Pomiary pola elektromagnetycznego wielkiej częstotliwości w środowisku

Transkrypt

1 Pomiary pola elektromagnetycznego wielkiej częstotliwości w środowisku Paweł Bieńkowski Pracownia Ochrony Środowiska Elektromagnetycznego Politechnika Wrocławska Współpraca: Katarzyna Moskalik, GIOŚ Joanna Podlaska, WIOŚ Łódź Marcin Wożniak, UKE Wrocław

2 Podstawowe źródła PEM w środowisku Parametry: Widmo (częstotliwość, szerokość pasma, rodzaj modulacji) Amplituda (natężenie pola E i H, gęstość mocy S, modulacja) Polaryzacja (położenie wektora E i H w przestrzeni liniowa, elipsoidalna) pozioma, pionowa, 45 o Zależnie od potrzeb dokonuje się pomiarów wybranych parametrów W zależności od parametrów mierzonego pola należy dobrać metodykę i sprzęt pomiarowy...

3 Rodzaje pomiarów PEM Pomiary propagacyjne dla celów określenia poziomu sygnału (oczywiście to również są pomiary natężenia pola) technika zbliżona do techniki odbioru radiowego pomiary selektywne: antena + odbiornik pomiarowy poziomy rzędu uv/m - mv/m Pomiary ochronne pomiary PEM dla oceny ekspozycji ludzi na PEM w otoczeniu źródeł w środowisku poziomy częsci V/m do kilku V/m

4 Co się mierzy? W zakresie wielkich częstotliwości w środowisku najczęściej mierzy się natężenie składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego, zwykle określane mianem pole elektryczne oznaczane literą E Jednostką pola elektrycznego jest [V/m] W paśmie mikrofal korzysta się również z pojęcia gęstości mocy S [W/m 2 ]

5 Co się mierzy? W praktyce większość mierników dokonuje pomiaru pola elektrycznego, a gęstość mocy jest przeliczana z zależności dla pola dalekiego: S 377 Zależność ta jest prawdziwa tylko w polu dalekim, ale dla pomiarów środowiskowych warunek ten zwykle bywa spełniony z wystarczającą dokładnością E 2

6 Jednostki stosowane w miernikach Przyjmijmy jako wartość odniesienia natęzenie pola elektrycznego E=1V/m 1V/m = 120 dbmv/m => S= 0,0026 W/m 2 = 2,65mW/m 2 =2650 mw/m 2 Poziom dopuszczalny E w środowisku w Polsce: 7V/m 0,1W/m 2 = mw/m 2 = 10 mw/cm 2

7 Metody pomiarów Różne kryteria podziału metod np.: Pole dalekie pole bliskie (istotne zwłaszcza w pomiarach BHP) Szerokopasmowe selektywne

8 Jak mierzyć? Pole elektromagnetyczne nie jest mierzalne bezpośrednio Wykorzystuje się przetworniki natężenia pola na inną wielkość fizyczną - napięcie Takim przetwornikiem jest antena: Dla pola elektrycznego dipol Dla pola magnetycznego antena ramowa zajmiemy się tylko polem elektrycznym

9 Szerokopasmowy czujnik pola E Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest krótki elektrycznie dipol bezpośrednio obciążony detektorem, z którego napięcie stałe przez linię transparentową przekazywane jest do układu wskaźnikowego Antena pomiarowa Detektor Linia transparentowa mv

10 Pomiar szerokopasmowy Sonda o określonym paśmie pomiarowym Wynik pomiaru wypadkowe natężenie pola z całego zakresu pomiarowego dla detekcji RMS Ograniczony dolny próg wykrywalności na poziomie V/m, dynamika do 60 db, Możliwość kształtowania charakterystyki częstotliwościowej E w E n n 2

11 Pomiary selektywne Podstawowy zestaw pomiarowy: antena dołączona do odbiornika pomiarowego Do odbiornika przesyłany jest sygnał wielkiej częstotliwości E[ V / m] A [1/ m] U[ V ]. E[ dbmv f / m] [ db / m] U[ dbmv ] Anteny: szerokopasmowe anteny kierunkowe (np. LPDA, dipole, anteny rezonansowe) Duża czułość mv/m, dynamika do 140dB, można zwiększyć stosując tłumiki A f

12 Pomiary selektywne - uwagi Anteny zwykle kierunkowe problem z odpowiednikiem pomiaru bezkierunkowego Dla dipoli trzy położenia ortogonalne E E E E w( x, y, z) x y z.

13 Co tak naprawdę mierzy miernik? Natężenie pola elektromagnetycznego. Ale dokładnie co? Co jest parametrem odniesienia? W zakresie wielkiej częstotliwości najczęściej w normach i aktach prawnych przyjmuje się wartość skuteczną parametr powiązany z energią sygnału Miernik może mierzyć: T Wartość skuteczną 1 2 ErmsCW E ( t) dt Wartość szczytową T 0 Coś pośredniego

14 Niemodulowana monochromatyczna fala nośna - CW U( t) Acost Amplituda Wartość skuteczna A CW E RMS 0-2 Wartość skuteczna: U rmscw 1 T T 0 E ( t) dt 2 A 2

15 Modulacja amplitudy 1 mcos tcost U( t) A 2 A AM m=0,5 1 E RMS U rmsam A m 2

16 Sygnały z modulacją impulsową sygnał w postaci paczek impulsów radiowych Współczynnik wypełnienia (duty cycle) t/t Częstotliwość powtarzania impulsów (repetition) fr=1/t 2 t A PULSE 1 E RMS T U rmspulse A t 2 T Największe możliwości popełnienia pomyłki interpretacyjnej

17 Gdzie można popełnić błąd? Wartość szczytowa Wartość skuteczna pojedynczego impulsu Wartość skuteczna (średnia) za okres powtarzania przebiegu T Peak RMS impulsu RMS za okres Czy ma to znaczenie?

18 GSM Tryb TDMA wypełnienie od 1:8 (jedna szczelina aktywna) do 1:1 Rozpatrzmy różnice w wartościach zmierzonych dla 1:8: Przyjmijmy że wartosc odniesienia RMS za okres RMS(T)=1 RMS(Impuls)= 2,83 Wartość szczytowa impulsu Peak= 4,0

19 DECT bezprzewodowy telefon stacjonarny Tryb TDMA dla jednego połączenia wypełnienie 1:24 (jedna szczelina nadawcza) Analogiczne założenie: Wartość odniesienia RMS za okres RMS(T)=1 RMS(Impuls)= 4,9 Wartość szczytowa impulsu Peak= 6,9

20 Radary Przypadek szczególny pole niestacjonarne zmienne w czasie i przestrzeni pole impulsowe wynika z zasady pracy radaru, z przemiatania przestrzeni wynika dodatkowa zmienność pola w punkcie obserwacji pole pojawia się na krótką chwilę w czasie całego obrotu anteny E A r t r 1 n 3dB Tr n o k dB o t t r 1 t T r k k ilość obrotów na sekundę

21 Radary Parametry zależne od budowy radaru, ale przyjmijmy przypadek kanoniczny: Wypełnienie impulsów radaru 1:1000 (np. impuls 1us, przerwa 1ms) Szerokość wiązki anteny radaru 3,6 o czyli pole oświetla punkt obserwacji przez 1/100 obrotu Wartość odniesienia RMS za obrót RMS(T)=1 RMS za okres obrotu (1:100) RMS(T/t)=10 RMS(Impuls)= 316 (a dla gęstości mocy= !!!) Wartość szczytowa pojedynczego impulsu Peak= 450

22 Pomiary PEM w praktyce Pomiary PEM w środowisku realizowane są w Polsce od kilkudziesięciu lat Wymagania prawne na podstawie Ustawy Prawo ochrony środowiska Dopuszczalne poziomy PEM w środowisku są zbieżne z wartościami granicznymi strefy pośredniej w BHP A kto w Polsce wykonuje pomiary pola elektromagnetycznego w środowisku?

23 Pomiary kontrolne PEM (po uruchomieniu instalacji) Podstawa Prawna: Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (DzU poz 1883) Realizują: ok. 50 akredytowanych laboratoriów badawczych, w tym laboratoria WIOŚ i Inspekcji Sanitarnej Liczba pomiarów nawet kilka tysięcy rocznie Dane: Inspektoraty Ochrony Środowiska

24 Państwowy monitoring środowiska Podstawa Prawna: Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie zakresu i sposobu prowadzenia okresowych badań poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku (DzU. 2007, poz. 1645) Realizują: 16 akredytowanych laboratoriów badawczych WIOŚ Liczba pomiarów w skali kraju 560 pomiarów rocznie Dane: strony www WIOŚ, strona GIOŚ

25 Pomiary monitoringowe w środowisku pomiar szerokopasmowy w paśmie co najmniej 3MHz-3GHz pomiar w wyznaczonym punkcie na wysokości 2m nad poziomem terenu w każdym punkcie pomiar jest powtarzany co 3 lata pomiar trwa 2 godziny 720 próbek co 10 sekund wynik: wartość średnia pomiary wykonuje się pomiędzy a w dni robocze system działa już 9 lat

26 Przykład - Łódź

27 Przykładowe wyniki porównanie lata

28 Cykliczne pomiary pól elektromagnetycznych w wybranych miastach Polski o liczbie mieszkańców powyżej 250 tysięcy Pomiary zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska w sprawie zakresu i sposobu prowadzenia okresowych badań poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku (DzU. 2007, poz. 1645) Pomiary organizowane przez GIOŚ Liczba pomiarów ostatnie lata miast: Warszawa, Łódź, Kraków, Szczecin, Poznań, Gdańsk, a Wrocławia nie ma. Dane: strona www GIOŚ tp:// _Pomiary_pol_elektromagnetycznych_w_wybranych_miastach_Polski_o_liczbie_mieszkancow_powyzej_250_ tysiecy.pdf

29 Przykładowe wyniki - Warszawa

30 Monitoring widma - UKE F środ [Hz] F pocz [Hz] E [dbuv/m] F końc [Hz] E [dbuv/m] UKE_Wroclaw [A] 15.Oct 09 09:04 Ref 50 dbµv * Att 0 db * RBW 100 khz * VBW 30 khz * SWT 1 s Marker 1 [T1 ] dbµv MHz Szablon maski A F środ [Hz] 1 PK MAXH 2 PK * CLRWR PRN Pomiary niezbędne dla prawidłowej -10 Center 626 MHz 1 MHz/ gospodarki częstotliwościami Date: 15.OCT :04:52 Span 10 MHz

31 Zasoby sprzętowe UKE 1. Instalacje stacjonarne: CSKER (Centralna Stacja Kontroli Emisji Radiowych) RSKER (Regionalne Stacje Kontroli Emisji Radiowych) 13 na terenie kraju PKER (Punkty Kontroli Emisji Radiowych) 2. Instalacje przenośne: PSM (Przenośne Stacje Monitoringowe) 3. Instalacje mobilne: RSP - Ruchome Stacje Pomiarowe RSM - Ruchome Stacje Monitoringowe (w budowie) 4. Możliwości - monitoring w pasmie do 3,6GHz z możliwością rozbudowy do 26GHz

32 Podsumowanie Pomiary natężenia pola elektromagnetycznego w środowisku są względnie opanowane od strony technicznej, od strony formalnej - również Należy pamiętać, że jak każde inne pomiary, są obarczone niepewnością Niepewność pomiarów PEM jest stosunkowo duża 15% to bardzo dobry wynik

33 Dziękuję za uwagę