4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ, НАВЕДЕННЫХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ НА ПРОВОДЯЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ МОЩНЫХ

ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ

 

Методические указания

 

МУК 4.3.678-97

 

Дата введения: с момента утверждения

 

 

1. РАЗРАБОТАНЫ Бузовым А.Л.,Романовым В.А., Казанским Л.С., Кольчугиным Ю.И., Юдиным В.В. (Самарскийотраслевой научно-исследовательский институт радио Министерства связиРоссийской Федерации).

 

2. ПРЕДСТАВЛЕНЫ Госкомсвязи Россииписьмом от 27.05.97 № НТУОТ-1/058.

 

ОДОБРЕНЫ к утверждению Комиссиейпо государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при МинздравеРоссии.

 

3. УТВЕРЖДЕНЫ и введены вдействие Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации от 6ноября 1997 г.

 

4. ВВЕДЕНЫ ВПЕРВЫЕ.

 

 

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Методические указания составлены впомощь инженерам органов и учреждений санитарно-эпидемиологической службы,инженерно-техническим работникам, проектным организациям средств связи с цельюобеспечения предупредительного санитарного надзора за источниками излучениякило- (НЧ), гекто- (СЧ) и декаметрового (ВЧ) диапазонов технических средстврадиовещания и радиосвязи, а также для прогнозирования уровней напряжений,наведенных электромагнитными полями на проводящие элементы зданий и сооруженийв зоне действия мощных источников радиоизлучений этих диапазонов.

 

2. СУЩНОСТЬ МЕТОДА

 

Расчетный метод основан напредварительном расчете распределения тока, наведенного на проводящие элементы(металлоконструкции) объекта (здания или иного сооружения) полем излученияантенн радиостанций.

 

Задача о нахождении наведенноготока решается как внешняя электродинамическая задача методом интегральногоуравнения в тонкопроволочном приближении. Исследуемый объект представляется ввиде систем цилиндрических проводников. В соответствии с тонкопроволочнымприближением, во-первых, считается, что ток течет по оси проводника (т.е.поверхностная плотность тока как векторная функция пространственных координатзаменяется линейным осевым током - скалярной функцией криволинейной координаты,отсчитываемой вдоль оси проводника), а во-вторых, на поверхности проводникаучитывается только тангенциальная составляющая электрического поля,параллельная его оси.

 

Для решения интегральногоуравнения используется разновидность метода моментов - метод сшивания вдискретных точках при кусочно-синусоидальном базисе разложения искомой токовойфункции. Интегральное уравнение имеет смысл граничного условия на поверхностипроводника, которое выражается равенством нулю тангенциальной составляющейполного электрического поля - суперпозиции поля излучения антенн радиостанций иполя, создаваемого излучением наведенных токов. В рамках данного методаграничное условие накладывается в дискретных точках - точках сшивания.Интегральное уравнение сводится к системе линейных алгебраических уравнений(СЛАУ), решаемой относительно коэффициентов разложения токовой функции покусочно-синусоидальному базису. Число уравнений (неизвестных) СЛАУ, а такжечисло базисных функций равно числу точек сшивания, размещенных вдольпроводников объекта.

 

Поле излучения радиостанцийрассматривается как стороннее (не зависящее от параметров объекта) ирассчитывается (в точках сшивания) с учетом электрофизических параметров реальнойпочвы, экранизирующего и поглощающего действия стен зданий, а такжеподстилающей поверхности (нижнего перекрытия). Наведенные напряжениярассчитываются как результат действия полей излучения антенн радиостанций инаведенных токов.

 

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАВЕДЕННЫХНАПРЯЖЕНИЙ

 

Расчет выполняется в следующейпоследовательности:

 

- рассчитываются геометрическиепараметры проволочной модели исследуемого объекта (пространственные координатыточек сшивания и сегментов - коротких отрезков проводников, на которыхопределяются соответствующие базисные функции);

 

- в точках сшивания рассчитываютсятангенциальные составляющие стороннего поля - поля излучения антеннрадиостанций с учетом электрофизических параметров реальной почвы, влияния стенздания и подстилающей поверхности;

 

- составляется и решается СЛАУ -аналог интегрального уравнения; найденные коэффициенты разложения совместно сбазисными функциями восстанавливают токовую функцию, аппроксимирующую истинноераспределение тока;

  

- по найденному распределению токас учетом поля излучения антенн радиостанций рассчитываются наведенныенапряжения.

 

3.1. РАСЧЕТ ПРОВОЛОЧНОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

 

Задается основная декартовасистема пространственных координат. Относительно исследуемого объекта введеннуюсистему целесообразно ориентировать таким образом, чтобы оси абсцисс и ординатлежали в плоскости земной поверхности, ось аппликат была направлена вертикальновверх.

 

Исследуемый объект представляетсяв виде системы цилиндрических проводников. Совокупность осей проводниковпредставляет собой контур L’ (не обязательно гладкий и непрерывный), накотором определяется токовая функция I (I’), где I’ -криволинейная координата, отсчитываемая вдоль L’ (каждой точке напроводниках модели должно однозначно соответствовать некоторое значение I’).Для наложения граничных условий строится контур L, который представляетсобой контур L’, перенесенный на поверхность проводников (L и L’нигде не пересекаются и не соприкасаются). На контуре L’ выделяются Nкоротких отрезков - сегментов, как показано на рис. 1. Каждый k-йсегмент определяется тремя точками: I’ = a_k -начало, I’ = b_k  - средняя точка, I’ = с_k -конец. Отрезки[a_k, b_k] и [b_k, с_k]-соответственно 1-е и 2-е плечи сегмента (k-го) - могут не лежать наодной прямой и иметь разную длину. Соседние сегменты частично перекрываются:средняя точка k-го сегмента b_k совпадает сконцом (k-1)-го c_k-1 и началом (k+1)-го a_k+1 сегментов.Электрические соединения описываются введением дополнительных сегментов, плечикаждого из которых лежат на разных проводах, как показано на рис. 2.

Размещение сегментов на контуре L’

 

 

Рис. 1

Описание электрических соединений в проволочной модели

 

 

Рис. 2

 

Длина плеча сегмента не должна превышать 10% длиныволны, отношение этой длины к радиусу провода должно находиться в пределах3...10.

 

Каждому сегменту соответствуетодна точка сшивания. В качестве точек сшивания берутся точки контура L,наименее удаленные от средних точек соответствующих сегментов.

 

В результате расчетов на данномэтапе должны быть определены пространственные координаты (в основной системе)сегментов и точек сшивания.

 

3.2. РАСЧЕТ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН РАДИОСТАНЦИЙ

 

Поле излучения антенн радиостанцийв некоторой точке наблюдения вычисляется следующим образом.

 

Антенны рассматриваемых диапазоновпредставляют собой системы линейных проводников (вибраторов, проводниковрефлекторов антенн СГД, проводников ромбических антенн). Каждый проводникпредставляется как совокупность элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ).

 

Ток каждого ЭЭВ полностьюопределяется входным сопротивлением, мощностью передатчика и закономраспределения тока. В качестве последнего следует задаться синусоидальнымраспределением тока по проводникам вибраторных антенн и режимом бегущей волнытока в проводниках ромбических антенн. Поле в точке наблюдения находится каксуперпозиция полей, создаваемых всеми ЭЭВ антенны. Задача, таким образом,сводится к нахождению поля одного ЭЭВ.

 

Рассматриваются два типа ЭЭВ -горизонтальные и вертикальные. Практически все многообразие конструкций антеннНЧ, СЧ и ВЧ диапазонов исчерпывается данными типами ЭЭВ. Ниже для указаниягоризонтального и вертикального ЭЭВ будут использоваться надстрочные индексы"г" и "в", соответственно.

 

Горизонтальный ЭЭВ ориентируетсявдоль оси ОХ вспомогательной декартовой системы (отличающейся от основнойтолько поворотом на некоторый угол a относительно оси аппликат).Высота ЭЭВ относительно плоскости ХОY (которая совпадает с поверхностью земли) h.Компоненты разложения по базисным ортам вспомогательной системы электрическогополя в некоторой точке наблюдения с координатами х, y, z определяютсявыражениями:

;

,                                                       (3.1)

,

где  - дипольный момент;

 - волновое число для воздуха;

l - длина волны, м;

I - амплитуда тока ЭЭВ, А;

 - длина ЭЭВ, м;

 - расстояние между точкойнаблюдения и центром ЭВВ.

Функции е_х, е_y, e_zв (3.1) имеют вид:

;

;                                                (3.2)

,

где

,

,      (3.3)

.

Вертикальный ЭЭВ ориентируетсявдоль оси OZ вспомогательной цилиндрической системы и расположен на высоте hнад плоскостью z = 0, которая совпадает с поверхностью земли. Компонентыразложения по базисным ортам цилиндрической системы электрического поля в некоторойточке наблюдения с координатами r, z (в силу симметриизадачи азимут j может быть произвольным) определяются выражениями:

,

,                                                    (3.4)

где функции e_rи e_z имеют вид:

,

.                    (3.5)

Параметры, входящие в (3.3 - 3.5),вычисляются по формулам:

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,                                                             (3.6)

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

где r, R₂ -геометрические параметры задачи, выражающиеся формулами:

,                                            (3.7)

.

Вспомогательные функции  и  выражаютсячерез функцию ослабления y (z, r):

,                                                             (3.8)

Для вычисления функции ослабления,в которую входит интеграл вероятности от комплексного аргумента, используютсясходящиеся и асимптотические разложения:

, ;

, и;                    (3.9)

,  и ;

где ,

.

После вычисления поля ЭЭВ каквектора в соответствующей вспомогательной системе координат должнырассчитываться компоненты его разложения по ортам основной системы. Полеизлучения  (векторв основной системе) находится как векторная сумма полей отдельных ЭЭВ.

 

3.3. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА, НАВЕДЕННОГО

НА ПРОВОДЯЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОБЪЕКТА

 

Распределение тока определяетсякак токовая функция I(l’), полностью определяемая коэффициентамиразложения по кусочно-синусоидальному базису I₁, I₂, I₃, ... I_N(N - число сегментов).

Коэффициенты I₁, I₂, ... I_Nнаходятся решением СЛАУ:

,i = 1, 2, … N,                                           (3.10)

где Z_ik -коэффициенты, образующие квадратную матрицу импедансов;

E_ik - свободные члены СЛАУ.

Некоторый коэффициент Z_ik выражает связь между k-м сегментом и i-й точкой сшивания(физический смысл - тангенциальное поле в i-й точке сшивания при I_k= 1 А) и вычисляется по формуле:

,                                                              (3.11)

где  и  - составляющие,обусловленные собственно k-м сегментом и его зеркальным изображением в плоскостиподстилающей поверхности;

k_z = 1, если объект содержит нижнее (на уровне земнойповерхности) железобетонное перекрытие, в противном случае k_z= 0.

Величины  и  рассчитываютсяследующим образом.

На рис. 3 показаны произвольные i-яточка сшивания и k-й сегмент, с каждым плечом которого связанасоответствующая вспомогательная цилиндрическая система координат. Сначалавычисляются z-я и r-я компоненты поля (при I_k = 1А) в точке сшивания поочередно от каждого плеча сегмента. Формулы для z-йи r-й компонент поля, создаваемого в точке сшивания одним изплеч сегмента (в соответствующей цилиндрической системе, - см. рис. 3) имеютвид:

,          (3.12)

, (3.13)

где r₁ - расстояние до точки наблюдения от начала (конца)сегмента, м;

r₀ - расстояние до точки наблюдения от средней точкисегмента, м;

 - волновое число;

l - длина волны, м;

l - длина рассматриваемого плеча, м;

z и r - цилиндрические координаты точки наблюдения(соответственно аппликата и проекция радиус-вектора точки на плоскость z = 0, м).

Знак "+" в (3.11, 3.12)соответствует 1-му плечу сегмента, знак "-" - 2-му.

 

К выводу формул для расчета элементов матрицы импедансов

 

 и  - оси аппликатвспомогательных цилиндрических систем для 1-го и 2-го плеч k-госегмента, соответственно l_z1, l_r1, l_z2, l_r2 - единичныебазисные векторы вспомогательных цилиндрических систем

 

 

Рис. 3

 

Пусть z- и r -компоненты поля рассчитаны дляобоих плеч k-го сегмента, т.е. получены 4 числа. Обозначим их E_m,k, m = 1, 2, 3, 4. Каждой m-й компоненте в исходнойосновной системе координат соответствует единичный вектор . С учетом этихобозначений формула для  имеет вид:

,                                                  (3.14)

где  - единичный тангенциальныйвектор в i-й точке сшивания (c_i и a_i -радиус-векторы конца и начала i-го сегмента).

 

Величина  вычисляетсяаналогичным образом для зеркального изображения k-го сегмента.

 

Свободный член i-гоуравнения СЛАУ (соответствующего i-й точке сшивания) Е_iрассчитывается по формуле:

,                                                   (3.15)

где Е_из - полеизлучения радиостанций в i-й точке сшивания, В/м, вычисленное методом,описанным в п. 3.2.

Р_ст - коэффициент, учитывающий влияние стен здания (дляжелезобетонных стен Р_ст = 0,316, во всех остальных случаях Р_ст= 1).

 

 

3.4. РАСЧЕТ НАВЕДЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

 

Наведенное напряжение междунекоторыми точками с радиус-векторами  и  вычисляется поформуле:

,                                     (3.16)

где L₀ - контур интегрирования - прямолинейный отрезок,соединяющий точки  и ;

l⁰ -переменная интегрирования - криволинейная координата, отсчитываемая вдоль L₀;

v⁰ -радиус-вектор точки l⁰ (в основнойсистеме);

.

Е_из - поле излучения радиостанций в точке v⁰, В/м,вычисленное методом, описанным в п. 3.2.

Коэффициенты Z в (3.16)вычисляются также как и коэффициенты матрицы импедансов (п. 3.3), только вместоточки сшивания берется точка l⁰ (срадиус-вектором v⁰).

 

4. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЕЙ НАВЕДЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

 

4.1. СОСТАВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

 

В комплекс измерительногооборудования входят следующие комплекты, приборы и вспомогательные устройства:

 

- селективный микровольтметр SMV11;

 

- антенна для измерениянапряженности поля "ОРТ" (разработана Самарским отраслевым НИИрадио);

 

- милливольтметр ВЗ-48А(широкополосный измеритель среднеквадратического значения напряженияпроизвольной формы в диапазоне 10 Гц... 50 МГц);

 

- металлический лист МЛ круговойформы диаметром 1 м, имитирующий тело человека как емкость относительнопроводящего пола или реальной земли;

 

- соединительная шина,обеспечивающая соединение корпуса пробника прибора ВЗ-48А с МЛ;

 

- диэлектрическая штанга,осуществляющая надежную изоляцию тела оператора от металлоконструкции (штангаприкрепляется к корпусу пробника прибора ВЗ-48А).

 

4.2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

 

Экспериментальное определениевеличины наведенного напряжения выполняется в следующей последовательности.

 

4.2.1. Комплектом в составе SMV 11и антенны "ОРТ" (измеритель напряженности поля) выполняются измерениянапряженности поля вблизи металлоконструкции (в местах, доступных дляприкосновения). При этом возможны два случая:

 

- вблизи исследуемого объекта(здание, отдельно стоящее металлическое сооружение) находится однарадиостанция;

 

- вблизи исследуемого объектанаходится несколько радиостанций, но сигнал одной из них существеннопревосходит по уровню остальные;

 

- вблизи исследуемого объектанаходится несколько радиостанций, причем сигналы более чем 2-х из нихсоизмеримы по уровню.

 

В первом случае измерителемнапряженности поля находятся только точки максимумов напряженности поля (т.е.максимумов потенциала на металлоконструкции), в которых затем измеряютсянаведенные напряжения.

 

Во втором случае измерителемнапряженности поля находятся точки максимумов поля (потенциала) на частотестанции с превалирующим уровнем сигнала. Фиксируются показания прибора в этихточках, наибольшее значение V_m принимается равным 0 дБ (остальные нормируются по этомууровню). Затем в этих же точках определяются относительные (нормированные к V_m)уровни сигнала на частотах остальных радиостанций V_ij, дБ (i- номер радиостанции, j - номер точки измерения). Все показания приборафиксируются.

 

В третьем случае определяетсяотносительное среднеквадратическое значение как функция криволинейнойкоординаты х, отсчитываемой вдоль металлоконструкции:

,                                                 (4.1)

где i - номер радиостанции;N - общее число радиостанций.

 

Максимумы функции V_s(x) будут точками,в которых необходимо выполнить измерение напряжения. Эти точки фиксируются,фиксируются также показания прибора в этих точках V_ij,нормированные к максимальному измеренному уровню V_m.

 

4.2.2. В найденных точкахмаксимумов напряжения производится его измерение прибором ВЗ-48А согласно схемерис. 4., предварительно удалив покрытия (например, краску) с поверхностиметалла в этих точках. При измерениях необходимо щуп прибора плавно приближатьк точке касания, контролируя показания прибора. Если измеренное значениеоказывается равным 300 В до момента касания, измерение в данной точкепрекращается и делается вывод о превышении в ней уровня 300 В. В противномслучае осуществляется касание щупом поверхности металла и фиксируется показаниеприбора - среднеквадратическое значение , В (j - номер точкиизмерения).

Схема измерений наведенных напряжений

 

Рис. 4

 

4.2.3. Если радиостанция одна,измерения прекращаются. Значение наведенного напряжения для j-й точкинаблюдения берется равным , В. Если радиостанцийнесколько для каждой j-й точки измерения вычисляются значения наведенныхнапряжений U_ij, В по формулам:

,                               (4.2)

, i= 1, 2, … k-1, k+1, … N,

где k - номер радиостанции,уровень сигнала которой превышает все остальные.

 

4.2.4. При проведении измеренийприбором ВЗ-48А по схеме, показанной на рис. 4, необходимо обеспечить надежныйэлектрический контакт между соединительной шиной, корпусом пробника прибора иметаллическим листом МЛ.

 

4.2.5. Результаты измерений ирасчетов заносятся в протокол.