Рибалка

1. Державний біотехнологічний університет Кафедра електромеханіки, робототехніки, біомедичної інженерії та електротехніки

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА
МЕТОДИКИ КОНТРОЛЮ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБСТАНОВКИ НА
ПІДПРИЄМСТВАХ АПК
Здобувач: Рибалка Ілля Андрійович
Керівник: Косуліна Наталія Геннадіївна

2. ЗМІСТ РОБОТИ

1
2
• РОЗДІЛ 1.
• РОЗДІЛ 2.
ЗАСТОСУВАННЯ
МОДЕЛЮВАННЯ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ
ТА ОЦІНКА
ПОЛІВ В
НЕБЕЗПЕКИ
АГРОПРОМИСЛОВОМУ
ЕЛЕКТРОМАГНІТН
КОМПЛЕКСІ ТА ОЦІНКА
ОГО СТАНУ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ
ОБСТАНОВКИ
3
4
• РОЗДІЛ 3. ПРАКТИЧНІ
АСПЕКТИ ВИКОРИСТАННЯ
СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ПРИ
РІШЕННІ ЗАВДАНЬ ОЦІНКИ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ
ОБСТАНОВКИ ТА
ОБГРУНТУВАННЯ
ЗАХИСНИХ ЗАХОДІВ
• РОЗДІЛ 4.
ЕНЕПРГЕТИЧНА
та
ЕКОНОМІЧНА
ЕФЕКТИВНІСТЬ
• РОЗДІЛ 5.
НАДЗВИЧАЙНА
СИТУАЦІЯ
• ВИСНОВКИ

3. МЕТА РОБОТИ – вдосконалення принципів оцінки небезпеки електромагнітної обстановки в агропромисловому комплексі в умовах

комплексного впливу електромагнітних полів та випромінюваня, що залежать
від сукупності характеристик їх джерел та ступеня значимості різних частотних складових електромагнітного поля.
1
• Предмет
Електромагнітна
обстановка в
агропромисловому
комплексу.
2
3
• Об’єкт
• Методи
Принципи реалізації
концепції комплексного
контролю та візуалізації
електромагнітної
обстановки.
В основу методології покладено
використання теорії електромагнітного
поля, законів термодинаміки, принципів
математичного та фізичного
моделювання, математичного аналізу та
чисельних методів вирішення завдань.

4. ЧАСТОТНІ ДІАПАЗОНИ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ В АГРОПРОМИСЛОВОМУ КОМПЛЕКСІ

Для
оцінки
впливу
електромагнітних
полів
в
агропромисловому
комплексі
важливо враховувати безліч факторів
– від типу джерела випромінювання
до
особливостей
біологічних
об’єктів і технічного обладнання.
Для коректного управління цією
обстановкою
необхідно
використовувати
комплексний
підхід, який включає вимірювання,
моделювання, застосування захисних
заходів та постійний моніторинг.

5. ДЖЕРЕЛА ЕМП З ВКАЗАННЯМ ДІАПАЗОНІВ, РІВНІВ І РИЗИКІВ ПЕРЕВИЩЕННЯ ГРАНИЧНО ДОПУСТИМИХ РІВНІВ (ГДР)

Гранично допустимий рівень
(ГДР, Україна/ЄС)
Джерело ЕМП / Технологія
Робочий діапазон
Типові рівні ЕМП
Передпосівна обробка
насіння (низькочастотні
генератори)
10 Гц – 100 кГц
0,1 – 10 В/м
Магнітна обробка води
Статичне поле, 50 Гц – 1 кГц
0,05 – 0,3 Тл
до 2 Тл (для постійних
магнітних полів)
Безпечно
PEF (імпульсні електричні
поля) для соків, молока
100 Гц – 10 кГц, 20–80 кВ/см
(всередині камери)
Дуже високі в камері, але
екрановані
ГДР не перевищується завдяки
закритій системі
Безпечно при екрануванні
ВЧ-нагрів (зерно, корми)
13,56 / 27,12 / 40,68 МГц
5 – 50 В/м біля установки
10 В/м (для робочого місця)
Можливе локальне
перевищення
НВЧ-сушка, дезінсекція
зерна
915 МГц, 2,45 ГГц
>100 Вт/м² у робочій камері
10 Вт/м² (300 МГц – 300 ГГц)
Високий ризик без
екранування
НВЧ-сушка овочів, фруктів
2,45 ГГц
50 – 200 Вт/м² у камері
10 Вт/м²
Високий ризик
Експерименти з сильними
магнітними полями
>1 Тл
1 – 2 Тл
2 Тл
На межі допустимого
~500 В/м (НЧ діапазон)
Ризик перевищення
Немає ризику

6. МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОЦІНКА НЕБЕЗПЕКИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО СТАНУ

Методи моделювання ЕМ-обстановки
Існують два основні підходи: аналітичний та
чисельний. Аналітичні методи базуються на
рівняннях Максвелла та спрощених моделях
поширення. Чисельні методи (метод скінченних
елементів, метод FDTD) дозволяють враховувати
складні умови середовища
Урахування характеристик джерел під час
моделювання
Основними параметрами випромінюючих джерел
є: потужність випромінювання, робоча частота,
тип антени та режим роботи. Від цих
характеристик залежить зона впливу та рівень
ЕМП у просторі.
НОРМАТИВИ ЩОДО ДОПУСТИМИХ РІВНІВ ЕМП
Норматив
ICNIRP
IEEE
Частота
30…300 МГц
30…300 МГц
Е, В/м
28
27,5
Н, А/м
0,92
0,73
ЗАЛЕЖНІСТЬ НАПРУЖЕНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО
ПОЛЯ ВІД ВІДСТАНІ
Рис. 1
S, мВт/см²
2
1,5

7. ВРАХУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЕМП-ВИПРОМІНЮЮЧИХ ДЖЕРЕЛ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБСТАНОВКИ

НАПРУЖЕНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ ТА ЩІЛЬНОСТЬ ПОТОКУ ЕНЕРГІЇ
ВІДПОВІДНО ДО ЗОН НА ТЕРМОГРАМАХ
Напруженість електричного поля Е, В/м
Область
контролю
50 Гц
Ліворуч
Ліворуч верхній
кут
Звepxу центром
Праворуч
верхній кут
Праворуч
Спереду: 1 зона
Спереду: 2 зона
Спереду: 3 зона
Рисунок 2 – Термограми передньої стінки НВЧ-печі (а),
верхньої стінки НВЧ-печі, стаціонарного телефону та РК монітора (б) Спереду: 4 зона
Спереду: 5 зона
0.38
40,41
0,95
67,42
39,73
—
Щільність потоку
енергії, мкВт/ см2
Частота, що контролюється
30 3 MГц
30
50
300 300 MГц 2450
кГц
МГц MГц
MГц
MГц
Досліджувальне джерело
Монітор «acer»
НВЧ-піч Samsung
32,17 6,72
6.37
6,49
6,84
104,4 11,23 8,49
8,26
9,07
2
16,63 6,77
6,06
6,23
6,18
108,1 58,83 61,84 57,37 58,92
4
16,08 23,06 25,74 18,92 17.26
—
—
—
59,76
79,93
—
—
140,82
128,96
—
—
75,84
26,82
—
—
—
—
—
15,80
18,53
—
—
—
—
—
18,52
16,97

8.

а)
ФПА – фотопровідна антена,
АІДІ – аналого-цифровий перетворювач,
GPIO – загальний інтерфейс виведення,
UART – універсальний асинхронний приймач,
TFT дисплей – тонкоплівковий ЖК дисплей
б)
Рисунок 3 – Функціональна схема
а) та зовнішній вигляд б) пристрої контролю ЕМП у
частотному діапазоні 100 ГГц – 3 ТГц

9.

Рисунок 4 – Картина (а) та графік (б)
спектрального розподілу ЕМВ від установки для
зрошення у частотному діапазоні 400 – 800 МГц
Рисунок 5 – Накладання електромагнітних хвиль
з різними амплітудами при подвоєній різниці
частот і фазовому зсуві 90°

10.

РЕЗУЛЬТАТИ КОМП’ЮТЕРНОГО НАКЛАДАННЯ СКЛАДОВИХ
ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ
Початкові
дані
частота
Е, В/м
50 Гц
10 кГц
30 кГц
1337,02
505,18
10,24
Результат накладання
1 етап
частота,
кГц
0,050
10,397
Е, В/м
фазовий зсув, рад. частота,
кГц
1337,02
2,73
2,845
494,94
3,81
Рисунок 6 – Зовнішній вигляд розчинного вузла
для розсадного комплексу
2 етan
Е, В/.я
1831,96

11.

ОЦІНКА НЕБЕЗПЕКИ ЕМ ОБСТАНОВКИ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ
МОДЕЛЮВАННЯ ЕМП З УРАХУВАННЯМ ХАРАКТЕРИСТИК ДЖЕРЕЛ
1, 3, 8, 15 – комп’ютерний стіл; 2 – НВЧ-піч; 4, 9 – комп'ютерний корпус із
основними функціональними компонентами ПК; 5, 10 – РК дисплей; 6, 13 тумба; 7 - багатофункціональний пристрій типу «сканер-притер-копір»; 11
– кулер; 12 – телефон/факс; 14 – електричний чайник у металевому корпусі;
16 – РК монітор з міні-комп'ютером
Рисунок 7 – Блок-схема алгоритму моделювання електромагнітної
обстановки методом кінцевих різниць у часовій області
Рисунок 8 – Комп’ютерна 3D модель приміщення з ПК та
засобами інформаційно-комунікаційними технологіями

12.

Для визначення напруженості магнітного поля в термінах кінцевих різниць з урахуванням різних електротехнічних
властивостей матеріалів, що використовуються на досліджуваному об’єкті, у випадку з тривимірним простором використовуються
формули (1) – (3). Відповідно до отриманих даних обчислюються найбільше значення необхідних параметрів ЕМП у кожній із
вузлових точок моделі.
(1)
(2)
Рисунок 9 – Просторово-тимчасова схема обчислень відповідно
до FDID методу для випадку з одномірним простором
(3)

13.

У цьому випадку програмна інтерпретація виразів (1) – (3)
з використанням методу кінцевих різниць у часовій області
може бути представлена ​у вигляді:
Розрахунок допустимого часу перебування в умовах опромінення
від кількох джерел електричного та магнітного полів з одним
значенням ПДК виконується за формулами (7), (8).
Егдрj
tдоп 8
Е
сумj
(4)
(5)
(6)
де hxх,y,z, hyх,y,z, hzх,y,z – значення проекції вектора
напруженості магнітного поля на відповідні осі всередині
вокселя з координатами (х, у, z); еxх,y,z, еyх,y,z, еzх,y,z – відповідно,
значення проекції вектора напруженості електричного поля; μ
= μ0μr – абсолютна магнітна проникність середовища.
2
(7)
де tдоп – допустимий час перебування, год;
Есумj – сумарна напруженість електричного поля,
створювана джерелами ЕМП j-го частотного діапазону,
що нормується, В/м;
Егдрi – гранично допустимий рівень (ГДР) напруженості
H гдрj
tдоп 8
H
сумj
2
(8)
де Hгдрi - гранично допустиме значення
напруженості магнітного поля i-го частотного
діапазону, що нормується, А/м;
Нсумі – сумарна напруженість джерел магнітного
поля і-го діапазону, А/м.

14.

Рисунок 10 – Об’ємна точкова картина небезпеки електромагнітної
обстановки у приміщенні з ПК та засобами ІКТ
Рисунок 11 – Блок-схема алгоритму формування комплексної картини
небезпеки для кожної складової ЕМП у досліджуваному просторі

15. РЕАЛІЗАЦІЯ ПРИНЦИПІВ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЮ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБСТАНОВКИ

Рисунок 12 – Базова модифікація апаратного блоку системи контролю
1 – Аналізатор спектра – АКС-1201 (3 МГц – 2 ГГц)
2 – Пристрій контролю ЕМІ (100 ГГц – 3 ТГц)
3 – Пристрій контроля ЕМІ (30 МГц – 30 ГГц)
4 – Тепловізор FLIR SC620 (тепловізіонна діагностика)
5 – Аналізатор спектра ЕМІ (5 Гц – 10 МГц)
6 – Конвертор RS 232-USB
7 – ІК Інтерфейс IrDa
8 – Кабель USB- USB
9 – Ноутбук зі спеціальним ПО
10 – Кабель TRS-TRS
11 – Інтерфейс вводу
12 – Адаптер COM-USB
13 – Bluetooth
14 – Конвертор RS 232-USB
15 – Testo 435-4: вимірювач мікроклімату
16 – МТМ-01: вимірювач ПМП
17 – Адаптер ПЗ-41
18 – ПЗ-41: вимірювач ЕМІ (10 кГц-40 (120*) ГГц)
19 – ВЕ-метр АТ-004 вимірювач ЕП та МП (5 Гц-400 кГц)
20 – ИПП-2М: вимірювач ЕМП (до 3 ТГц)
21 – ИПЕП – 1: вимірювач ЕСП

16. Адекватність комп’ютерних моделей, що формуються засобами розробленої системи, оцінювалася за критерієм допустимої похибки

шляхом зіставлення з результатами вимірювання параметрів ЕМП, що генерується
розробленим джерелом (рис. 13).
1 – вентиляційні грати,
2 – повітроводи,
3 – джерела живлення,
4 – генератори ЕМП,
5 – корпусний вентилятор,
6 – хвилеводи,
7 – випромінювальні канали,
8 – вентилятори витяжні (осьові),
9 – вузол контролю та захисту,
10 – вузол управління
Рисунок 13 – Компонування вузлів (а) та структурна схема (б) джерела ЕМП

17.

Рисунок 15 – Результати дослідження електричного поля на частоті 3
МГц у контрольних точках вертикальної лінії контролю
х1 ... х20 – контрольні точки по осі х (горизонтальна лінія контролю),
у1 ... у20 – контрольні точки по осі у (перпендикулярна лінія контролю),
z2 ... z20 – контрольні точки по осі z (вертикальна лінія контролю)
Рисунок 14 – Контрольні точки дослідження в
оцінці адекватності моделювання
Рисунок 16 – Результати дослідження ЕМП на частоті 25
ГГц у контрольних точках горизонтальної лінії контролю

18. ЕНЕРГЕТИЧНА ТА ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ВПРОВАДЖЕННЯ СИСТЕМ ЕМП В АПК. ПРОГНОЗ ТА ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ

ПОРІВНЯННЯ ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯ ТРАДИЦІЙНОЇ
ТА АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ
Система
Традиційна
система
Автоматизована
система
Потужність,
кВт·год/добу
Потужність,
кВт·год/рік
Економія, %
15
5475
–
9
3285
40
ФІНАНСОВА ЕКОНОМІЯ ВІД ВПРОВАДЖЕННЯ СИСТЕМИ ЕМП
Показник
Втрати
продукції, %
Витрати на
ремонт
обладнання, грн
Загальна
економія, грн
ПРОГНОЗ ВПРОВАДЖЕННЯ ІННОВАЦІЙНИХ РІШЕНЬ
Показник
Втрати продукції, %
Енергоспоживання,
кВт·год/рік
Автоматизація
процесів, %
Поточний
стан
1,5
Очікуваний через 5
років
0,8
Зростання/
ефект
-47%
3285
2800
-15%
30
70
+40
РЕКОМЕНДАЦІЇ ТА ОЧІКУВАНИЙ ЕФЕКТ
До
впровадження
Після
впровадження
Економія,
%
Рекомендація
Очікуваний ефект
5
1,5
70
Автоматизація систем контролю
Зниження енергоспоживання до 15%
Встановлення додаткових датчиків
Зменшення ризику
Використання AI для
прогнозування
Підвищення продуктивності на 7–10%
Цифровий моніторинг та аналітика
Оптимізація технологічних процесів
120 000
–
70 000
–
42
170 000

19. ВИСНОВКИ

Результативність
технології можна оцінити
за деякими показниками
проведених випробувань.
Зокрема, при дослідженні
стану електромагнітної
обстановки на
виробничому об’єкті
виявлено суттєве
перевищення гранично
допустимих
концентрацій на
внутрішньо діапазонних
частотах вище 400 МГц
до 800 МГц з кроком.
Висновок 4
Оцінка небезпеки
електромагнітної
обстановки може
проводитись за
результатами
моделювання
електромагнітних
полів методом
кінцевих різниць у
часовій області з
урахуванням
характеристик
випромінюючих
джерел.
Висновок 3
Підвищення
адекватності
моделювання
електромагнітної
обстановки
досягається за
рахунок вибору зон
контролю параметрів
електромагнітних
полів на поверхні
випромінюючих
джерел за
результатами
термографування
Висновок 2
Виявлено
необхідність
удосконалення
принципів оцінки
небезпеки та
нормативноправового
регулювання
електромагнітної
обстановки,
обумовлена
можливістю
комплексного впливу
ЕМП у широкому
частотному
діапазоні.
Висновок 1
ВИСНОВКИ

20. АПРОБАЦІЯ РОБОТИ

4Рибалка І. А..pdf
АПРОБАЦІЯ РОБОТИ