Pomiary pola elektromagnetycznego wielkiej

częstotliwości w środowisku

Paweł BieńkowskiPracownia Ochrony Środowiska Elektromagnetycznego

Politechnika Wrocławska

Współpraca:

Katarzyna Moskalik, GIOŚJoanna Podlaska, WIOŚ Łódź

Marcin Wożniak, UKE Wrocław

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, 45o

• Zależnie od potrzeb dokonuje się pomiarów wybranych parametrów

• W zależności od parametrów mierzonego pola należy dobrać metodykę i sprzęt pomiarowy...

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

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/m2]

Co się mierzy?

• W praktyce większość mierników dokonuje pomiaru pola elektrycznego, a gęstość mocy jest przeliczana z zależności dla pola dalekiego:

• Zależność ta jest prawdziwa tylko w polu dalekim, ale dla pomiarów środowiskowych warunek ten zwykle bywa spełniony z wystarczającą dokładnością

377

2ES

Jednostki stosowane w miernikach

• Przyjmijmy jako wartość odniesienia natęzenie pola elektrycznego E=1V/m

• 1V/m = 120 dBV/m =>

• S= 0,0026 W/m2 = 2,65mW/m2 =2650 W/m2

• Poziom dopuszczalny E w środowisku w Polsce:

• 7V/m

• 0,1W/m2 = 100 000 W/m2 = 10 W/cm2

Metody pomiarów

• Różne kryteria podziału metod np.:

• Pole dalekie – pole bliskie (istotne zwłaszcza w pomiarach BHP)

• Szerokopasmowe – selektywne

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

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

V

Detektor

Antena pomiarowa

Liniatransparentowa

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 0.1 –1 V/m, dynamika do 60 dB,

• Możliwość kształtowania

charakterystyki częstotliwościowej

n

nw EE 2

Pomiary selektywne

• Podstawowy zestaw pomiarowy: antena dołączona do odbiornika pomiarowego Do odbiornika przesyłany jest sygnał wielkiej częstotliwości

• Anteny: szerokopasmowe anteny kierunkowe (np. LPDA, dipole, anteny rezonansowe)

• Duża czułość V/m, dynamika do 140dB, można zwiększyć stosując tłumiki

][]/[]/[

].[]/1[]/[

VdBUmdBAmVdBE

VUmAmVE

f

f

Pomiary selektywne - uwagi

• Anteny – zwykle kierunkowe – problem z odpowiednikiem pomiaru bezkierunkowego

• Dla dipoli – trzy położenia ortogonalne

.222),,( zyxzyxw EEEE

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:– Wartość skuteczną

– Wartość szczytową

– Coś pośredniego

T

rmsCW dttET

E0

2 )(1

Niemodulowana monochromatyczna fala nośna - CW

• Wartość skuteczna:

-2

0

ACW

ERMS

Amplituda Wartość skuteczna

2)(

1

0

2 AdttE

TU

T

rmsCW

tAtU cos)(

Modulacja amplitudy

AAM

-2

-1

0

1

2

0

ERMS

m=0,5

ttmAtU coscos1)(

21

2

2mAUrmsAM

Sygnały z modulacją impulsową – sygnał w postaci „paczek” impulsów radiowych

• Współczynnik wypełnienia (duty cycle) /T

• Częstotliwość powtarzania impulsów (repetition) fr=1/T

• Największe możliwości popełnienia pomyłki „interpretacyjnej”

-2

-1

0

1

2

0

APULSE

ERMS

T

T

AUrmsPULSE

2

Gdzie można popełnić błąd?

• Wartość szczytowa

• Wartość skuteczna pojedynczego impulsu

• Wartość skuteczna (średnia) za okres powtarzania przebiegu

• Czy ma to znaczenie?

-1

0

1

2

0

T

Peak RMS impulsu RMS za okres

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

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

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

k – ilość obrotów na sekundę

E

t

r

r

Ao

dB3r

o

dB3r

360

nT

360

n

k

1

k

1Tr

Radary

• Parametry zależne od budowy radaru, ale przyjmijmy

przypadek kanoniczny:

– Wypełnienie impulsów radaru 1:1000 (np. impuls 1us, przerwa 1ms)

– Szerokość wiązki anteny radaru – 3,6o – 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/)=10

• RMS(Impuls)= 316 (a dla gęstości mocy=100 000 !!!)

• Wartość szczytowa pojedynczego impulsu Peak= 450

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?

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. 2003 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

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

Pomiary monitoringowe w środowisku

• pomiar szerokopasmowy w paśmie co najmniej3MHz-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 1000 a 1600 w dni robocze

• system działa już 9 lat

Przykład - Łódź

Przykładowe wyniki – porównanie lata 2009 – 2015

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 2014-2015

• 6 miast: Warszawa, Łódź, Kraków, Szczecin, Poznań, Gdańsk , a Wrocławia nie ma….

• Dane: strona www GIOŚ• tp://www.gios.gov.pl/images/dokumenty/pms/monitoring_pol_elektormagnetycznych/raport/Raport_-

_Pomiary_pol_elektromagnetycznych_w_wybranych_miastach_Polski_o_liczbie_mieszkancow_powyzej_250_tysiecy.pdf

Przykładowe wyniki - Warszawa

Monitoring widma - UKE

UKE_Wroclaw [A]

*2 PK

CLRWR

A

Ref 50 dBµV

Center 626 MHz Span 10 MHz1 MHz/

*

*

RBW 100 kHz

VBW 30 kHz

SWT 1 s*

15.Oct 09 09:04

Att 0 dB*

1 PK

MAXH

PRN

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1

Marker 1 [T1 ]

35.40 dBµV

626.000000000 MHz

Date: 15.OCT.2009 09:04:52

Fśrod [Hz]

Fśrod [Hz]

Fkońc [Hz]Fpocz [Hz] E [dBuV/m]

E [dBuV/m]

Szablon maski

Pomiary niezbędne dla prawidłowej

gospodarki częstotliwościami

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

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

Dziękuję za uwagę