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1 Valutazione del campo magnetico emesso da apparecchiature industriali E. Sieni.

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Presentazione sul tema: "1 Valutazione del campo magnetico emesso da apparecchiature industriali E. Sieni."— Transcript della presentazione:

1 1 Valutazione del campo magnetico emesso da apparecchiature industriali E. Sieni

2 2 Esposizione ai campi elettromagnetici Fonderie Trattamenti termici Saldatura Trasformatori …… In ambiente industriale le sorgenti di campi elettromagnetici sono diffuse

3 3 Sorgenti Campi elettrici: generati da tensioni elettriche Campi magnetici: generati da correnti elettriche Se cè corrente cè campo magnetico In un materiale conduttore un campo magnetico tempo variante produce correnti indotte

4 4 Natura del mezzo Un campo magnetico tempo variante genera correnti indotte in un mezzo resistivo I tessuti del corpo umano hanno resistività molto alta ma non infinita: 1 – 50 Ωm (nota: per un metallo è dellordine di Ωm) – dipende dalla frequenza (i valori sono tabellati) Permeabilità magnetica unitaria Tessuti = conduttori Sorgente + conduttore = effetti sullorganismo umano Correnti indotte Tissueρ[Ωm]Tissue ρ[Ωm]Tissueρ[Ωm] Gall0.71Pancreas 1.92Spleen11.67 Liver27.26Stomach 1.92Marrow36.5 Heart12.09 CerebFluid0.5Lung14.62 Muscle4.29 BrainStem13.29Brain18.77 Colon18.34 Cerebel.10.5Kidney11.21 Bone49.85Intestine1.92Fat51.15

5 Data, Caratteristiche elettriche dei tessuti Dipendenza dalla frequenza ε σ

6 6 Effetti dei campi magnetici Elevati valori di campo magnetico possono avere effetti dannosi sullorganismo umano: –Effetti acuti (accertati) Stimolazione nervosa Fibrillazione cardiaca Contrazione muscolare Fosfeni E noto che campi magnetici sufficientemente intensi o gradienti di campo magnetico possono provocare la stimolazione dei nervi periferici e dei tessuti muscolari. Campi magnetici tempo varianti Campi elettrici indotti Circolazione di correnti elettriche Correnti indotte

7 7 Valutazione dellesposizione Dallosservazione degli effetti acuti le norme suggeriscono dei valori limite per i campi magnetici generati da distribuzioni di corrente restrizioni di base: sono direttamente correlate agli effetti biologici accertati (es.: riferiti alle densità di corrente indotta nei tessuti) livelli di riferimento: fanno riferimento ad una quantità misurabile direttamente (es.: campo magnetico) La quantità da valutare per determinare se ci sono effetti è la densità di corrente indotta Non è possibile misurarla nei tessuti Cerco quantità misurabili: induzione magnetica Poichè i tessuti sono resistivi può circolare corrente

8 8 Regolamentazione Insorgere di possibili effetti acuti Necessità di regolamentare relativamente allesposizione dei lavoratori al campo magnetico ICNIRP CE/40/2004 Norme di prodotto Guide (strumentazione)

9 9 ICNIRP ICNIRP: Indicazioni per i campi –Sinusoidali –Pulsati –Multi-frequenziali –Statici Esempio: Saldatrici Valutazioni di campo AC multifrequenziale ed eventualmente di campo statico a seconda della forma donda della corrente assorbita dallapparecchiatura J B J ??? B !!!

10 10 Limiti (caso sinusoidale) ICNIRP fornisce limiti per linduzione magnetica e per le correnti indotte per ogni frequenza frequencyJ [mA/m 2 ]H [A/m]B [μT] Until 1 Hz401, x Hz40/f1, /f 2 2 x 10 5 /f Hz102 · 10 4 /f2,5 x 10 4 /f 0,025-0,82 kHz1020/f25/f 0.82 – 1 kHz kHzf/10024,430,7 0,065-1 MHzf/1001,6/f2,0/f Per trovare un limite relativo a una frequenza uso le tabelle della guida dellICNIRP Restrizioni di base e livelli di riferimento

11 11 Note sui limiti Nel caso di induzioni magnetiche elevate (> del limite) può capitare che le restrizioni di base (correnti indotte) non siano superate Dipendenza dalla direzione di incidenza del campo con il mezzo conduttore –restrizioni di base: sono direttamente correlate agli effetti biologici accertati; –livelli di riferimento: fanno riferimento ad una quantità misurabile direttamente (es.: campo magnetico) B 1 B 2 J 1 J 2 B1 > B2 J1 > J2 B 1

12 12 Segnali periodici = + + A1, f1 A2, f2 A3, f3 Analisi spettrale (analisi di Fourier) = cerco ampiezza e frequenza delle sinusoidi che compongono il segnale

13 13 Valutazione dellesposizione campi non sinusoidali campi statici Per i campi statici occorre valutare lintensità del campo magnetico campi non sinusoidali tempo varianti Per i campi non sinusoidali tempo varianti lanalisi delle emissioni si valuta con –Sinusoide equivalente (impulso rettangolare) –Analisi spettrale della forma donda e analisi del campo generato dalle singole frequenze Per ciascuna componente frequenziale si considerano i limiti suggeriti per i campi sinusoidali Se vale la (2) vale anche la (1), ma se non vale la (1) la (2) può comunque essere soddisfatta (1) (2) Esposizione

14 14 Esempio norme EN 50445: 2008, Product family standard to demonstrate compliance of Basic standard for equipment for resistance welding, arc welding and allied processes with the basic restriction related to human exposure to electromagnetic fields (0 Hz GHz) EN 50444: 2008 Basic standard for the evaluation of human exposure to electromagnetic fields from equipment for arc welding and allied processes EN 50505: 2008, Basic standard for the evaluation of human exposure to electromagnetic fields from equipment for resistance welding and allied processes ICNIRP fornisce metodi e valori per la valutazione, le norme di prodotto indicazioni pratiche per la particolare tipologia di macchina (condizioni di valutazione, dove,…)

15 15 Analisi delle emissioni Misure –Definizioni delle caratteristiche della strumentazione utilizzata (compresa lincertezza di misura) Calcolo analitico –Simulazione delle distribuzioni di corrente (approssimazione a tratti di conduttore, geometrie approssimate) Calcolo ad elementi finiti –Definizione delle dimensioni geometriche dei modelli utilizzati –Definizione delle procedure di calcolo Elaborazione dei dati ottenuti Elaborazione dei dati ottenuti al fine di valutare il rispetto dei limiti di esposizione di unapparecchiatura Note: posizionamento (ripetibilità della misura) dimensioni macroscopiche della sonda andamento del campo magnetico (decresce con distanza da sorgente) dipendenza dalla corrente effettiva analisi dello spettro (correnti non sinusoidali) Nota: aiuto allanalisi – non unalternativa – non tiene conto di tutti i fattori che possono influenzare il campo, ma può essere daiuto per capire dove è possibile agire per attuare delle misure di riduzione del campo emesso da un apparecchiatura

16 Valutare il campo magnetico Ha senso fare valutazioni di campo magnetico –Se ci sono linee elettriche che passano nei pressi dei punti che si desidera valutare per il rischio campo magnetico –Se ci sono sorgenti che possono creare campi magnetici intensi Quindi è conveniente effettuare le misure –Durante i cicli produttivi quando le macchine sono in funzione –Quando gli utilizzatori di corrente elettrica sono accesi Infatti –Si vede che lintensità di campo elettrico varia al variare dei carichi collegati alla rete elettrica 16

17 Valutare il campo magnetico luoghi in cui ha senso cercare il campo magnetico.Per fare una valutazione dellintensità di campo magnetico occorre valutare quali sono i luoghi in cui ha senso cercare il campo magnetico. In prossimità di: –Macchine elettriche –Linee elettriche –Quadri elettrici –Trasformatori necessario valutare il campo magnetico Per sapere se è necessario valutare il campo magnetico occorre sapere: –la potenza assorbita o erogata dalle possibili sorgenti di campo magnetico, –quando le sorgenti sono attive –la possibilità che loperatore passi o stazioni per lungo tempo in prossimità delle sorgenti di campo 17

18 Data, Esempi di sorgenti di campo magnetico - Riscaldo

19 Data, Esempi di sorgenti di campo magnetico - Fusione Potenze: kW Frequenze: Hz (metalli ferrosi fino a 250 Hz, leghe preziose, piccole quantità, fino a 20 kHz) Correnti nellinduttore: A Tempi del processo: 0.5 – 3 ore Forni fusori: a canale a crogiolo con nuclei magnetici, per incanalare il flusso magnetico in zone molto vicine al forno a crogiolocoreless, privi di nuclei. Emissioni CEM possono raggiungere valori anche importanti in funzione della potenza

20 Data, Esempi di sorgenti di campo magnetico - Saldatura / saldobrasatura ad induzione Potenze: kW Frequenze: kHz Tempi del processo: 7-80 s

21 Data, Esempi di sorgenti di campo magnetico - Saldatura Frequenze: 50 Hz – decine di kHz Corrente: A Tempi del processo: centinaia di ms o in continua

22 Perchè valutare il campo magnetico? Costruttori possono fornire i dati di emissione di campi magnetici delle apparecchiature che costruiscono in modo che lutilizzatore sia in grado di valutare limpatto elettromagnetico che si avrà nellambiente in cui inserirà la macchina (conoscendo quale e il livello di inquinamento elettromagnetico dello stabilimento prima dellinserimento della nuova macchina) E quindi possibile valutare il possibile effetto che si potrebbe avere in termini di inquinamento elettromagnetico inserendo una nuova sorgente Come e perché effettuare le valutazioni mediante il calcolo? Non sempre è possibile effettuare misure di campo (condizioni ambientali, limiti degli strumenti) I limiti possono essere superati ma le restrizioni di base possono rispettare il limite Si possono effettuare valutazioni mediante tecniche di calcolo 22

23 Data, Metodi numerici Il corpo umano è composto da diversi tessuti con caratteristiche elettriche diverse. Utilizzando tecniche di calcolo numeriche si può suddividere il corpo umano in volumetti più piccoli, ciascuno dei quali è descritto mediante opportune caratteristiche elettriche Si può ricavare la densità di corrente indotta nei diversi tessuti Utilizzo di metodi numerici FEM (Finite Element Method) FDTD (Finite Difference Time Domain) Metodo dei momenti Metodo delle impedenze

24 24 Tecniche di calcolo Per valutare le correnti indotte nei tessuti del corpo umano è possibile usare tecniche di calcolo a elementi finiti per la soluzione delle equazioni di Maxwell Si ricava il valore del campo elettrico e magnetico in un mezzo da cui è possibile valutare la corrente indotta (prodotta dal campo) Procedimento: 1.Suddividere il mezzo in volumetti con caratteristiche elettriche (resistività e permeabilità magnetica) omogenea 2.Definire opportune condizioni al contorno

25 25 Metodo di analisi 1.Valutazione dellinduzione magnetica prodotta da 1.componente DC 2.fondamentale 3.Armoniche La corrente prodotta dallapparecchiatura ha un andamento temporale caratterizzato dalla presenza di armoniche e di una componente DC I DC = 230 A I DC = 0 A FFT Dalla forma donda della corrente ricavo lampiezza delle componenti mediante FFT.

26 26 Metodo di analisi - numerica 1.Valutazione dellampiezza della fondamentale, delle armoniche e della componente DC 2.Considero le componenti la cui ampiezza è maggiore del 3% della fondamentale 3.Calcolo dellinduzione magnetica prodotta da ciascuna delle armoniche, dalla fondamentale e dalla componente DC in modelli che simulano il corpo umano 4.Valutazione della densità della corrente indotta nei tessuti del corpo umano utilizzando modelli semplificati (disco, cilindro, ellisse – resistività equivalente - media) o un modello del corpo umano (semplificato) per ciascuna componente 5.Valuto il valore rms massimo nel volume che rappresenta il corpo umano per ciascuna componente 6.Composizione dei risultati per determinare il rispetto dei limiti La corrente prodotta dallapparecchiatura ha un andamento temporale caratterizzato dalla presenza di armoniche e da una componente DC Valore del limite ad una data frequenza

27 Data, Modelli di calcolo Nei modelli omogenei si considera una conducibiltà dei tessuti media RR Valutazione di Induzione magnetica Densità di corrente indotta SAR

28 Data, Modelli di calcolo Calcolo delle correnti indotte mediante modelli che simulano il corpo umano –Dischi –Cilindri –Ellissoidi –Sfere Per il disco in campo uniforme e costante nello spazio con direzione normale al piano del disco si ricava Modulo induzione magnetica Conducibilità del tessuto R Raggio Frequenza B

29 29 Modelli semplificati Sorgente rettilinea o disposta come indicato dalle norme Cilindro Ellissoide Disco

30 Data, Modelli umani Esistono dei modelli umani studiati per il calcolo dei campi elettromagnetici Visible Human Project (http://www.npac.syr.edu/projects/vishuman/) Utah project (http://library.med.utah.edu/WebPath/HISTHTML/ANATOMY/ANATOMY.html)http://library.med.utah.edu/WebPath/HISTHTML/ANATOMY/ANATOMY.html Hugo (in CST) NORMAN (National Radiological Protection Board, UK)

31 31 Modelli umani

32 32 Modello umano Come preparare e risolvere un modello umano per i calcoli a elementi finiti per stimare le correnti indotte nei tessuti? 1.Acquisire le immagini 2.Segmentare 3.Ricostruire i volumi 4.Preparare la mesh (volumetti) 5.Importare il modello nel SW FEM 6.Impostare il modello per il calcolo 7.Risolvere il modello 8.Analizzare i risultati

33 33 Modello umano - 1. Acquisizione immagini Acquisizione (DICOM)

34 34 Modello umano – 2. Segmentazione Segmentazione

35 35 Modello umano - 3. volumi e superfici Ricostruzione del modello umano 3D a partire da immagini mediche (Amira)

36 36 Modello umano - 4. Mesh grasso polmoni Vasi sanguigni Ricostruzione superfici e mesh

37 Modello umano 37

38 Modello umano 38

39 39 Modello umano - 5. Importazione FEM 1.Importazione nel SW di calcolo del modello

40 40 Modello umano - 5. Importazione FEM 1.Assegnazione delle caratteristiche dei tessuti a ciascun volume (organo) 2.Definizione delle sorgenti di campo magnetico 3.Risoluzione del modello numerico cuore muscolo I =6500A cervello intestino Tissueρ[Ωm]Tissue ρ[Ωm]Tissueρ[Ωm] Gall0.71Pancreas 1.92Spleen11.67 Liver27.26Stomach 1.92Marrow36.5 Heart12.09 CerebFluid0.5Lung14.62 Muscle4.29 BrainStem13.29Brain18.77 Colon18.34 Cerebel.10.5Kidney11.21 Bone49.85Intestine1.92Fat51.15

41 41 Risultati delle simulazioni Valutazione: - della distribuzione dellinduzione magnetica e della densità di corrente indotta - del massimo dellinduzione magnetica - del massimo della corrente indotta Nota: E possibile scrivere delle macro per lanalisi dei risultati

42 42 Esempio - input Componenti frequenziali Limiti A(f) >3% fondamentale I limiti per i valori di campo e di densità di corrente indotta dipendono dalla frequenza Valuto ampiezza componenti di corrente Una simulazione per ogni componente di corrente

43 43 Esempio - Risultati delle simulazioni Induzione magntica e densità di corrente indotta calcololate Indice di valutazione Se ma lapparecchiatura è conforme per le emissioni di campo magnetico *B e J: valore rms massimo nel volume considerato *

44 44 Esempio - Risultati delle simulazioni limite frequenza fondamentale Induzione magnetica

45 45 Esempio - Risultati delle simulazioni limite frequenza fondamentale Densità di corrente indotta

46 46 Induzione magnetica - B B bassa = < 0.4 mT B elevata = 7 mT Livelli espressi con una scala colorata È possibile estrarrre il valore massimo in un volume I = A, f = 50 Hz B L = 500 µT, 0.5 mT Valori di picco

47 47 Corrente indotta - J J bassa = < 1 mA/m 2 J elevata = 18 mA/m 2 Livelli espressi con una scala colorata È possibile estrarrre il valore massimo in un volume I = A, f = 50 Hz J L = 10 mA/m 2 Valori di picco

48 48 Corrente indotta - J J bassa = < 1 mA/m 2 J elevata = 18 mA/m 2 Livelli espressi con una scala colorata È possibile estrarrre il valore massimo in un volume I = A, f = 50 Hz J L = 10 mA/m 2 Valori di picco

49 Cilindro 27 mA/m 2 1 mA/m 2 d = 30 cm d = 3 cm I = A, f = 50 Hz J L = 10 mA/m 2 Valori di picco

50 Posizione del conduttore 18 mA/m 2 27 mA/m 2 I = A, f = 50 Hz J L = 10 mA/m 2 GA GB Valori di picco

51 Posizione del conduttore – indice di esposizione GAGB Tissueα(B)α(J) α(B)α(J) liver 27, Heart 12, intestine 1, Colon 18, Bone 49, pancreas 1, Kidney 11, Stomach 1, Lung 14, Muscle 4, Spleen 11, Marrow 36, CerebellarFluid 0, BrainStem 13, cerebellum 10, Brain 18, Fat 51, cylinder 5 49,31,9747,41,5

52 52 Valutazioni sul corpo umano- Effetto resistività dei tessuti Simulazione I: resistività del corpo uguale alla resistività degli organi e posta pari a 5 Ωm; Simulazione II: resistività del corpo pari a 5 Ωm e resistività degli organi ricavate dal sito dell'IFAC-CNR

53 53 Effetto delle resistività dei tessuti - 1 B I = 53,71A Freq = 200Hz B L = 125 µT 62 µT Valori di picco

54 Effetto delle resistività dei tessuti - 2 Omogeneo Con resistività tessuti Simulazione I: resistività del corpo uguale alla resistività degli organi e posta pari a 5 Ωm; Simulazione II: resistività del corpo pari a 5 Ωm e resistività degli organi ricavate dal sito dell'IFAC-CNR B L = 10 mA/m 2 3 mA/m 2 1 mA/m 2 Valori di picco

55 Confronto tissueM 1 & M 2 M 1 [mA/m 2 ]M 2 [mA/m 2 ] ρ [Ωm] B [µT] RLRL JRLRL JRLRL body colon liver intestin pancreas kidney stomach Spleen midolla Cylinder

56 Data, Note sul modello umano Il modello umano fornisce una descrizione più accurata del mezzo in cui vengono valutate le correnti indotte. Il modello omogeneo considera una resistività uniforme e pari a 5 Ωm E da notare che –le resistività relative ai tessuti del corpo umano variano tra 0.7 e 50 Ωm (muscolo Ωm, intestino 1.9 Ωm) –Laddensarsi delle correnti in alcune zone può dipendere dalla posizione della sorgente

57 Data, Dati di bibliografia

58 Data, Dati di bibliografia

59 Data, Dati di bibliografia Da:

60 Data, Caratteristiche elettriche dei tessuti


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