Экспериментальное исследование электромагнитной обстановки с учетом наложения электромагнитных волн
Автор: Титов Е.В., Осьмушкина Е.Б.
Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu
Рубрика: Исследования. Проектирование. Опыт эксплуатации
Статья в выпуске: 6 т.16, 2023 года.
Бесплатный доступ
В статье рассмотрены вопросы оценки электромагнитной обстановки в помещении АПК с установкой для орошения сельскохозяйственных культур. Представлены результаты экспериментальных измерений плотности потока энергии от исследуемой установки. Определены зоны с высоким значением плотности потока энергии, превышающим предельно допустимые уровни. Указаны выражения, используемые для определения интенсивности результирующей электромагнитной волны. Приведен поэтапный процесс получения результирующей волны для каждой стороны установки путем наложения амплитудных значений интенсивности электромагнитного поля для выбранных частотных составляющих. Обоснована практическая ценность рассмотренной методики наложения электромагнитных волн в широком частотном диапазоне для дальнейшего использования полученных результатов при оценке состояния электромагнитной обстановки и обеспечении безопасного пребывания людей вблизи исследуемой установки.
Интенсивность электромагнитного поля, экспериментальные измерения, установка для орошения, методика наложения электромагнитных волн, компьютерное моделирование, электромагнитная обстановка
Короткий адрес: https://sciup.org/146282697
IDR: 146282697
Текст научной статьи Экспериментальное исследование электромагнитной обстановки с учетом наложения электромагнитных волн
В связи с тем, что непрерывно развиваются методы выращивания сельскохозяйственных культур, особенно в холодном климате, с применением современных теплиц, оснащенных высокотехнологичными установками для создания микроклимата, правильного питания и орошения растений, необходимо учитывать электромагнитные излучения (ЭМИ), возникающие в процессе эксплуатации всего комплекса оборудования, находящегося в производственном помещении [1, 2]. При этом диапазон генерируемого спектра электромагнитных излучений изменяется от единиц Герц до ГГц. Поэтому возникает необходимость оценки плотности потока энергии в зонах длительного пребывания персонала [3, 4].
Материалы и методы
В Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова разработана технология определения результирующей частоты и амплитуды [5], основанная на особенностях наложения когерентных и некогерентных волн. Методика наложения когерентных волн в рас-– 659 – ширенном до 3 ТГц диапазоне включает выбор несущей частоты и определение результирующей амплитуды по формуле (1) [3, 6].
, (1)
где A1 – амплитудное значение первой частотной составляющей электромагнитного поля; A 2 – амплитудное значение второй частотной составляющей электромагнитного поля; Δ ω – разность между циклическими частотами первого и второго накладываемых электромагнитных колебаний, рад/с; t – время колебания, с.
Определение результирующей частоты при наложении некогерентных волн проводится с учетом отношений их значений с помощью выражения (2) [7].

,
где – среднее арифметическое значение частоты накладываемых электромагнитных колебаний, Гц; A 1 – амплитудное значение первой частотной составляющей электромагнитного поля; A2 – амплитудное значение второй частотной составляющей электромагнитного поля; Δf – разность между частотами первого и второго накладываемых электромагнитных колебаний, Гц.
Плотность потока энергии (ППЭ) на фиксированном расстоянии от источника излучения для когерентных и некогерентных волн предлагается рассчитать через интенсивность электромагнитного поля, используя известные выражения вектора Умова-Пойнтинга, с помощью формулы (3):

где

– волновое сопротивление вакуума, Ом; n
= ^/ i" - коэффициент прелом-
ления среды; I m – амплитудное значение интенсивности электромагнитного поля, Вт/м2; f – частота распространения поля, Гц; t – время, с; l – расстояние между источником поля и точкой измерения поля, м; v – скорость распространения волны, м/c.
При завершении формирования наложенных колебаний по каждой частотной составляющей вычисляются максимальные значения параметров электромагнитного поля.
Практическая реализация предлагаемой методики рассмотрена для производственного помещения тепличного предприятия Сибири с установкой для орошения сельскохозяйственных культур, размеры которой составляют 1×2×2 м (рис. 1) [5].
Для проведения измерений и оценки электромагнитной обстановки использовалась следующая структура оснащения: ноутбук HP EliteBook 8440p и подключенные к нему анализатор спектра АКС-1201, устройство контроля радиочастотных ЭМП (30 МГц – 30 ГГц) и приборы ВЕ-метр-АТ-004, П3–41 и Testo 435–4 [8]. Измерения проводились на требуемом расстоянии 10 см [9] от каждой стенки установки. Термографирование не проводилось, поскольку корпус установки выполнен из металла [8].

Рис. 1. Внешний вид установки для орошения сельскохозяйственных культур
Fig. 1. Appearance of the plant for irrigation of agricultural crops
Результаты
Результаты контрольных измерений ППЭ вблизи исследуемой установки на соответствующих частотах с учетом требований к оценке электромагнитной обстановки [9] сведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты контроля плотности потока энергии
Table 1. Results of energy flow density control
Частота |
Плотность потока энергии ППЭ, мкВт/см2 |
|
Боковые стенки |
Передняя и задняя стенки |
|
400 МГц |
57,774 |
97,471 |
410 МГц |
113,569 |
171,992 |
450 МГц |
50,008 |
124,812 |
490 МГц |
16,464 |
39,730 |
520 МГц |
20,888 |
55,313 |
550 МГц |
20,189 |
50,224 |
570 МГц |
75,419 |
125,011 |
590 МГц |
22,817 |
49,792 |
720 МГц |
25,156 |
55,549 |
740 МГц |
62,264 |
107,837 |
760 МГц |
73,235 |
133,732 |
800 МГц |
47,276 |
100,721 |
28,09 ГГц |
17,832 |
48,487 |
28,37 ГГц |
35,266 |
69,719 |
Примечания:
– предельно допустимый уровень (25 мкВт/см2) приведен для 8-ч рабочего дня;
– красным цветом выделены значения, превышающие ПДУ
Обсуждение результатов
Оценка интенсивности ЭМП выполнена с использованием предложенной методики. Величина наложенных электромагнитных волн рассчитана с учетом близлежащих частот, характеристики которых получены на предыдущем этапе вычисления. Промежуточные и конечные результаты определения характеристик результирующей волны для каждой составляющей ЭМП сведены в табл. 2 и 3. Учитывая, что имеется один малогабаритный источник излучения, фазовый сдвиг считается одинаковым.
Таблица 2. Получение результирующей волны для передней и задней стенок установки для орошения
Table 2. Obtaining the resulting wave for the front and back walls of the irrigation system
Исходные данные |
Результаты наложения частотных составляющих ППЭ |
||||||||
1 этап |
2 этап |
3 этап |
4 этап |
||||||
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
400 МГц |
97,471 |
406 МГц |
269,463 |
427 МГц |
434,005 |
480 МГц |
714,345 |
10,7 ГГц |
1230,390 |
410 МГц |
171,992 |
||||||||
450 МГц |
124,812 |
460 МГц |
164,542 |
||||||
490 МГц |
39,730 |
||||||||
520 МГц |
55,313 |
534 МГц |
105,537 |
560 МГц |
280,340 |
||||
550 МГц |
50,224 |
||||||||
570 МГц |
125,011 |
576 МГц |
174,803 |
||||||
590 МГц |
49,792 |
||||||||
720 МГц |
55,549 |
733 МГц |
163,386 |
759 МГц |
397,839 |
15,3 ГГц |
516,045 |
||
740 МГц |
107,837 |
||||||||
760 МГц |
133,732 |
777 МГц |
234,453 |
||||||
800 МГц |
100,721 |
||||||||
28,09 ГГц |
48,487 |
28,26 ГГц |
118,206 |
28,26 ГГц |
118,206 |
||||
28,37 ГГц |
69,719 |
||||||||
28,37 ГГц |
69,719 |

Рис. 2. Результат наложения частотных составляющих: а) 400 и 410 МГц; б) 450 и 490 МГц
Fig. 2. The result of the overlay of frequency components: a) 400 and 410 MHz; b) 450 and 490 MHz
Как видно из табл. 2, результирующая волна вблизи передней и задней стенок установки характеризуется мощностью сигнала 1230,390 мкВт/см2 и частотой 10,7 ГГц. На рис. 2–8 приведены результаты наложения рассмотренных частотных составляющих ЭМП.
Аналогично получены параметры результирующей электромагнитной волны для боковых стенок установки. Результаты сведены в табл. 3.

Рис. 3. Результат наложения частотных составляющих: а) 520 и 550 МГц; б) 570 и 590 МГц
Fig. 3. The result of the overlay of frequency components: a) 520 and 550 MHz; b) 570 and 590 MHz

Рис. 4. Результат наложения частотных составляющих: а) 720 и 740 МГц; б) 760 и 800 МГц
Fig. 4. The result of the overlay of frequency components: a) 720 and 740 MHz; b) 760 and 800 MHz

Рис. 5. Результат наложения частотных составляющих: а) 28,09 и 28,37 ГГц; б) 406 и 460 МГц
Fig. 5. The result of the overlay of frequency components: a) 28,09 and 28,37 GHz; b) 406 and 460 MHz
С учетом исследованных частотных составляющих ЭМП электромагнитная обстановка вблизи установки для орошения сельскохозяйственных культур характеризуется интенсивностью сигнала вблизи передней и задней стенки 1230,390 мкВт/см2 и частотой 10,7 ГГц, а вблизи боковых стенок – 638,157 мкВт/см2 и 14,2 ГГц соответственно.

Рис. 6. Результат наложения частотных составляющих: а) 534 и 576 МГц; б) 733 и 777 МГц
Fig. 6. The result of the overlay of frequency components: a) 534 and 576 MHz; b) 733 and 777 MHz

Рис. 7. Результат наложения частотных составляющих: а) 427 и 560 МГц; б) 759 МГц и 28,26 ГГц
Fig. 7. The result of the overlay of frequency components: a) 427 and 560 MHz; b) 759 and 28,26 GHz

Рис. 8. Результат наложения частотных составляющих 480 МГц и 15,3 ГГц
Fig. 8. The result of the overlay of frequency components 480 MHz and 15,3 GHz
Таблица 3. Получение результирующей волны для боковых стенок установки
Table 3. Obtaining the resulting wave for the side walls of the installation
Исходные данные |
Результаты наложения частотных составляющих ППЭ |
||||||||
1 этап |
2 этап |
3 этап |
4 этап |
||||||
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
Частота |
ППЭ, мкВт/ см2 |
400 МГц |
57,774 |
406 МГц |
171,343 |
421 МГц |
237,815 |
473 МГц |
377,128 |
14,2 ГГц |
638,157 |
410 МГц |
113,569 |
||||||||
450 МГц |
50,008 |
460 МГц |
66,472 |
||||||
490 МГц |
16,464 |
||||||||
520 МГц |
20,888 |
535 МГц |
41,077 |
563 МГц |
139,313 |
||||
550 МГц |
20,189 |
||||||||
570 МГц |
75,419 |
575 МГц |
98,236 |
||||||
590 МГц |
22,817 |
||||||||
720 МГц |
25,156 |
734 МГц |
87,420 |
758 МГц |
207,931 |
11,6 ГГц |
261,029 |
||
740 МГц |
62,264 |
||||||||
760 МГц |
73,235 |
776 МГц |
120,511 |
||||||
800 МГц |
47,276 |
||||||||
28,09 ГГц |
17,832 |
28,28 ГГц |
53,098 |
28,28 ГГц |
53,098 |
||||
28,37 ГГц |
35,266 |
Заключение
Таким образом, использование инструментальных средств измерений и разработанного программного обеспечения позволяет получать характеристики результирующих электромагнитных колебаний и визуально представлять процесс наложения составляющих электромагнитного поля на каждом этапе расчета, что является затруднительным при проведении точечных измерений. Полученные результаты можно использовать в дальнейшем при оценке электромагнитной обстановки в производственных и коммунально-бытовых помещениях с размещенным в них ЭМП-излучающим оборудованием.
Список литературы Экспериментальное исследование электромагнитной обстановки с учетом наложения электромагнитных волн
- Призыв учёных по защите от воздействия неионизирующего электромагнитного поля. Международное обращение к Генеральному Секретарю Организации Объединённых Наций Антониу Гутерришу, государствам - членам ООН - Режим доступа: https://www.emfscientist.org/index.php/emf-scientist-appeal - Access: https://www.emfscientist.org/index.php/emf-scientist-appeal.
- Маслов М. Ю., Сподобаев Ю. М., Сподобаев М. Ю. Обоснование предметной области электромагнитной безопасности, Электросвязь, 2018, 11, 63-67.
- Мишенков С. Л., Епифанова Е. С. Использование временных задержек при первичной обработке звуковых сигналов, Электросвязь, 2022, 1, 56-58.
- Rubtsova N. B., Perov S., Belaya O. The development of mobile communication system and human health risks, Safety and Health at Work, 2022, 13, 10-11.
- Титов Е. В. Методология комплексного контроля и визуализации электромагнитной обстановки в АПК, автореф. дис. … докт. техн. наук. Барнаул, 2021, 43 с.
- Крюков А. В., Черепанов А. В., Крюков А. Е. Определение электромагнитных влияний высоковольтных ЛЭП и тяговых сетей на трубопроводы, Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2020, 9, 62-72.
- Amineh R. K., Ravan M., Sharma R. Nondestructive Testing of Nonmetallic Pipes Using Wideband Microwave Measurements, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2020, 68(5), 1763-1772.
- Titov E. V., Soshnikov A. A., Migalev I. E. Computer Imaging of Electromagnetic Environment in Air Space with Industrial Electromagnetic Field Sources in Conditions of Combined Influence of EM Radiation, Journal of Electromagnetic Engineering and Science, 2022, 22(1), 34-40.
- Никитина В. Н., Калинина Н. И., Ляшко Г. Г. Новые санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах, Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, 2019, 5(5), 62-65.