5.3 Измерения дифференциальными усилителями
У приборов для измерения напряжений один из двух входных зажимов чаще всего постоянно заземлен, например, корпус коаксиального входного гнезда осциллографа или измерительного приемника помех. Поэтому эти приборы могут применяться только для измерений напряжения источников, заземленных с одной стороны. Если оба зажима неизвестного источника напряжения не заземлены, то при подключении коаксиального измерительного кабеля в принудительном порядке происходит заземление того зажима, который соединяется с оболочкой кабеля, имеющей потенциал земли. Само собой разумеется, этот способ допустим только тогда, когда в цепи рабочего тока нет других заземлений, так как иначе неизбежно были бы замкнуты накоротко элементы схемы. Например, в цепях включения полупроводниковых преобразователей тока необходимо измерять крутизну фронта импульса определять моменты включения и выключения тиристоров, выводы которых находятся не на потенциале земли, а могут отличаться от него на синфазное напряжения в несколько кило-вольт. Аналогичные проблемы возникают при измерении формы кривой линейного напряжения трехфазной системы (рисунок 5.8). Попытка измерить напряжение обычным пробником неизбежно привела бы при подсоединении его заземленного зажима к короткому замыканию. В этом и подобных случаях должен быть применен дифференциальный усилитель, оба входа которого изолированы от земли.
Рисунок 5.8 – Измерение линейного напряжения трехфазной системы
Иногда измерительные приборы без дифференциального входа питаются через разделительные трансформаторы без заземления, так что в этом случае, например, заземленная часть коаксиального входного гнезда осциллографа тоже может быть соединена с фазой. Однако тогда корпус осциллографа находится под опасным для жизни человека напряжением и должен быть для соблюдения техники безопасности помещен в диэлектрический кожух и управляться через изолирующие удлинители.
Дифференциальные усилители усиливают только измерительные сигналы, поступающие между обоими проводами измерительной линии. Синфазные сигналы, которые возникают на обоих проводах с одинаковой фазой и амплитудой, подавляются (см. п. 3.1.2). Измерительный сигнал ии(t) передается ко входу усилителя или через два идентично настроенных пробника, или через два одинаковых, нагруженных в конце на волновое сопротивление коаксиальных кабеля. Дифференциальный усилитель имеет два коаксиальных входных гнезда для подключения обоих измерительных проводов (рисунок 5.9). Экраны измерительных проводов заземлены на корпусе электронного осциллографа и соединены друг с другом на другом конце. Оба экрана кабеля образуют короткозамкнутый виток, который препятствует тому, чтобы в контуре, образованном из обоих внутренних проводов, источника и осциллографа индуктировались напряжения помех. Заземление цепей рабочего тока разрешается и не влияет на дифференциальное измерение, дополнительного заземления на входе кабеля не должно быть.
Рисунок 5.9 – Заземление при измерении дифференциальными усилителями
Передача измерительного сигнала согласованными коаксиальными кабелями рекомендуется при всех измерениях, при которых сопротивление источника или очень мало по сравнению с волновым сопротивлением измерительных линий, или имеет одинаковое с ним значение. Источники с высокими внутренними сопротивлениями и измерения при высоких напряжениях требуют применения хорошо настроенных электрически прочных пробников и делителей напряжения. При недостаточном ослаблении синфазного сигнала или чрезвычайно больших его значениях рекомендуется промежуточное включение аналоговых или цифровых световодных участков передачи сигналов (см. п. 3.1.2 и §4.3).
Воздействие электромагнитных полей на биоорганизмы
Электромагнитный спектр простирается от электро и магнитостатического полей, электрических и магнитных полей частоты 50 Гц до радиоволн и видимого света, ионизирующего гамма-излучения (рисунок 5.10). В зависимости от интенсивности и частоты электромагнитные поля и волны оказываются для биоорганизмов полезными или вредными.
В диапазон ультрафиолетового света (УФ) и выше энергия электромагнитных волн
, (5.1)
где h - постоянная Планка; f — частота,
Рисунок 5.10 – Электромагнитный спектр
чтобы освобождать электроны из электронной оболочки атомов, т.е. ионизировать атомы и тем самым производить химические и другие изменения. У человека эти изменения простираются с растущей частотой от желаемого эффекта загара до рака кожи и глубже расположенных тканей. Для различных форм проявления электромагнитных волн в этом энергетическом диапазоне существует обобщающее понятие ионизирующего излучения.
Диапазон видимого света, без которого наша жизнь на земле была бы совершенно невозможна, ведет к инфракрасному (ИК), тепловому излучению и микроволнам. Действие микроволн на биоорганизмы основано на их силовом воздействии на заряженные частицы:
. (5.2)
Вследствие этого воздействия электроны и ионы (ионизированные атомы или молекулы) колеблются в микроволновом переменном поле, диполи вибрируют относительно состояния равновесия. Сообщенную им кинетическую колебательную энергию частицы за счет столкновений отдают другим частицам и повышают их среднюю кинетическую энергию. Этот подвод энергии макроскопически проявляется в разогреве или повышении температуры облученного материала и нашел широкое применение в микроволновых печах.
Наряду с силовым воздействием электромагнитных полей и волн на электрические заряды и диполи согласно (10.7) существует аналогичное силовое воздействие на магнитные диполи и подразумеваемые на их концах магнитные заряды или вызывающие контурные токи (это явление используется в томографии). Однако при этом из-за недостатка магнитных диполей с большим дипольным моментом не возникают макроскопические тепловые эффекты.
Развиваемая в переменном электрическом поле на единицу объема удельная тепловая мощность пропорциональна частоте, следовательно, быстро убывает при переходе к меньшим частотам. На основе этой частотной зависимости и отсутствия бросающихся в глаза корреляций ранее пришли к заключению, что напряженности поля, обычно встречающиеся в технике связи и энергоснабжения, для населения в целом безопасны. При кратковременных опытах в лаборатории также не были установлены непосредственные влияния. Лишь при значительно более высоких напряженностях поля обнаруживались определенные эффекты, такие как высокочастотные ожоги, магнитофосфены (мерцание в глазах).
Долговременная экспозиция при малых напряженностях поля все же могла бы вызвать эффекты, пока необъяснимые в отношении их причины. Так как тепловые эффекты при малых напряженностях поля и в особенности при низких частотах исключаются, в данном случае предполагают влияние прежде всего не тепловых, так называемых биологических эффектов. Так, были опубликованы отдельные работы, в которых сообщается о нарушениях поведения, иммунной системы, головных болях, усталости, вплоть до повышенной частоты случаев рака [Дополнительная литература] и т.д. Подобные зависимости, если они действительно существуют, могут быть выявлены только при безупречно проведенных долговременных эпидемиологических исследованиях. Имеющийся в настоящее время материал о якобы вредных воздействиях магнитного поля пока по большей части не подтверждается в контрольных опытах, поэтому эта тематика еще обсуждается. Как показывает опыт над лицами, по профессии длительное время подверженных воздействию полей, повышенных напряженностей отчетливого негативного влияния пока не установлено. Тем не менее окончательное выяснение этих вопросов в высшей степени желательно.
Наряду с исследованием вредных воздействий уделяется внимание и изучению полезных последствий. Признаны медицинской точки зрения положительные воздействия электромагнитных полей, например, при лечении переломов костей, в электродиатермии.
Наконец, остановимся кратко на вопросе о сильно различающихся в разных странах предельных допустимых значений. В основе этих различий в меньшей степени лежат достижения в познании опасности электромагнитных полей, чем различные определения того, что следует понимать под предельным допустимым значением. Так, предельные значения в СНГ и других восточноевропейских странах основываются на уровнях напряженности поля, которые не могут вызвать особых биологических эффектов, в то время как в других странах чаше всего исходят из значений напряженности, при превышении которых доказуемо возникают опасные воздействия. Уменьшенные на коэффициент надежности, определяются максимально допустимые предельные значения.
Дискуссия об установлении соразмерных действительной угрозе предельных значений для различных видов полей и частот еще идет. Практикуемые исходные точки дают действующие в настоящее время в ФРГ предельные значения по нормам VDE 0848. Например, на рисунках 5.11 и 5.12 приведены предельные значения напряженностей электрического и магнитного полей для низкочастотного диапазона от 0 до 30 кГц.
Рисунок 5.11 – Эффективные и пиковые значения допустимой напряженности низкочастотных электрических полей при непосредственном воздействии [Л.]
Рисунок 5.12 – Эффективные и пиковые значения допустимой напряженности низкочастотных магнитных полей [Л.]
Рисунок 5.13 – Предельные эффективные значения допустимой напряженности высокочастотных электрических полей (VDE0848 [Л.])
Предельные значения этих полей не учитывают существование сердечных стимуляторов, имплантированных органов, которые обусловливают повышенную чувствительность соответствующих лиц и для которых должны устанавливаться в данном случае более низкие предельные значения (нормативные документы по этим вопросам находятся в процессе подготовки).
На рисунках 5.13 и 5.14 и приведены предельные значения напряженностей электрических и магнитных полей, а на рисунке 5.15 - плотности потока в диапазоне частот от 10 кГц до 3000 ГГц при длительности воздействия более 6 мин. Напряженность поля на вышеприведенных рисунках соответствует вектору напряженности, который составлен в трех направлениях х, у и z без учета фазового положения. Для времен воздействия, меньшем 6 мин, допустимы и более высокие предельные значения, которые могут быть рассчитаны при условии постоянства максимального воспринимаемого уровня энергии (см. VDE0848 [Л.]).
Рисунок 5.14 – Предельные эффективные значения допустимой напряженности высокочастотных магнитных полей (VDE0848 [Л.])
При возникновении актуальных проблем и вопросов относительно точной интерпретации приведенных предельных значений следует в каждом случае обращаться к подобным предписаниям и соответствующей обширной литературе [Дополнительная литература].
Рисунок 5.15 – Предельные значения допустимой плотности потока мощности S (вектор Пойнтинга, [Л.]) (VDEE0848 [Л.])