Valutazione del campo magnetico emesso da apparecchiature industriali E. Sieni

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

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

Sorgente + conduttore = effetti sull’organismo umano 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 dell’ordine di 10-8 Ωm) – dipende dalla frequenza (i valori sono tabellati) Permeabilità magnetica unitaria Tessuti = conduttori Tissue ρ[Ωm] Gall 0.71 Pancreas 1.92 Spleen 11.67 Liver 27.26 Stomach Marrow 36.5 Heart 12.09 CerebFluid 0.5 Lung 14.62 Muscle 4.29 BrainStem 13.29 Brain 18.77 Colon 18.34 Cerebel. 10.5 Kidney 11.21 Bone 49.85 Intestine Fat 51.15 Sorgente + conduttore = effetti sull’organismo umano Correnti indotte

Caratteristiche elettriche dei tessuti Dipendenza dalla frequenza ε σ Data, 2009 5

Effetti dei campi magnetici Elevati valori di campo magnetico possono avere effetti dannosi sull’organismo 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. Correnti indotte Campi magnetici tempo varianti Campi elettrici indotti Circolazione di correnti elettriche

Valutazione dell’esposizione Dall’osservazione degli effetti acuti le norme suggeriscono dei valori limite per i campi magnetici generati da distribuzioni di corrente 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 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)

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

B !!! J ??? ICNIRP B J 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 d’onda della corrente assorbita dall’apparecchiatura B !!! J ??? B J

Limiti (caso sinusoidale) ICNIRP fornisce limiti per l’induzione magnetica e per le correnti indotte per ogni frequenza Restrizioni di base e livelli di riferimento frequency J [mA/m2] H [A/m] B [μT] Until 1 Hz 40 1,63 105 2 x 105 1-8 Hz 40/f 1,63 105/f2 2 x 105/f2 8-25 Hz 10 2 · 104/f 2,5 x 104/f 0,025-0,82 kHz 20/f 25/f 0.82 – 1 kHz 24.4 30.7 1-65 kHz f/100 24,4 30,7 0,065-1 MHz 1,6/f 2,0/f Per trovare un limite relativo a una frequenza uso le tabelle della guida dell’ICNIRP

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 2 J B1 > B2 J1 > J2

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

Valutazione dell’esposizione campi non sinusoidali Per i campi statici occorre valutare l’intensità del campo magnetico Per i campi non sinusoidali tempo varianti l’analisi delle emissioni si valuta con Sinusoide equivalente (impulso rettangolare) Analisi spettrale della forma d’onda 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 Esposizione (1) (2)

Esempio norme ICNIRP fornisce metodi e valori per la valutazione, le norme di prodotto indicazioni pratiche per la particolare tipologia di macchina (condizioni di valutazione, dove,…) 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 - 300 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” 14

Analisi delle emissioni Misure Definizioni delle caratteristiche della strumentazione utilizzata (compresa l’incertezza 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 al fine di valutare il rispetto dei limiti di esposizione di un’apparecchiatura 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) Note1: posizionamento (ripetibilità della misura): Non sempre si riesce a posizionare la sonda nello stesso punto e alla stessa distanza dalla sorgente a causa delle dimensioni della sonda (cubo) dimensioni macroscopiche della sonda : Non è puntiforme. Se il campo magnetico non è uniforme si possono avere errori di stima dovuti alle dimensioni effettive della sonda andamento del campo magnetico (decresce con distanza da sorgente): per le sorgenti considerate vicino alla sorgente il campo magnetico non è uniforme dipendenza dalla corrente effettiva: il valore del campo magnetico è direttamente proporzionale alla corrente che lo genera. Sarebbe utile correlare ciascun valore di campo con la corrente che lo ha generato in modo da rendere i valori misurati quanto più possibile confrontabili analisi dello spettro (correnti non sinusoidali): La corrente di alimentazione dell’elemento attivo (generatore di campo) può contenere più frequenze (ad esempio dovute alla forma d’onda necessaria per il processo operativo) che possono essere significative in termini di emissioni Nota2: ad esempio non si tiene conto del campo emesso dall’eventuale generatore di campo. Elaborazione dei dati ottenuti: l’esposizione deve essere valutata rispetto a tutte le frequenze che possono comporre il campo magnetico emesso. Occorre analizzare il campo emesso e estrarre tutte le componenti significative. Il calcolo dell’esposizione è effettuato seguendo le indicazioni delle norme (che riprendono le indicazioni dell’ICNIRP). Nota: aiuto all’analisi – non un’alternativa – non tiene conto di tutti i fattori che possono influenzare il campo, ma può essere d’aiuto per capire dove è possibile agire per attuare delle misure di riduzione del campo emesso da un’ apparecchiatura

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 l’intensità di campo elettrico varia al variare dei carichi collegati alla rete elettrica

Valutare il campo magnetico Per fare una valutazione dell’intensità 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 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 l’operatore passi o stazioni per lungo tempo in prossimità delle sorgenti di campo

Esempi di sorgenti di campo magnetico - Riscaldo Data, 2009 18

Esempi di sorgenti di campo magnetico - Fusione Potenze: 100-10000 kW Frequenze: 50-20000 Hz (metalli ferrosi fino a 250 Hz, leghe preziose, piccole quantità, fino a 20 kHz) Correnti nell’induttore: 500-3000 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 crogiolo“coreless”, privi di nuclei. Emissioni CEM possono raggiungere valori anche importanti in funzione della potenza Data, 2009 19

Esempi di sorgenti di campo magnetico - Saldatura / saldobrasatura ad induzione Potenze: 1- 40 kW Frequenze: 100 - 400 kHz Tempi del processo: 7-80 s Data, 2009 20

Esempi di sorgenti di campo magnetico - Saldatura Frequenze: 50 Hz – decine di kHz Corrente: 150 - 12000 A Tempi del processo: centinaia di ms o in continua Data, 2009 21

Perchè valutare il campo magnetico? Costruttori possono fornire i dati di emissione di campi magnetici delle apparecchiature che costruiscono in modo che l’utilizzatore sia in grado di valutare l’impatto “elettromagnetico” che si avrà nell’ambiente in cui inserirà la macchina (conoscendo quale e’ il livello di inquinamento elettromagnetico dello stabilimento prima dell’inserimento 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

Si può ricavare la densità di corrente indotta nei diversi tessuti 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 Data, 2009 23

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: Suddividere il mezzo in volumetti con caratteristiche elettriche (resistività e permeabilità magnetica) omogenea Definire opportune condizioni al contorno

Metodo di analisi La corrente prodotta dall’apparecchiatura ha un andamento temporale caratterizzato dalla presenza di armoniche e di una componente DC Valutazione dell’induzione magnetica prodotta da componente DC fondamentale Armoniche Dalla forma d’onda della corrente ricavo l’ampiezza delle componenti mediante FFT. IDC= 0 A IDC= 230 A FFT FFT

Metodo di analisi - numerica La corrente prodotta dall’apparecchiatura ha un andamento temporale caratterizzato dalla presenza di armoniche e da una componente DC Valutazione dell’ampiezza della fondamentale, delle armoniche e della componente DC Considero le componenti la cui ampiezza è maggiore del 3% della fondamentale Calcolo dell’induzione magnetica prodotta da ciascuna delle armoniche, dalla fondamentale e dalla componente DC in modelli che simulano il corpo umano 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 Valuto il valore rms massimo nel volume che rappresenta il corpo umano per ciascuna componente Composizione dei risultati per determinare il rispetto dei limiti Cilndro e ellissoide simulano il corpo umano e hanno densità media. La conducibilità considerata è pari a 0.2 S/m. Valore del limite ad una data frequenza

Modelli di calcolo R R Valutazione di Induzione magnetica Nei modelli omogenei si considera una conducibiltà dei tessuti “media” R R Valutazione di Induzione magnetica Densità di corrente indotta SAR Data, 2009 27

Modelli di calcolo Calcolo delle correnti indotte mediante modelli che simulano il corpo umano Dischi Cilindri Ellissoidi Sfere R B Per il disco in campo uniforme e costante nello spazio con direzione normale al piano del disco si ricava Frequenza Modulo induzione magnetica Conducibilità del tessuto Raggio Data, 2009 28

Sorgente rettilinea o disposta come indicato dalle norme Modelli semplificati Disco Sorgente rettilinea o disposta come indicato dalle norme Ellissoide Cilindro Nel caso delle saldatrici ad arco (quelle dell’esempio che segue) la norma prevede l’utilizzo del modello umano e del modello a disco (quest’ultimo caso con la sola sorgente rettilinea). Per semplificare l’analisi si è sostituito, in un primo momento, al modello umano il modello a cilindro ed a ellissoide (in analogia con quanto indicato nella norma relativa alle saldatrici a resistenza). La norma per le saldatrici a resistenza (puntatrici) prevede l’utilizzo del modello umano e di modelli a cilindro ed ellissoide. Per il modello a disco non ci sono indicazioni utili al suo utilizzo in simulazione.

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) Hugo (in CST) NORMAN (National Radiological Protection Board, UK) Data, 2009 30

Modelli umani

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

Modello umano - 1. Acquisizione immagini Acquisizione (DICOM)

Modello umano – 2. Segmentazione

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

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

Modello umano 37

Modello umano 38

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

Modello umano - 5. Importazione FEM cervello Assegnazione delle caratteristiche dei tessuti a ciascun volume (organo) Definizione delle sorgenti di campo magnetico Risoluzione del modello numerico cuore muscolo I =6500A intestino Tissue ρ[Ωm] Gall 0.71 Pancreas 1.92 Spleen 11.67 Liver 27.26 Stomach Marrow 36.5 Heart 12.09 CerebFluid 0.5 Lung 14.62 Muscle 4.29 BrainStem 13.29 Brain 18.77 Colon 18.34 Cerebel. 10.5 Kidney 11.21 Bone 49.85 Intestine Fat 51.15

Risultati delle simulazioni Valutazione: - della distribuzione dell’induzione magnetica e della densità di corrente indotta del massimo dell’induzione magnetica del massimo della corrente indotta Nota: E’ possibile scrivere delle macro per l’analisi dei risultati

Esempio - input Valuto ampiezza componenti di corrente A(f) >3% fondamentale Considero solo le componenti corrente che hanno ampiezza maggiore del 3% della fondamentale nel range di frequenze specificato dalla norma (da il valore della più grande frequenza da considerare nell’analisi a seconda delle tecnologie costruttive dell’apparecchiatura (ad inverter, a trasformatore,..)) Componenti frequenziali Limiti Una simulazione per ogni componente di corrente I limiti per i valori di campo e di densità di corrente indotta dipendono dalla frequenza

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

Esempio - Risultati delle simulazioni Induzione magnetica limite frequenza fondamentale Ciascuna colonna di un gruppo rappresenta il valore calcolato per uno dei 4 modelli considerati in corrispondenza di una frequenza. (In questo esempio sono rappresentati 8 valori di frequenza)

Esempio - Risultati delle simulazioni Densità di corrente indotta limite frequenza fondamentale Ciascuna colonna di un gruppo rappresenta il valore calcolato per uno dei 4 modelli considerati in corrispondenza di una frequenza. (In questo esempio sono rappresentati 8 valori di frequenza)

Induzione magnetica - B B elevata = 7 mT BL = 500 µT, 0.5 mT Livelli espressi con una scala colorata È possibile estrarrre il valore massimo in un volume B bassa = < 0.4 mT I = 6938.4 A , f = 50 Hz Valori di picco

Corrente indotta - J J elevata = 18 mA/m2 JL = 10 mA/m2 Livelli espressi con una scala colorata È possibile estrarrre il valore massimo in un volume J bassa = < 1 mA/m2 Valori di picco I = 6938.4 A , f = 50 Hz

Corrente indotta - J Valori di picco J elevata = 18 mA/m2 JL = 10 mA/m2 Livelli espressi con una scala colorata È possibile estrarrre il valore massimo in un volume J bassa = < 1 mA/m2 I = 6938.4 A , f = 50 Hz

Cilindro I = 6938.4 A , f = 50 Hz 27 mA/m2 1 mA/m2 Valori di picco d = 3 cm d = 30 cm JL = 10 mA/m2

Posizione del conduttore I = 6938.4 A , f = 50 Hz GA GB 27 mA/m2 18 mA/m2 Valori di picco JL = 10 mA/m2

Posizione del conduttore – indice di esposizione   GA GB  Tissue α(B) α(J)  α(J) liver 27,26 0.78 0.03 0.26 0.02 Heart 12,09 0.64 0.06 0.66 intestine 1,92 5.3 1.22 0.2 0.09 Colon 18,34 3.37 0.13 Bone 49,85 2.68 0.05 33.38 0.18 pancreas 1.37 0.34 0.25 0.07 Kidney 11,21 2.2 0.1 0.24 Stomach 1.32 0.45 0.3 Lung 14,62 0.48 0.04 2.09 Muscle 4,29 7.29 0.73 27.75 1.8 Spleen 11,67 0.33 Marrow 36,50 0.87 1.11 CerebellarFluid 0,50 0.63 0.56 BrainStem 13,29 0.01 1.02 cerebellum 10,50 0.08 1.19 0.19 Brain 18,77 1.17 Fat 51,15 9.37 95.85 2.51 cylinder 5 49,3 1,97 47,4 1,5

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

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

Effetto delle resistività dei tessuti - 2 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 Omogeneo 1 mA/m2 Con resistività tessuti 3 mA/m2 Valori di picco BL = 10 mA/m2

Confronto tissue M1 & M2 M1[mA/m2] M2[mA/m2] ρ [Ωm] B [µT] RL J body 5 50 0.4 1.88 0.19 1.9 colon 5.3 44 0.95 0.10 0.91 0.09 liver 25.6 39 0.3 0.73 0.07 0.02 intestin 45 0.8 0.08 1.87 pancreas 37 0.36 0.04 0.92 kidney 9.3 35 0.58 0.06 0.35 0.03 stomach 42 0.71 1.46 0.15 Spleen 10.1 0.75 midolla 35.4 29 0.2 0.43 0.01 Cylinder 67 0.5 1.06 0.11

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 3 - 3.4 Ωm, intestino 1.9 Ωm) L’addensarsi delle correnti in alcune zone può dipendere dalla posizione della sorgente Data, 2009 56

Dati di bibliografia Data, 2009 57

Dati di bibliografia Data, 2009 58

Dati di bibliografia Da: 1.3 1.4 5 2 Data, 2009 59

Caratteristiche elettriche dei tessuti http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/ Data, 2009 60