ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ПЗ-50В

Измеритель ПЗ-50В предназначен для измерения среднеквадратического значения напряженности электрического и магнитного полей (ЭП и МП) промышленной частоты 50 Гц.

Предел измерений:

ЭП 0,01 - 100 кВ/м;

МП 0,1 - 1800 А/м.

Установление времени рабочего режима: 3 мин.

Подготовка прибора к проведению измерений: измерить температуру, относительную влажность воздуха, атмосферное давление. Работа с прибором запрещается при значениях температуры, влажности, атмосферного давления, выходящих за пределы рабочих условий эксплуатации (рабочие условия: температура от +5 до +40°С, относительная влажность воздуха до 90%, барометрическое давление 537-800 мм.рт.ст.). Проверить наличие и внешнее состояние элементов питания.

Установить в исходное положение переключатели:

Переключатель «ВЫКЛ/КОНТ/ИЗМ» в положение ВЫКЛ.

Переключатель «x0,l/xl/xl0» - в положение xl.

Переключатель «2/20/200» - в положение 200.

Порядок работы с прибором

• 1. Подключить штатный кабель КЗ-50 к разъему на хвостовой части антенны-преобразователя (АП) типа ЕЗ-50 (для ЭП) или НЗ-50 (для МП).
• 2. Накрутить на АП пластмассовую ручку.
• 3. Подключить разъем на свободном конце кабеля к ответной части на индикаторе УОЗ-50.
• 4. Установить переключатель «ВЫКЛ/КОНТ/ИЗМ» в положение КОНТ. При этом на индикаторе УОЗ-50 появится число, соответствующее напряжению питания прибора (от минус 100,0 до плюс 100,0). При отсутствии показаний на индикаторе или если контрольное число меньше минус 100,0 следует заменить элементы питания.
• 5. Установить переключатель «ВЫКЛ/КОНТ7ИЗМ» положение ИЗМ.
• 6. Поместить антенну - преобразователь в измеряемое поле, выждать 3 минуты.
• 7. Измерение провести раздельно для трех осей х, у, z. При измерении по каждой из осей вращать антенну-преобразователь, добиваясь максимального показания на индикаторе и производя при этом выбор пределов измерения при помощи переключателей «хО,1/х1/х1О» и «2/20/200» так, чтобы показания измерителя находились в диапазоне от 0,05 до 0,75. Предел измерения равен произведению значений переключателей «x0,l/xl/xl0» и «2/20/200» (в кВ/м или А/м).
• 1. Итоговое среднеквадратическое значение вектора напряженности поля определить в соответствии с формулой: E=V(E x) 2 +(E y) 2 +(E a) 2 или H=V(H x) 2 +(H y) 2 +(H,) 2 .
• 2. После окончания работы с измерителем необходимо выключить питание, переведя в положение ВЫКЛ переключатель «ВЫКЛ/КОНТ/ИЗМ», отсоединить составные части прибора друг от друга и уложить в футляр.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭМП ПРИБОРОМ В&Е-МЕТР

Измеритель параметров электрического и магнитного полей В&Е-метр предназначен для экспрессных измерений среднеквадратических значений электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в жилых и рабочих зонах, в том числе и от ВДТ.

Условия эксплуатации измерителя: климатические условия: температура от +5 до +40°С, влажность до 86% при 25°С.

Технические характеристики измерителя: полосы частот, в которых измеряется среднеквадратическое значение напряженности электрического тока и плотности магнитного потока:

¦ полоса 1 - от 5 Гц до 2000 Гц;

¦ полоса 2 - от 2 кГц до 400 кГц.

Диапазон среднеквадратических значений напряженности электрического поля:

в полосе 1 - от 5 В/м до 500 В/м;

в полосе 2 - от 0,5 В/м до 50 В/м.

Диапазон среднеквадратических значений плотности магнитного потока:

в полосе 1 - от 0,05 мкТл до 5 мкТл;

в полосе 2 - от 5 нТл до 500 нТл.

Питание прибора осуществляется от аккумуляторной батареи. Подготовка прибора к проведению измерений

Убедиться в рабочем состоянии аккумуляторной батареи (после включения прибора кнопкой «ВКЛ» индикаторный светодиод не светится или светится слабо). Для восстановления заряда аккумуляторной батареи прибор следует подключить к зарядному устройству, а зарядное устройство - к сети переменного тока (на срок не менее 5 часов).

Расположить прибор на расстоянии около 2 м от предполагаемых источников излучения, включить прибор и выждать 5 мин для установления рабочего режима.

Порядок работы

Переключателем «ВИД ИЗМЕРЕНИЙ» включить режим измерения электрического («Е») или магнитного («В») поля. Выждать 1-2 минуты. Взявшись за приборную ручку, разместить измеритель передней торцевой частью в точке измерения и считать показания индикатора. Результат измерения относится к точке, в которой находится геометрический центр передней торцевой панели прибора. Измерения проводятся в каждой из трех ортогональных осей х, у, г. В протоколе указывается наибольшее значение.

Выключить прибор, нажав на кнопку «ВКЛ».

Результаты измерений параметров электрического поля в диапазонах 1 и 2 выдаются в единицах В/м, результаты измерений параметров магнитного поля в диапазоне 1 выдаются в единицах мкТл (микротесла), в диапазоне 2 - в единицах нТл (нанотесла). При пересчетах следует иметь в виду, что 1 мкТл=1000 нТл.

3. Методика измерения уровней электромагнитных полей
3.1. 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;

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.

3.2. Выбор трасс (маршрутов) измерений
Число трасс определяется рельефом прилегающей местности и целью измерений. При установлении границ санитарно-защитной зоны (СЗЗ) выбирается несколько трасс , определяемых по конфигурации теоретических границ СЗЗ и прилегающей селитебной территории. При текущем санитарном надзоре, когда характеристики ПРТО и условия его эксплуатации остаются неизменными, измерения могут проводиться по одной характерной трассе или по границе СЗЗ.

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

К трассе предъявляются требования:

Трасса должна быть открытой, а площадки, на которых намечается проведение измерений, должны иметь прямую видимость на антенну излучающего средства и не иметь в радиусе до 5 метров переотражающих конструкций. Если это требование невыполнимо и на измерительной площадке находятся переотражающие конструкции, то измерительную антенну следует располагать на расстоянии не менее 0,5 метра от этих конструкций.

вдоль трассы , в пределах главного лепестка ДН, не должно быть переизлучателей (металлических конструкций и сооружений, линий электропередачи и т. п.), а также затеняющих препятствий;

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 СЗЗ и зон ограничения застройки, причем измерения рекомендуется проводить в точках, близких к границе зоны, как внутри зоны, так и вне ее.

3.3. Проведение измерений
3.3.1. Общие положения

На каждой площадке необходимо проводить не менее трех независимых измерений. За результат принимается среднее арифметическое значение этих измерений.

Для измерения расстояний могут использоваться теодолит, мерная лента, план (карта) местности и другие доступные средства, обеспечивающие достаточную точность.

Для средств телевизионного вещания измерения должны проводиться как на несущей частоте изображения, так и несущей частоте звукового сопровождения.

По результатам измерений составляется протокол. Протоколы измерений уровней ЭМП являются сведениями, подлежащими включению в санитарно-эпидемиологическое заключение на ПРТО.

При одновременной работе источников электромагнитного излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ), излучающих в диапазонах частот с разными гигиеническими нормативами, измерения должны проводиться раздельно в каждом диапазоне частот.

Аппаратура, используемая для измерений уровней ЭМП, должна быть исправной и иметь действующее свидетельство о государственной поверке. Перечень рекомендуемых приборов приведен в прилож. 2.

Подготовка аппаратуры к измерениям и сам процесс измерений проводятся в соответствии с инструкцией по эксплуатации применяемых приборов. При этом необходимо учитывать тот факт, что измерения могут проводиться , как в ближней, так и дальней зоне передающего радиотехнического средства. Критерием определения границы между ближней и дальней зонами является соотношение (2.5) п. 2.3.1.

Измерение уровней ЭМП в дальней зоне селективными и широкополосными

приборами с антеннами направленного приема

Измерительная антенна прибора ориентируется в пространстве в соответствии с поляризацией измеряемого сигнала. Измерения проводятся в центре площадки на высоте от 0,5 до 2 м от уровня подстилающей поверхности (земли). В этих пределах отыскивается высота, при которой значение измеряемой величины (показание прибора) наибольшее. На этой высоте, плавно поворачивая измерительную антенну в плоскости поляризации измеряемого сигнала, вновь добиваются максимального показания прибора.

Измерение уровней ЭМП в дальней зоне широкополосными приборами с антеннами ненаправленного приема

Измерения проводятся на высоте от 0,5 до 2 м от уровня подстилающей поверхности (земли). В этих пределах высот производится ориентация измерительной антенны на максимум приёма. Максимум приёма соответствует максимальному показанию измерительного прибора.

Измерение уровней ЭМП в ближней зоне селективными и широкополосными приборами с антеннами направленного приема

В ближней зоне необходимо проводить измерение трех составляющих вектора напряженности электрического поля каждой антенны ПРТО Е х , Е у , Е z путем соответствующей ориентации измерительной антенны. Значение модуля вектора напряженности поля рассчитывается по формуле:

Измерение уровней ЭМП в ближней зоне широкополосными приборами с антеннами ненаправленного приема

Широкополосные приборы с антеннами ненаправленного приема измеряют сразу модуль вектора напряженности поля, поэтому достаточно провести ориентацию измерительной антенны на максимум приема. Максимум приема соответствует максимальному показанию индикатора измерительного прибора.

3.3.2. Измерения в диапазоне частот 27 -48,4 МГц

В данном диапазоне частот производится измерение среднего квадратичного (эффективного) значения напряженности электрического поля.

Измерения должны проводиться селективными приборами (селективными микровольтметрами, измерительными приемниками, анализаторами спектра) с антеннами направленного приема или широкополосными измерителями напряженности поля.

В случае применения селективных или широкополосных приборов с антеннами направленного приема необходимо руководствоваться положениями п. 3.3.1 об измерениях уровней ЭМП в ближней и дальней зонах.

При измерении широкополосными приборами должно быть предусмотрено последовательное включение технических средств ПРТО одного частотного диапазона (27-30 МГц) и отключение - другого (30-48,4 МГц), работающих в данном направлении или оказывающих влияние на суммарное значение напряженности поля в данной точке, и наоборот.

3.3.3. Измерения в диапазоне частот 48,4 -300 МГц

В данном диапазоне частот производится измерение среднего квадратичного (эффективного) значения напряженности электрического поля. Измерения напряжённости поля технических средств телевидения и ЧМ-вещания должны проводиться только селективными приборами (селективными микровольтметрами, измерительными приемниками, анализаторами спектра) с антеннами направленного приема. Измерение напряженности поля каждого технического средства телевидения должно проводиться в режиме измерения эффективных значений на несущих частотах каналов изображения и звукового сопровождения.

Измерения селективными приборами с антеннами направленного приема проводятся в соответствии с положениями п. 3.3.1.

Измерения напряженности поля других технических средств указанного диапазона могут проводиться как селективными приборами с антеннами направленного приема, так и широкополосными приборами с любым типом антенн. При этом следует учесть, что измерения широкополосными приборами должны проводиться при выключенных технических средствах телевидения и ЧМ-вещания.

3.3.4. Измерения в диапазоне частот 300 -2400 МГц

В данном диапазоне частот производится измерение плотности потока энергии ППЭ ЭМП. Измерения проводятся широкополосными измерителями ППЭ или селективными измерителями напряженности поля.

В ближней зоне измерения проводятся только широкополосными измерителями ППЭ в соответствии с положением п. 3.3.1. В дальней зоне измерения проводятся как широкополосными измерителями ППЭ, так и селективными приборами с антеннами направленного приема. Измерения проводятся в соответствии с положениями п. 3.3.1.

Значение напряженности электрического поля , измеренное селективным прибором в дальней зоне, пересчитывается в ППЭ по формуле:

П = Е 2 /3,77 мкВт/см 2 , где (3.2)

Е - значение напряжённости электрического поля в В/м.

В случае использования селективного прибора с измерительными рупорными антеннами, необходимо руководствоваться следующими правилами. Произвести ориентацию рупорной антенны в направлении максимума излучения. Поворачивая рупорную антенну вдоль своей оси добиться максимального показания уровня измеряемого сигнала по шкале (экрану) измерительного прибора. Затем показания прибора нужно пересчитать в микроватты. Окончательное значение ППЭ, мкВт/см 2 получается из формулы 3.3:

П = P К з / S , где (3.3)

Р - показания измерительного прибора, мкВт;

К з - затухание, вносимое переходными волноводными устройствами рупорной антенны и соединительным коаксиальным кабелем, в разах;

S - эффективная поверхность рупорной антенны, см 2 .

Приложение 1
Примеры расчетов уровней электромагнитного поля
Пример 1
Исходные данные. Техническое средство - 5-ти элементная антенна Уда-Яги («волновой канал»). Геометрические размеры антенны и ее положение в пространстве (в базовой декартовой системе координат) показаны на рис. П1.1 (здесь и на рисунках, приводимых далее, линейные размеры даны в мм). Диаметры проводников равны 9 мм. Мощность , излучаемая антенной, 100 Вт; частота 170 МГц (длина волны  = 1,765 м). Требуется рассчитать уровень ЭМП, создаваемого антенной в точке M1 с координатами: х = 2,7 м, у = 0, z


Рис. П1.1
Выполнение расчетов

1) В данном диапазоне частот, согласно действующим нормам, нормируется напряженность электрического поля Е, В/м. Поэтому уровень ЭМП характеризуется величиной Е,

2) В соответствии с п. 2.3.1 устанавливается, как выполнять расчет - непосредственно по току антенны или по ее ДН. По формуле (2.5) имеем R гр = 4,892 м (в данном случае D = 1,662 м - расстояние между нижней точкой крайнего левого проводника и верхней точкой крайнего правого проводника). Расстояние от геометрического центра антенны до точки M1 равно 3,742 м, т. е. оно меньше R гр . Поэтому расчет уровней ЭМП

3) По методике, изложенной в п. 2.2, выполняется расчет тока антенны. При этом (на этапе построения электродинамической модели) вводится следующее число сегментов на проводниках: на крайнем левом - 39; на вибраторе - 40 (с учетом двух сегментов в зазоре); на проводниках справа от вибратора (последовательно слева направо) - 35, 33, 32. Длины сегментов удовлетворяют неравенству (2.1).

4) По методике, изложенной в п. 2.3.2, рассчитывается напряженность электрического поля в точке M1. По формулам (2.8), (2.9) определяются компоненты вектора :

Е х = (-0,00576 + i 0,0469) В/м; Е у = 0; Е z = (-0,0368 + i 0,0368) В/м

По формуле (2.11) определяется ренормировочный коэффициент: q p = 225,3. По формуле (2.10) окончательно находится : Е= 11,2 В/м.

Пример 2
Исходные данные. Техническое средство - антенна , аналогичная рассмотренной в примере 1 (в смысле размеров и расположения в пространстве), при той же мощности излучения и частоте. Требуется рассчитать уровень ЭМП, создаваемого антенной в точке M1 с координатами: х = 2,7 м, у = 0, z = -3 м (та же точка, что и в примере 1). При этом необходимо учесть влияние металлоконструкции, представляющей собой вертикально ориентированный круглоцилиндрический проводник (см. рис. П1.2). Диаметр металлоконструкции 100 мм; координаты нижнего ее конца х = 3 м, у = 0, z = -5 м; координаты верхнего конца х = 3 м, у = 0, z = -1 м. Учитывать влияние подстилающей поверхности не требуется.

Выполнение расчетов

Е, Е, которую и требуется рассчитать.

2) Поскольку расстояние до точки наблюдения (точка M1) и максимальный размер антенны D Е выполняется непосредственно по току антенны.

4) Расчет напряженности электрического поля выполняется по методике , изложенной в п. 2.3.2. При расчете тока, наведенного на металлоконструкции на последней вводится 181 сегмент. Расчетные компоненты вектора :

Е х = (0,0941 - i 0,0062) В/м; Е у = 0; E z = (-0,0755 + i 0,012) В/м

Напряженность электрического поля при фактической излучаемой мощности Е = 19,3 В/м (ренормировочный коэффициент q p - тот же, что и в примере 1).

Рис. П1.2
Пример 3
Исходные данные. х = 2,7 м, у = 0, z = -3 м (та же точка, что и в примере 1). При этом необходимо учесть влияние подстилающей поверхности, расположенной в плоскости z = -5 м (см. рис. П1.3). Параметры среды под подстилающей поверхностью: относительная магнитная проницаемость =1; относительная диэлектрическая проницаемость  = 15; удельная проводимость  = 0,015 Ом/м. Учитывать влияние металлоконструкций не требуется.


Рис. П1.3
Выполнение расчетов

1) В данном диапазоне частот, согласно действующим нормам, нормируется напряженность электрического поля Е, В/м. Поэтому уровень ЭМП характеризуется величиной Е, которую и требуется рассчитать.

D соотносятся так же, как и в примере 1, расчет Е выполняется непосредственно по току антенны.

3) Расчет тока антенны выполняется аналогично тому, как это сделано в примере 1.

4) Расчет напряженности электрического поля выполняется по методике, изложенной в п. 2.3.2. Составляющая поля
, возникающее из-за наличия подстилающей поверхности, определяется по формуле (2.18), результирующий вектор - по формуле (2.17). Расчетные компоненты вектора :

Е х = (0,0098 + i 0,0178) В/м; Е у = 0; Е : = (-0,0382 + i 0,0369) В/м

Напряженность электрического поля при фактической излучаемой мощности Е = 9,1 В/м.

Пример 4
Исходные данные. Техническое средство - антенна, аналогичная рассмотренной в примере 1, при той же мощности излучения и частоте. Требуется рассчитать уровень ЭМП, создаваемого антенной в точке M1 с координатами: x = 2,7 м, у = 0, z = -3 м (та же точка, что и в примере 1). При этом необходимо учесть влияние металлоконструкции и подстилающей поверхности. Параметры металлоконструкции - те же, что в примере 2, параметры подстилающей поверхности - те же, что в примере 3.

Выполнение расчетов

1) В данном диапазоне частот, согласно действующим нормам, нормируется напряженность электрического поля Е, В/м. Поэтому уровень ЭМП характеризуется величиной Е, которую и требуется рассчитать.

2) Поскольку расстояние до точки наблюдения (точка M1) и максимальный размер антенны D соотносятся так же, как и в примере 1, расчет Е выполняется непосредственно по току антенны.

3) Расчет тока антенны выполняется аналогично тому, как это сделано в примере 1.

4) Расчет напряженности электрического поля выполняется по методике, изложенной в п. 2.3.2. Вектор рассчитывается по формуле (2.22). Расчетные компоненты вектора :

Е х = (0,3433 - i 0,1675) В/м; Е у = 0; E z = (-0,0767 + i 0,0108) В/м

Напряженность электрического поля при фактической излучаемой мощности Е = 62,1 В/м.

Пример 5
Исходные данные . Техническое средство - антенна, аналогичная рассмотренной в примере 1, при той же мощности излучения и частоте. Требуется рассчитать уровень ЭМП, создаваемого антенной в точке M1 с координатами: х = 10 м, у = 5 м, z = -3 м (см. рис. П1.4). Учитывать влияние металлоконструкций и подстилающей поверхности не требуется.

Выполнение расчетов

1) В данном диапазоне частот, согласно действующим нормам, нормируется напряженность электрического поля Е, В/м. Поэтому уровень ЭМП характеризуется величиной Е, которую и требуется рассчитать.

В соответствии с п. 2.3.1 устанавливается, как выполнять расчет - непосредственно по току антенны или по ее ДН. По формуле (2.5) имеем R гр = 4,892 м (как и в примере 1). Расстояние от геометрического центра антенны до точки M1 равно 9,998 м, т. е. оно превышает R гр . Поэтому расчет Е выполняется по ДН антенны. При этом ДН определяется по току антенны.

2) Расчет тока антенны выполняется аналогично тому, как это сделано в примере 1.

3) Расчет напряженности электрического поля выполняется по методике, изложенной в п. 2.3.3. Угловые сферические координаты точки наблюдения M1:  = 107°;  = 28° (см. рис. П1.4). Расстояние от геометрического центра антенны до точки наблюдения M1 R = 11,178 м. Ненормированная ДН определяется по формуле (2.23), вектор - по формуле (2.24). Расчетная нормированная ДН в вертикальной плоскости приведена на рис. П1.5 (а), расчетная нормированная ДН в горизонтальной плоскости - на рис. П1.5 (б); там же штриховыми линиями показаны направления на точку наблюдения M1. Значения нормированных ДН в направлении на точку M1: F в (107°) = 0,85; F Г (28°) = 0,81. Расчетный КНД антенны (формула (2.25)) D = 11,3. Напряженность электрического поля в точке наблюдения M1 (формулы (2.24), (2.26)) Е = 13,0 В/м.
Пример 6
Исходные данные. Техническое средство - антенна, аналогичная рассмотренной в примере 1, при той же мощности излучения и частоте. Требуется рассчитать уровень ЭМП, создаваемого антенной в точке M1 с координатами: х = 10 м, у = 5, z = -3 м (та же точка, что и примере 5). При этом необходимо учесть влияние подстилающей поверхности, расположенной в плоскости z = -5 м (см. рис. П1.6). Параметры среды под подстилающей поверхностью - те же , что и в примере 3. Учитывать влияние металлоконструкций не требуется.

Выполнение расчетов

1) В данном диапазоне частот, согласно действующим нормам, нормируется напряженность электрического поля Е, В/м. Поэтому уровень ЭМП характеризуется величиной Е, которую и требуется рассчитать.

2) Поскольку расстояние до точки наблюдения и максимальный размер антенны D соотносятся так же, как и в примере 5, расчет Е выполняется непосредственно по ДН антенны, которая, в свою очередь, определяется по току антенны.

3) Расчет тока и ДН антенны выполняется аналогично тому, как это сделано в примере 5.

4) Расчет напряженности электрического поля выполняется по методике, изложенной в п. 2.3.3. Вектор напряженности электрического поля определяется по формуле (2.17), где первое слагаемое рассчитывается так же, как и вектор в примере 5, а второе слагаемое (составляющая поля
, возникающая из-за наличия подстилающей поверхности) - по формуле (2.28). Угловые сферические координаты точки наблюдения M1 для зеркального изображения антенны:  (з ) = 73°;  (з ) = 28°. Расстояние от геометрического центра зеркального изображения антенны до точки M1 R (з) = 12,843 м. Значения нормированных ДН в направлении на точку M1 для зеркального изображения антенны: F В (73) = 0,85; F Г (28°) = 0,81. Напряженность электрического поля в точке наблюдения M1 E = 14,95 В/м.




Рис. П1.4


Рис. П1.5


Рис. П1.6
Пример 7
Исходные данные. Техническое средство - антенна Уда-Яги, заданная своими паспортными ДН. Паспортная ДН в вертикальной плоскости приведена на рис. П1.7(а), паспортная ДН в горизонтальной плоскости - на рис. П1.7(б). Антенна расположена так, что ее геометрический центр совмещен с началом координат, и ориентирована максимумом излучения по направлению оси абсцисс (ориентация - такая же как в примерах 1-6). Задан КНД антенны в относительных единицах: D = 27,1. Мощность излучения равна 100 Вт, частота - 900 МГц. Максимальный линейный размер антенны 1160 мм. Требуется рассчитать уровень ЭМП, создаваемого антенной в точке M1 с координатами: х = 5 м, у = 0, z = -3 м. Учитывать влияние металлоконструкций и подстилающей поверхности не требуется.

Выполнение расчетов

1) Поскольку в данном диапазоне частот, согласно действующим нормам, нормируется плотность потока энергии П, мкВт/см 2 , необходимо ее рассчитать.

В соответствии с п. 2.3.1 устанавливается необходимость введения поправочного коэффициента р, определяемого по графику, приведенному на рис. 1. По формуле (2.5) имеем R гр = 12,622 м. При этом расстояние от геометрического центра антенны до точки M1 равно 5,831 м, т. е. оно не превышает R гр . Поэтому необходимо ввести поправочный коэффициент. С учетом того, что  = 1,7, имеем (по графику на рис. 1) р = 1,05.

2) Расчет напряженности электрического поля выполняется по методике, изложенной в п. 2.3.4. Поскольку влияние металлоконструкций и подстилающей поверхности учитывать не требуется, нет необходимости определять фазовый центр антенны, и можно считать, что она представляет собой точечный излучатель, расположенный в геометрическом центре антенны (т. е. в начале координат). Угловые сферические координаты точки наблюдения M1:  = 121°;  = 0°. Расстояние от геометрического центра антенны до точки M1 R = 5,831 м. Значения нормированных ДН в направлении на точку M1:
(121) = 0,05;
(0) = 1. Напряженность электрического поля в точке наблюдения M1 Е = 2,96 В/м (с учетом поправочного коэффициента р = 1,05). По формуле (2.27) определяем ППЭ: П = 2,32 мкВт/см 2 .

3) По формуле (2.27) имеем: П = 2,32 мкВт/см 2 .


Рис. П1.7

Способ измерения напряженности электромагнитного поля заключается в помещении в измеряемое электромагнитное поле К антенн-датчиков и регистрации напряжений на элементе нагрузки К антенн-датчиков U 1 ....U K , пропорциональных напряженности воздействующего электромагнитного поля, все К антенны-датчики имеют отличительные друг от друга амплитудно-частотные характеристики, число антенн-датчиков К равняется числу источников излучения N или превышает его, К N, напряженности всех N составляющих электромагнитного поля E 1 ....E N определяют из решения системы линейных уравнений. Технический результат в увеличении точности измерений, определении напряженности всех составляющих поля. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области измерения, а именно к разделу "измерение напряженности магнитного поля" (класс G 01 R 29/08), и может быть использовано для измерения интенсивности электромагнитных полей радиочастот в экологии, для определения безопасности персонала и решения других аналогичных задач.

Известные методы измерения электромагнитных полей радиочастот основаны в помещении антенны-датчика в измеряемое поле и регистрации напряжения, наводимого измеряемым полем в нагрузке приемной антенны-датчика, с последующим расчетом напряженности поля при помощи известных зависимостей, связывающих значение напряженности поля и параметров датчика и нагрузки (см. книгу А.Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 163, или Адольф И. Шваб "Электромагнитная совместимость", М. 1998 г., с. 254). Указанный способ используется при измерениях на относительно низких радиочастотах, в диапазоне сверхвысоких частот используется аналогичный способ, отличающийся тем, что регистрируется мощность, выделяющаяся в нагрузке приемной антенны-датчика при помещении антенны-датчика в измеряемое поле, а при пересчете измеренной величины используются зависимости, связывающие величину выделившейся мощности с параметрами антенн-датчиков и плотностью потока мощности измеряемого поля (см. книгу А.Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 164).

Указанные способы измерения реализованы с использованием различных вариантов выполнения антенн-датчиков (см. Патент СССР A1 1649478 за 1991 г.) в измерительных приборах, предназначенных для измерения уровня электромагнитных полей в целях определения уровней, опасных для жизнедеятельности, например в отечественных приборах типа: ПЗ-16...ПЗ-21, а также в последней модификации Поле-3, суть которых заключается в измерении с выхода антенн-датчиков, предназначенных для работы в своем диапазоне частот, напряжения, пропорционального напряженности поля. При этом коэффициенты пропорциональности для каждой антенны-датчика в своем диапазоне известны.

Известны также способы частотно-селективных измерений, в которых электрические колебания, принятые приемной антенной-датчиком и содержащие колебания различных частот, фильтруют при помощи полосовых фильтров, усиливают, детектируют, измеряют и регистрируют величину выходного напряжения (см. книгу А.Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 174).

Способ частотно-селективных измерений применяется преимущественно для измерения относительно слабых полей. Способы реализованы в различных измерительных приемниках, селективных микровольтметрах, представляющих собой сложные и дорогостоящие устройства.

Прототипом изобретения является способ измерения напряженности поля путем помещения в измеряемое поле антенны-датчика и регистрации напряжения, пропорционального измеряемой напряженности, в нагрузке антенн-датчиков (см. книгу А. Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 163).

Способ состоит в помещении антенны-датчика в измеряемое поле, регистрации напряжения, создаваемого измеряемым полем в нагрузке приемной антенны, и определении напряженности электрического поля согласно известной зависимости, связывающей значение измеряемой напряженности поля с электрическими параметрами антенны-датчика и нагрузки.

Указанная зависимость имеет вид

E - напряженность электрического поля, В/М;

h g (f) - эквивалентная высота антенны-датчика, М;

Z н (f) - сопротивление нагрузки антенны-датчика, Ом;

Z а (f) - эквивалентное сопротивление антенны-датчика, Ом;

К(f) - значение амплитудно-частотной характеристики по частоте, М.

Недостатком прототипа являются невозможность точного определения напряженности поля, создаваемого источником на определенной частоте f 1 , за счет помех от источников, излучающих на других частотах f i , где i = 2...N, а также невозможность определения напряженностей электромагнитного поля, создаваемых этими источниками помех. Напряжение, наводимое в нагрузке антенн-датчиков при воздействии на него N источников излучения с частотами f i , будет определяться выражением

где U - напряжение на выходе антенны-датчика, В;

K(f i) - значение амплитудно-частотной характеристики на частоте излучения i-го источника (f i), М;

E i - напряженность электрического поля на частоте излучения i-го источника (f i), В/М;

f i - частоты излучения i-го источника, Гц;

N - число источников излучения в измеряемом поле.

Таким образом, в реальных условиях вследствие конечной восприимчивости антенной-датчиком излучения с частотами, не входящими в частотный диапазон применяемой антенны-датчика, измерение истинного значения напряженностей поля становится невозможным.

Измеритель П3-80 предназначен для измерения среднеквадратичных значений напряженности переменных электрических (НЭП) и магнитных (НМП) полей и индустриальных источников в диапазоне частот 5-500000 Гц, а также для измерения напряженности электростатических полей (НЭСП).

Основная область применения - контроль электромагнитной обстановки, измерение индустриальных радиопомех, измерение биологически опасных уровней электромагнитных полей в соответствии с СанПиН 2.2.4.1191-03, а также для научных исследований.

Измеритель удовлетворяет требованиям ГОСТ 22261, а по условиям эксплуатации относится к группе 4 по ГОСТ 22261-94. Прибор не содержит пожароопасных, взрывчатых и других веществ, опасных для здоровья и жизни людей.

Измеритель поставляется в следующей комплектации.

Цифровой преобразователь электромагнитного поля П3-80-ЕН500.

Цифровой преобразователь электростатического поля П3-80-Е.

Индикаторный блок (ИБ) типа ЭКОФИЗИКА-D1 (в комплекте с набором аккумуляторов: 4 элемента типа АА (LR6)).

Эксплуатационная документация: руководство по эксплуатации, паспорт.

Технические характеристики прибора П3-80

Рабочий диапазон частот измерителя

С преобразователем П3-80-ЕН500: от 0,005 до 500 кГц.

Измеряемые параметры

В режиме П3-80-Е400 (П3-80-Н400)

Текущие, максимальные и минимальные среднеквадратичные значения НЭП (НМП) в 27 полосах в диапазоне от 25 до 675 Гц;

Текущие, максимальные и минимальные среднеквадратичные значения НЭП (НМП) в полосах 10 кГц - 30 кГц; 5-2000 Гц, 2 кГц - 400 кГц.

В режиме П3-80-Е300 (П3-80-Н300)

Текущие, максимальные и минимальные среднеквадратичные значения НЭП (НМП) на характеристиках 30-300 Гц, 300-3000 Гц, 3 кГц -30 кГц, 30 кГц -300 кГц с опорными частотами 50 Гц, 500 Гц, 10 кГц, 100 кГц.

МУК 4.3.1677-03

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими
техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций
сухопутной подвижной радиосвязи

Дата введения: с момента утверждения

1. РАЗРАБОТАНЫ сотрудниками Самарского отраслевого научно-исследовательского института радио Министерства Российской Федерации по связи и информатизации (А.Л.Бузовым, С.Н.Елисеевым, Л.С.Казанским, Ю.И.Кольчугиным, В.А.Романовым, М.Ю.Сподобаевым, Д.В.Филипповым, В.В.Юдиным).

2. Представлены Минсвязи России (письмо N ДРТС-2/988 от 2.12.02). Одобрены комиссией по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при Минздраве России.

3. УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации от 29.06.03.

4. ВВЕДЕНЫ взамен МУК 4.3.045-96 и МУК 4.3.046-96 (в части базовых станций).

Назначение и область применения

Методические указания предназначены для применения специалистами центров государственного санитарно-эпидемиологического надзора, инженерно-техническими работниками, проектными организациями, операторами связи в целях обеспечения санитарно-эпидемиологического надзора за источниками излучения.

Методические указания устанавливают методики определения (расчета и измерений) уровней электромагнитного поля (ЭМП), излучаемого техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи в диапазоне 27-2400 МГц в местах их размещения.

Документ введен взамен МУК 4.3.04-96* и МУК 4.3.046-96 (в части базовых станций). Отличается от прежних документов тем, что содержит методику расчета уровней ЭМП для произвольных расстояний от антенн, включая ближнюю зону, с учетом подстилающей поверхности и влияния различных металлоконструкций.
_____________
* Вероятно ошибка оригинала. Следует читать МУК 4.3.045-96 . - Примечание "КОДЕКС".

Методические указания не распространяются на средства связи, содержащие апертурные антенны.

1. Общие положения

1. Общие положения

Определение уровней ЭМП проводится с целью прогнозирования и определения состояния электромагнитной обстановки в местах размещения излучающих объектов телевидения, ЧМ вещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи.

Расчетное прогнозирование проводится:

- при проектировании передающего радиотехнического объекта (ПРТО);

- при изменении условий размещения, характеристик или режимов работы технических средств действующего ПРТО (изменение расположения антенн, высот их установки, направлений излучения, мощности излучения, схемы антенно-фидерного тракта, застройки прилегающих территорий и т.п.);

- в случае отсутствия материалов расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки ПРТО;

- при сдаче ПРТО в эксплуатацию (при внесении изменений в проект относительно его первоначального варианта, для которого осуществлялось расчетное прогнозирование).

Измерения проводятся:

- при сдаче ПРТО в эксплуатацию;

- в порядке плановых контрольных измерений не реже одного раза в три года (в зависимости от результатов динамического наблюдения периодичность проведения измерений уровней ЭМП может быть сокращена по решению соответствующего центра госсанэпиднадзора, но не чаще, чем один раз в год);

- при изменении условий размещения, характеристик или режимов работы технических средств действующего ПРТО;

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

В методике расчетного прогнозирования определены следующие способы расчета уровней ЭМП:

- непосредственно по току в проводниках антенны (предварительно рассчитанному);

- по диаграмме направленности (ДН) антенны, которая определяется по распределению тока в проводниках антенны;

- по паспортным ДН антенны.

Для тех случаев, когда антенна представляет собой антенную решетку, в качестве элементов которой используются излучатели неизвестной конструкции с известными ДН, предусмотрена возможность расчета ДН такой решетки.

Расчет уровней ЭМП непосредственно по току выполняется для относительно малых расстояний от антенны (в ближней и промежуточной зонах), расчет по ДН - для относительно больших расстояний (в дальней зоне). Паспортные ДН используются при отсутствии сведений о конструкции антенны.

Распределение тока по проводникам антенны находится решением электродинамической задачи методом интегрального уравнения. При этом антенна представляется в виде системы определенным образом расположенных и ориентированных в пространстве проводников.

В методике расчета уровней ЭМП предусмотрены:

- возможность учета подстилающей поверхности на основе двухлучевой модели распространения радиоволн в предположении, что подстилающая поверхность не влияет на распределение тока в проводниках антенны;

- возможность учета влияния металлоконструкций на основе определения тока, наведенного на них полем антенны.

Исходными данными для расчета уровней ЭМП служат геометрические параметры антенны в виде набора координат концов проводников, геометрические и электрофизические параметры подстилающей поверхности, технические характеристики радиопередающих средств.

В прилож.3 приведена информация о рекомендуемом программном обеспечении, включающем в себя расчет уровней ЭМП по изложенным в методических указаниях методикам для указанных технических средств.

Методика измерений основана на принципах, заложенных в расчетный прогноз, и ориентирована на использование существующих измерительных приборов, обеспечивающих достаточную точность контроля уровней ЭМП.

2. Основные положения методики расчетного прогнозирования уровней электромагнитного поля

2.1. Сущность метода

Расчет уровней ЭМП непосредственно по току антенны выполняется в два этапа: сначала рассчитывается распределение тока в проводниках антенны, затем - уровни ЭМП. Расчет распределения тока выполняется на основе решения соответствующей электродинамической задачи методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. При этом реальная конструкция антенны представляется в виде системы электрически тонких цилиндрических проводников. Решение интегрального уравнения выполняется методом коллокации при кусочно-синусоидальном базисе. Расчет уровней ЭМП выполняется непосредственно по найденному распределению тока с учетом наличия апертурных искажений и реактивных полей.

Расчет уровней ЭМП по рассчитанной ДН выполняется в три этапа: сначала рассчитывается распределение тока в проводниках антенны, затем - ДН и коэффициент направленного действия (КНД), на завершающем этапе по найденным ДН и КНД рассчитываются уровни ЭМП. Распределение тока в проводниках определяется так же, как и при расчете уровней ЭМП непосредственно по току антенны.

Расчет уровней ЭМП по паспортным ДН выполняется в один этап. При этом считается, что излучение (с заданной направленностью, определяемой паспортными ДН) происходит из точки, принимаемой за фазовый центр антенны.

При дальнейшем изложении, если нет специальных оговорок, единицы измерения всех величин даны в системе СИ.

2.2. Расчет распределения тока в проводниках антенны

Расчет распределения тока в проводниках антенны выполняется в следующей последовательности:

- построение электродинамической модели антенны;

- расчет элементов матрицы системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) - алгебраического аналога исходного интегрального уравнения;

- решение СЛАУ и определение коэффициентов разложения искомой функции распределения тока (токовая функция) по заданному базису.

Построение электродинамической модели

Реальная конструкция представляется в виде системы электрически тонких прямолинейных цилиндрических проводников. Радиус проводников при этом не должен превышать (здесь и далее - длина волны). Проводники большего радиуса представляются в виде проволочных цилиндров. Сплошные металлические поверхности представляются в виде проволочных сеток. Проводники, оси которых являются гладкими кривыми, представляются в виде ломаных.

Вводится пространственный контур , образованный совокупностью осей проводников. Определяется положительное направление обхода контура (оно же положительное направление для тока), и вводится криволинейная координата , отсчитываемая вдоль него.

Для определения кусочно-синусоидальных базисных функций каждый прямолинейный проводник разбивается на электрически короткие частично пересекающиеся отрезки - сегменты. Каждый -сегмент определяется тремя точками: начальной , средней , и конечной (в соответствии с выбранным положительным направлением). При этом начальная точка -го сегмента (если он не первый на данном проводнике) совпадает со средней точкой -го, конечная (если он не последний на данном проводнике) - со средней точкой -го: , . Если -й сегмент является первым (последним) на данном проводнике, то его начальная (конечная) точка совпадает с началом (концом) проводника.

Точкам, определяющим некоторый -й сегмент, сопоставляются 3 радиус-вектора , , (начальная, средняя и конечная точка, соответственно), а также радиус-вектор точки коллокации - точки на поверхности проводника, ближайшей к точке .

Прямолинейные проводники разбиваются на сегменты равномерно. При этом длину сегмента следует выбирать из условия:

Радиус проводника.

При увеличении длины сегмента относительно указанных пределов возрастает погрешность аппроксимации, при уменьшении - ухудшается обусловленность СЛАУ, в результате чего вычислительный алгоритм может оказаться неустойчивым.

Для описания разветвлений проводников вводятся дополнительные сегменты. При этом средняя точка дополнительного сегмента совпадает с крайними точками соединяющихся проводников, а начальная и конечная - со средними точками крайних (ближайших) сегментов на данных проводниках. При этом во избежание появления линейно зависимых уравнений СЛАУ необходимо соблюдение следующих правил:

- число компланарных проводников, соединяющихся в одной точке, должно быть не более 3 (вводятся 2 дополнительных сегмента);

- число некомпланарных проводников, соединяющихся в одной точке, должно быть не более 4 (вводятся 3 дополнительных сегмента).

При необходимости описания электрического соединения большего числа проводников, следует точки электрических контактов разнести в пространстве на электрически малое расстояние, что несущественно для электрических характеристик антенны.

При моделировании сплошной поверхности проволочной сеткой дополнительные сегменты в узлах сетки не вводятся.

Зазоры активных вибраторов (к которым подводятся питающие напряжения) также описываются сегментами. При этом средняя точка сегмента совпадает со средней точкой зазора, а начальная и конечная - со средними точками крайних (ближайших) сегментов на примыкающих к зазору проводниках (плечах вибратора).

Расчет матрицы СЛАУ

Матрица СЛАУ (расширенная) содержит квадратную матрицу ( - общее число сегментов в модели) с элементами () и - мерный столбец свободных членов (). Здесь - номер строки матрицы (номер уравнения СЛАУ, номер точки коллокации), - номер столбца матрицы (номер сегмента).

Элемент квадратной матрицы численно равен взятой с обратным знаком тангенциальной составляющей электрического поля, создаваемого -м сегментом с единичным током в средней точке -го сегмента. Величина определяется как сумма двух составляющих:

Составляющая, соответствующая излучению отрезка [, ];

- составляющая, соответствующая излучению отрезка [, ].

Составляющие и рассчитываются по формуле:

Орт в цилиндрической системе, связанной с -м сегментом;


- -орт в цилиндрической системе, связанной с отрезком [, ] (знак "-") или отрезком [, ] (знак "+") -го сегмента;

- аппликата -й точки коллокации в цилиндрической системе, связанной с отрезком [, ] (знак "-") или отрезком [, ] (знак "+") -го сегмента;

, - значения функции Грина для различных пар точек;

- расстояния между -й точкой коллокации и крайними (начальной и конечной) точками -го сегмента;

- расстояние между -й точкой коллокации и средней точкой -го сегмента;

- волновое число.

Свободные члены СЛАУ определяются следующим образом.

Если -я точка коллокации соответствует сегменту, расположенному на проводнике, то . Если -я точка коллокации соответствует сегменту, расположенному в зазоре активного вибратора, то в качестве берется нормированная величина входного напряжения. При этом, если антенна содержит один вибратор, то нормированное входное напряжение полагается равным единице. Если же антенна содержит два или более вибраторов (антенная решетка), для одного из вибраторов нормированное входное напряжение полагается равным единице, а остальные входные напряжения нормируются к фактической величине входного напряжения данного вибратора.

Решение СЛАУ рекомендуется выполнять методом оптимального исключения.

СЛАУ записывается следующим образом:

В результате решения СЛАУ определяются коэффициенты разложения искомой токовой функции , , ... . Численно данные коэффициенты равны токам в средних точках соответствующих сегментов при выбранной нормировке входных напряжений (токов).

2.3. Расчет уровней электромагнитного поля

2.3.1. Общие положения

Для выбора способа расчета уровней ЭМП вводятся дополнительные критерии.

При уровень ЭМП необходимо рассчитывать непосредственно по току антенны, а при - по ДН, рассчитанной по току антенны или паспортным ДН, где:

Расстояние от геометрического центра антенны до точки наблюдения (в которой определяется уровень ЭМП);

- максимальный размер антенны.

Если сведения об устройстве (конструкции) антенны отсутствуют (т.е. не представляется возможным построить электродинамическую модель и рассчитать ток антенны), но известны ее паспортные ДН, расчет уровней ЭМП выполняется по паспортным ДН. При этом, если полученные значения напряженности поля (электрического и магнитного) необходимо умножить на поправочный коэффициент , график которого в зависимости от параметра приведен на рис.1.

Критерием необходимости учета влияния металлоконструкций служит выполнение неравенства:

Расстояние от точки наблюдения до ближайшей к ней точки на металлоконструкции.

- максимальный размер металлоконструкции, измеренный по вертикали при вертикальной поляризации и по горизонтали при горизонтальной поляризации;

- максимальный размер металлоконструкции, измеренный по горизонтали при вертикальной поляризации и по вертикали при горизонтальной поляризации;

, - коэффициенты, значения которых определяются по графикам на рис.2.

Влияние подстилающей поверхности не учитывается в следующих случаях:

- точка наблюдения расположена ниже уровня подстилающей поверхности (здесь имеются в виду поверхности ограниченных размеров, например, крыши зданий);

- высота центра антенны и высота точки наблюдения относительно подстилающей поверхности в 10 и более раз превышает расстояние между центром антенны и точкой наблюдения.

Излучаемая мощность определяется следующим образом.

Для антенно-фидерных устройств ЧМ вещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи величина определяется по формуле.

Методы измерений ЭМП основаны на различных физических эффектах, например,

силовом взаимодействии МП с магнитным моментом физического объекта или частиц вещества,

возбуждении ЭДС индукции в катушке индуктивности в переменном МП,

изменении траектории движущихся в МП электрических зарядов под воздействием отклоняющей силы,

тепловом воздействии ЭМП на приемник излучения и т.п.

Требования, предъявляемые к современной электронной технике, такие как: повышение надежности и помехоустойчивости, снижение цены, габаритов, потребляемой мощности - распространяются и на датчики. Выполнение этих условий становится возможным при использовании микроэлектронной схемотехники и технологии, поскольку:

во-первых, электрофизические свойства полупроводников и полупроводниковых приборов, на которых основана микросхемотехника, сильно зависят от внешних воздействий;

во-вторых, микроэлектронная технология основана на групповых методах обработки материалов для изготовления приборов, что снижает их себестоимость, габариты, потребляемую мощность и ведет к повышению надежности и помехоустойчивости.

Кроме того, при использовании полупроводникового сенсора или сенсора, изготовление которого совместимо с технологическим процессом создания интегральных микросхем (ИМС), сам сенсор и схемы обработки полученного сигнала могут быть изготовлены в едином технологическом цикле, на едином полупроводниковом или диэлектрическом кристалле.

К наиболее распространенным микроэлектронным магнитным преобразователям относятся: элементы Холла; магниторезисторы; магнитотранзисторы и магнитодиоды; магниторекомбинационные преобразователи.

1. Оптические методы получения информации

Оптика - раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества

Свет имеет двойственную структуру и проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства. С волновой точки зрения свет представляет электромагнитные волны, лежащие в определенном диапазоне частот. Оптический спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 10 -8 м до 2*10 -6 м (по частоте от 1.5*10 14 Гц до 3*10 16 Гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолета. Волновые свойства проявляются в процессах дифракции и интерференции. С корпускулярной точки зрения свет представляет собой поток движущихся частиц (фотонов). Связь между волновыми и корпускулярными параметрами света устанавливает формула де Бройля, гдеλ – длина волны,р – импульс частицы,h - постоянная Планка, равная 6,548 × 10 –34 Дж·с (в системе СИ).

Оптические методы исследования отличаются высокой точностью и наглядностью.

1. Оптическая микроскопия

Для исследования и измерения объектов малых объектов используются такие оптические приборы как микроскопы. Класс оптических микроскопов очень разнообразен и включает в себя оптические, интерференционные, люминесцентные, инфракрасные и т.п.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух оптических систем – объектива и окуляра. Каждая система состоит из одной или нескольких линз.

Перед объективной линзой размещается объект, перед глазом наблюдателя располагается окулярная линза. Для наглядного представления прохождения света через оптическую систему пользуются представлениями геометрической оптики, в которой основным понятием является луч света, направление луча совпадает с направлением волнового фронта.

Принципиальная схема получения изображения в оптическом микроскопе представлена на рис.1.

Для простоты построения изображения на рисунке система линз объектива заменена одной собирающей линзой L 1 , а система линз окуляра - линзойL 2 . ПредметАВ помещается перед фокальной плоскостью объектива, который создает увеличенное действительное изображениеА"В" предмета вблизи переднего фокуса окуляра. ИзображениеА"В" находится немного ближе переднего фокуса окуляраF 2 . В этом случае окуляр создает увеличенное мнимое изображениеА"В" , которое проектируется на расстояние наилучшего зрения и рассматривается через окуляр глазом.

Оптический микроскоп характеризуется следующими основными параметрами: увеличение, разрешение, глубина фокуса (резкости), поле зрения.

Увеличение определяется увеличительной способностью всех линз, включаемых в ход оптических лучей. Можно предположить, что, подбирая соответствующим образом значения увеличения объектива и окуляра, можно получить микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Однако на практике не используют микроскопы с увеличением свыше 1500 – 2000 крат, так как возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обуславливается влиянием дифракции света, происходящей в структуре рассматриваемого объекта. Благодаря волновой природе света изображение каждой точки объекта в плоскости изображений имеет вид концентрических темных и светлых колец, вследствие чего близко расположенные точки объекта на изображении сливаются. В связи с этим вводят понятия предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.

Пределом разрешения микроскопа называется наименьшее расстояние между двумя точками объекта, когда эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе не сливающимися друг с другом.

Предел разрешения определяется формулой δ=0,51·λ/A , величинаА=n ·sinu называется числовой апертурой микроскопа;λ - длина волны света, освещающего предмет;n - показатель преломления среды между объективом и предметом;u - апертурный угол объектива, равный половине угла между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа.

Данные о каждом объективе маркируются на его корпусе с указанием следующих параметров):

увеличение («х» – кратность, размер);

числовая апертура: 0,20; 0,65, пример: 40/0,65 или 40х/0,65;

дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования: фазовый – Ф, поляризационный – П (Pol), люминесцентный – Л (L ), и т.п.

маркировка типа оптической коррекции: апохромат – АПО (АРО), планахромат – ПЛАН (PL, Plan),.

Разрешающей способностью микроскопа называется способность микроскопа давать раздельное изображение мелких деталей предмета. Разрешающая способность - это величина, обратная пределу разрешенияξ = 1/δ.

Как видно из формулы, разрешающая способность микроскопа зависит от его технических параметров, но физический предел этого параметра определяется длиной волны падающего света.

Повысить разрешающую способность микроскопа можно, заполнив пространство между предметом и объективом иммерсионной жидкостью с большим показателем преломления.

Глубиной резкости называется расстояние от самой ближней плоскости до самой дальней плоскости объекта, которые изображаются приемлемо сфокусированными.

Если точки предмета находятся на различных расстояниях перед объективом (в разных плоскостях), то формируемые им резкие изображения этих точек будут находиться также на различных расстояниях позади объектива. Это должно означать, что резкие изображения могут быть образованы только точками, лежащими в одной плоскости. Остальные точки в этой плоскости будут отображаться кружками, которые называются кружками рассеяния. (рис.2).

Величина кружка зависит от расстояния от данной точки до плоскости отображения. Вследствие ограниченной разрешающей способности глаза точки, отображаемые малыми кружками, будут восприниматься как точки и соответствующая плоскость объекта будет рассматриваться как сфокусированная. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние объектива, чем меньше диаметр действующего отверстия (диаметр оправы линзы или отверстия диафрагмы). На рис.2.показана зависимость глубины резкости от перечисленных факторов. При прочих равных условиях, то есть при F постоянном и также постоянном расстоянии от объектива до объекта, для увеличения глубины резкости уменьшают диаметр действующего отверстия. С этой целью между линзами объектива устанавливается диафрагма, позволяющая изменить диаметр входного отверстия.

Поле зрения оптической системы - часть пространства (плоскости), изображаемая этой системой. Величина поля зрения определяется входящими в систему деталями (такими как оправы линз, призм и зеркал, диафрагмы и пр.), которые ограничивают пучок лучей света.