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GB/T 25312-2010 焊接设备电磁场对操作人员影响程度的评价准则

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资料介绍

　　ICS 25. 160. 30 J 64

　　中华人民共和国国家标准

　　GB/T 25312—2010

　　焊接设备电磁场对操作人员

　　影响程度的评价准则

　　Thestandardization fortheevaluation ofwelderexposureto

　　electromagnetic field ofwelding equipment

　　2010-11-10发布 2011-05-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 25312—2010

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 术语和定义 1

　　3 曝露限值 2

　　3. 1 曝露限值 2

　　3. 2 基本限值 3

　　3. 3 电场下的曝露 3

　　3. 4 综合评估方法 3

　　4 试验与评估程序 3

　　4. 1 焊接环境电磁场测量 3

　　4. 2 电磁辐射现场监测的质量保证 4

　　4. 3 测试设备 4

　　4. 4 焊接电磁曝露评估方案 4

　　附录 A (规范性附录) 关于焊接作业人员电磁曝露的限定值及评估限值 6

　　附录 B (资料性附录) 关于焊接电磁场防护的一般信息 9

　　附录 C (资料性附录) 人体内感应的电流密度和内部电场的计算方法 — 处于磁场中的人体的

　　二维模型 10

　　GB/T 25312—2010

　　前言

　　本标准参考了世界卫生组织推荐国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)《限制时变电场、磁场和电磁场(300GHz及以下) 曝露的导则 , 1998》、电气与电子工程师学会/国际电磁安全委员会 (IEEE/ ICES)《关于人体曝露到 0~ 3 kHz 电磁场安全水平 (IEEEC95. 6-2002)》以及国内现行的相关标准 ,并结合我国国情 ,提出了在焊接环境下操作人员电磁场曝露限值的检测与评估的实施方法。

　　本标准附录 A 为规范性附录 , 附录 B、附录 C为资料性附录。

　　本标准由中国电器工业协会提出。

　　本标准由全国电焊机标准化技术委员会(SAC/TC70)归口。

　　本标准起草单位 :北京工业大学、唐山松下产业机器有限公司、深圳市瑞凌实业股份有限公司、成都熊谷电器工业有限公司、成都三方电气有限公司、深圳市佳士科技发展有限公司、成都电气检验所。

　　本标准主要起草人 :宋永伦、陈颉、邱光、肖介光、尹显华、潘磊、杨庆轩、萧波、支楠、张军。

　　Ⅰ

　　GB/T 25312—2010

　　焊接设备电磁场对操作人员

　　影响程度的评价准则

　　1 范围

　　本标准规定了焊接设备及其辅助装置在正常焊接条件下产生的电磁场对现场操作人员影响的评估。

　　本标准适用于焊接设备及其辅助装置。

　　本标准不涉及对焊接设备产品电磁兼容性的评定。

　　注 1: 本标准所涵盖的焊接设备主要包括电弧焊设备、电阻焊设备及其外围辅助设备 ,包括焊接电源、送丝装置、水冷箱、输出线缆、焊炬、引弧和稳弧器等。

　　注 2: 本标准不包含对所有已知焊接设备电磁环境的检测和评估。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本标准。

　　2. 1

　　基本限值 basic limit

　　直接依据确定的健康效应 ,并对不确定的健康效应采取了预防性原则而制定的曝露在时变的电场、磁场和电磁场的物理量限值。在本标准中 ,根据场的频率 ,基本限值的物理量为电流密度(J) 、比吸收率(SAR) 、功率密度(S) 。基本限值物理量通常难于直接测量。

　　2. 2

　　导出限值 referencelimit

　　用以评估在实际曝露条件下基本限值是否可能被超出。导出限值表示电场、磁场、电磁场与曝露个体的最大耦合状态 ,它通过基本限值用数学模型以及在特定频率下的实验研究结果进行推导出来的 ,该限值用电场强度(E) 、磁场强度(H) 、磁感应强度(B) 、脉冲场为比吸收能(SA) 、功率密度 S等物理量表示。由于其便于直接测量 ,通常用于与实际测量值对比并进行安全评估。当实际测量值低于导出限值可以保证基本限值不超标 ;而当测量值超出导出限值时并不能说明其一定超出基本限值 ,还需对基本限值开展进一步的详细评估。由此可提供最有效的防护。

　　2. 3

　　全身曝露 whole-body exposure

　　人体整体处于电磁场中的曝露。

　　2. 4

　　局部曝露 partialexposure

　　人体表面的局部处于电磁场中的曝露。

　　2. 5

　　电场 electric field

　　由电场强度与电通密度表征的电磁场的组成部分。

　　2. 6

　　磁场 magnetic field

　　由磁场强度与磁通密度表征的电磁场的组成部分。

　　GB/T 25312—2010

　　2. 7

　　电磁场 electromagnetic fields

　　由四个相互有关的矢量确定的 , 与电流密度和体电荷密度一起表征介质或真空中的电和磁状态的场。

　　2. 8

　　电场强度 electric field strength

　　→ →

　　电场矢量场量 E的大小决定了静电荷 q上作用的电场力 F ,具体可表述为 :

　　→ →

　　F =qE

　　注 : 电场强度的单位是伏特每米(V/m) 。

　　2. 9

　　磁场强度 magnetic field strength

　　→ →

　　磁场强度矢量场量 H 的大小与磁感应强度向量 B 相关 ,他们之间的关系具体可表述为 :

　　→ →

　　B =μrμ0 H

　　式中 :

　　μr— 介质的相对磁导率 ;

　　μ0— 自由空间磁导率。在给定点 ,等于磁感应强度除以磁常数 ,并减去磁化强度。

　　注 : 磁场强度的单位是安培每米(A/m) 。

　　2. 10

　　磁感应强度 magnetic induction

　　矢量场量 B,其作用在具有一定速度的带电粒子上的力等于速度与 B 矢量积 ,再与粒子电荷的乘

　　2(积)1,其1单位为 T。在空气中 ,磁感应强度等于磁场强度乘以磁导率 μ0 , 即 B=μ0 H 。

　　电流密度(J) currentdensity

　　表示在单位面积上流过的电流强度的物理量 ,或电磁场对人体内单位区域感应的电流强度。其单位为 A/m2 。

　　2. 12

　　能耗环境场 environmentalfield

　　由焊接设备所产生的电场或磁场 ,且在人体不存在时所测到的值。

　　2. 13

　　电磁场测量 electromagnetic field measurement

　　根据国际有关标准的规定 , 当辐射源的工作频率低于 300 MHz时 ,应对工作场所的电场强度和磁场强度分别测量。

　　2. 14

　　偶联因子 K couplingfactorK

　　偶联因子用于人体所处复杂电磁场情况的曝露评估 ,例如不均匀磁场或扰动电场。

　　注 1: 偶联因子 K 有不同的物理解释 ,并依赖于它与电场或磁场曝露关联度。

　　注 2: 偶联因子 K 的大小取决于应用的场源模型和人体模型。当曝露条件确定的情况下 ,例如在一个产品标准中 ,偶联因子的精确数值可直接确定 ,并且可以使用在类似产品标准的定义中。

　　3 曝露限值

　　3. 1 曝露限值

　　曝露限值以导出限值作为判定依据。对不宜以导出限值进行测量时 , 以基本限值作为判定依据。

　　GB/T 25312—2010

　　3. 2 基本限值

　　不同频率选择的基本限值 :

　　— 100 kHz 以下 ,基本限值为电流密度(J) ;

　　— 100 kHz~ 10 MHz,基本限值为比吸收率(SAR)和电流密度(J) ;

　　— 10 MHz~ 10GHz,基本限值为比吸收率(SAR) 。

　　3. 3 电场下的曝露

　　对于局域电场强度大约为 100V/m 的交替的电场 ,其强度低于安全水平 ,在这样的曝露情况下 ,感应电流的计算是没有必要的。

　　3. 4 综合评估方法

　　当电磁场为多个频率叠加时 ,应分别对多个物理量进行测量 ,不同频率电场、磁场对人体的作用具有累加效应。对于低频电磁曝露的安全评估 , 在低于 10 MHz 的频率下 ,磁场的评估应符合如下评估条件 :

　　式中 :

　　Bj— 测试点频率为 j 时的磁感应强度 ;

　　BL,j— 频率为 j 时规定的磁感应强度导出限值 ;

　　对于职业曝露 ,式中 b取为 30. 7 μT (见表 1) 。

　　对于脉冲或非正弦(包括直流分量)的焊接电流应对其直流和交流成分单独进行评估。其中交流成分应按照时变场的限值条件进行评估。直流成分应该按照静态场的限值进行评估。交流部分可能含有一系列的频谱成分 ,尤其是基波成分(例如在脉冲 MIG 或逆变焊焊接过程脉冲重复率) 和谐波成分。表 1给出了职业人员电磁曝露的导出限值。导出限值是曝露体全身的空间平均值 ,表示电场、磁场、电磁场与曝露个体的最大耦合状态 , 因此可提供有效的防护。焊接电磁曝露基本限值和导出限值见表 1。

　　表 1 焊接作业人员电磁曝露限值

　　基本限值

　　导出限值

　　频带

　　电流密度 J

　　mA/m2

　　头/躯干部分

　　频带

　　电场强度 E V/m

　　磁场强度 H A/m

　　磁感应强度 B μT

　　至 1 Hz

　　—

　　1. 63× 105

　　2× 105

　　1 Hz~ 4 Hz

　　40/f

　　1 Hz~ 8 Hz

　　20 000

　　1. 63×105 /f2

　　2×105 /f2

　　4 Hz~ 1 000 Hz

　　8 Hz~ 25 Hz

　　20 000

　　2×104/f

　　2. 5×104/f

　　1 kHz~ 100 kHz

　　f/100

　　25 Hz~ 0. 82 kHz

　　500/f

　　20/f

　　25/f

　　0. 1 MHz~ 10 MHz

　　f/100

　　0. 82 kH~ 65 kHz

　　610

　　24. 4

　　30. 7

　　—

　　65 kHz~ 1 MHz

　　610

　　1. 6/f

　　2. 0/f

　　注 1: f是指频率(Hz) 。

　　注 2: 由于身体的电特性不均匀 , 电流密度取垂直于电流方向的 1 cm2 横截面的平均值。

　　注 3: 对于 100 kHz及其以下的频率 ,可通过将均方根乘以 2 的平方根得到峰值电流密度值。

　　4 试验与评估程序

　　4. 1 焊接环境电磁场测量

　　在测试前 ,应尽可能地了解辐射源的性质和传播特性 , 以适当地选取测试仪器和准确地进行测量。

　　— 辐射源类型和辐射功率 ;

　　GB/T 25312—2010

　　— 辐射源数目 ,如果多个辐射源存在 ,应确定是否属于同种辐射源 ,可否进行叠加 ;

　　— 相关的时域和频域特性 , 以选取相对应的探头类型 ;

　　— 辐射源到测试点的距离。

　　测量场所应是焊接操作现场并且应在辐射源正常工作时间内进行 , 同时要考虑电磁场对身体各个部位的影响。对于焊接设备(弧焊设备和阻焊设备)及其焊接过程中产生的磁场 , 为了准确地评估磁场对作业人员安全与健康的影响 ,在测试过程中尽量模拟焊接现场实际焊接情况 ,选取典型作业位置包括焊炬附近、电缆周围、电极附近等进行测量。这样才能真实地反映焊接作业人员所处位置的磁场大小。

　　焊炬所连接输出电缆距离身体最近 ,其产生的电磁场对人体影响最大。焊接作业人员现场作业时焊接电缆通常接近身体 ,所以选取距离电缆较近的测量点测量其磁感应强度 , 用来模拟电缆紧贴身体情况。

　　焊接电源本身也是辐射源 ,虽然电源外部机箱能起到一定的磁场屏蔽作用 ,但是由于屏蔽材料选取不当以及机箱设计不合理等因素的存在势必降低其屏蔽性能。由此产生的电磁辐射直接作用于人体 ,对人身安全造成了威胁。选取距焊接电源水平不同距离处分别进行测量其磁感应强度综合值 ,用来模拟焊工在焊接电源周围的情况。

　　阻焊设备的电极通过的电流较大 ,可达到几万安培 ,所以在电极周围将产生很大的磁场。焊接作业人员实施焊接时距离电极较近 , 由此产生的电磁辐射直接作用于人体头部、胸部以及手臂。电极附近的磁场强度可能超出测量设备的量程 ,为了保证测试设备及测试人员的安全 ,对阻焊设备的测量应采取从远处逐渐靠近电极的方式进行。

　　4. 2 电磁辐射现场监测的质量保证

　　对电磁辐射监测事先必须制定监测方案及实施计划。监测点位置的选取应考虑使监测结果具有代表性 ,不同的监测目的 ,应采取不同的监测方案。

　　监测所用仪器必须与所测对象在频率、量程、响应时间等方面相符合 , 以保证获得真实的测量结果。监测时要设法避免或尽量减少干扰 ,并对不可避免的干扰估计其对测量结果可能产生的最大误差。监测时必须获得足够的数据量 , 以便保证测量结果的统计学精度。

　　监测仪器和装置(包括天线或探头)必须进行定期校准。监测中异常数据的取舍以及监测结果的数据处理应按统计学原则处理。

　　电磁辐射监测应建立完整的文件资料。仪器的校准说明书 ,监测方案 ,监测布点图 ,测量原始数据 ,统计处理程序等必须全部保留 , 以备复查。任何存档或上报的监测结果必须经过复审 ,复审者应是不直接参与此项工作但又熟悉本内容的专业人员。

　　4. 3 测试设备

　　电磁场测量是采用各向同性的磁场探头将某一点的磁感应强度量值转化为电量(如电流或电压) ,该电量经采集系统转化为离散的数字信号 ,这些离散的数字信号经 FFT 变换 ,转换成磁感应强度的频谱 , 比较各频段的测量值和导出限值评估当前焊接环境电磁污染是否超标。一个典型的测量焊接电磁场分布的测量和评估的设备包括 :各相同性的磁场探头、数据采集模块和分析软件等 ,并且具有对所测的焊接环境电磁场是否超标的评估功能。

　　4. 4 焊接电磁曝露评估方案

　　焊接电磁曝露评估涉及到焊接设备及其所处的环境 ,不同的焊接电源在不同的环境下电磁曝露情况是不一样的。评估方案框图如图 1所示。图中两个虚线框内的内容是焊接电磁场信息的获得途径 ,即得到由焊接电流引起的电磁场的空间分布情况。这一过程可以有测量和仿真两种方法获得 ,仿真的前提是焊接电流的参数明确 ,把焊接电流施加在焊接电源电磁模型中 ,计算电流引起的电磁场场强。而测量则是利用低频电磁场测量装置对焊接电源实际工作时产生的电磁场测量得到电磁场场强值。焊接电磁曝露评估分析软件 ,实现不同频率磁场强度测量值与导出限值的对比 , 给出是否超标提示 ; 当不同频率分量磁场都不超标时 ,按照评估公式计算综合磁场曝露是否超标。

　　GB/T 25312—2010

　　焊接电磁场评估过程中应注意以下问题 : 电磁场的场源主要是焊接电流 ,其幅值对电磁场曝露的影响是最大的 , 因此评估电磁场曝露应该基于以上参数 ,其中焊接回路的特点及构造、测试距离、运行状态和其他有关参数应给予详细的说明。除了采用测量方式对电磁曝露情况评估以外 ,还可以采用数值模拟的方法对焊接电磁场进行评估 ,这种方法基于焊接电源的结构和焊接参数进行计算和评估。适合于在焊接电源出厂时 ,对特定的焊接电源做电磁曝露的评估。

　　图 1 焊接电磁曝露评估系统流程图

　　GB/T 25312—2010

　　附录 A

　　(规范性附录)

　　关于焊接作业人员电磁曝露的限定值及评估限值

　　本标准所涉及的焊接作业人员电磁安全与健康问题是基于已确定的短时效应提出 ,这些对人体的不利影响由电磁场作用于人体产生感应电流与能量吸收造成。同时长期曝露于电磁场而造成的健康危害并不包括在本标准中。对焊接环境的电磁场进行测量、计算、评估必须由专门人员有计划并且定期进行实施。各个环节所得到的数据将以某种特定形式储存 , 以备日后参考。

　　本标准分别规定了两类曝露限值 ,一类称为基本限值 ,而另一类为导出限值。其中基本限值与焊接环境电磁场的频率有关 ,是根据直接与人体健康相关的生物效应提出的 ,任何情况下操作人员的电磁曝露均不得超过该数值。其低频范围内由电流密度给出 ; 高频范围(大于 100 kHz) 时由比吸收率(SAR)给出。遵从基本限值能保证人体不受已确定的有害效应的风险。与频率有关的电磁曝露基本限值由表A. 1 给出。

　　表 A. 1 焊接作业人员电磁曝露基本限值

　　频带

　　电流密度 J

　　mA/m2

　　头/躯干部分

　　平均比吸收 SAR W/kg

　　局部比吸收 SAR

　　W/kg

　　头/躯干部分

　　局部比吸收 SAR

　　W/kg

　　四肢部分

　　至 1 Hz

　　—

　　1 Hz~ 4 Hz

　　40/f

　　—

　　4 Hz~ 1 000 Hz

　　—

　　1 kHz~ 100 kHz

　　f/100

　　—

　　0. 1 MHz~ 10 MHz

　　f/100

　　0. 4

　　0. 01 GHz~ 10 GHz

　　—

　　0. 4

　　注 1: f是指频率(Hz) 。

　　注 2: 由于人体各部位的电特性不均匀 , 电流密度取垂直于电流方向的 1 cm2 横截面的平均值。

　　注 3: 对于 100 kHz及其以下的频率 ,可通过将均方根乘以 2 的平方根(约为 1. 414)得到峰值电流密度值。对于周期为 tp 的脉冲 ,基本限值可用等效频率 f= 1/(2tp) 。

　　注 4: 所有 SAR 值为任意 6 min的平均值。

　　注 5: 局部曝露 SAR值为 10 g组织的平均值。

　　1 Hz~100kHz范围内各频率的基本限值由电流密度给出 , 图 A. 1 给出了低频电磁场感应电流密度的生物效应 , 以避免心血管和中枢神经系统等遭受的不利影响。在 1 Hz至 10MHz频段内 , 电流密度限定值是为了保护中枢神经系统功能。大于 100kHz时 ,所规定的比吸收率(SAR,单位为 W/kg)限值是为了避免人体组织温度的过于升高 ,而电流密度限定值用来保护头和躯干部分的中枢神经系统组织免受剧烈的刺激。所以对于比吸收率的测量采取 6 min内取平均值的方法 ,而电流密度的测量则不能计算平均值。复杂脉冲情况的评估应遵从更为严格的计算方法。SAR值与体内感应电场强度的平方呈正比。平均SAR值和人体 SAR分布可以通过实验测量和数值计算得到 ,SAR值与以下因素有关 :

　　a) 辐射场参数 ,例如频率、强度、近场区或远场区 ;

　　b) 曝露体特征参数 ,例如人体外形、几何尺寸、不同组织的电介质特性等 ;

　　c) 曝露体周围物体的屏蔽效应和反射效应。

　　在不同频率同时曝露的条件下 ,能否将这些频率曝露进行综合考虑是十分重要的。应分别对多个物理量进行测量 ,下式是针对于多源场下假设条件下曝露的情况 :

　　GB/T 25312—2010

　　式中 :

　　SARi— 由于频率i曝露的 SAR 值 ;

　　SARL— 表 A. 1 中给出的 SAR 限值。

　　导出限值用来同实际测量的物理数值进行比对。一般来讲 ,导出限值可以保证曝露限值不超标 ,如果测量值超出导出限值并不意味着曝露限值也同时超出 ,需要进一步的分析方可确认。在焊接作业人员实际曝露环境中 ,用于安全评估并且直接可测得物理量是电场强度 E、磁场强度 H、磁感应强度 B,各个频段导出限值由表 A. 2 给出。

　　表 A. 2 焊接作业人员各频段的导出限值(均方根值)

　　频带

　　电场强度 E V/m

　　磁场强度 H A/m

　　磁感应强度 B μT

　　功率密度 S W/m2

　　至 1 Hz

　　—

　　1. 63× 105

　　2× 105

　　—

　　1 Hz~ 8 Hz

　　20 000

　　1. 63×105 /f2

　　2×105 /f2

　　—

　　8 Hz~ 25 Hz

　　20 000

　　2×104/f

　　2. 5×104/f

　　—

　　0. 025 kHz~ 0. 82 kHz

　　500/f

　　20/f

　　25/f

　　—

　　0. 82 kHz~ 65 kHz

　　610

　　24. 4

　　30. 7

　　—

　　0. 065 MHz~ 1 MHz

　　610

　　1. 6/f

　　2. 0/f

　　—

　　1 MHz~ 10 MHz

　　610/f

　　1. 6/f

　　2. 0/f

　　—

　　10 MHz~ 400 MHz

　　0. 16

　　0. 2

　　400 MHz~ 2 000 MHz

　　3f1/2

　　0. 008f1/2

　　0. 01f1/2

　　f/40

　　注 1: f是指频率(Hz) 。

　　注 2: 低于 1 Hz的电磁场属于静磁场 ,此表未提供限值。

　　注 3: 频率在 100kHz~ 10MHz范围内 ,场强峰值是通过在 100kHz峰值的 1. 5倍和 10MHz峰值的 32倍内插值得到。

　　注 : F— 造成永久性损伤限值 ;P— 感知限值 ;L— 可承受限值。

　　图 A. 1 低频电磁场感应电流密度生物效应(1Hz~ 100kHz)

　　GB/T 25312—2010

　　对高频电磁辐射的测量参数分别为电场强度、磁场强度和电磁场功率通量密度。对于不同的测量应选用不同类型的仪器 , 以期获取最佳的测量结果。测量仪器根据测量目的分为 :非选频式宽带辐射测量仪和选频式辐射测量仪。无论是非选频式宽带辐射测量仪还是选频式辐射测量仪 ,基本构造都是由天线(传感器)及主机系统两部分组成的。对电磁辐射源的测量主要是监测其近场区电磁辐射的强弱。由于近区场强很大 ,较远处的其他电磁辐射源的贡献可忽略不计 , 因此 ,对近区场强应选用综合场强仪测量。

　　对高频电磁辐射源的测试由如下环节着手 :

　　a) 环境条件。对环境条件测量的仪器应按照规定的使用条件 ,测量记录表应注明环境温度和相对湿度。

　　b) 测量仪器。可选用各向同性响应或有方向性电场探头或磁场探头的宽带辐射测量仪。采用有方向性探头时 ,应在测量点调整探头方向以测出测量点最大辐射电平。测量仪器工作频带应满足待测场要求。

　　c) 测量时间。在电磁辐射源正常工作时间内进行测量 ,每个测点连续测 3 次 ,每次测量时间不应小于 15 s,并读取稳定状态的最大值。若测量读数起伏较大时 ,应适当延长测量时间。

　　d) 测量位置。测量位置取作业人员操作位置 ,距地面水平距离 ,对腹部、腰部、胸部三个部位。

　　e) 数据处理。求出每个测量部位平均电场强度值(若有几次读数) ,最好是 RMS平均值。

　　GB/T 25312—2010

　　附录 B

　　(资料性附录)

　　关于焊接电磁场防护的一般信息

　　在焊接设备的操作手册上应提供以下关于电磁场防护的一般信息 :

　　a) 当电流通过任何导体时将会产生局部电磁场(EMF) ,且分布在焊接设备及其回路的周围。

　　b) 电磁场对某些医学植入装置产生干扰 ,如心脏起搏器等。为此要采取相应的防护措施 ,例如 ,设置专用人员通道或对操作人员做出专门评估等。

　　c) 所有焊接人员必须遵从以下操作方法以便减少操作人员在焊接回路电磁场中的曝露。

　　— 在可能情况下 ,把焊接电缆扎在一起走线 ;

　　— 在焊接作业中使身体和头部尽可能远离焊接回路 ;

　　— 不要把焊接电缆盘绕在身体上 ;

　　— 避免在焊接电缆之间进行焊接作业 ,将焊接电缆置于操作人员的同一侧 ;

　　— 与工件连接的地线应尽可能短 ,并靠近焊接实施的区域 ;

　　— 在焊接作业中不可坐、靠或贴近焊接电源。

　　GB/T 25312—2010

　　附录 C

　　(资料性附录)

　　人体内感应的电流密度和内部电场的计算方法— 处于磁场中的人体的二维模型

　　本标准对人体内感应的电流密度和内部电场的计算方法适用于的频率范围 ,是依据人体处于电场和磁场中时人体内的感应电压或感应电流给出的接触限值 , 这一频率范围包括低频和中频 , 最大到100 kHz。在标准中所用的一些方法在一些具体情况下可以使用于更高频率场合。

　　根据生物和医学实验 , 得到关于这些基本感应现象的曝露限值通常称为 “基本限值 ”, 已经包含了安全因素。由于感应电量是不能直接测量的 , 因此提出了 “导出限值 ”,这是根据外部电场或磁场与人体耦合作用的模型得到的 ,且所获得的限值是保守的。

　　C. 1 范围

　　本附录介绍耦合因子 K, 以对处于复杂磁场中的人体进行曝露评估 ,例如处于非均匀磁场或扰动电场中的人体 , 耦合因子 K 有不同的物理解释 ,这要依靠人体与电场或磁场曝露情况相关联。

　　本附录较详细地定义处于非均匀磁场中人体简化模型的耦合因子 K, 因此 ,将其称为 “非均匀的磁场条件下的耦合因子 ”。

　　本附录的所有计算均使用了低频率假定条件 , 即忽略了位移电流的存在。这一假设在处于低频率范围的人体是有效的 ,具体需要参数满足 εω≪σ。

　　对于频率到了几赫兹的情况 , 电导率与介电常数的比率应进行计算 , 以验证是否满足上面的假设条件。

　　C. 2 分析模型

　　C. 2. 1 概述

　　处于频率在 100 kHz以下磁场的人体组织通常依据感应电流密度或内部电场来进行定义的。这些电学参数不可能直接测量 ,在本附录中给出了由外部磁场来评估这些参数的方法和工具。

　　感应电流密度 J 和内部电场 Ei 由以下简化公式紧密地联系在一起 :

　　J=σEi …………………………( C. 1 )

　　式中 :

　　σ— 生物组织的电导率。

　　本附录内容是根据感应电流密度 J 而提出的 ,生物组织内部电场的感应电流密度 J 很容易从上述公式中推导而来。

　　分析模型用于用以定量感应电流或内部电场和外部磁场之间的关系。这些均引入了高度简化的人体几何尺寸模型 , 假设人体具有均匀的电导率和处于均匀磁场的作用下。这样的模型有严格的限制。因为人体是一个非常复杂、非均匀结构 ,并且焊接电磁场通常是非均匀的。

　　C. 2. 2 均匀场的基本分析模型

　　根据单一频率的均匀外部磁场与给定电导率条件下均匀导电盘耦合假设的基础上 ,最简单的分析模型用于代表身体的研究部位 ,如图 C. 1示意。

　　这一模型的目标是提供一种简单的评估感应电流和内部场的方法。这一方法给出了计算电量的保守值。

　　GB/T 25312—2010

　　图 C. 1 处于均匀磁感应强度的一个导电盘

　　对于交替变化的磁场 ,该计算假设身体或处于磁场中的身体部位是半径为 r、电导率为 σ 的圆柱体 ,计算条件采用了最大耦合条件 , 即均匀磁场垂直穿过圆盘。在这种情况下 ,在半径 r处的感应电流密度可以由下式计算 :

　　J …………………………( C. 2 )

　　式中 :

　　B— 磁感应强度。

　　对于单一频率 f条件下 ,该式可变为 :

　　J(r) =σπrfB …………………………( C. 3 )

　　如图 C. 1所示圆盘内部感应电流的分布 ,感应电流近似呈以圆盘中心轴的旋转对称状。感应电流的最小值(零)处于中心处 ,感应电流的最大值在圆盘边缘。

　　C. 3 数值模型

　　C. 3. 1 数值模型的简介

　　电磁场由麦克斯韦方程式描述 ,通过运用各种数值方法 ,这些方程式能够精确地求解二维或三维结构(二维或三维计算) ,例如 :

　　— 有限元法(FEM) ;

　　— 边界积分方程方法(BIE或 BEM) , 或者矩量法 ;

　　— 有限差分法(FD) ;

　　— 阻抗方法(IM) 。

　　其他方法是从这些方法衍生出来的 ,例如 ,从有限差分法衍生出来如下一些方法 :

　　— 时域有限差分法(FDTD) ;

　　— 频率依赖的时域有限差分法((FD)2TD) ;

　　— 标量位有限差分(SPFD) 。

　　通过考虑材料的真实几何结构和物理特性 , 来准确地求解麦克斯韦方程式 ,并且可在稳定或瞬变电流源情况下进行计算。

　　数值方法的选择是基于计算精度、计算效率和多个因素的综合考虑 ,这些因素例举如下 :

　　— 模仿人体所处的磁场 ;

　　— 模型化人体对象的大小和形状 ;

　　— 人体对象的描述水平(体素尺寸) ,或适当的网格划分 ;

　　— 频率范围 ,为了忽略麦克斯韦方程式的某些项(例如 :低频率情况下的位移电流) ;

　　— 电源信号(正弦 ,周期性或者瞬时的) ;

　　— 解决类型(二维或者是三维的) ;

　　— 数学公式表达 ;

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　　— 线性或非线性物理参量(导电系数、…) ;

　　— 数值方法的性能等。

　　这些方法对于解决具体问题是有用的。

　　C. 3. 2 二维模型— 一般方法

　　为了迅速获取对在人体内感应电流的理解 ,二维模拟方法能够通过使用非均匀磁场中的一个简单的人体替代表示方法 (一个导电盘 ,如图 C. 2 给出的模型示意)完成此项功能 ,具体如图 C. 3所示意。

　　图 C. 2 一个导电盘的有限元网格划分(2阶三角形)及细节

　　图 C. 3 处于非均匀磁感应强度的一个导电盘

　　从麦克斯韦关系式(应用低频率假定) ,可得到一个如下的数学表达式 :

　　……………………( C. 4 )

　　式中 :

　　Hex— 由源电流产生的激发场 ;

　　Hr— 由感应电流产生的反应场 ,感应电流可由下式确定 :

　　→ →

　　J =Curl(Hr) ……………………( C. 5 )

　　方程(C. 4)是用来使用有限元方法求解二维几何数值的 , 图 C. 2 给出了一个导电盘的有限元网格划分(2阶三角形)与详情。

　　激发场 Hex包括了三个非均匀场源。三个场源分别是 :通过一个无限长导线电流、两根相等电流的平行导线和一个电流的回路。

　　使用了 x、y、z坐标。x-y 平面是研究导电圆盘产生感应电流的平面。除了一些 Hex均匀的特例情况外 ,源电流处于同一平面中 ,只考虑 Hex在 z坐标方向上的分量 ,盘中的感应电流具有两个分量 Jx 和 Jy。

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　　C. 3. 3 生物组织的电导率

　　从外部磁场进行人体中感应电流的计算 ,受身体不同组织的电导率和他们各向异性的强烈影响。在本附录中给出的结果是在电导率均匀和各向同性假定条件下得到的 ,取平均电导率为定值 0. 2 S/m。 C. 3. 4 二维模型 — 计算条件

　　二维计算代码用于模拟由具有频率 f的交变磁场在一张导电盘中产生的感应电流 ,磁场源可分为以下四类 :

　　— 在所考虑空间中的均匀、定向的磁场 ;

　　— 由通过一个无限长导线电流产生的磁场 ;

　　— 由两根相等电流平行导线产生磁场 ;

　　— 由通过一个电流回路产生的磁场。

　　为了方便分析模型的比较 ,在这个标准中计算参量的所有数值是固定的 :

　　— 圆盘半径 :R= 100 mm;

　　— 场源频率 50 Hz。

　　— 圆盘电导率 σ=0. 2 S/m ;

　　除以上四个场源之外 ,从场源产生的磁场是不均匀的 , 随着距离场源距离的增加而减少 ,在这些情况下 ,引用的磁场值是其接近场源圆盘边缘的磁场数值。

　　对盘中感应电流产生的反应场 (由于盘的电导率非常小)可忽略不计。

　　C. 3. 5 非均匀磁场中的耦合因子

　　由局部磁场源(因此产生一个非均匀磁场)在盘中产生的感应电流密度 , 常常小于均匀磁场产生的感应电流密度 ,均匀磁场的大小与接近磁场源的非均匀磁场源盘子边缘处的磁场大小相等。非均匀磁场产生的感应电流减少 ,常常使用非均匀磁场耦合因子 K 来进行定量描述 ,非均匀磁场耦合因子 K 的物理定义如下 :

　　K = J非均匀 /J均匀 ………………………( C. 6 )

　　式中 :

　　J非均匀 — 处于由当地磁场源产生的非均匀的磁场中的导电盘的最大感应电流密度。

　　J均匀 — 处于均匀的磁场中的导电盘的最大感应电流密度。

　　J均匀可由方程(C. 3)得到下式 :

　　J均匀 = J(r=R) =σπRfB …………………………( C. 7 )

　　注 : 耦合因子 K 是在频率为 50 Hz条件下计算得到的。不管如何 , 由于低频率假定 ,这样的计算值对于本标准涉及

　　当处于均匀场中时 ,耦合因子 K= 1。

　　的一直到 100 Hz的整个频率范围都是有效的。同样 , 由于低频率假定 ,耦合因子 K 与电导率是无关的。

　　C. 3. 6 二维模型— 计算结果

　　本条款是各类场源条件下的一些数值分析结果的汇总 ,无论对于那种磁场源 , 当人体模型作为一个

　　均匀的圆盘予以处理。表 C. 1 给出了在不同类型磁场源和不同磁场源与导电圆盘距离情况下 ,非均匀

　　随着与磁场源之间距离的变化。

　　磁场耦合因子 K 的数值解(R= 100 mm;圆盘电导率 σ=0. 2 S/m) ,这些结果由图 C. 4 给出了耦合因子

　　表 C. 1 中所有数值均小于 1,某些情况下远小于 1。这一结果表明 ,导电盘中的最大电流密度对应

　　于盘边缘处的磁场 ,并且与磁场源的特征、导电盘与磁场源之间的距离等具有较宽的数值变化范围。只

　　有在场源与 “人体盘 ”之间的距离与盘自身尺寸(典型的是 10倍的盘半径大小)相比很大的条件下 ,均匀

　　均匀性必须予以考虑。

　　场近似(这种情况下 K= 1)是合适的。而当距离磁场源较近时(例如 :操作人员靠近焊接电源) ,磁场不

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　　图 C. 4 在三个磁场源中 ,非均匀磁场的耦合因子 K随着与磁场源之间的距离而

　　变化(可提供数据的最远距离为 1 900 mm ,导电盘半径 R= 100 mm)

　　非均匀磁场耦合因子 K的数值解(R= 100 mm)

　　表 C. 1 在不同类型磁场源及其与导电圆盘的不同距离情况下 ,

　　不同磁场源条件下的耦合因子 K

　　场源与圆盘之间的距离

　　一根无限长导线

　　两根相等电流平行导线导线之间距离为 5 mm

　　一个环形回路2. 5 mm 半径

　　0. 229

　　0. 094

　　0. 034

　　0. 350

　　0. 172

　　0. 080

　　0. 432

　　0. 237

　　0. 126

　　0. 492

　　0. 291

　　0. 169

　　0. 540

　　0. 337

　　0. 208

　　0. 579

　　0. 378

　　0. 244

　　0. 611

　　0. 413

　　0. 277

　　0. 638

　　0. 444

　　0. 308

　　0. 661

　　0. 472

　　0. 336

　　100

　　0. 682

　　0. 497

　　0. 361

　　110

　　0. 700

　　0. 520

　　0. 385

　　120

　　0. 716

　　0. 540

　　0. 407

　　130

　　0. 730

　　0. 559

　　0. 428

　　140

　　0. 743

　　0. 576

　　0. 447

　　150

　　0. 754

　　0. 592

　　0. 465

　　160

　　0. 765

　　0. 607

　　0. 482

　　170

　　0. 775

　　0. 621

　　0. 497

　　180

　　0. 783

　　0. 634

　　0. 512

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　　表 C. 1 (续)

　　不同磁场源条件下的耦合因子 K

　　场源与圆盘之间的距离

　　一根无限长导线

　　两根相等电流平行导线导线之间距离为 5 mm

　　一个环形回路2. 5 mm 半径

　　190

　　0. 792

　　0. 645

　　0. 526

　　200

　　0. 799

　　0. 657

　　0. 539

　　210

　　0. 806

　　0. 667

　　0. 552

　　220

　　0. 813

　　0. 677

　　0. 563

　　230

　　0. 819

　　0. 686

　　0. 575

　　240

　　0. 824

　　0. 695

　　0. 585

　　250

　　0. 830

　　0. 703

　　0. 595

　　260

　　0. 835

　　0. 711

　　0. 605

　　270

　　0. 839

　　0. 718

　　0. 614

　　280

　　0. 844

　　0. 725

　　0. 623

　　290

　　0. 848

　　0. 732

　　0. 631

　　300

　　0. 852

　　0. 738

　　0. 639

GB/T 25313-2010 焊接设备电磁场检测与评估准则

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