Pomiar indywidualnej dynamiki ekspozycji pola elektrycznego quasistatycznego

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ______________________________________1979

Seria: ELEK TR YK A z. 64 Nr kol. 593

Stefan WI EC ZO RE K

POMIAR INDYWIDUALNEJ DAWKI EKSPOZYCJI PO LA ELEKTR YC ZN EG O QU AS IS TA TY CZ NE GO

St r e s z c z e n i e . W artykule przedstawiono sposób pomiaru oraz urzę- dzenie służące do pomiaru stopnia zagrożenia człowieka od strony q u aslstatycznego pola elektrycznego o dużym na tężeniu.Szczególna u- wagę zwrócono na dobór rezystancji sondy, z której zbierany Jest sygnał pomiarowy.

1. Wstęp

Badania medyczne wykazały, że zmienne pole elektryczne.wytwarzane przez urzędzenla elektroenergetyczne, ma ujemny wp ły w na organizmy żywe. Szkod

liwość pola elektrycznego zależy w sposób nieliniowy od wa rtości Jego na

tężenia oraz od czasu przebywania człowieka w polu [ l , 2]. Zależność ta, wykreślona na podstawie norm radzieckich, pokazana Jest na rys. 1.

Z charakterystyki widać, że pole elektryczne o natężeniu mniejszym niż 5 kV/m Jest dla człowieka nieszkodliwe 1 czas przebywania w polu o takim natężeniu Jest nieograniczony. Z kolei szkodliwość pola o natężeniu wi ęk

szym niż 25 kV/m Jest tak duża, że w zasadzie człowiek nie powinien w nim przebywać. Wy zn ac za ni e strefy, w której natężenie pola Jest większe niż 5 kV/a, odbywa się przez pomiar. Jeżeli pomiar natężenia pola Jest niemożliwy, przyjmuje się, że granica strefy wpływu (obszar, w którym na

tężenie pola elektrycznego Jest większe niż 5 k V / m ) , znajduje się w o- kreślonej odległości od urzędzenia będęcego pod napięciem. I tak dla na

pięcia 500 kV odległość wy no si 20 m, dla napięcia 750 kV odległość wynosi 30 m.

Taki sposób określania strefy wpływu pola elektrycznego Jest bardzo niedokładny, ponieważ:

a) nie uwzględnia zniekształcenia pola wywołanego obecnościę człowieka w tym polu,

b) nie uwzględnia zniekształcenia wywołanego obecnościę innych urzędzeń.

Nieuwzględnienie powyższych czynników wprowadza znaczny błęd przy o- kreślaniu stopnia narażenia człowieka. Wykazano bowiem [2], że Jeżeli cy

linder me talowy o wymiarach podanych na rys. 2 umieścimy w jednorodnym polu elektrycznym, to spowoduje on znaczne zniekształcenie tego pola. J e  żeli przyjęć, że cylinder taki przy odpowiednich założeniach Jest mode-

(2)

\

i

/

**T r-«*J**

10o

iys. 1. Zależność dopuszczalnego czasu przebywania człowieka w polu elek

trycznym guasistatycznym od wartości natężenia tego pola

(3)

Pomiar indywidualnej dawki e k s p o z y d i . .. 22

Rys. 2. Rozkład intensywności pola elektrycznego E w zależności od in

tensywności pola elektrycznego Eg przed włożeniem metalowego cylindra w to pole

(4)

lem człowieka, to widać, Ze pole działajęce na człowieka będzie znacznie różniło się od pola elektrycznego, które i8tniało przed wejściem człowie

ka w jego obszar działania.

Ze względu na rozwój techniki przesyłu energii elektrycznej z zastoso

waniem coraz wyZezych napięć a co za tym idzie, większe zagroZenie pr ac ow

ników obsługujęcych urzędzenia będęce pod wysokim napięciem zaszła po

trzeba wykonania urzędzenia określajęcego stopień zagroZenla pracownika znajdujęcego się w polu elektrycznym.

Stopień zagrożenia człowieka określony jest za pomocę tzw. dawki eks

pozycji pola elektrycznego; jest to całka z modułu natężenia pola elek

trycznego w czasie, pomnożona przez współczynnik K, który zaleZy w sposób nieliniowy od wartości natężenia pole elektrycznego.

Urzędzenie słuZęce do pomiaru dawki ekspozycji nazwano indywidualnym dawkomierzem pola elektrycznego qu a s i s t a t y c z n e g o , a jego schemat blokowy przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Schemat blokowy indywidualnego dawkomierza pola elektrycznego

2. Indywidualny dawkomierz pola elektrycznego IOPE

U rzędzenie to składa się z sondy pomiarowej w postaci metalowej czaszy kulistej umieszczonej na kasku ochronnym. W środku czaszy znajduje się wzmacniacz ws tępny sygnału pomiarowego i prostownik. Napięcie etałe, pro

porcjonalne do natężenia pola elektrycznego, doprowadzane jest kabelkiem do drugiej części urzędzenia umieszczonego w kieszeni kombinezonu pracow

nika. Wchodzi ono bezpośrednio na we jście układu nieliniowego i układu sygnalizacji.

Zadaniem układu nieliniowego jest przetworzenie napięcia wejściowego, tak aby na jego wyjściu otrzymać noplęcie, które byłoby zwięzane z natę

żaniem pola elektrycznego quasistatycznego, przy pomocy funkcji przedsta

wionej na rys. 4. Z kolei to napięcie jest całkowane a wartość całki za

mieniana jest na postać cyfrowę. Informacja o aktualnej dawce e k s p o z y c j i zakumulowanej w człowieku wyświetlana Jest w postaci cyfrowej.

(5)

Pomiar indywidualnej dawki ekspozycji. 99

Rys. 4. Zależność napięcia na wyjściu układu nieliniowego od natężenia pola elektrycznego.

tfuyj m a t

U m f j

(6)

IDPE po9iada 9zereg układów pomocniczych, takich Jak: układ sygnaliza

cji, który akustycznie ostrzega pracownika, Jeżeli natężenie pola elek

trycznego przekroczy wartość dopuszczalnę , t j . 25 kV/m, układ progowy, którego zadaniem Jest zablokowanie integratora, Jeżeli natężenie pola e- lektrycznego Jest mniejsze niż 5 kV/m.

3. Sonda pomiarowa

Czasza kulista sondy (rys.5) połęczona Jest rezystancję R g z masę IDPE.

Oeżeli sondę takę umieścimy w zmiennym polu elektrycznym, to wywoła ono pr zepływ przez rezystancję R g ładunków elektrycznych. Oeżeli założymy, że potencjał człowieka oraz IDPE Jest prawie równy potencjałowi ziemi, pole w otoczeniu głowy Jest Jednorodne oraz że wymiary sondy sę dostatecznie małe w porównaniu z wymiarami głowy, to wtedy pręd wywołany przepływem ła

dunków z czaszy do masy można określić M za pomocę wzoru:

i ■ 4J16 'coh r E sintot o o m (l)

Rys. 5. Schemat ideowy wzmacniacza wstępnego z prostownikiem

(7)

Pomiar indywidualnej dawki ekspozycji. 101

Wartość skuteczna tego prędu wynosi:

I - 4Jle0o>h r0 - | (2 )

gdzie:

£ 0 - przenikalność elektryczna próżni,

<j> - pulsacja pola elektrycznego,

- amplituda natężenie pola elektrycznego, h - odległość środka sondy od powierzchni głowy, rQ - promień sondy.

Schemat zastępczy sondy można przedstawić w postaci obwodu równoległe

go [ 5] pokazanego na rys. 6.

; Ctrej

Rys. 6. Schemat zast ęp cz y sondy pomiarowej R w e j - rezystancja wejściowa wzmacniacza wstępnego

częca czaszę metalowę z masę układu, C - pojemność sondy, C.

R s - rezystancja łę-

ność wejściowa wzmacniacza 'w ej - pojem-

W ob wodzie tym napięcie na rezystancji R s wynosi:

Vl + (wRC)2

4*«o R“ ho E

⁽³⁾

R , R we1 s r ~ ;T !

wej s

C + C s wej

Oak wynika ze wzoru (3 ), funkcja przetwarzania jest funkcję nielinio- wę. Nieliniowość ta spowodowana Jest pojemnościami oraz rezystancję wejś-

ciowę wzmacniacza.

I

Ok azuje się jednak, że przy odpowiednim doborze rezystancji sondy R s można z bardzo dużę dokładnościę przyjęć, że:

U « K R E

s (4)

(8)

g d z i e :

<5 - błęd względny pomiaru spowodowany bocznikujęcym działaniem pojem

ności

KRE - KRE Vl ♦ tiiRC

■kR T

V T T

VT 7

^{i » R C r}

Oeżeli założymy, że pojemność C « 100 pF oraz błęd względny £ c < 0,001, wtedy rezystancja wynosi:

R ■ & i~ <

s wej

Rezystancja wejściowa wzmacniacza pokazywanego na rys. 5 wynosi:

K R . « —§■ R

wej K r

g d z i e :

Ko - wzmocnienie wzmacniacza z otwartę pętlę sprzężenia zwrotnego, K - wzmocnienie wzmacniacza z zamkniętę pętlę sprzężenia zwrotnego, R r - rezystancja różnicowa wzmacniacza operacyjnego.

Błęd bezwzględny spowodowany bocznikujęcym działaniem rezystancji wejś

ciowej wynosi :

R U K -£•

A U wyj » U wyj - - g * i ■ ?.K ITT Rs + K o ” gdzie:

Uwyj ” n* P i?cie "y Jócio” e wzmacniacza.

Ponieważ:

(9)

Pomiar indywidualnej dawki ek . cj 103

U w v 1 IKoR r

■ “-YJ •

stęd błąd względny spowodowany bocznikujęcym działanie« rezystancji wejś

ciowej wynosi:

Uw KR

¿ r “ u— ^ k Twyj o r 1 ■ K t n n ń rs o r

Ponieważ iloczyn KR^ ma dla danego współczynnika proporcjonalności między natężeniem pola elektrycznego E a napięciem wy jś ci ow ym wartość stałę, więc błęd wz ględny spowodowany bocznikującym działaniem rezystan

cji wejściowej zależy tylko od parametrów wzmacniacza operacyjnego i od przyjętego ws półczynnika proporcjonalności układu K c>

Dla rozpatrywanego przypadku przyjęto, że natężeniu 25 kV/m odpowiada napięcie wyjściowe 8 V, wobec tego:

K c = - p i * 0,00032 m

Wzmacniacz pomiarowy wyko na ny został na bazie wzmacniacza operacyjnego MAA 502, dla którego na podstawie danych katalogowych przyjęto rezystan

cję różnicowę R « 700 kil i współczynnik wzmocnienia wzmacniacza z o- twartę pętlę sprzężenia zwrotnego Kq * 25 10 V/V. Dla powyższych para

me tr ów wzmacniacza operacyjnego orsz współczynnika proporcjonalności K =

■ 32 10 m błęd wz ględny spowodowany bocznikujęcym działaniem rezystan

cji wynosi 0,04%. Od wzmocnienia wzmacniacza a tym samym również od rezy

stancji sondy R zależy błęd pomiaru wynikajęcy z dryftu temperaturowego napięcia n i e z r ó w n o w a ż e n i a :

A U « K U n n

g d z i e :

U n - napięcie niezrównoważenia.

Ola wzmacniacza MAA 502 dryft temperaturowy wynosi 4,8 uV/°C. Ponieważ błęd bezwzględny pochodzęcy od dryftu napięcia nierównoważenia nie zależy od sygnału pomiarowego, to największy błęd względny występi przy pomiarze małych sygnałów:

f _ ______B__KU Uwyj min

(10)

Przy założeniach że minimalne mierzone natężenie pola elektrycznego wynosi 5 k V / m , zmiany temperatury wynoszę i30°C oraz błęd względny powi

nien być mniejszy od 0,001, wzmocnienie wzmacniacza K powinno być mniej

sze od 11. Dla takiego wzmocnienia rezystancja sondy R musi być większa od 1,3 M.

4. Układ nieliniowy i integrator

Napięcie stałe proporcjonalne do mierzonego natężenia pola elektrycz

nego doprowadzone Jest kabelkiem na wejście układu nieliniowego, składa- jęcego się z rezystorów R a - R 4 oraz diody , D2 , (rys. 7). który formu

je żędanę charakterystykę fizjologicznę pokazanę na rys. 1.

Na wyjściu układu nieliniowego otrzymywane jest napięcie:

U = K(E) E

Po scałkowaniu tego napięcia w czasie otrzymujemy wartość dawki ekspo

zycji pola elektrycznego guasistatycznego D

K i

0 = | K ( E ) E dt

"0

P r z y p r o j e k t o w a n i u i n d y w i d u a l n e g o d a w k o m i e r z a p o l a e l e k t r y c z n e g o p r z y j ęto, że d a w k a e k s p o z y c j i p o l a e l e k t r y c z n e g o b ę d z i e m i e r z o n a m e t o d ę cyf- rowę, a w y n i k w y ś w i e t l a n y na w y ś w i e t l a c z u s e g m e n t o w y m , d l a t e g o też z a c h o dzi k o n i e c z n o ś ć p r z e t w a r z a n i a w a r t o ś c i c a ł k i na w i e l k o ś ć cyfrowę.

(11)

Pomiar indywidualnej dawki e k s p o z y c j i ... 105

Można napisać, że dawka ekspozycji pola elektrycznego, zakumulowana w człowieku w czasie T, wynosi:

Oeżeli integrator w każdym cyklu pracy całkuje do tego samego napięcia, to:

g d z i e :

N - liczba cykli całkowanie, C - wartość stała.

W i dzimy więc, że dawka ekspozycji pola elektrycznego jest proporcjo

nalna do liczby cykli całkowania. Liczba cykli całkowania zliczana jest w liczniku i wyświetlana na wyświetlaczu cyfrowym.

5. Podsumowanie

Podstawę projektowania urzędzenia była krzywa fizjologiczna wykreślana w oparciu o normy radzieckie, określajęce dopuszczalne dawki ekspozycji w odniesieniu do pola elektrycznego jednorodnego, które istniało przed we jś

ciem w to pole człowieka. Normy te nie uwzględniaję deformacji pola spo

wodowanej obecnościę człowieka oraz obecnościę innych urzędzeń w rzeczy

wistych warunkach pracy.

Skonstruowane urzędzenie pozwala mierzyć rzeczywistę dawkę ekspozycji zakumulowanę w człowieku, a więc uwzględnia zarazem deformację pola elek

trycznego. Ma to duże znaczenie w badaniach medycznych, gdyż pozwala na uściślenie dopuszczalnych dobowych dawek ekspozycji. Poza tym konstrukcja urzędzenia umożliwia zmianę zamodelowanej charakterystyki fi zj ol o g i c z n e j , o ile zajdzie potrzeba jej uściślenia wynikajęca z badań medycznych.

E dt = C

w t e d y :

(12)

LITERATURA

[1] Korobkowa V.P. , Mo ro zo w A.X., Stolarow M . D . , Oa kubow A.: Influence du Champ Electrique dans les Postes A 500 et 750 kV, sur les Equipes D'En

tretien et les Moyens de leur Protection. CIGRE Paryż 19 7 2 ,

[2] Schneider K.H. , Studinger H., Week K.H. , Steinbigler H., Utmischi D . , Wiealnger I.: Courants de Déplacement vers le Corps Humain Causes par le Champ Diélectrique sous les Lignes de Transport D'Energie. CIGRE Paryż 1974.

[3] Bernes H . C . , Mc El ro y A.D. , Charków 3 . H. : An aliza pola elektrycznego w miejscu pracy na linii pod napięciem. Mate ri ał y z sesji IEEE w Nowym Orleanie, lipiec 1966.

[4] Dusza R.: Sondy do pomiaru pól elektrycznych quasistatycznych w oto

czeniu linii i stacji najwyższych napięć. Praca doktorska. Poli te ch

nika Śląska Gliwice 1977.

[5] Krzycki A.: Opracowanie koncepcji i dokumentacji indywidualnego daw

komierza natężenia pola elektrycznego. Praca badawcza ZPBE "Energo- pomiar" 1975.

H3MEPEHKS HfUHBHÆ/AJIbHOi! A03H 3KCn03HUHH 3JIEKTPM <iECKOrO K3A3H-CT AT UBECKO TO nOJIfl

P e 3 » M e

B craT b e paccMaTpnBaeTc.fi MeToz n3MepeHHH, a laic ze npHcnocodzeHHe ahh h3 - MepeHHH cieneHH yrpoxeHHH nejioBena padoTatoqero b KBa3HCTaTHaecK0M 3jreK ipn-

<tecKOM noże dozbmoro HanpæseHitH. OcoOshho CozLmoe BHHUaaHe odpaqeHO Ha noji- óop p e a a c so p a 30Hqa hs KOToporo co S ap aeT ca H3MepHTezbHtiB c x r a a z .

THE MEASUREMENT OF THE INDIVIDUAL EXPOSURE DOSE OF QUASISTATIC ELEKCTRICAL FIELD

S u m m a r y

The paper presents the measurement method and the device for measuring the degree of danger to human life due to electric quasletatical fields of high intensity. Special attention was paid to the choice of a measure

ment resistance probe.

Przyjęto do druku w czerwcu 1978 r.