波兰环境中的电磁场评估方法和监测摘要

文摘   科学   2024-07-04 23:02   甘肃  

这是一个波兰文献的部分内容   由AI翻译,谬误自辩

一、波兰电磁场监测系统

波兰的电磁场监测是国家环境监测的一部分,由省级环境保护监察局(WIOŚ)的 研究实验室进行。自 2009 年起,根据环境部长 2007 年 11 月 12 日的规定进行监测。[Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 12 listopada 2007 r. w sprawie zakresu i sposobu prowadzenia okresowych badań poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku]。

其中规定了测试频率范围:至少覆盖 3-3000 MHz;测量方法和时间:在工作日 10:00 至 16:00 之间开展测量工作,测量 2 小时,每 10 秒采样一次,测电场强度;以及测量点位置规则:距离潜在电磁辐射源不少于 100 米。

测量结果是整个测量持续时间内测得的电场强度有效值的算术平均值,即720次单独测量的电场强度算术平均值。除了最终的 EMF 强度值外,报告还包含许多附加信息,包括:距离测量垂直方向 100-300 m 的测量点的地理坐标以及在测试频率范围内发射 EMF 的无线电通信、无线电定位和无线电导航装置的数据。

根据该规定,每个省每年指定45个测量点,其中15个位于人口超过50,000的城市的中心区或住宅区,其他城市和农村地区。这些点的测量以 3 年为周期重复。测量结果可在各个监察局的网站和环境保护总监察局(GIOŚ)的网站上找到。

图 10 和图 11 举例说明了监测测量的结果。图 10 中的图表显示了两个地点--一个大城市的中心(虚线)和一个较小城市(实线)--的单个测量系列记录。图 11 的图表总结了在罗兹 15 个监测点进行的 4 个年份的测量结比较。

图例:----Kościuszki 大道/Struga 街    ——Poddębice

          Eśr - 2小时测量期间电磁场强度的算术平均值

图 10. 2018 年居民人口超过 50 000 人及以下的城市 2 小时监测测量期间电场强度的变化

图例:---仪器的测量读数下限, Eśr - 2小时测量期间电场强度的算术平均值

图11 罗兹电磁场电气成分的变化 – 2009 年、2012 年、2015 年和 2018 年进行的测量系列

通过对相同点进行周期性重复测量(以三年为周期),可以分析场强变化的趋势但需要强调的是,这种分析不一定总是对单个点有意义--例如,一个点周围环境的重大变化可能与在其附近建造新装置有关,因此,不应将由此导致的场强增加作为整个区域的代表。然而,统计分析--例如,某一地点类别(即 240 个地点)全国所有点的平均值--确实可以确定变化趋势。

由于测量点的选择方式及其“静态”性质监测系统有时被批评为不够可靠不能反映环境中的实际电磁辐射水平。这是由于有必要将测量点远离或避开无线电通信装置,这可以被视为试图从结果中消除过高的场强。当然,测点远离电磁辐射设施的目的只是想测得环境中的电磁场值而非设施直接的影响,但持有前述质疑观点不少。看来,修改或补充进行监测研究的方法,以便能够对更大的测量区域进行更客观的分析,似乎是有益的。在实施5G系统后,这一点可能尤为重要,因为基站的密度很大,大部分是低功耗,但安装在相对较低的高度。本文作者提出的是移动监控的概念

二、电磁场的移动监测

世界上许多国家都建立了电磁场监测系统,但其概念却大相径庭。例如,西班牙拥有世界上最大电磁场监测网络,其监测站系统分布在城市的不同区域,全天候监测电磁场强度。意大利正在开展移动监测研究,将测量系统安装在车顶上,并将结果映射到地理信息系统(GIS)类型的系统上。

法国则提出了所谓的移动监测,即监测站在给定区域使用较长时间(在本例中为几个月)并持续监测并收集数据以分析电磁场强度。

瑞士实验室则提出了基于公共交通车辆车顶监测站系统的城市空间监测概念。

本文作者此前还提出了基于传感器网络的电磁场监测系统概念,介绍了用于传感器网络运行的 EMF强度传感器原型以及如何对其进行校准。

所举的例子还可以根据测量手段加以区分。有些概念设想了宽带传感器,有些则设想了频带或频谱分析传感器。监测系统既有商用自动监测系统,也有自己设计和建造的EMF监测系统。

本研究的作者们决定开发一种方法使用已有商用设备并从控制协议上进行改造--这将使测试和实施建议的解决方案成为可能,而无需为购买新的测量设备支付高昂的费用。

波兰环境保护车载巡测概念

车载巡测--即通过移动测量系统进行的监测,可以在更大的范围内进行测量,而不仅仅是在选定的点进行测量,就像目前在波兰使用的那种监测固定监测这种监测的结果加上适当选择的确定测量路线的算法将有可能提供比目前使用的系统更广泛的信息,而无需同时使用额外的设备和资源。

根据本文提出的概念,建议在车辆以不超过 40 公里/小时速度行驶时每隔 1 秒钟进行一次测量空间分辨率从 10 公里/小时时的约 3 米到 40 公里/小时时的 10 米不等)。对于此类测量的权威性而言,最重要的问题是行驶路线的选择,其中应考虑到以下几点:

1.应沿指定路线在规定时间内(如 30 分钟或 1 小时)进行测量也可指定指定区域内路线的预期长度,而不是时间,如 5 千米或 10 千米)。建议尽可能在不同时间(如电信交通高峰期和非高峰期)至少运行两次这样的路线。可以使用基站附近的 EMF 变化趋势,例如 Bieńkowski 和 Podlaska 所描述的趋势。

2. 要测量的区域的选择应包括以下地点:■ 市中心, ■ 住宅区, ■ 人群聚集/人群聚集的区域(超市、购物中心、办公楼等周围), ■ 从社会角度来看特别“敏感”的区域(托儿所、幼儿园、学校、医院等)。

3. 行进路线的选择应尽可能均匀地覆盖整个调查区域--采用蜿蜒或螺旋方法沿街道进行测量,并假定连续测量线之间的距离应在 100 米至 200 米之间

4. 在待测量区域,确定无线电通信装置,并估计可预期电磁场强度值最高的地方,例如根据本文介绍的方法。无论第 1 点如何,行驶路线应在距天线位置水平投影 50-150 m、150-300 m 和 300-600 m 的距离处行驶

5.用于统计的测量结果:整条线路的平均值、最大值——取最大值附近 5 个测量点的平均值(用于消除单一的、不一定具有代表性的最大值)、在给定场强区间内的测量数据百分比——例如:< 0.5 V/m、0.5-2 V/m、2-4 V/m、4-7 V/m 和 > 7 V/m。

6.整个路线的完整结果可用于说明研究区域内场强的变化。在地图上(例如在 GIS 类型的系统(地理信息系统)中)叠加标有无线电通信设施的测量路线还有一个好处,即可以估算基站等附近的场强变化。

结果

作者的设想是制定一种测量方法,以便使用 WIOŚ 实验室的测量设备。为此,对可能影响车载巡测可靠性的因素进行了分析。

风的影响,或者更笼统地说,探头周围空气流动的影响,被认为是最重要的实验室测试证实了这一点——与时速高达 40 公里/小时的空气运动影响相关的仪表读数波动甚至高达 0.3-0.4 V/m,在电磁场强度低于 1 V/m 时,该读数波动较大。误差百分之几十(图12)(注:这个实验的问题在于使用仪器的底噪没有提及,看造型应该是0.2V/m底噪的设备,环境中的数值通常大于0.3V/m,这样的数值起伏对最终结果的影响忽略不计。另外,在吹风实验时没有说明来自通吹风实验室通电的影响,看造型的这个设备会受到工频的干扰,图中显示的起伏也是与通电相关的。同款设备路测结果表明,这个风速的影响主要来自于探头接口的抖动(不信你可以绑个塑料口袋在探头上让风吹起探头摆动),正常的刚性连接接口抖动可以忽略,也就是说探头架设在车顶受到的车速影响不明显,那么不加风罩也不会有结果的显著影响,作者后面有给出加与不加风罩的数值对比,其实也说明了这个情况。

图 12. 气流对测量值的影响

为了解决这个问题,我们将探头仪表放置在一个由介电材料制成的管子中(图 13),这样它对探头周围场强分布的影响就可以忽略不计,同时,当空气移动时,介电材料也不会带电,因为带电也会导致结果偏差。测试频率高达 18 GHz。

图 13:将电磁场测量仪放置在屏蔽层中并固定在架杆上的方法

在从可用塑料中选择符合预期的塑料后,在参考场的站点[23]确定仪器频率响应的校正因子 - 一次是将没有屏蔽的探头放置在参考场中,第二次是将相同的探头放置在管中。实验结果如图 14 所示,两种情况下的探头频率修正系数均绘制在纵轴上。导管对系数变化的影响不超过 0.02,相当于 2%,在典型环境 EMF 测量的不确定性预算中可以忽略不计。

图例:深色柱子-没有屏蔽管   浅色柱子-有屏蔽

图 14. 附加介电屏蔽(管)对电磁场计指示的影响

测量验证

图 15. 安装在车辆顶部、连接到车顶行李箱梁上的测量装置

行李架安装模式确实还是给人感觉不牢靠

图 16. 测量设置框图

图 17. 记录仪 EMF GPS 应用程序的主窗口

为了评估所采用的假设在实际实施中是否有用,使用宽带 EMF 计和工作在 0.1–3000 MHz 频段的探头进行了测量验证。该装置被放置在连接到主干梁的管子中。探测器天线位于距地面200 cm的高度,满足监测规定的要求。

整个结构非常稳定,在车辆行驶时不会受到惯性力的影响。还对车顶 EMF 反射的影响进行了测试,方法如图 15 所示进行测量,并将其与 EMF 吸波材料放置在车顶上时的测量结果进行比较。读数差异不超过 3%

使用仪器原配光纤接入管内的仪表光纤接口,该接口通过专有的 Logger EMF GPS 软件连接到平板电脑,该软件是为实验目的而开发的。此外,平板电脑还连接了外部GPS接收器,它位于挡风玻璃正下方的车辆仪表板上。流程图如图16所示。

现场测量时是使用 Logger EMF GPS 应用程序进行的,该程序将宽带 EMF测量仪的测量结果和 GPS 接收器的地理坐标记录功能结合在一起,并可将收集到的数据实时显示在地图上。应用程序窗口如图 17 所示。

该应用程序可从国内市场上所有常见的宽带 EMF 测量仪和带串行端口的 GPS 接收器读取数据,并配备时间模式(根据指定的时间间隔)或距离模式(在设定的距离之后)的数据记录功能。

它还能避免在车辆静止时对一个点进行多次测量(剔除重复点位)。每个测量点都会创建一个 GPS 标记(即地理标记),其中包含位置数据和测得的EMF强度。当光标停留在标记上时,就会显示该点测量的 EMF 强度,标记的颜色与测量的 EMF范围相对应(例如:绿色:< 1 V/m;黄色:1-3 V/m;橙色:3-7 V/m;红色:> 2 V/m):3-7 V/m,红色:> 7 V/m)。

该应用程序支持大多数主要地图提供商,如谷歌地图、Openstreet Map 和必应。它还能以逗号分隔值(CSV)格式保存数据,用于数据分析和处理,以及保存为地理信息系统(GIS)中使用的锁孔标记语言(KML)格式,从而使收集到的数据可以用大多数地图服务软件进行可视化处理。

系统验证在弗罗茨瓦夫市中心附近进行。当时的气温为 15ºC,湿度为 55%。测试路线选择在移动电话基站附近,某些路段测试了两次,以检查读数是否相似。此外,还检查了制动或加速时读数是否变化,以及静止时读数是否波动。图 18 显示了一个带有测量点的路段示例。

图 18. 带测量值指示的一段监测路线

图 19 显示了双向行驶的一段路线。对比结果显示,读数差异不超过 10%。此外,在行驶过程中,仪表读数也没有出现突然跳变的情况,证明了运行的稳定性。

图 19. 出于验证目的而双向覆盖的一段路线

由于 WIOŚ 实验室配备了带有 GPS 接收器和内部记录器的 EMF 计,因此无需使用外部软件即可执行监测测量。但需要注意的是,在移动监测的情况下,仪器不在操作人员的视线范围内,无法对其运行情况进行持续控制,因此也无法确定电池是否放电、仪器是否出现某种错误、是否停止记录或记录结果的内存是否用完。该软件的另一个优点是可以实时预览记录结果,这可以为设备操作员提供额外的信息,例如提示潜在的测量误差或重复某一路线段。

结论

本文介绍的 PEM 水平估算方法可轻松确定无线电通信系统附近预计 PEM 水平最高的位置,是粗略估算选定点 PEM 水平、在按要求测量 PEM 强度时评估测量区域选择是否正确[1],或规划特定区域内控制测量或移动监测路线的绝佳工具。建议的分析方法使用简化模型和最少的数据量,估计计算不确定性不超过 30%。

本文作者提出了进行监测测量的另一种方法,他们认为这种方法可以补充目前正在进行的监测数据,并从更大的测量区域提供更可靠的结果。所提议的移动监测系统的一个缺点是测量给定测量点的瞬时(当前)值,这可能导致无法获得给定测量点的 PEM 强度随时间变化的统计信息(固定测量的结果是 1 个点 2 小时的平均值)。在这种解决方案中,可能会存在一定的记录假象风险--例如,路过的汽车带有大功率无线电(如调度服务或 CB-无线电)。不过,可以通过非常简单的方法避免这种情况,例如,比较或平均相邻几个测量点的数据,或多次覆盖给定路线。

建议的测量方法和开发的测量系统在实验室条件下和实地测量中得到了验证,确认了所做假设的正确性,包括测量系统的设计和所获结果的正确性。(完)

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