Esempi di misure di campi elettromagnetici nei luoghi di...

Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara”Consiglio Nazionale delle RicercheArea della Ricerca di Sesto FiorentinoVia Madonna del Piano 1050019 Sesto Fiorentino (FI)

Esempi di misure di campi elettromagnetici nei luoghi di elettromagnetici nei luoghi di

lavoro

ing. Nicola Zoppetti [email protected]

(1)Verifica del rispetto dei valori di azione

TRE APPROCCI

• Calcolo/valutazionecon

In generale, le misure sono il più oneroso dei tre approcci,

“Il datore di lavoro valutae, se del caso, misura e/o calcolai livelli

dei campi elettromagnetici ai quali sono esposti i lavoratori”

Art 9. comma 1Dlgs 81

Convegno "Esposizione dei lavoratori ai campi elettromagnetici e alle radiazioni ottiche alla luce del D.LGS. 81/2008", Bolzano, 10-11 giugno 2010

• Calcolo/valutazionecon metodi (analitici) più o meno semplificati

• Calcolocon metodi numerici più o meno raffinati

• Misure sul campo

più oneroso dei tre approcci, a causa dei costi connessi

con la strumentazione (acquisizione e gestione), con la formazione del personale e

con l’esecuzione delle campagne sul territorio

Utilizzo di misure

Inoltre, le misure possono essere utilizzate:

• a conferma (puntuale) dei risultati di una valutazione (più generale) del rispetto

“Il datore di lavoro valutae, se del caso, misura e/o calcola i livelli

dei campi elettromagnetici ai quali sono esposti i lavoratori”



(più generale) del rispetto dei valori di azione con metodi semplificati

• ai fini della modellazione delle sorgenti nel contesto di approfondimenti dosimetrici con tecniche numeriche

“..qualorarisulti che siano superati i valori di

azione ….. il datore di lavoro valuta e, quando necessario, calcolase i valori limite di

esposizione sono stati superati”


Fattori che influenzanola selezione della strumentazione

• Modalità di misura (banda larga/stretta)

• Frequenza

• Posizione del sito di misura rispetto alla sorgente

• Grandezza da misurare (campo E/campo H)

5/68

Modalità di misura: banda larga/banda stretta

Banda larga: un unico valore indica il livello complessivodi campo elettromagnetico presente nel sito di misura

Banda stretta: una misura per ogni sorgente

Misure a banda larga

+ Sono più pratiche, semplici e veloci.

+ Richiedono strumentazione più economica, il cui utilizzo presuppone minori competenze.

6/68

minori competenze.

+ Forniscono risultati più immediati e sintetici.

- L’operatore non ha il pieno controllo su cosa sta effettivamente misurando.

Struttura generale di uno strumento per misure NIR

a rivelazione diretta

La strumentazione a rivelazione diretta è utilizzata di regola per le misure a banda

larga

7/68

Segnale DC

RIV

Esempio di sensore di campo

8/68

sensore di campo elettrico a banda larga (da 100 kHz a 3 GHz, da 1 a

800 V/m)

Misure a banda stretta+ Forniscono una caratterizzazione completa

delle situazioni complesse, poiché permettono di determinare frequenza, ampiezza ed occupazione di banda di ciascuna sorgente presente.

9/68

ciascuna sorgente presente.

- Richiedono strumentazione costosa e notevole competenza specifica.

Struttura generale di uno strumento per misure NIR

ad accoppiamento RF

La strumentazione ad accoppiamento RF è utilizzata soprattutto per le misure a banda

stretta

Segnale RF

Esempi di apparati per misure a banda stretta

Catena 1-10 GHz

11/68

Anritsu MT8220AUMTS Master

Misure a banda stretta: quandosono necessarie?

Quando sono presenti sorgenti in diverse “bande normative”

Quando, in caso di superamento del Quando, in caso di superamento del limite di sicurezza, è necessario attribuire a ciascuna sorgente il proprio contributo

Regioni EM e requisiti per le misure

Esigenze strumentali tipiche per la sorveglianza fisica in ambiente di lavoro

Esposizioni in campo di

prossimità o in campo radiativo

vicinoLe sonde devono avere

Sorgenti ben identificate,

raramente sono necessarie misure a banda stretta

La complessità e la grande specificitàdelle

situazioni espositive limita l’applicabilità dei


Forti gradienti spaziali

Le sonde devono avere sensori di dimensioni piccole rispetto alla lunghezza d’onda

La conseguente perdita di sensibilitànon rappresenta in genere un problema, poiché i

campi sono intensi, spesso anche superiori ai limiti normativi

metodi di valutazione teorica

Complessa variabilità temporale

EN 50499Procedura per la valutazione dell'esposizione dei lavoratori ai campi elettromagnetici


1. Forme d’onda sinusoidali.

2. Esposizione simultanea a


2. Esposizione simultanea a sinusoidi con frequenza diversa o forme d’onda complesse.

Riscaldamento industrialea perdite dielettriche


a perdite dielettricheT.2.4


Daniele Andreuccetti, IFAC-CNR – Relazione alla GdS AIRP-AIRM, Frascati (Roma), 14 novembre 2006 - 18/42

Incollaggio del legno


Saldatura della plastica


Strumenti a rivelazione

Sensore

Segnale DC

Equalizzatore,rivelatore, filtropassa basso adalta costante ditempo

Voltmetro DC


rivelazione diretta ed

integrazione completa



I valori di campo riscontrabili in ambiente di lavoro possono porre - per problemi di compatibilità elettromagnetica - severe

limitazioni alla strumentazione utilizzabile


PMM 8053A con sensore EP-408

Essiccatrice a perdite dielettriche

(T.2.4)(T.2.4)


Per gentile concessione di Azienda USL 7 di SienaDipartimento di Prevenzione

Laboratorio Agenti FisiciStrada di Ruffolo53100 S I E N A

Essiccatrice RF a perdite dielettricheSTALAM

SP02-170 Radio Frequency Dryerhttp://www.china-deyi.com/endefault.asp


Strumentazione utilizzata

NARDA


NARDAEMR-300 Radiation Meter

Zonizzazione EN50499

Zona 0: sono rispettati i limiti per lavoratori e popolazione.

Zona 1: sono rispettati i limiti per lavoratori ma NON quelli per la popolazione.


popolazione.Zona 2: NON sono rispettati i limiti per

lavoratori ( e ovviamente anche quelli per la popolazione).

Risultati misure e zonizzazioneLimiti per la popolazione a 27.12 MHz:

E: 28V/m

H:0.073 A/m.

Limiti per i lavoratori a 27.12 MHz:

E: 61 V/m

H: 0.16 A/m


Alimentazione elettrica di grossi apparati industriali

(compressori gruppi frigoriferi)(compressori gruppi frigoriferi)T.2.16


In collaborazione con Azienda USL 7 di SienaDipartimento di Prevenzione


EN50499


Sala compressori

Da un primo screening è risultato come le sorgenti significative fossero i circuiti di alimentazioni dei compressori

Sono considerati conformi per l’esposizione ai campi


l’esposizione ai campi magnetici (inclusi in Tabella 1) tutte le installazioni elettriche / circuiti singoli /circuiti con conduttori vicinicon corrente di fase/netta non superiore ai 100A (popolazione) e 500 A (lavoratori).

Potenza nominale del gruppo frigorifero [KW]

Corrente nel momento della misura [A]

B misurato a 10 cm circa dai cavi [µT]

132 X 2 200 93

132 X2 200 46

315 450 200

315 450 150

750 800 100

750 800 70


Allegato F (informativo) EN50499

][2.02

0 Td

I

d

IB effeff

RL µπ

µ ==][

5002.0 m

Id eff

lavoratori =

][100

2.0 mI

d effepopolazion =


Potenza nominale del

gruppo frigorifero [KW]

Corrente nominale [A]

Corrente nel momento della

misura [A]

B misurato a 10 cm circa dai cavi

[µT]

B calcolato (BiotSavart) a 10 cm circa

dai cavi [µT]

Distanza minima di avvicinamento lavoratori [m]

Distanza minima di avvicinamento per la

popolazione [m]

132 X 2 381.05 200 93 400 0.15 0.76

132 X2 381.05 200 46 400 0.15 0.76

315 454.66 450 200 900 0.18 0.91

315 454.66 450 150 900 0.18 0.91

750 1082.53 800 100 1600 0.43 2.17

750 1082.53 800 70 1600 0.43 2.17


Strumenti con risposta in frequenza piatta e misura del vero valore efficace

• Induzione magnetica:

• versione standard da 0,01 a 300 �T• versione high fieldda 0,4 a 12000 �T

• Campo elettrico (con sonda esterna) da 0,01 a 18 kV/m

• Precisione tipica �

1 %


• Risposta in frequenza da 40 a 800 Hz

• Misura il Vero valore efficace (TrueRMS) dell’induzione magnetica

Emdex II

( )[ ]∫+

=T

rms dttBT

Bτ

τ

21

NARDA ELT400

• Sonda di campo magnetico• 1Hz-400kHz

Disponibilità di 3 uscite analogiche che possono essere acquisite con unità esterne.


mashek esm-100


Acquisizione Bx , By , Bz


Riscaldamento industrialead induzione magneticaad induzione magnetica

T.2.3


Forno ad induzione• Used in the gold

industry

• Magnetic field only

• F = 3450 Hz

• I = 400 A

• Monophase source


• Monophase source

Strumentazione ad accoppiamento RF con analisi nel dominio del tempo (con oscilloscopio)

Close field probe:Modello HP 11941A: da 9 kHz a 30 MHz(può essere

utilizzata anche al di sotto dei 9 kHz previa calibrazione)

Sensibilità tipica a 3 kHz: 12 �V per A/m

Risultati delle misure


A 3450 Hz il valore di azione è pari a 30,7 µT.

Riscaldamento industriale ad induzione magnetica


ESPOSIZIONE SIMULTANEA A FREQUENZE DIVERSE


FREQUENZE DIVERSE(FORME D’ONDA COMPLESSE e/o

IMPULSIVE)

Alta frequenzaLinee guida ICNIRP 1998

Nel caso di forme d’onda non impulsive e nel caso in cui si considerino intervalli di frequenze entro i quali i livelli di riferimento ICNIRP possano essere considerati costanti con la frequenza.

Utilizzo di strumentazione a banda larga


a banda larga

Si confronta l’indicazione strumentale con il limite alla

frequenza considerata

Alta frequenza

Linee guida ICNIRP 1998

Più in generale, nel caso di forme d’onda non impulsive

• Misure in banda larga con “weighted (shaped) probes”

• Misure in banda stretta


Si considerano gli effetti termici e non ci si deve preoccupare delle fasi delle componenti spettrali.

RADAR


Procedura per la misura di Campi EM emessi da impianti Radar utilizzabile in campagne di Sorveglianza Fisica Ambientale

http://puma.isti.cnr.it//linkdoc.php?idauth=23&idcol=18&icode=2010-IS-027&authority=cnr.ifac.fi&collection=cnr.ifac&langver=it

Misura del campo EM emesso dal Radar Primario ATCR-33S installato presso L'aeroporto di Firenze-Peretola


1. Antenna CLS, Ailtech mod. No. 93491-22. Il diode detector hp 8473C (ora presente sul

mercato con il marchio Agilent)

Alta frequenza, forme d’onda impulsive

Corpo intero-6 minuti

48

Corpo intero-picco

Prescrizioni ICNIRP a 3 GHz

•Il valore medio su 6 minuti del campo elettrico non deve superare i 61 V/m.

corpo intero-6 minuti

corpo intero-picco

•Il valore di picco del campo elettrico non deve superare i 1952 V/m

corpo intero-picco

m

V195232

m

V61 =⋅

Bassa frequenzaLinee guida ICNIRP 1998

• Nessuna operazione di media temporale sui 6 minuti.

• Il razionale è quello di limitare il valore istantaneo.

• Reference level definiti in termini di valore efficace.

Se si considerano forme d’onda il cui spettro è confinato in un intervallo di frequenze in cui il livello di riferimento ICNIRP per le esposizioni dei


di riferimento ICNIRP per le esposizioni dei lavoratori ha un valore costante, indipendente dalla frequenza.

( )1<

−

∑

rmsL

iirms

B

fB

( ) rmsLpkLi

ipk BBfB −− =<∑ 2

Si suppongono che tutti i contributi a frequenze diverse siano in fase tra loro.

Forme d’onda con armoniche i cui rapporti di fase siano relativamente stabili

Per questo tipo di forme d’onda l’ approccio di somma in fase è spesso eccessivamente cautelativo!


ICNIRP Statement March 2003"Guidance on determining compliance of exposure to pulsed and complex non-sinusoidal waveforms

below 100 kHz with ICNIRP guidelines”

Si definisce un nuovo approccio nel dominio del tempo, detto “Weigthed peak” (Metodo del Picco Ponderato, MPP) secondo il quale ciascuna componente cartesiana del campo viene pesata con dei filtri la cui risposta in frequenza rappresenta l’inverso dei livelli di riferimento definiti nelle linee guida.La forma d’onda all’uscita di tali filtri deve essere minore di 1 per indicare il rispetto della normativa.


• Nello statement si indica l’utilizzo di filtri RC del primo ordine per la realizzazione in hardware dei filtri di ponderazione ammettendo quindi uno scostamento massimo di 3 dB della risposta in frequenza del filtro rispetto all’inverso dei limiti ICNIRP

• Si dà inoltre una giustificazione “biologica” allo sfasamento introdotto dal filtro del primo ordine a 800-820-1000Hz (B/H/E pop -B/H/E lav-J pop/lav)

B(t) W(t)

Approccio STD (Shaped Time Domain)

Figure tratte dalla norma EN62311

B(t) W(t)

In varie norme CENELEC e nelle bozze di linee guida ICNIRP sottoposte ad inchiesta pubblica nel 2009, si estende questo approccio a tutte le frequenze caratteristiche dei livelli di riferimento ICNIRP


L’uscita del filtro può rappresentare:• un valore di induzione “equivalente”, da confrontare con il livello di riferimentoICNIRP preso

ad una opportuna frequenza;• un indice, il cui valore minore o maggiore dell’unità esprime il rispetto o la violazione dei limiti

di sicurezza, senza riferimento esplicito ad una particolare frequenza

Approccio STD (Shaped Time Domain)

• CENELEC EN62311 Assessment of electronic and electrical equipment related to human exposure restrictions for electromagnetic fields (0 Hz -300 GHz)

• CEI-CENELEC EN 62233: "Metodi di misura per campi elettromagnetici degli apparecchi elettrici di uso domestico e similari con riferimento all'esposizione umana"

• Draft ICNIRP Guidelines July 2009: "Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz)".


time-varying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz)".

Approfondimenti:Procedura di verifica del rispetto dei livelli di riferimento dell'induzione magnetica in presenza di forme d'onda

complesse con frequenze fino a 100 kHz. PARTE I: ASPETTI GENERALIREPORT n. CNR-IFAC-TR-02-010.


Esposizione della popolazione a sorgenti ELF con forma d'onda complessa: valutazione del campo magnetico e della densita' di corrente indotta.

REPORT n. CNR-IFAC-TR-04-010http://puma.isti.cnr.it//linkdoc.php?idauth=23&idcol=18&icode=2010-IS-029&authority=cnr.ifac.fi&collection=cnr.ifac&langver=it

ELT-400 Modalità STD(Shaped Time Domain)

( ) ( ) ( )222 tWtWtW ZYX ++

( ) ( ) ( )[ ]∫+

++Tt

t

ZYX dWWWT

ττττ 2221

( )tWX


( ) ( ) ( ){ }222max tWtWtW ZYX ++

Stimolazione magnetica transcranica

T.2.13T.2.13(apparecchiature mediche che irradiano intenzionalmente con esposizione

elettromagnetica o applicazione di correnti)


In collaborazione con Azienda USL 7 di SienaDipartimento di Prevenzione



A 16 cm dal centro della spira in direzione assiale ci sono oltre 35 mT



A 96 cm dal centro della spira in direzione assiale ci sono oltre 150 µT


Come fare a confrontare una forma d’onda del genere con dei limiti

specificati in funzione della frequenza ?


Misurare l’ampiezza di picco Ap

Misurare la durata dell’impulso tpCalcolare feq = 1/2tpIndividuare il valore limite ICNIRP L

corrispondente alla frequenza f

Metodo della frequenza

equivalente

Lo statement ICNIRP-2003 per le forme d’onda complesse a bassa frequenza

Caso 1: impulso singolo rettangolare


corrispondente alla frequenza feq

Verificare il rispetto della normativa con la relazione:

2eqp fA L<

Misura a 64 cm dall’applicatore,

in asse

300

400

500

600

Indu

zion

e m

agne

tica

[mic

roT

]

Modulo

Durata 1 msFrequenza

equivalente 500 Hz

Limite ICNIRP-OCC. @ 500 Hz 50

microTIndice ICNIRP

circa 7

0

100

200

300

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025

Indu

zion

e m

agne

tica

[mic

roT

]

Tempo [s]

Durata


in asse

300

400

500

600

Indu

zion

e m

agne

tica

[mic

roT

]

Modulo

Durata 0.57 msFrequenza

equivalente 877 HzLimite ICNIRP-OCC. @ 877 Hz

30.7 microTIndice ICNIRP circa

11

0

100

200

300

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025

Tempo [s]

Indu

zion

e m

agne

tica

[mic

roT

]

Durata

5

6

7

8

9

10In

dice

ICN

IRP


in asse

MPP applicato nel dominio del tempo per via hardware

analogico (ELT400)

0

1

2

3

4

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025

Tempo [s]

Indi

ce IC

NIR

P


in asse

MPP applicato nel dominio del tempo per via numerica

5

6

7

8

9

10

Indi

ce IC

NIR

P

0

1

2

3

4

5

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025

Tempo [s]

Indi

ce IC

NIR

P


• Le misure effettuate sono state utilizzate come base per modellare la sorgente con una spira, determinandone raggio e prodotto corrente per spire (fit sui valori di picco del campo).

• Il raggio e la corrente calcolati sono risultati in ottimo accordo con quelli comunicati dal costruttore.


Utilizzo del modello di sorgente

Determinazione del campo nella postazione di lavoro

Determinazione della densità di corrente indotta nell’organismo del

lavoratore


Trasporti alimentati elettricamente

T.2.12T.2.12(apparecchiature mediche che irradiano intenzionalmente con esposizione

elettromagnetica o applicazione di correnti)


EN 50499Procedura per la valutazione dell'esposizione dei lavoratori ai campi elettromagnetici


CENELEC EN 50500:2008

La norma in questione prevede che il rispetto dei livelli di riferimento (o dei valori di azione) venga accertato nel modo descritto di seguito.• Si considerando tanti intervalli di misura successivi, ciascuno avente una durata di 0,5 s, senza sovrapposizione. • In ognuno di questi intervalli devono essere acquisiti i valori istantanei dell’ampiezza di ciascuna delle tre

componenti cartesiane (x,y,z) dell’induzione magnetica, con una frequenza di campionamento di almeno 40 kS/sec. • Ciascun gruppo di campioni così ottenuto (relativo ad una data componente e ad un dato intervallo di 0,5 s) deve

essere sottoposto al filtro di Hann e quindi ad analisi spettrale con la tecnica DFT (Discrete Fourier Transform), in modo da determinare le ampiezze delle componenti spettrali.

• Detti B (f ), B (f ) e B (f ) i valori efficaci di queste ampiezze (relativi al medesimo intervallo di 0,5 s), si deve

"Measurement procedures of magnetic field levels generated by electronic and electrical apparatus in the railway environment with respect to human exposure”

Date of ratification: June 1st, 2008.


• Detti Bx(f i), By(f i) e Bz(f i) i valori efficaci di queste ampiezze (relativi al medesimo intervallo di 0,5 s), si deve procedere alla determinazione dell’indice ICNIRP per l’induzione magnetica IB in base all’espressione:

( ) ( ) ( )( )∑

++=

i iL

iziyix

B fB

fBfBfBI

222

Dove:• BL(fi) è il valore del limite da rispettare alla frequenzafi.• Nella somma indicata si devono includere unicamente i termini spettrali che si riferiscono a frequenze comprese

tra 5 Hz e 20 kHz• Nella somma indicata si devono includere unicamente i termini spettrali le cui ampiezze risultanti (valori a

numeratore) superino il 10% dei rispettivilivelli di riferimento riportati a denominatore.• Il limite si considera rispettato se l’indice calcolato risulta inferiore all’unità per qualunque intervallo di 0,5 s.

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