4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение уровней электромагнитного поля
в местах размещения средств телевидения и ЧМ-радиовещания

Методические указания

МУК 4.3.045-96

 

Госкомсанэпиднадзор России

Москва

1996

 

1. Разработаны сотрудниками Самарского отраслевого научно-исследовательского института радио Министерства связи Российской Федерации (Бузовым А. Л., Романовым В. А., Казанским Л. С., Кольчугиным Ю. И., Юдиным В. В.).

2. Утверждены и введены в действие Председателем Госкомсанэпиднадзора России - Главным Государственным санитарным врачом Российской Федерации 2 февраля 1996 г.

3. Представлены Министерством связи России (№ 5591 от 24.10.95).

4. Введены взамен «Методических указаний по определению уровней электромагнитного поля и границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки в местах размещения средств телевидения и ЧМ-радиовещания», утв. Минздравом СССР № 3860-85.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Область применения

2. Сущность метода

3. Основные положения методики расчетного прогнозирования уровней электромагнитного поля и границ санитарных зон

4. Методика измерений уровней электромагнитного поля

 

 

4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение уровней электромагнитного поля
в местах размещения средств телевидения и ЧМ-радиовещания

1. Область применения

Методические указания составлены в помощь инженерам органов и учреждений санитарно-эпидемиологической службы, инженерно-техническим работникам, проектным организациям средств связи с целью обеспечения предупредительного санитарного надзора за источниками излучения ОВЧ и УВЧ-диапазонов технических средств телевидения и ЧМ радиовещания, определения границ санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки, а также для прогнозирования уровней электромагнитного поля (ЭМП) при выборе мест размещения этих средств.

2. Сущность метода

Методические указания содержат методику расчетного прогнозирования напряженности электрической составляющей (Е) электромагнитного поля излучающих технических средств ОВЧ и УВЧ диапазоном, методику определения границ санитарных зон и методику их измерений. Методика прогнозирования основана на использовании метода, предложенного Б. А. Введенским.

Исходными данными для расчета служат параметры технических средств, включенные в санитарный паспорт действующего или проектируемого радиотехнического объекта. Результаты прогноза и контрольных измерений наносятся на ситуационный план с указанием границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки для различных высот планируемого строительства.

Методические указания учитывают индивидуальность объектов, проявляющуюся (с точки зрения электромагнитной обстановки) в различии набора технических средств, размещения и ориентации антенн, излучаемой мощности, частоты и т.п.

В качестве передающих антенн ОВЧ и УВЧ диапазонов указания предполагают использование направленных и ненаправленных (в горизонтальной плоскости) антенн, размещаемых на опорах различного поперечного сечения.

3. Основные положения методики расчетного прогнозирования уровней электромагнитного поля и границ санитарных зон

3.1. Основой метода расчета напряженности электрической составляющей поля станций телевизионного вещания (независимо от целей прогноза) является интерференционная формула Б.А. Введенского:

                             (3.1)

где Р - мощность на входе антенно-фидерного тракта, Вт;

G - коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя, определяемый в направлении максимального излучения;

Пафт = По * Пт - коэффициент потерь в антенно-фидерном тракте;

По - потери на отражение, обусловленные недостаточным уровнем согласования антенны с магистральным фидером (обычно По >0,9);

Пт - КПД фидера, определяемый тепловыми потерями (характеристики фидеров на поставляемую длину, приводятся в справочниках, выпущенных ГСПИ РТВ);

R - расстояние от геометрического центра антенны до точки наблюдения (наклонная дальность), м;

Fв(a) - нормированная диаграмма направленности (ДН) в вертикальной плоскости;

a - угол, образованный направлением на точку наблюдения и плоскостью горизонта, град.:

Fг(j) - нормированная ДН в горизонтальной плоскости;

j -азимут,  град.;

Кф = 1,15 ... 1,3 - множитель ослабления.

Выражение (3.1) получено с учетом следующего обстоятельства. Антенны станций ОВЧ ЧМ и ТВ вещания размещаются на башнях (опорах) значительной высоты (до 350 м и более). Поэтому можно считать, что произвольная точка наблюдения у земной поверхности находится в дальней зоне антенны, где волновой фронт сформирован, и характеристики направленности не зависят от расстояния R.

3.2. Входящие в (3.1) нормированные ДН Fв(a) и Fг(j) определяются следующим образом. Предполагается, что Fв(a) слабо зависит от азимута j, Fг(j) - от угла a. Такое допущение позволяет заменить пространственную ДН произведением Fв(a)Fг(j) и тем самым существенно упростить задачу. Функция Fв(a) определяется при j, соответствующем максимальному значению Fг(j), Fг(j) - при a, соответствующем максимальному значению Fв(a) (обычно F(a) максимальна при a = 0). Нормированные ДН и коэффициент усиления антенн рассчитываются по аналитическим выражениям и входят в обязательный перечень данных санитарного паспорта радиотехнического объекта.

При этом в должной мере учитывается частотная зависимость ДН, поскольку из-за больших электрических размеров антенн ОВЧ ЧМ и ТВ вещания их ДН заметно изменяются уже в пределах одного телевизионного канала.

Диаграмма направленности антенны находится как величина, совпадающая с точностью до постоянного множителя с напряженностью поля излучения в дальней зоне. Поле в дальней зоне рассматривается как суперпозиция полей, создаваемых излучением отдельных излучателей антенной решетки.

Излучатели представляются точками (фазовыми центрами) и цилиндрической системе координат. Пространственное положение каждого 1-го излучателя определяется при этом координатами:

- азимутом ф_i;

- проекцией r_i, радиуса-вектора на горизонтальную плоскость;

- аппликатой z_i (высотой над произвольным образом введенной горизонтальной плоскостью z = 0).

Кроме цилиндрических координат задается азимутальная ориентация каждого i-го излучателя - азимут максимума ДН излучателя y_i.

ДН антенны определяется как функция сферических координат направления на точку приема (сферическая система строится таким образом, что ее полярная ось и начало координат совпадают с осью аппликат и началом координат цилиндрической системы, соответственно) - азимута j и полярного расстояния q (угол между направлением излучения и полярной осью).

Расчетное соотношение для значения ненормированной ДН при некотором направлении на точку приема j, q имеет вид:

                            (3.2)

где М - общее число излучателей в решетке;

 - ДН излучателя:

А_i - комплексная амплитуда возбуждения i-го излучателя (может быть нормированной, т.е. безразмерной величиной);

 - волновое число;  - длина волны, м;

 - скалярное произведение единичного вектора направления  излучения на радиус-вектор i-го излучателя (разность хода относительно начала координат введенных цилиндрической и сферической систем).

Скалярное произведение вычисляется в декартовой системе (начало координат совпадает с началом координат цилиндрической и сферической систем, ось 0Z - с полярной осью):

             (3.3)

В формулу (3.2) входит функция  - ДН одиночного излучателя. Чтобы ее найти, необходимо решить электродинамическую задачу о нахождении электрического тока проводимости в проводниках излучателя. Упомянутую задачу следует свести к интегральному уравнению Харрингтона, и решать его в тонкопроволочном приближении методом сшивания в дискретных точках при кусочно-синусоидальном базисе разложения токовой функции. Данный метод состоит в следующем.

Излучатель представляется системой тонких цилиндрических проводников (по сравнению с длиной волны, - радиус проводника а < 0,02 ). Проводники разбиваются на короткие отрезки - сегменты (длина сегмента не должна превышать 0,1 ). Каждый сегмент определяется тремя точками: X₁ - начало, Х₂ - центр, Х₃ - конец. Соседние сегменты (на одном проводнике) частично перекрываются: начало данного сегмента совпадает с центром предыдущего, конец - с центром следующего. Интегральное уравнение Харрингтона имеет вид:

            (3.4)

где Е_t - тангенциальная составляющая стороннего электрического поля. В/м;

L¢ - контур (необязательно гладкий и непрерывный) совпадающий с осями проводников;

L - аналогичный контур на поверхностях проводников;

1, 1¢ - единичные векторы в точках I и I¢, тангенциальные к контурам L и L¢ направленные в соответствии с положительными направлениями криволинейных систем L и L¢, соответственно;

I(I') - искомая токовая функция;

1_r - единичный вектор в точке наблюдения (точка I), сонаправленный с потенциальной составляющей электрического поля, созданной элементарным зарядом в точке I';

r - вспомогательная координата, м, отсчитываемая вдоль прямой, проходящей через точки I и I';

положительное направление соответствует направлению вектора 1_r (поскольку r используется только для дифференцирования, начало данной системы координат определять не требуется).

Токовая функция находится из условия равенства нулю тангенциальной составляющей полного (с учетом стороннего поля) электрического поля на поверхностях проводников (граничные условия для металла). В соответствии с данным методом граничные условия должны выполняться в отдельных точках (точках сшивания).

Искомая функция тока I(I') при кусочно-синусоидальном базисе разложения определяется как сумма куcочно-линейных функций - мод:

                                                 (3.5)

где N - число мод тока;

k - номер моды;

I_k - весовой коэффициент при базисной функции k-й моды, А;

В_k (I¢) - кусочно-линейная базисная функция k-й моды. Поскольку ток и его производная являются суммами, интеграл в (3.4) заменяется суммой интегралов (число интегралов равно числу мод тока, т.е. N), причем каждый интеграл вычисляется по длине соответствующего сегмента, а каждый весовой коэффициент (как независящий от переменной интегрирования I¢) выносится за знак соответствующего интеграла. Подинтегральные функции больше не содержат неизвестных величин, поэтому интегралы могут быть вычислены. Уравнения вида (3.5), записанные для N точек сшивания образуют систему линейных уравнений относительно I₁, I₂, ¼ I_N, которая в матричной записи имеет вид:

[Z] [I] = [E]                                                   (3.6)

где [Z] - квадратная матрица комплексных коэффициентов системы;

[I] - вектор-столбец искомых весовых коэффициентов;

[Е] - вектор-столбец,  содержащий значения функции в правой части (3.4), вычисленные в точках сшивания.

ДН излучателя целесообразно находить в режиме передачи.

При этом необходимо положить равными нулю все элементы [E], кроме элемента (элементов), соответствующего сегменту, расположенному в зазоре вибратора, к которому подведено возбуждающее напряжение.

Решением системы (3.6) находятся неизвестные весовые коэффициенты, которые совместно с базисными функциями восстанавливают функцию, аппроксимирующую истинное распределение тока. ДН излучателя находится по формуле:

                                  (3.7)

где N- общее число сегментов;

 - нормированная ДН элементарного вибратора, соответствующего k-му сегменту, определенная с учетом его пространственной ориентации;

 - скалярное произведение единичного вектора направления излучения на радиус-вектор центра k-го излучателя (вычиcляется аналогично скалярному произведению  в (3.3).

При расчетах уровней ЭМП по формуле (3.1) допускается использовать известные значения ДН, приводимые в "Сборниках справочных материалов по антеннам и фидерам передающих телевизионных и УКВ ЧМ вещательных радиостанций", которые выпускает ГСПИ РТВ, и в паспортных данных соответствующих антенн на рабочей частоте.

3.3. Коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя G определяется в направлении максимального излучения как плотность потока мощности в данном направлении, отнесенная к усредненной по всем направлениям величине плотности потока мощности. Последняя находится путем численного интегрирования. Расчетная формула для G имеет вид:

                       (3.8)

где  ненормированная ДН, найденная по формуле (3.2),

 - ее максимальное значение;

М и N - соответственно число значений  и , взятых при численном интегрировании.

3.4. Мощность передатчика на входе антенно-фидерного тракта определяется:

- для ОВЧ ЧМ вещания - Р - номинальная мощность;

- для телевизионного вешания - Р = Рном - на частоте звукового вещания, Р = 0,327 Pном - на частоте канала изображения.

3.5. Распределение напряженности электромагнитного поля (ЭМП) рассчитывается в зависимости от горизонтальной дальности r - для нескольких значений высоты возвышения расчетной точки над уровнем земли, одно из которых должно быть 2 м.

3.6. Множитель Кф - 1.15 - 1.3 учитывает влияние отражающих поверхностей в условиях городской застройки.

3.7. Расчеты распределений уровней напряженности поля (плотности потока мощности (ППМ)) от каждого технического средства и суммарной интенсивности воздействия (СИВ) электромагнитного поля с целью выявления экологически критичных расстояний проводятся для различных высот точек наблюдения и используются в дальнейшем для определения границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки. При этом в начале каждого расчета определяются СИВ для гипотетически наихудшего случая: когда значения диаграмм направленности в горизонтальной плоскости равны единице и совпадают в одном из радиальных направлений. Данное допущение позволяет определить наиболее критичные с экологической точки зрения расстояния от башни РТПЦ, в пределах которых  должны быть проведены тщательные расчеты с учетом несовпадения максимумов реальных горизонтальных диаграмм антенн.

3.8. Расчет границ санитарных зон проводится по СИВ

                  (3.9)

где: Е₁, Е₂, ¼ Е_n - расчетные значения напряженности поля на рабочих частотах технических средств для высот точек наблюдения 2 м (C33) и более 2 м (303);

Е_ПДУ - предельно допустимые уровни напряженности поля для соответствующих частот;

ППЭ - расчетные значения плотности потока мощности;

ППЭ_ПДУ - предельно допустимый уровень облучения населения ЭМП УВЧ диапазона.

4. Методика измерения уровней электромагнитного поля

Инструментальный контроль уровней ЭМП проводится с целью определения фактического состояния электромагнитной обстановки в районах размещения излучающих средств и служит средством оценки достоверности результатов расчета.

Измерения проводятся:

- на этапе предупредительного санитарного надзора - при приемке радиотехнического объекта (РТО) в эксплуатацию;

- на этапе текущего санитарного надзора - при изменении технических характеристик или режимов работы (мощности излучения антенно-фидерного тракта, направлений излучения и т.п.);

- при изменении ситуационных условий размещения станций (изменение расположения антенн, высот их установки, азимута или угла места максимального излучения, застройки прилегающих территорий);

- после проведения защитных мероприятий, направленных на снижение уровней ЭМП;

- в порядке плановых контрольных измерений (не реже одного раза в год).

4.1. Подготовка к проведению измерений

При подготовке к проведению измерений проводятся следующие работы:

- согласование с заинтересованными предприятиями и организациями цели, времени и условий проведения измерений;

- рекогносцировка района проведения измерений;

- выбор трасс (маршрутов) и площадок измерений, при этом, число трасс определяется рельефом местности, прилегающей к объекту, и целью измерений;

- организация связи для обеспечения взаимодействия между персоналом станции и группой измерений;

- обеспечение измерений дальности до точки измерений;

- определение необходимости использования средств индивидуальной защиты;

- подготовка необходимой измерительной аппаратуры.

4. 2. Выбор трасс (маршрутов) измерений

Число трасс определяется рельефом прилегающей местности и целью измерений. При установлении границ С33 выбирается несколько трасс, определяемых по конфигурации теоретических границ С33 и прилегающей селитебной зоны. При текущем санитарном надзоре, когда характеристики станции и условия ее эксплуатации остаются неизменными, измерения могут проводиться по одной характерной трассе или по границе С33.

При выборе трасс учитывается характер прилегающей местности (рельеф, растительный покров, застройка и пр.) в соответствии с которым, район, прилегающий к станции, разбивается на секторы. В каждом секторе выбирается радиальная, относительно станции, трасса. К трассе предъявляются требования:

- трасса должна быть открытой, а площадки, на которых намечается поведение измерений, должны иметь прямую видимость на антенну излучающего средства;

- вдоль трассы, в пределах главного лепестка ДН, не должно быть переизлучателей (металлических конструкций и сооружений, линий электропередачи и т.п.) и других затеняющих местных предметов;

- наклон трассы должен быть минимальным по сравнению с наклоном всех возможных трасс в данном секторе;

- трасса должна быть доступной для пешего передвижения или для автотранспорта;

- протяженность трассы определяется на основе расчетного удаления границ С33 и глубины зоны ограничения застройки (в 1,5 - 2 раза больше);

- точки (площадки) для проведения измерений следует выбирать с интервалом не более 25 м - при удалении до 200-300 м от излучающей антенны; 50- 100 м - при удалении от 200-300 м до 500-1000 м; 100 м и более - при удалении более 1000 м.

При выборе площадок для проведения измерений следует учесть, чтобы в радиусе до 10 м отсутствовали местные предметы и из любой ее точки обеспечивалась прямая видимость на излучающую антенну.

Измерения рекомендуется проводить в точках близких к границе зоны, как внутри зоны, так и вне ее. Интервал между точками измерений выбирается, исходя из местных условий.

4.3. Проведение измерений

Аппаратура, используемая для измерений уровней ЭМП, должна быть исправной и иметь действующее свидетельство о государственной поверке.

Подготовка аппаратуры к измерениям и сам процесс измерения производится в соответствии с инструкцией по эксплуатации применяемого прибора.

На этапе текущего санитарного надзора, когда технические характеристики РТО, условия и режим его эксплуатации остаются неизменными, измерения могут проводиться по одной характерной трассе или по границе санитарно-защитной зоны.

Измерительная антенна прибора ориентируется в пространстве в соответствии с поляризацией измеряемого сигнала.

Измерения производятся в центре площадки на высоте от 0.5 до 2 м. В этих пределах отыскивается высота, при которой отклонение показаний прибора наибольшее, на этой высоте плавно поворачивая измерительную антенну в горизонтальной, а при необходимости и в вертикальной плоскости, вновь последовательно добиваются максимального показания прибора. Максимальное значение измеряемой величины принимается за отсчет.

На каждой площадке необходимо проводить не менее трех независимых измерений. Результатом является среднее арифметическое значение этих измерений.

Измерения напряженности ноля каждого технического средства проводятся с помощью комплекта FSМ-8, включенного в режим измерения эффективных значений на несущих частотах видео- и звукового каналов.

Результирующее значение этих измерений находится согласно формулы 3.9.

Измерения могут производиться и другими приборами с аналогичными параметрами.

Для измерения дальности от основания опоры до точки измерения могут использоваться теодолит, мерная лента, план (карта) местности и другие доступные способы, обеспечивающие достаточную точность.

По результатам измерений составляется протокол. Результаты измерений должны вноситься в санитарный паспорт РТО и доводиться до сведения его администрации.