składowej elektrycznej (większość pomiarów w zakresie ochrony środowiska i duża grupa pomiarów w zakresie BHP) stosuje się elektrycznie krótkie anteny dipolowe obciążone zwykle detektorem diodowym, który pozwala na uzyskanie większej czułości i dynamiki niż w przypadku termopar czy balometrów. Do pomiaru składowej magnetycznej wykorzystuje się układy z antenami ramowymi. Analizując rozwiązania układowe stosowane w takich miernikach, można stwierdzić, że od momentu opracowania sondy o charakterystycznej sferycznej , w samych sondach nie ma rewolucyjnych zmian i osiągnęły one szczyt technicznych możliwości. Czułość sond jest ograniczona czułością detektorów i długością anteny na poziomie ok. 1 V/m do 0,1 V/m w rozwiązaniach specjalnych i dynamiką pojedynczej sondy nie przekraczającą 60 dB. Dość dobrze jest opanowana technika kształtowania charakterystyki częstotliwościowej, co pozwala dopasowywać pasmo pracy sond do wybranych zastosowań lub dostosować do wymagań przepisów ochronnych.

Pomiary pola dalekiego rządzą się innymi zasadami. Podstawowym rodzajem pomiarów są pomiary selektywne, a podstawowym zestawem pomiarowym jest antena dołączona do odbiornika pomiarowego i, w odróżnieniu od mirników pola bliskiego, do odbiornika przekazywany jest sygnał wielkiej częstotliwości. Mierniki takie charakteryzują się również dużo większą czułością - nawet do pojedynczych μV/m i dynamiką dochodzącą do 140dB. Jest to możliwe dzięki przetwarzaniu sygnału z anteny już w odbiorniku. Jako odbiorniki pomiarowe bardzo często wykorzystuje się analizatory widma, a anteny są zwykle szerokopasmowymi antenami kierunkowymi (np. przywołane wcześniej anteny logarytmiczno - periodyczne LPDA), lub szerokopasmowymi antenami dipolowymi. W uzasadnionych przypadkach stosuje się również anteny wąskopasmowe.  

   

.

---