RO133581A2 - Supravegherea automată a câmpului magnetic cu detecţia şi caracterizarea câmpurilor tranzitorii - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă de supraveghere automată pe termen lung a câmpurilor magnetice de fond, ce realizează simultan detecţia şi caracterizarea câmpurilor tranzitorii sau a pulsurilor electromagnetice, în vederea evaluării expunerii persoanelor la câmpuri magnetice, precum şi a caracterizării mediilor electromagnetice complexe şi a surselor de câmp. Metoda conform invenţiei constă în determinarea, în mod continuu, cu ajutorul unui senzor (ST) triaxial de bandă largă, a celor trei componente ale inducţiei magnetice şi ale derivatei ei în raport cu timpul, prelevarea, în mod continuu, a formelor de undă, de către un sistem (1.7) de achiziţie de date de mare viteză, urmată de transmiterea acestora la un sistem (SC) de calcul pe care rulează mai multe aplicaţii software care efectuează următoarele operaţiuni: determinarea (2.2) reprezentărilor în domeniul timp şi în domeniul frecvenţă ale componentelor inducţiei magnetice şi derivatelor acesteia, cu memorarea (2.7) reprezentărilor semnificative, determinarea (2.8) valorilor efective şi vârf la vârf ale componentelor inducţiei magnetice, şi caracterizarea câmpului rezultant, detecţia (2.4), analiza (2.6) şi memorarea (2.9) tranziţiilor sau pulsurilor electromagnetice cu apariţie aleatorie, şi extragerea, afişarea şi prelucrarea (2.10) statistică a datelor, în vederea caracterizării unor medii electromagnetice complexe şi a unor surse de câmp.

Description

Invenția se referă la o metodă de supraveghere automată a câmpurilor magnetice de fond din diverse medii industriale sau rezidențiale, generate de sistemele de alimentare cu energie electrică sau alte surse de câmp din domeniul de frecvență 40 Hz 4- 1 MHz, ce are și posibilitatea detecției și caracterizării unor câmpuri magnetice tranzitorii, care pot apărea în mod aleator. Această metodă de supraveghere permite reprezentarea în domeniul timp și în domeniul frecvență a celor trei componente rectangulare ale câmpului, înregistrarea valorii efective a câmpurilor magnetice de fond, precum și o detecție și clasificare a câmpurilor magnetice de tip tranzitoriu ce apar în timpul supravegherii. Prin multitudinea informațiilor pe care le furnizează, durata mare a supravegherii automate, prelucrarea statistică și prezentarea rezultatelor, metoda este utilă la evaluarea expunerii persoanelor la câmp și, în general, la caracterizarea unor medii electromagnetice complexe sau surse de câmp.

Una dintre principale surse de câmp, care determină câmpurile magnetice de fond din mediile industriale, dar și rezidențiale este rețeaua de alimentare cu energie electrică (230 V, 50 Hz).

Aceste câmpuri magnetice generate de multiple surse sau consumatori sunt foarte complexe având o mare variabilitate spațială și temporală. în plus, pentru domeniul foarte important și dinamic al studiului efectelor biologice ale câmpurilor sunt necesare multiple informații despre câmpurile la care sunt expuse persoanele în mediile considerate.

De aceea există cercetări și realizări în vederea determinării expunerii la câmp a persoanelor sau în vederea adaptării instrumentației de măsurare la anumite standarde [US 5418460], [Hanna 2009], [Mariscotti 2009], [RO 127139 Bl] dar aceste realizări sunt limitate referitor la informațiile furnizate și domeniul de frecvență al câmpurilor măsurate.

Pe de altă parte, evaluarea expunerii persoanelor pe termen lung la câmpuri magnetice de mică intensitate și studiul efectelor biologice ale câmpurilor magnetice de tip tranzitoriu a 2018 00101

19/02/2018 2$.

sunt de mare importanță și actualitate, iar după cunoștința noastră nu există metode care să realizeze simultan ambele cerințe.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea supravegherii automate pe termen lung (câteva luni, chiar un an) a câmpului magnetic de fond cu caracterizarea lui în domeniul timp și frecvență, concomitent cu determinarea amplitudinilor și duratelor unor câmpuri tranzitorii din perioada de supraveghere considerată.

Metoda de supraveghere automată a câmpului magnetic, conform invenției, utilizând un singur senzor triaxial urmat de un sistem compact de prelucrare, memorare și prezentare a datelor, realizează măsurări automate ale câmpurilor magnetice de fond din domeniul de frecvență 40 Hz-1 MHz, cu stocarea și prezentarea informațiilor referitoare la reprezentarea în domeniul timp și în domeniul frecvență a componentelor câmpului, înregistrarea valorilor efective, în paralel cu detecția și clasificarea câmpurilor magnetice tranzitorii din perioada supravegheată automat.

Deoarece banda de frecvență a senzorului triaxial și a sistemului de prelucrare este largă, supravegherea automată a câmpurilor electromagnetice de fond se face într-un domeniu de frecvență mare și în plus se pot detecta și caracteriza câmpurile magnetice tranzitorii sau pulsurile electromagnetice.

Se prezintă în continuare principiul supravegherii automate a câmpului magnetic.

Trei senzori de câmp magnetic rectangulari, ce formează împreună senzorul triaxial de câmp, determină în mod continuu formele de undă ale celor trei componente ale inducției 35 35 magnetice Bi(t), B2C), B₃(t), precum și ale derivatelor acestora în raport cu timpul —-, —-, dt dt dB —-, forme de undă sau reprezentări în domeniul timp ce sunt memorate într-o memorie dt ciclică cu înscriere în mod continuu.

Din aceste forme de undă se determină:

- reprezentările în domeniul frecvență ale componentelor;

- valorile efective (root mean square values, rms) ale celor trei componente Bi _rms, B2,_rms, B3,rms, precum și valoarea efectivă a câmpului rezultant, B_rms, determinări ce sunt realizate cu o anumită periodicitate;

- variațiile rapide sau tranzițiile ce se suprapun peste formele de undă, determinându-se durata și amplitudinea fiecăreia și facându-se o analiză și clasificare a lor în mai multe tipuri.

Se sortează și se memorează reprezentările în domeniul timp și în domeniul frecvență ale inducției magnetice ce sunt reprezentative, se memorează valorile efective ale a 2018 00101

19/02/2018 componentelor și ale câmpului rezultant, se memorează numărul și tipurile de tranziții și se face o prelucrare statistică a rezultatelor pentru durata de supraveghere automată.

Este posibilă și obținerea altor informații în funcție de aplicație sau de câmpul magnetic de fond ce se supraveghează automat, adaptându-se modul de sortare și prelucrare a datelor.

Avantajele invenției sunt date de faptul că realizează supravegherea automată pentru o durată de câteva luni a câmpurilor magnetice de fond într-un larg domeniu de frecvență utilizând un singur sistem de măsurare, ce permite caracterizarea unor medii electromagnetice complexe sau a unor surse de câmp prin:

• reprezentarea în domeniul timp și în domeniul frecvență ale celor trei componente ale câmpului magnetic;

• înregistrarea valorilor efective ale câmpurilor magnetice pe o perioadă mare de timp cu prelucrarea statistică a rezultatelor;

• detecția și caracterizarea câmpurilor magnetice tranzitorii din locul și pe durata considerată.

Metoda propusă este flexibilă, permițând o bună adaptare la aplicație și prezentarea informațiilor despre mediul sau sursa de câmp supravegheată. De exemplu, se poate adapta la reglementările din domeniul expunerii persoanelor la câmp, ce prezintă o continuă evaluare și dezvoltare sau la detecția și caracterizarea unei surse de câmp pe baza semnăturii electromagnetice.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției conform:

• Figura 1 - Principiul supravegherii automate a câmpurilor magnetice de fond;

• Figura 2 - Organigrama cu succesiunea etapelor metodei.

Se determină fiecare dintre cele trei componente rectangulare ale câmpului magnetic de către un senzor de câmp magnetic (1.1) și un bloc de prelucrare electronică (1.2) ambele de bandă largă, generându-se formele de undă sau reprezentările în domeniul timp ale inducției dB magnetice B|(t) și ale derivatei în raport cu timpul a inducției magnetice —^L.

dt

Senzorul (1.3) și blocul de prelucrare electronică (1.4), precum și senzorul (1.5) împreună cu dB blocul de prelucrare electronică (1.6) generează formele de undă ale lui B2(t) și — dt dB respectiv B₃(t) și —- .

dt a 2018 00101

19/02/2018

Cele 3 componente ale inducției magnetice și derivatei ei în raport cu timpul sunt prelevate de un sistem de achiziție de date de mare viteză (1.7) și transmise unui sistem de calcul (SC) unde datele sunt prelucrate, memorate și în final se prezintă rezultatele.

Astfel, software-ul de achiziție continuă (1.8) realizează o prelucrare primară, iar în continuare prelucrarea se realizează în paralel de către software-ul de determinare și înregistrare a nivelurilor de expunere (1.9), software-ul de sortare și înregistrare a formelor de undă (1.10) și software-ul de detecție, analiză și înregistrare a tranzițiilor (1.11).

Datele rezultate în urma acestor prelucrări sunt stocate într-o bază de date generală (1.12). Accesarea datelor, prelucrarea ulterioară a acestora și prezentarea rezultatelor se face cu ajutorul unui software dedicat (1.13), format din module specifice conform aplicațiilor considerate: modul de evaluare expunere, modul de caracterizare surse de câmp, modul de analiză tranziții, modul de prelucrare statistică, alte informații.

Deși controlul funcționării întregului sistem, prelucrarea rezultatelor și prezentarea lor în concordanță cu cerințele aplicației și/sau caracteristicile câmpului se fac în mod automat, este posibilă oricând verificarea funcționării și intervenția unui operator uman în vederea analizei formelor de undă, a prelucrării statistice a datelor, etc.

Succesiunea etapelor metodei propuse este prezentată în Figura 2.

Formele de undă ale celor trei componente ale câmpului Bi(t), B₂(t), B₃(t) și derivatei , . dB, dB₂ dB, ,··· ~ _1x . - jj câmpului ——-sunt achiziționate in mod continuu (2.1) pe toata perioada de dt dt dt supraveghere, iar datele sunt stocate într-o memorie cu scriere circulară și rescriere după încărcarea completă.

Analiza formelor de undă se face în paralel pe trei direcții și anume: reprezentarea în domeniul timp și în domeniul frecvență (2.2), determinarea valorilor efective ale componentelor câmpului și ale câmpului rezultant (2.3), precum și detecția tranzițiilor (2.4).

Referitor la prima direcție de prelucrare, se sortează și selectează reprezentările în domeniul timp și în domeniul frecvență ale celor trei componente (2.5) și apoi se memorează dB dB (2.7) reprezentările semnificative ale lor: setul 1 format din Bi(t), B₂(t), B₃(t) și —^L, — dt dt dB , setul 2, ...., setul i. Pentru fiecare dintre formele de undă memorate se estimează/reține și timpul de apariție a lor pe durata supravegherii. Aceste forme de undă semnificative sunt importante pentru identificarea surselor de câmp pe baza semnăturii electromagnetice, dar și pentru caracterizarea câmpurilor tranzitorii prin amplitudine și durată.

a 2018 00101

19/02/2018 /

A doua direcție de prelucrare constă în determinarea valorilor efective și a valorilor vârf la vârf ale componentelor, precum și a valorilor efective ale câmpului magnetic rezultant. Pentru câmpul magnetic rezultant se poate face și o estimare a valorilor vârf la vârf, precum și o estimare a orientării vectorului inducție magnetică și a polarizării lui. Intervalul de timp între valorile efective ce se determină poate fi de la câteva zecimi de secundă la câteva sute de secunde și poate fi adaptat la variabilitatea temporală a câmpului, la standardul de expunere a persoanelor, la durata de supraveghere. Se face apoi memorarea (2.8) valorilor efective și vârf la vârf ale celor trei componente ale câmpului, valorilor efective ale câmpului magnetic rezultant, precum și a altor date rezultate din această prelucrare.

A treia direcție de prelucrare, care se bazează atât pe formele de undă ale componentelor câmpului și derivatei ce se achiziționează în mod continuu, dar și pe corelații cu unele dintre datele obținute în cadrul celorlalte două direcții, începe cu detecția tranzițiilor (2.4). Odată detectate tranzițiile se face o analiză în vederea caracterizării lor (2.6), ce ar putea consta și în determinarea amplitudinii, A, și a duratei lor, τ, după care se face memorarea numărului de tranziții pe tipurile identificate (2.9).

Urmează extragerea datelor, analiza statistică și prezentarea rezultatelor conform aplicației considerate (2.10), și anume supravegherea pe termen lung a înconjurătorului electromagnetic, detecția și caracterizarea unor surse de câmp pe baza semnăturii electromagnetice. Supravegherea automată pe termen lung a înconjurătorului electromagnetic poate avea aplicații în domeniul compatibilității electromagnetice, cum ar fi la detectarea câmpurilor magnetice de fond în vederea instalării în zona supravegheată a unor echipamente sensibile ca tomograful cu rezonanță magnetică nucleară (scaner RMN) sau alte dispozitive sensibile la câmpuri, precum și în domeniul biocompatibilității electromagnetice, la determinarea expunerii la câmp a persoanelor în acea zonă.

Metoda de supraveghere automată propusă efectuează măsurări simultane, redundante, complementare, permițând o bună caracterizare a câmpului magnetic de fond pe o durată mare de timp, precum și adaptabilitate la o serie de aplicații specifice.

a 2018 00101

19/02/2018

Bibliografie [Hanna 2009] Hanna S.A., Moțai Y., Varhue W.J., Titcomb S., (2009), Very-low-frequency electromagnetic field detector with data acquisition, IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurements, 58, 129-140.

[Mariscotti 2009] Mariscotti A., (2009), A magnetic field probe with MHz Bandwidth and 7 decade dynamic range, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 58, 26432652.

[RO 127139 Bl], Inventatori: David Valeriu, Nica Ionuț, Sistem de determinare a câmpului magnetic și a câmpului electric de joasă frecvență, Patent: RO 127139 Bl, Data: septembrie 2014.

[US 5418460] Inventors: Paul A. Cloutier; Delbert R. Oehme, Compact triaxial ac magnetic field analyzer/dosimeter using swept bandpass filters, Patent Number: 5418460, Date of Patent: May 23, 1995

Claims (1)

1. REVENDICARE

   Metoda de supraveghere automată a câmpurilor magnetice de fond, caracterizată prin aceea că ea constă în următoarele etape:

   - se determină în mod continuu cele trei componentele ale inducției magnetice și ale derivatei ei în raport cu timpul de către un senzor triaxial de bandă largă (ST);

   - se prelevează în mod continuu formele de undă de către un sistem de achiziție de date de mare viteză (1.7) și se transmit unui sistem de calcul (SC), pe care rulează mai multe aplicații software integrate, ce efectuează:

   - determinarea reprezentărilor în domeniul timp și în domeniul frecvență ale componentelor inducției magnetice și derivatelor ei (2.2) cu memorarea reprezentărilor semnificative (2.7);

   - determinarea valorilor efective și vârf la vârf ale componentelor inducției magnetice (2.8) și caracterizarea câmpului rezultant;

   - detecția (2.4), analiza (2.6) și memorarea (2.9) tranzițiilor sau pulsurilor electromagnetice cu apariție aleatorie;

   - extragerea, afișarea și prelucrarea statistică a datelor (2.10) în vederea caracterizării unor medii electromagnetice complexe și a unor surse de câmp.