Úloha č.2

1.2 Měření hluku a elektromagnetického pole asynchronního motoru a
transformátoru
Cíle kapitoly: Laboratorní úloha má seznámit studenty s postupem měření hluku a
elektromagnetického pole u elektrických přístrojů a prověřit teoretické znalosti z
problematiky hygieny provozu uvedených zařízení. V rámci laboratorní úlohy bude měřením
stanovena hlučnost asynchronního motoru a transformátoru při třech stavech zatížení v určité
vzdálenosti od zařízení. V druhé části měření bude u stejných zařízení provedeno měření
elektromagnetického pole, kde budeme zjišťovat, zda stroje nepřekračují dovolenou hodnotu
uvedenou v normě. Naměřené hodnoty budou interpretovány grafickými průběhy měřených
veličin vztažených na vzdálenosti.
1.2.1 Úvod a rozbor úlohy
Hluk [1]:
Za hluk označujeme jakýkoliv škodlivý, rušivý nebo pro člověka nepříjemný zvuk. Z
fyzikálního hlediska představuje zvuk mechanické vlnění pružného prostředí v kmitočtovém
rozsahu normálního lidského sluchu od 20 Hz do 20 kHz. Zvuk se šíří od zdroje
prostřednictvím vln přenášejících akustickou energii. Zvuk v pásmu kmitočtů od 20 Hz do 40
Hz považujeme za nízkofrekvenční a od 8 do 16 kHz za vysokofrekvenční. Akustické kmitání
o kmitočtu nižším než 20 Hz označujeme za infrazvuk a zvuk o kmitočtu nad 20 kHz za
ultrazvuk. Při posuzování hluku se nejčastěji zabýváme hlukem, který se šíří vzduchem od
zdroje. Subjektivně rozeznáváme hlasitost, výšku a barvu zvuku. Podle časového průběhu
rozdělujeme zvuk na ustálený, proměnný, přerušovaný nebo impulsní. Před nadměrným
hlukem je třeba se chránit. Je totiž dobře známo, že dlouhodobá expozice nadměrnému hluku
vede k trvalému poškození sluchu. Závažné však jsou i mimosluchové účinky hluku.
Hluk vzniká jako vedlejší produkt lidské činnosti při provozu jakéhokoliv stacionárního
nebo mobilního strojního zařízení, používaného v řadě průmyslových oborů (např.
strojírenství, hutnictví, hornictví), dopravě, zemědělství atd. Vhodným příkladem zdrojů
hluku mohou být strojní zařízení a ruční nářadí s pneumatickým, hydraulickým nebo
elektrickým pohonem nebo stroje či dopravní prostředky vybavené vlastním spalovacím
motorem. Přitom je nutné rozlišovat hluk daný provozem pohonné jednotky a hluk z vlastní
technologie pracovní činnosti. Například při práci s bouracím kladivem, bruskou či
nastřelovací pistolí můžeme rozlišit technologický hluk vyplývající z interakce nástroje a
opracovávaného materiálu od samotného hluku pohonného agregátu, který bývá deklarován
na štítku zařízení na základě výsledků typové zkoušky. Je také zřejmé, že při obsluze
shodného strojního zařízení můžeme v závislosti na podmínkách prostředí zjistit podstatné
rozdíly v expozici hluku. V současnosti se v lehkém průmyslu hojně rozšiřuje impulsní
ultrazvukové svařování dílů, které vede u obsluhy k nadměrné expozici vysokofrekvenčnímu
hluku a ultrazvuku.
Při posuzování hluku na pracovištích se rozlišují měření hluku na pracovním místě,
měření hluku v pracovním prostoru a měření hlukové zátěže jednotlivce. Měření na
pracovním místě se provádí v případech, kdy se pracovník zdržuje převážně na jednom
pracovním místě a zbývající expozice hluku je nepodstatná. Měření hluku v pracovním
prostoru se uskutečňuje v případech, kdy v pracovním prostoru je rozmístěno větší množství
obdobných zdrojů hluku a lidé mění při práci pracovní místa. Přímé měření hlukové zátěže
jednotlivce se provádí v případech, kdy pracovník mění často pracovní místo a hluk na
jednotlivých místech je značně rozdílný. Pro přímé měření hlukové zátěže se používají osobní
hlukové expozimetry.
Základním deskriptorem pro popis hluku v pracovním prostředí je hladina akustického
tlaku Lp [dB], vztažená k referenčnímu akustickému tlaku 20 µPa, který odpovídá prahu
slyšení na kmitočtu 1000 Hz. Vyjádření úrovně hluku v decibelech jednak vystihuje fyziologii
slyšení, kdy lineární přírůstek sluchového vjemu odpovídá relativní změně podnětu (FechnerWeberův zákon), jednak umožňuje přehlednější třídění hlukových údajů, neboť dynamický
rozsah od prahu slyšení 20 µPa do prahu bolesti 200 Pa, tj. 7 řádů, je pokryt rozsahem 140
dB. Je však třeba mít na paměti, že hladina akustického tlaku je energetická veličina a že
lineární přírůstky hladin odpovídají kvadratickému nárůstu akustického tlaku. Například těsně
nad prahem slyšení je nárůst hladiny akustického tlaku o 2 dB nevýznamný, na 100 dB však
stejný nárůst znamená podstatné zvýšení expozice zaměstnance.
Citlivost sluchu není v závislosti na kmitočtu slyšitelného zvuku konstantní. Nejvyšší
citlivost je v rozsahu kmitočtů 1 kHz až 4 kHz. Směrem ke krajním slyšitelným kmitočtům
vně tohoto rozsahu pak citlivost sluchu výrazně klesá. Proto byly stanoveny kmitočtové
váhové funkce označené A a C, které odpovídají kmitočtové závislosti fyziologie slyšení při
středních a vysokých úrovních zvuku. Do měřicího řetězce zvukoměru se vždy zařazuje
váhový filtr A nebo C a výsledkem měření je pak hladina akustického tlaku A nebo C
označená LpA resp. LpC [dB].
Přípustný expoziční limit LAeq8h činí při fyzické práci pro osmihodinovou pracovní dobu
85 dB. Na duševní práci se vztahuje hygienický limit 50 dB. Ve velínech a na řídicích
pracovištích může být LAeqT nejvýše 60 dB.
Ochrana před nepříznivým působením hluku a vibrací je obecně upravena zákonem č.
258/2000 Sb. a zákoníkem práce, oba v platném znění. Nejvyšší přípustné hodnoty hluku je
stanovena v navazujícím nařízení vlády č. 148/2006 Sb. Vlastní metody měření a hodnocení
hluku jsou ve smyslu par. 21 nařízení vlády č. 148/2006 Sb. obsaženy v českých technických
normách ČSN ISO 1999, ČSN ISO 9612 a ČSN ISO 7196. Požadavky na zvukoměry, které
podle zákona č. 505/1990 Sb. v platném znění spadají do skupiny tzv. stanovených měřidel
podléhajících typové zkoušce a pravidelnému ověření jednou za dva roky, jsou upraveny
českými technickými normami ČSN EN 61672-1, -2 a -3.
Preventivní opatření - základem prevence je vyloučení nebo podstatné omezení emise
hluku přímo na zdroji. Nákup strojního zařízení či ručního nářadí s nižší deklarovanou
hodnotou hluku je hlavním předpokladem nízké expozice obsluhy. Originální protihlukové
kryty zařízení a další cílená opatření na zdrojích hluku jsou zpravidla nejúčinnější. V souhrnu
všech dopadů na pracovní prostředí jsou vynaložené prostředky nejefektivněji využity, neboť
taková opatření nesnižují produktivitu práce.
Posledním, nikoliv však nejméně důležitým prvkem cílené prevence je použití osobních
ochranných pracovních prostředků proti hluku. Chrániče sluchu je nutné používat, pokud
hladina akustického tlaku A překračuje 85 dB. Jejich vložný útlum by měl být takový, aby za
chrániči sluchu ve zvukovodu byla hladina hluku nižší než 85 dB. Při překročení expozice
hluku do 10 dB se doporučují zátkové chrániče vkládané do zvukovodu. Při expozici nad 95
dB se doporučují sluchátkové chrániče a nad 100 dB se zpravidla nasazují protihlukové
přilby, které omezují rovněž kostní vedení zvuku.
Elektromagnetické pole:
Hygienické hodnocení nízkofrekvenčních polí. Přípustnost expozice člověka
nízkofrekvenčním elektrickým a magnetickým polím s frekvencí do 100 kHz se v citovaném
dokumentu posuzuje podle hustoty elektrických proudů, které tato pole v těle člověka
vyvolají. V intervalu frekvencí od 100 kHz do 10 MHz se kromě přímého působení
indukovaných proudů v tkáni těla začíná uplatňovat i ohřev tkáně a pro posouzení přípustnosti
expozice je nutné posuzovat oba vlivy současně. U elektrických a magnetických polí a záření
s frekvencí vyšší než 10 MHz se při hygienickém hodnocení posuzuje již jen ohřev tkáně.
V této informaci se zabýváme polem s frekvencí energetické sítě, kdy se hodnotí jen
hustota elektrických proudů vyvolaných vnějším elektrickým a magnetickým polem. Ve
většině situací, kdy je příslušná osoba vystavena nízkofrekvenčnímu elektromagnetickému
poli, je pro posouzení expozice člověka nízkofrekvenčnímu poli rozhodující magnetické pole.
Nízkofrekvenční elektrická pole jsou v reálných situacích slabá nebo mají vysokou
impedanci, takže se při indukování elektrických proudů v těle uplatňují při hygienickém
hodnocení zřídka. Protože účinek indukovaných elektrických proudů na tkáň těla (jde
především o působení na nervovou soustavu) je okamžitý, hodnotí se indukované proudy
podle efektivních hodnot přes periodu. (Teprve v intervalu od 1 kHz výš je přípustné
sledování za dobu jedné sekundy.) To je podstatný rozdíl ve srovnání s hodnocením tepelného
působení polí s frekvencí vyšší než 100 kHz, kdy se sledování provádí za dobu šesti minut. U
statického magnetického pole, kdy k indukování elektrických proudů v těle může docházet
jen v důsledku pohybu těla nebo jeho částí v takovém poli, je pro hygienické hodnocení
expozice zaměstnanců výjimečně použit časový průměr velikosti magnetické indukce, které je
příslušná osoba vystavena během pracovní směny.
Nejvyšší přípustná hustota indukovaného proudu pro hlavu a hruď exponované osoby je
pro frekvenční interval od 4 Hz do 1 kHz (tedy i pro frekvenci 50 Hz, kterou se tato
informace zabývá) v citovaném nařízení vlády stanovena pro zaměstnance na 0,01 A/m2, pro
ostatní osoby (obyvatelstvo) na 0,002 A/m2, tedy pětkrát níž. V informaci č. 3 jsou v tabulce
č. 1 vypsány biologické jevy vyvolané elektrickými proudy v těle, které sloužily k stanovení
nejvyšších přípustných hodnot pro hustotu elektrických proudů s různou frekvencí.
Nařízení vlády stanoví pro praktická měření referenční hodnoty pro intenzitu elektrického
a magnetického pole. Nejsou-li překročeny referenční hodnoty pro intenzity polí, je tím
zajištěno, že není překročena ani nejvyšší přípustná hodnota hustoty indukovaných proudů v
těle exponované osoby. Protože referenční hodnoty jsou stanoveny tak, aby při jejich dodržení
nemohlo dojít k překročení nejvyšší přípustné hodnoty za žádných okolností, je v konkrétních
situacích zpravidla možné prokázat nepřekročení nejvyšší přípustné hodnoty i při značném
překročení referenční hodnoty. Taková situace se zvláště často vyskytuje u nehomogenních
polí, kdy je vyšší intenzitě pole vystavena jen malá část těla. Tuto okolnost je třeba brát v
úvahu při hodnocení expozice magnetickým polím v okolí vodičů protékaných elektrickým
proudem. Pro frekvenci 50 Hz je referenční hodnota magnetické indukce pro zaměstnance
rovná 5.10-4 tesla (500 mikrotesla), pro ostatní osoby 10-4 tesla (100 mikrotesla). To jsou
hodnoty velmi nízké, opuštěná evropská přednorma ENV 50166/1995 měla pro tento případ
referenční hodnotu pro zaměstnance 2.10-3 tesla a pro obyvatelstvo 5.10-4 tesla.
1.2.2 Úkol měření
Úkolem měření je ověřit intenzitu hluku na zvoleném zařízení při normálním provozu a
při simulované poruše, kterou vytvoříme uměle, u asynchronního motoru umístíme na
nevyváženou zátěž na hřídel a transformátor zatížíme nesymetrickou zátěží. Měření bude
probíhat v definovaných vzdálenostech od zařízení tak, aby bylo možné vytvořit hlukovou
mapu pro jednotlivá zařízení. Dále bude asynchronní motor vložen do zvukotěsného boxu,
kde se pokusíme odfiltrovat okolní ruchy. Naměřené hodnoty budou zpracovány a
konfrontovány s dovolenými hodnotami podle hygienického předpisu.
V druhé části bude měřena intenzita magnetického pole jednotlivých zařízení a
následovně budou hodnoty vyneseny graficky v závislosti magnetického pole na vzdálenosti
od zařízení vytvořena mapa intenzity magnetického pole jednotlivých přístrojů.
1.2.3 Schéma zapojení asynchronního motoru a transformátoru
Obr. 2.1: Schéma zapojení asynchronního motoru a transformátoru k elektrické síti.
1.2.4 Použité měřicí přístroje a komponenty
-
Hlukoměr
-
Přístroj pro měření elektromagnetického pole TRIXIAL ELF MAGNETIC FIELD
MATER model 4090
-
Asynchronní motor
-
Transformátor 400/240V
-
Odporníky 20 Ω a 10 Ω
-
Zvukotěsný box – Umožní nám odstínit okolní ruchy a změřit hlučnost motoru
v bezprostřední vzdálenosti.
-
Optický snímač – Bude zaveden do zvukotěsného boxu, aby bylo možné odečítat
hodnoty u hlukoměru.
-
Notebook Lenovo
1.2.5 Postup měření
1) Měřený asynchronní motor si umístíme na připravený podstavec 1 m nad zemí do
středu laboratoře, abychom měli dostateční prostor pro měření.
2) Vytvoříme si pomyslnou měřící síť o velikosti 0,5 m x 0,5 m, tak, jak je uvedeno
v tabulce pro měření Tab.2.1.
3) Spotřebič připojíme k síti podle pokynů učitele.
4) Změříme hodnoty v jednotlivých bodech námi vytvořené souřadnicové síti. Měření
provedeme ve vzdálenosti 1 m od země. Současně měříme i intenzitu magnetického
pole pomocí ve stejné výšce, ale pouze kolmo na spotřebič.
5) Hodnoty vyneseme do připravené tabulky Tab.2.1 (Intenzitu magnetického pole
zaneseme do modře zvýrazněných polí).
6) Nyní motor umístíme do zvukotěsného boxu a změříme skutečnou hlučnost motoru při
jmenovitých zatíženích, bez okolního ruchu. Hlukoměr společně s optickým snímačem
umístíme také do boxu. Měřenou hodnotu hluku budeme sledovat na počítači. A
zapíšeme do tabulky Tab.2.1.
7) U asynchronního motoru vytvoříme poruchu přidáním nerovnoměrné zátěže na hřídel
a provedeme opět měření podle stanovené souřadnicové sítě, hodnoty zapíšeme do
tabulky Tab.2.2. Současně změříme intenzitu magnetického pole.
8) Zopakujeme měření motoru s poruchou, který umístíme do zvukotěsného boxu.
Hodnotu poznačíme do tabulky Tab.2.2.
9) Stejný postup měření provedeme i u transformátoru se souměrnou zátěží a hodnoty
zaneseme do připravených tabulek Tab.2.3. Měření v boxu vynecháme.
10) Další měření provedeme se simulovanou poruchou tak, že na transformátor připojíme
nesouměrnou zátěž výměnou odporníků. Tab.2.4.
1.2.6 Zpracování výsledků
Vypracujte protokol o měření, který bude obsahovat:
-
Vlastní teoretický rozbor probírané problematiky.
-
Skutečný postup měření.
-
Reálné schéma zapojení.
-
Naměřené hodnoty zanesené do připravené tabulky Tab.2.1 – Tab.2.4
-
Soupis použitých přístrojů.
-
Graficky znázorněnou hlukovou mapu.
-
Grafickou závislost intenzity magnetického pole na vzdálenosti od přístroje.
Při vypracování záznamu o měření magnetické indukce na zařízení je nutné přepočítat
hodnotu změřenou v mG (mili Gauss) na hodnotu v T (Tesla).
Tab. 2.1: Intenzita hluku a magnetického pole pro asynchronní motor.
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
3
2,5
2
1,5
1
0,5
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
Měření ve zvukotěsném boxu
-0,5
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Tab. 2.2: Intenzita hluku a magnetického pole pro asynchronní motor – při poruše.
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0,5
1
1,5
2
2,5
3
1
1,5
2
2,5
3
3
2,5
2
1,5
1
0,5
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
Měření ve zvukotěsném boxu
Tab. 2.3: Intenzita hluku a magnetického pole pro transformátor
-3
3
2,5
2
1,5
1
0,5
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0,5
Tab. 2.4: Intenzita hluku a magnetického pole pro transformátor – při poruše
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0,5
1
1,5
2
2,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
Zdroje:
[1] JANDÁK, Z. Hluk v pracovním prostředí. STÁTNÍ ZDRAVOTNÍ ÚSTAV [online].
2007 [cit. 2014-01-03]. Dostupné z: http://www.szu.cz/tema/pracovni-prostredi/hlukv-pracovnim-prostredi
[2] JELÍNEK, L. Hygiena práce - informační NRL č. 12/2002. HYGIENICKÁ STANICE
HLAVNÍHO MĚSTA PRAHY. Hygpraha [online]. c 2002 - 2012 [cit. 2014-01-03].
Dostupné z: http://www.hygpraha.cz/odbory.php?ksum=Mjg=
1.2.7 Kontrolní otázky
1) V jakém frekvenčním rozsahu je definován ultrazvuk?
2) Od jaké hodnoty frekvence je definován infrazvuk?
3) Uveďte rozdělení zvuku dle časového průběhu.
4) Jak je možné se chránit proti nežádoucím účinkům hluku?
5) Uveďte maximální hodnotu hygienického limitu hluku při fyzické práci (pro
8 hodinovou pracovní dobu).
6) Uveďte maximální hodnotu hygienického limitu hluku při duševní práci (pro
8 hodinovou pracovní dobu).
3
7) Uveďte maximální hodnotu hygienického limitu hluku při práci na řídících
pracovištích (pro 8 hodinovou pracovní dobu).
8) Jaká je dovolená maximální hodnota magnetického pole pro zaměstnance v provozu
pro referenční hodnotu 50 Hz?
9) Jaká je dovolená maximální hodnota magnetického pole pro ostatní osoby pro
referenční hodnotu 50 Hz?
10) Stanovte přepočet veličiny v jednotkách Gauss (G) na hodnotu v jednotkách Tesla (T).