MÌØENÍ A HYGIENICKÉ HODNOCENÍ NÍZKOFREKVENÈNÍCH MAGNETICKÝCH POLÍ V PRACOVNÍM PROSTØEDÍ

Transkript

1 MÌØENÍ A HYGIENICKÉ HODNOCENÍ NÍZKOFREKVENÈNÍCH MAGNETICKÝCH POLÍ V PRACOVNÍM PROSTØEDÍ MEASUREMENT AND HYGIENIC EVALUATION OF LOW-FREQUENCY MAGNETIC FIELDS IN THE WORKING ENVIRONMENT LUDÌK PEKÁREK, PAVEL ŠÍSTEK, LUKÁŠ JELÍNEK Státní zdravotní ústav, Praha SOUHRN Systematický prùzkum expozice zamìstnancù nízkofrekvenènímu magnetickému poli provádìný v letech 2001 až 2005 ukázal, že v øadì provozù se v pøístupných místech pøekraèuje referenèní hodnota pro magnetickou indukci stanovená v naøízení vlády è. 480/2000 Sb., o ochranì zdraví pøed neionizujícím záøením. Nejvyšší pøípustná hodnota pro hustotu elektrického proudu indukovaného v tìle exponované osoby, která je rozhodující pro posouzení expozice, je však pøekraèována jen zøídka. K vyhodnocení expozice polím s èasovým prùbìhem odlišným od sinusového je nutné zohlednit frekvenèní závislost fyziologické úèinnosti elektrických proudù indukovaných v tìle exponovaných osob. To bylo provedeno v èasové oblasti integrální filtrací prùbìhu hustoty indukovaného proudu v èase vypoèítaného z digitálního záznamu èasového prùbìhu napìtí indukèní sondy. Jsou uvedeny reprezentativní pøíklady výsledkù mìøení a jejich hygienického zhodnocení. Klíèová slova: výskyt magnetických polí; expozice magnetickému poli; filtrace signálu; zdroje magnetických polí SUMMARY Monitoring exposure of employees to low-frequency magnetic fields, carried out by the authors in the years , has shown, that in many workplaces the reference values set in the governmental regulation No 480/2000 Coll., on protection of health against the non-ionizing radiation, have been exceeded. On the other hand, the basic limit values for the induced current density have been exceeded rarely. The results are summarized in Fig. 1. To evaluate exposure to low-frequency fields with non-sinusoidal time-course, the induced current density must be weighted by its frequency-dependent physiological effectiveness. That was completed in the time domain, using integral filtration of the current density computed from the digitally recorded signal from the calibrated coil. The frequency spectrum of the signal need not be calculated for that purpose. Several representative examples of the results of measurement and of their hygienic evaluation are shown. Key words: occurence of magnetic fields, exposure to magnetic field, signal filtration, sources of magnetic fields Výskyt hygienicky významných magnetických polí na pracovišti Všude, kudy je veden a kde je využíván elektrický proud energetické sítì, je pøítomné magnetické pole s frekvencí 50 Hz (v Severní a Jjižní Americe 60 Hz). Pole, které mùže pøi expozici èlovìka zpùsobit pøekroèení nejvyšší pøípustné hodnoty stanovené v uznávaných mezinárodních standardech, se však vyskytuje jen ve speciálních provozech. Jsou to pøedevším chemické provozy s elektrolytickou výrobou chlóru, mìnírny elektrického proudu pro železnici, tramvaje a metro, trolejbusy a vozy elektrických drah, nìkterá místa v elektrických lokomotivách, indukèní pece, zaøízení na elektrické sváøení, elektrárny, magnetické luminiscenèní defektoskopy nebo zaøízení na magnetizaci a demagnetizaci feromagnetických pøedmìtù. Výsledky hygienického vyhodnocení, které uvádíme dále, pocházejí z mìøení provedených pracovníky Národní refe- renèní laboratoøe pro neionizující elektromagnetická pole a záøení a Státního zdravotního ústavu v letech ve výrobních provozech, v administrativních místnostech a v nìkterých bytech. Nìkolik mìøení v pracovním prostøedí, kde se vyskytovalo magnetické pole s intenzitou blízkou referenèní hodnotì, jsou spolu se zpùsobem hygienického hodnocení expozièní situace popsána dále podrobnìji. Èasovì promìnná magnetická pole se vyskytují také v blízkosti domácích spotøebièù. Ubývají velmi rychle se vzdáleností od tìchto zdrojù a zabírají proto jen velmi malý prostor. Ani v bezprostøední blízkosti bìžnì dostupných domácích spotøebièù nepøekroèí expozice tìmto polím pøípustné hodnoty stanovené pro ostatní osoby. V souvislosti s nacházenou velmi slabou korelací mezi výskytem dìtské leukémie a pøítomností velmi slabého magnetického pole s frekvencí 50 Hz bylo bìhem minulých pìtadvaceti let, po která se epidemiologické studie s touto problematikou provádìjí, velmi dùkladnì promìøeno také støídavé magne- 31

2 32 tické pole v blízkosti výrobkù jako jsou elektrické podušky, elektrické holicí strojky, zaøízení na sušení a ondulování vlasù, elektrické ohøívaèe nohou, lednièky, vysavaèe a jiné. Výsledky byly uveøejnìny v tabulkách mnoha publikací. Základní frekvence pole v okolí výrobních zaøízení i domácích spotøebièù není vždy 50 Hz platí to o magnetickém poli v blízkosti obrazovek televizorù a poèítaèových monitorù a také o magnetickém poli v blízkosti síśových adapterù pro domácí spotøebièe a kanceláøskou techniku. U kabelù rozvodu energetické sítì pak nebývá prùbìh magnetického pole v jejich okolí sinusový. Souvisí to se zpùsobem odbìru proudu, který je zkreslen pøítomností feromagnetických èástí v používaných spotøebièích (motorech, transformátorech) a pøerušovaným odbìrem proudu usmìròovaèi, záøivkami a jinými spotøebièi s nelineární voltampérovou charakteristikou. Mìøení magnetického pole a metoda vyhodnocování expozice K zjištìní èasového prùbìhu vektoru magnetické indukce B a jeho èasové derivace db/dt, které je úmìrná rozhodující dozimetrická velièina hustota proudu indukovaná v tìle exponované osoby sloužilo èasovì promìnné napìtí na výstupu kalibrované indukèní sondy. Jeho prùbìh byl pøi mìøení ukládán v pamìti digitálního osciloskopu s údaji pro jednu køivku. Záznam byl pozdìji pøenesen do poèítaèe a numericky zpracován. Po korekci zohledòující velikost samoindukce indukèní sondy byl získán èasový prùbìh derivace db/dt velikosti magnetické indukce a z nìho vypoètena hustota elektrického proudu indukovaného v tìle. Pro zjištìní maximální možné expozice v posuzovaném pracovním místì se nejdøíve našlo místo, které bylo pracovníkùm pøístupné a v kterém byla amplituda signálu osciloskopu maximální. Nacházelo se vizuálním sledováním zmìny prùbìhu napìtí a èíselného údaje o jeho špièkové hodnotì na obrazovce osciloskopu pøi zmìnách polohy a orientace sondy. Numerickým zpracováním záznamu byl pak nalezen pøesný èasový prùbìh velikosti èasové derivace magnetické indukce v mìøeném místì a jeho integrací i èasový prùbìh velikosti magnetické indukce. V situacích, kdy magnetické pole vytváøely proudy s rùznými fázemi, se místo indukèní sondy s jednou cívkou používala kalibrovaná sonda s tøemi navzájem kolmými cívkami. V tom pøípadì se èasový prùbìh výstupního napìtí každé ze tøí cívek samostatnì zaznamenal do pamìtí tøí kanálù osciloskopu a po pøenesení tìchto záznamù do poèítaèe se urèil výsledný èasový prùbìh vektoru magnetické indukce a jeho èasové derivace. Vektor v tomto pøípadì rotuje v tøírozmìrném prostoru a pøesné vyhodnocení expozice je obtížnìjší. Èasový prùbìh magnetické indukce a její derivace je zøídkakdy pøesnì sinusový. K posouzení expozice magnetickému poli, jehož prùbìh se silnì liší od sinusového, je možné použít rozklad signálu do Fourierovy øady, zvážit jednotlivé frekvenèní složky koeficientem frekvenèní závislosti nejvyšších pøípustných hodnot a zpìtnì sestavit fyziologicky vážený èasový prùbìh hustoty indukovaného proudu v tìle exponované osoby. Ten se pak porovná s nejvyšší pøípustnou hodnotou stanovenou pro hustotu indukovaného proudu. Výhodnìjší se však ve vìtšinì pøípadù ukázalo použití bezrozmìrné èasové funkce, kterou jsme oznaèili symbolem a nazvali funkcí pøekroèení. K jejímu výpoètu jsme využili Smìrnici ICNIRP publikovanou v roce 2003 (6), v které byla køivka pro frekvenèní závislost referenèní hodnoty pro magnetickou indukci složená z pøímek s ostrými zlomy nahrazena hladkou køivkou a byla doplnìna závislost fáze sinusového signálu na frekvenci. Referenèní hodnota je ovšem jen pomocnou velièinou a pøi mìøeních, která jsme provádìli, se témìø vždy ukázalo, že nejvyšší pøípustná hodnota, která je rozhodující pro hygienické posouzení, èasto nebývá pøekroèena ani pøi nìkolikanásobném pøekroèení referenèní hodnoty. Upravili jsme proto i frekvenèní závislost nejvyšší pøípustné hodnoty pro hustotu indukovaných proudù tak, aby obsahovala závislost amplitudy i fáze sinusového signálu. Pro hygienické vyhodnocení jsme sestavili poèítaèový program s integrální numerickou filtrací namìøeného signálu. Nemá-li být pøekroèena nejvyšší pøípustná hodnota pro hustotu indukovaného proudu, nesmí bezrozmìrná funkce získaná touto integrální filtrací v žádném místì celého vyšetøovaného èasového intervalu pøekroèit hodnotu jedna. Integrální filtrace v èasové oblasti je zvláštì výhodná pro fyziologické vážení neperiodických prùbìhù pole. Fyziologickou váhu jednotlivých frekvencí koherentního signálu (základní frekvence a vyšších harmonických) je u periodického signálu samozøejmì možné uplatnit i u jednotlivých spektrálních komponent s následujícím seètením modifikované Fourierovy øady. Pøehled zjištìných hodnot expozice Obr. 1 shrnuje výsledky sedmdesáti vyhodnocených mìøení v rùzných typech interiérù. Každá z vodorovných krátkých úseèek odpovídá mìøené ve vyšetøovaném místì nejménì pøíznivé expozièní situaci. Procenta vyznaèená na stupnici svislé osy znamenají procenta z nejvyšší pøípustné hodnoty pro zamìstnance (první dva sloupce) nebo pro ostatní osoby (vìtšina údajù v posledním sloupci obr. 1). Dvì nejvýše položené úseèky v prvním sloupci tabulky, které nápadnì vyboèují z prùmìru, pocházejí z mìøení v novém typu tramvaje a odpovídají procentùm nejvyšší pøípustné expozice pro ostatní osoby. Prostor ve voze s maximem expozice mìl malý rozmìr a byl nalezen v tìsné blízkosti stìny v místì, kudy je veden proud kabely ze støechy k motorùm v podvozku. (Na støeše vozu mìøeného typu je mìniè vyrábìjící ze stejnosmìrného proudu odebíraného sbìraèem z troleje tøífázový proud pro pohon asynchronních motorù.) procento z nejvyšší p ípustné hodnoty 1 000, ,000 10,000 1,000 0,100 0,010 0,001 provozy využívající magnetické pole b žné provozy byty a kancelá ské prostory Obr. 1: Pøehled výsledkù mìøení úrovní nízkofrekvenèních magnetických polí v provozech, bytech a kanceláøích. Výsledky jsou porovnány s nejvyššími pøípustnými hodnotami pro hustotu indukovaného proudu stanovenými v naøízení vlády è. 480/2000 Sb.

3 Pøíklady výsledky mìøení a jeho vyhodnocení Magnetické pole u vakuové indukèní pece U vstupu pøívodních kabelù do aparatury na vakuové ohøívání a kalení kovových souèástek bylo osciloskopem zaznamenáno magnetické pole s frekvencí 50 Hz se sinusovým prùbìhem a s amplitudou magnetické indukce rovnou 0,0037 tesla (tedy s efektivní hodnotou 0,0026 T). Tato hodnota pøekraèuje 5,2krát referenèní hodnotu 0,0005 T (= 500 μt) stanovenou pro zamìstnance v naøízení vlády è. 480/2000 Sb. Pro pole, které by bylo homogenní, by pøi kolmém smìru vektoru magnetické indukce na hrudník exponované osoby vyšla ze vzorce (1) hustota indukovaného proudu v tìle rovná 0,019 A.m -2, tedy 1,9krát vyšší než nejvyšší pøípustná hodnota 0,01 A.m -2 stanovená pro zamìstnance. Pøekroèení ukazuje køivka (funkce pøekroèení W j (t)) na dolním grafu obr. 2 s maximem 1,9 vypoètená z osciloskopického záznamu. Ve skuteènosti však pole ubývalo strmì se vzdáleností od kabelù a do místa s uvedenou maximální absolutní hodnotou se vešla nejvýš hlava èlovìka. V tom pøípadì je ovšem proudová smyèka uzavírající indukovaný proud menší aproximujeme-li ji jako kružnici s polomìrem 0,08 metru, vyjde indukovaná proudová hustota pro expozici zamìstnance v místì s nejvyšším zjištìným polem nižší než stanovená nejvyšší pøípustná hodnota. Magnetické pole u vstupních kabelù mìnírny Horní graf na obr. 3 je èasový prùbìh velikosti magnetické indukce získaný z digitálního záznamu napìtí na indukèní sondì. Sonda byla v tomto pøípadì ve vzdálenosti 0,25 metru od trojice kabelù pøivádìjících tøífázový proud s frekvencí 50 Hz k usmìròovaèùm mìnírny. Cívka sondy byla orientována tak, aby signál na osciloskopu byl maximální. B / tesla U induk ní pece asový pr b h funkce p ekro ení Obr. 2: Magnetické pole a funkce pøekroèení u kabelù indukèní pece B / tesla M nírna - vstupní kabely asový pr b h funkce p ekro ení Obr. 3: Magnetické pole a funkce pøekroèení u vstupních kabelù mìnírny Prùbìh pole se velmi liší od sinusového. Jeho amplituda je 0,00058 tesla, což by u sinusového prùbìhu s frekvencí 50 Hz odpovídalo efektivní hodnotì 0, T, tedy hodnotì nižší, než je referenèní hodnota 0,0005 tesla stanovená pro zamìstnance pro frekvenci 50 Hz. Èasový prùbìh pole je však dalek od sinusového, a k rozhodnutí, zda je nebo není pøekroèena nejvyšší pøípustná hodnota pro indukovaný proud v tìle exponované osoby, je nutné zohlednit nesinusový prùbìh pole. Køivka na obr. 3 dole oznaèená symbolem (funkce pøekroèení) byla získána numerickou filtrací digitálního záznamu napìtí sondy. Z prùbìhu bezrozmìrné velièiny (t) je patrné, že nejvyšší pøípustná hodnota pro hustotu indukovaného proudu je pøekroèena 1,8krát. Pole však strmì klesalo s rostoucí vzdáleností od kabelù. Protože pro výpoèet funkce pøekroèení (t) na obr. 3 byla použita maximální možná velikost smyèky v tìle, je nutné výsledek korigovat podle skuteèné velikosti smyèky, která se mùže pøi expozici èlovìka v dané situaci realizovat. I pøi opatrném posouzení možného pøiblížení hlavy ke kabelùm (prùmìr smyèky 0,08 m) vede korekce k výsledku, že ve vzdálenosti 0,25 metru od vstupních kabelù není v tomto pøípadì nejvyšší pøípustná hodnota pro hustotu indukovaného proudu pøekroèena. Tento výsledek však není pøesný, protože v blízkosti vedení s tøemi fázemi se vektor magnetického pole v prostoru otáèí a mìøení pole v jednom smìru k pøesnému zjištìní expozièní situace nestaèí. Magnetické pole u tøífázových vedení Skuteèný èasový prùbìh vektoru magnetického pole u tøífázových vedení lze zjistit sondou s tøemi navzájem kolmými cívkami. Na obr. 4 je znázornìn takto získaný èasový prùbìh vektoru magnetické indukce v tøírozmìrném prostoru. Byl poøízen u skøínì pro silový rozvod proudu energetické sítì. Vektor magnetické indukce B(t) rotuje a mìní pøi tom svou velikost. (Pro lepší pøehlednost 33

4 34 jsou v grafu vyneseny prùmìty tøírozmìrné køivky do tøí souøadnicových rovin.) Pro hygienické zhodnocení bylo nutné posoudit maximální hustotu proudu indukovaného tímto rotujícím polem v tìle exponované osoby. K pøekroèení v daném pøípadì nedocházelo. asový pr b h vektoru magnetické indukce B (pata vektoru je v bod [0,0,0]) Obr. 4: Vektor magnetického pole u kabelù pøivádìjících tøi fáze síśového proudu k usmìròovaèùm mìnírny. Vektor rotuje a mìní pøi tom svou velikost Magnetické pole u aparatury na výrobu permanentních magnetù Impuls magnetické indukce s následujícími tlumenými oscilacemi na grafu obr. 5 je èasový prùbìh magnetického pole u aparatury na výrobu permanentních magnetù. Souèástku vkládá pracovnice obsluhy do magnetizaèního solenoidu a jednosmìrný impuls proudu je volen tak, aby dosažená magnetizace byla ponìkud vìtší než požadovaná. Tlumenými oscilacemi magnetického pole je pak magnetizace souèástky snížena na stanovenou hodnotu. Magnetizaèní cívka má prùmìr jen 5 centimetrù, magnetická indukce uvnitø solenoidu však dosahuje šesti tesla. K zhodnocení expozice pracovnice byla z oscilogramu vypoètena funkce pøekroèení (t) pro místo mezi obsluhující osobou a solenoidem, kde byla umístìna mìøicí sonda. Vektor magnetické indukce v tomto pøípadì míøil kolmo k hrudníku pracovnice, takže polomìr proudové asový pr b h magnetiza ního impulsu a demagnetizace B(t) / tesla získaný integrací záznamu induk ní sondy Obr. 5: Magnetizaèní impuls u pøístroje pro magnetizaci J, J mod / A.m Odporové svá ení (natupo a odtavením) J mod J Obr. 6: Srovnání filtrované a skuteèné proudové hustoty; magnetické pole bylo zmìøeno u poloautomatu na odporové sváøení oceli smyèky byl pro výpoèet zvolen rovný 0,22 metru. V místì sondy byla pøípustná hodnota pøekroèena, nebyla však pøekroèena v místì, kde sedí obsluhující osoba. Magnetické pole u aparatury pro odporové sváøení natupo Na obr. 6 je èasový prùbìh hustoty J indukovaného elektrického proudu vypoètený z oscilogramu zaznamenaného tìsnì u aparatury, a prùbìh Jmod této hustoty po numerické filtraci zapoèítávající pokles fyziologické úèinnosti indukovaného proudu s rostoucí frekvencí. (Zamìstnanec pøi práci stojí v místì, kdy k pøekroèení nejvyšší pøípustné hodnoty pro proudovou hustotu nedojde). Je dobøe patrné, že ostrá maxima indukovaného proudu vyvolaná výboji (jiskøením) jsou pro hygienické hodnocení bezvýznamná. Proud použitý pro sváøení má v tomto pøípadì frekvenci 50 Hz. Okamžiky prùchodu jisker se pøesnì neopakují, takže jde vlastnì o neperiodický prùbìh. Integrální filtrace signálu však - na rozdíl od Fourierovy øady - periodicitu nevyžaduje. Pøístroj pro magnetoterapii Bizarní èasové prùbìhy magnetického pole lze èasto nalézt u tak zvaných aplikátorù (cívek) pøístrojù pro magnetoterapii. Na obr. 7 je na horním grafu pøíklad èasového prùbìhu magnetického pole v ose cívky pøikládané k vybranému místu tìla pacienta. Jak je známo, na léèebné procedury se hygienické limity nevztahují. Pøekroèení nejvyšší pøípustné hodnoty patrné z èasového prùbìhu funkce (t) je tedy v tomto pøípadì v poøádku, exponovaný pacient je pod odborným dohledem. Hygienické posouzení je však nutné provést pro expozici obsluhujícího personálu. Pøi výpoètu funkce pøekroèení (t) uvedené na obr. 7 nebyla uplatnìna korekce na velikost smyèky (mìøený aplikátor mìl prùmìr jen 20 cm, tedy 2,2krát menší než je prùmìr kruhové smyèky v tìle, s kterým výpoèet poèítal). Pøi zapoètení korekce na velikost smyèky vychází expozice osob obsluhy nižší, než je nejvyšší pøípustná hodnota pro zamìstnance. Stojí za pøipomenutí, že u tìhotné ženy, i když je v zamìstnání, je nutné pøi posuzování expozice uvažovat nejvyšší pøípustnou hodnotu stanovenou pro ostatní osoby, která je pìtkrát nižší. Ta by v tomto pøípadì již mohla být pøi obsluze aparatury v tìsné blízkosti aplikátoru pøekroèena.

5 B / tesla Magnetoterapeutický p ístroj asový pr b h funkce p ekro ení Obr. 7: Magnetické pole a funkce pøekroèení WJ u cívky aplikátoru pøístroje pro magnetoterapii Je-li známa geometrická konfigurace vodièù a je-li znám èasový prùbìh proudù, které vodièi protékají, mùže být k zjišśování expozièní situace výpoèet èasto výhodnìjší než mìøení. V tomto èlánku jsme se omezili na hodnocení expozice podle výsledkù mìøení. Vyhledávání provozù se zdroji nízkofrekvenèních polí, u kterých nelze vylouèit pøekroèení nejvyšších pøípustných hodnot pro zamìstnance, a zhodnocení expozièních situací v tìchto místech je v souèasné dobì velmi aktuální. Opatøení, která bylo nutné po vyhodnocení expozièních situací provést, si zatím nevyžádala nákladnìjší úpravy. Velikost nízkofrekvenèních magnetických polí v bytech a v jiných místech bìžnì pøístupných ostatním osobám (obyvatelstvu) je témìø vždy hluboko pod hodnotami, které by mohly zpùsobit expozici pøekraèující nejvyšší pøípustné hodnoty stanovené v naøízení vlády è. 480/2000 Sb. pro ostatní osoby. LITERATURA 1. Naøízení vlády è. 480/2000 Sb. ze dne 22. listopadu 2000 o ochranì zdraví pøed neionizujícím záøením. 2. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Guidelines on determining compliance of exposure to pulsed and complex non-sinusoidal waveforms below 100 khz with ICNIRP guidelines. Health Physics Vol. 84, March 2003, No. 3, pp Metodický návod hlavního hygienika ÈR è.j. HEM Závìr Pøi hodnocení expozice nízkofrekvenènímu magnetickému poli je v pøípadech, kdy se zjistí pøekroèení referenèní hodnoty, nutné urèit hustotu indukovaného elektrického proudu v tìle exponované osoby. Ukazuje se totiž, že nejvyšší pøípustná hodnota stanovená pro hustotu indukovaných proudù v tìle èasto nebývá pøekroèena ani pøi nìkolikanásobném pøekroèení referenèní hodnoty. U prùbìhù pole, které se silnì liší od sinusového, je kromì toho tøeba správnì zohlednit frekvenèní závislost nejvyšší pøípustné hodnoty pro hustotu indukovaného proudu, což lze spolehlivì provést jen zpracováním záznamu celého èasového prùbìhu pole. Jsou-li zdrojem pole vodièe vedoucí rùzné fáze støídavého proudu, je nutné mít k hygienickému zhodnocení k dispozici èasový záznam prùbìhù pole ze tøí navzájem kolmých smìrù. Pøehled užívaných pojmù Nejvyšší pøípustné hodnoty pro expozici elektrickému, magnetickému a elektromagnetickému poli: Základní fyzikální dozimetrické velièiny, jejichž úroveò se hodnotí v tìle. Referenèní hodnoty: Fyzikální dobøe mìøitelné velièiny, pomocí nichž se zjišśuje, zda u exponované osoby nemohou být pøekroèeny nejvyšší pøípustné hodnoty. Integrální filtrace: Matematická operace, pøi níž se pøepoèítává zjištìný signál (èasový prùbìh pole) na fyziologický úèinek v tìle. doc. RNDr. Ludìk Pekárek, DrSc., Státní zdravotní ústav, Národní referenèní laboratoø pro neionizující elektromagnetická pole a záøení Pøedloženo k publikaci Správné odpovìdi testu znalostí ze strany 51: 1c, 2b, 3a, 4c, 5a, 6b, 7c, 8b, 9c, 10b, 11a, 12a 35