Elektromagnetické obrazovky sú široko používané v priemysle. Slúžia na elimináciu škodlivých účinkov niektorých prvkov elektrického zariadenia na iné, na ochranu osôb a zariadení pred účinkami vonkajších polí, ktoré vznikajú pri prevádzke iných zariadení. "Uhasenie" vonkajšieho magnetického poľa je nevyhnutné pri vytváraní laboratórií určených na nastavovanie a testovanie vysoko citlivých zariadení. Vyžaduje sa to aj v medicíne a tých oblastiach vedy, kde sa vykonáva meranie polí s ultranízkou indukciou; na ochranu informácií počas ich prenosu cez káble.
Metódy
Tienenie magnetického poľa je súbor spôsobov, ako znížiť silu konštantného alebo striedavého poľa v určitej oblasti priestoru. Magnetické pole na rozdiel od elektrického poľa nemôže byť úplne oslabené.
V priemysle majú rozptylové polia z transformátorov, permanentných magnetov, vysokoprúdových inštalácií a obvodov najväčší dopad na životné prostredie. Môžu úplne narušiť normálnu prevádzku susedných spotrebičov.
Najpoužívanejšie 2spôsob ochrany:
- Používanie obrazoviek vyrobených zo supravodivých alebo feromagnetických materiálov. Toto je účinné v prítomnosti konštantného alebo nízkofrekvenčného magnetického poľa.
- Metóda kompenzácie (tlmenie vírivých prúdov). Vírivé prúdy sú objemové elektrické prúdy, ktoré sa vyskytujú vo vodiči pri zmene magnetického toku. Táto metóda ukazuje najlepšie výsledky pre vysokofrekvenčné polia.
Princípy
Princípy tienenia magnetického poľa sú založené na vzorcoch šírenia magnetického poľa v priestore. Pre každú z vyššie uvedených metód sú teda tieto:
- Ak umiestnite induktor do puzdra vyrobeného z feromagnetika, indukčné čiary vonkajšieho magnetického poľa budú prechádzať pozdĺž stien ochrannej clony, pretože má menší magnetický odpor v porovnaní s priestorom vo vnútri. Tie siločiary, ktoré sú indukované samotnou cievkou, budú tiež takmer všetky uzavreté na stenách krytu. Pre najlepšiu ochranu v tomto prípade je potrebné zvoliť feromagnetické materiály, ktoré majú vysokú magnetickú permeabilitu. V praxi sa najčastejšie používajú zliatiny železa. Aby sa zvýšila spoľahlivosť obrazovky, vyrába sa hrubostenná alebo prefabrikovaná z niekoľkých plášťov. Nevýhody tohto dizajnu sú jeho veľká hmotnosť, objemnosť a zhoršenie tienenia v prítomnosti švov a zárezov v stenách krytu.
- Pri druhom spôsobe oslabenie vonkajšieho magnetického poľavzniká v dôsledku uloženia ďalšieho poľa na ňu, indukovaného prstencovými vírivými prúdmi. Jeho smer je opačný k čiaram indukcie prvého poľa. So zvyšujúcou sa frekvenciou bude útlm výraznejší. V tomto prípade sa na tienenie používajú dosky vo forme prstenca vodičov s nízkym odporom. Ako kryty obrazovky sa najčastejšie používajú valcovité boxy vyrobené z medi alebo hliníka.
Kľúčové funkcie
Na popis procesu tienenia existujú 3 hlavné charakteristiky:
- Ekvivalentná hĺbka prieniku magnetického poľa. Pokračujme teda. Tento údaj sa používa na skríningový efekt vírivých prúdov. Čím je jeho hodnota menšia, tým väčší prúd tečie v povrchových vrstvách ochranného puzdra. V súlade s tým, čím väčšie je ním indukované magnetické pole, ktoré vytláča to vonkajšie. Ekvivalentná hĺbka je určená vzorcom uvedeným nižšie. V tomto vzorci sú ρ a Μr merný odpor a relatívna magnetická permeabilita materiálu obrazovky (jednotky merania prvej hodnoty sú Ohm∙m); f je frekvencia poľa meraná v MHz.
- Účinnosť tienenia e - pomer intenzity magnetického poľa v tienenom priestore pri absencii a prítomnosti tienenia. Táto hodnota je tým vyššia, čím väčšia je hrúbka sita a magnetická permeabilita jeho materiálu. Magnetická permeabilita je ukazovateľ charakterizujúci, koľkokrát je indukcia v látkeiné ako vo vákuu.
- Zníženie intenzity magnetického poľa a hustoty vírivých prúdov v hĺbke x od povrchu ochranného krytu. Ukazovateľ sa vypočíta podľa nižšie uvedeného vzorca. Tu A0 je hodnota na povrchu obrazovky, x0 je hĺbka, v ktorej intenzita alebo prúdová hustota klesá e-krát.
Návrhy obrazoviek
Ochranné kryty na tienenie magnetického poľa je možné vyrobiť v rôznych prevedeniach:
- list a masívny;
- vo forme dutých rúr a puzdier s valcovým alebo pravouhlým prierezom;
- jednovrstvové a viacvrstvové, so vzduchovou medzerou.
Keďže výpočet počtu vrstiev je dosť komplikovaný, táto hodnota sa najčastejšie vyberá z referenčných kníh podľa kriviek účinnosti tienenia, ktoré boli získané experimentálne. Rezy a švy v škatuliach sa môžu robiť iba pozdĺž línií vírivých prúdov. V opačnom prípade sa účinok tienenia zníži.
V praxi je ťažké dosiahnuť vysoký tieniaci faktor, pretože je vždy potrebné urobiť otvory pre káblový vstup, vetranie a údržbu inštalácií. Pre zvitky sa bezšvíkové obaly vyrábajú metódou extrúzie plechu a spodok valcového sita slúži ako odnímateľný kryt.
Okrem toho, keď sa konštrukčné prvky dostanú do kontaktu, vytvárajú sa trhliny v dôsledku nerovností povrchu. Na ich odstránenie použitemechanické svorky alebo tesnenia vyrobené z vodivých materiálov. Sú dostupné v rôznych veľkostiach as rôznymi vlastnosťami.
Vírivé prúdy sú prúdy, ktoré sú oveľa menej cirkulujúce, ale sú schopné zabrániť prenikaniu magnetického poľa cez obrazovku. V prípade veľkého počtu otvorov v plášti dochádza k zníženiu koeficientu tienenia podľa logaritmickej závislosti. Jeho najmenšia hodnota sa pozoruje pri technologických otvoroch veľkých rozmerov. Preto sa odporúča navrhnúť radšej niekoľko malých otvorov ako jeden veľký. Ak je potrebné použiť štandardizované otvory (na vstup káblov a iné potreby), potom sa použijú transcendentálne vlnovody.
V magnetostatickom poli vytvorenom jednosmernými elektrickými prúdmi je úlohou obrazovky posúvať siločiary. Ochranný prvok sa inštaluje čo najbližšie k zdroju. Uzemnenie nie je potrebné. Účinnosť tienenia závisí od magnetickej permeability a hrúbky materiálu tienenia. Ako posledné sa používajú ocele, permalloy a magnetické zliatiny s vysokou magnetickou permeabilitou.
Tenie káblových trás sa vykonáva hlavne dvoma spôsobmi - použitím káblov s tienenou alebo chránenou krútenou dvojlinkou a uložením rúrok do hliníkových škatúľ (alebo vložiek).
Supravodivé obrazovky
Prevádzka supravodivých magnetických obrazoviek je založená na Meissnerovom efekte. Tento jav spočíva v tom, že teleso v magnetickom poli prechádza do supravodivého stavu. Zároveň magnetickýpermeabilita puzdra sa rovná nule, to znamená, že neprechádza magnetickým poľom. Je plne kompenzovaný v objeme daného telesa.
Výhodou takýchto prvkov je, že sú oveľa efektívnejšie, ochrana pred vonkajším magnetickým poľom nezávisí od frekvencie a kompenzačný efekt môže trvať ľubovoľne dlho. V praxi však Meissnerov efekt nie je úplný, pretože v reálnych obrazovkách vyrobených zo supravodivých materiálov vždy existujú štrukturálne nehomogenity, ktoré vedú k zachytávaniu magnetického toku. Tento efekt je vážnym problémom pri vytváraní obalov na tienenie magnetického poľa. Koeficient útlmu magnetického poľa je tým väčší, čím vyššia je chemická čistota materiálu. V experimentoch bola najlepšia výkonnosť zaznamenaná pre olovo.
Ďalšie nevýhody supravodivých materiálov na tienenie magnetického poľa sú:
- vysoké náklady;
- prítomnosť zvyškového magnetického poľa;
- vzhľad stavu supravodivosti iba pri nízkych teplotách;
- neschopnosť fungovať vo vysokých magnetických poliach.
Materiály
Na ochranu pred magnetickým poľom sa najčastejšie používajú clony z uhlíkovej ocele, pretože sú vysoko prispôsobivé na zváranie, spájkovanie, sú lacné a vyznačujú sa dobrou odolnosťou proti korózii. Okrem nich materiály ako:
- technická hliníková fólia;
- mäkká magnetická zliatina železa, hliníka a kremíka (alsifer);
- meď;
- sklo s vodivým povlakom;
- zinc;
- transformátorová oceľ;
- vodivé emaily a laky;
- mosadz;
- metalizované tkaniny.
Konštrukčne môžu byť vyrobené vo forme dosiek, sietí a fólie. Plechové materiály poskytujú lepšiu ochranu a sieťové materiály sa montujú pohodlnejšie – možno ich spájať bodovým zváraním v krokoch po 10-15 mm. Na zabezpečenie odolnosti proti korózii sú mriežky lakované.
Odporúčania pre výber materiálu
Pri výbere materiálu na ochranné clony sa riadime nasledujúcimi odporúčaniami:
- V slabých poliach sa používajú zliatiny s vysokou magnetickou permeabilitou. Technologicky najpokročilejšia je permalloy, ktorá sa dobre hodí na tlak a rezanie. Intenzita magnetického poľa potrebná na jeho úplnú demagnetizáciu, ako aj elektrický odpor závisia hlavne od percenta niklu. Podľa množstva tohto prvku sa rozlišujú nízkoniklové (do 50 %) a vysokoniklové (do 80 %) permalloy.
- Na zníženie strát energie v striedavom magnetickom poli sú kryty umiestnené buď z dobrého vodiča alebo z izolátora.
- Pre frekvenciu poľa viac ako 10 MHz, strieborné alebo medené filmové povlaky s hrúbkou 0,1 mm alebo viac (obrazovky vyrobené z fóliou potiahnutých getinakov a iných izolačných materiálov), ako aj meď, hliník a mosadz, dáva dobrý efekt. Na ochranu medi pred oxidáciou je potiahnutá striebrom.
- Hrúbkamateriál závisí od frekvencie f. Čím nižšie f, tým väčšia musí byť hrúbka, aby sa dosiahol rovnaký účinok tienenia. Pri vysokých frekvenciách na výrobu plášťov z akéhokoľvek materiálu postačuje hrúbka 0,5-1,5 mm.
- Pre polia s vysokým f sa feromagnety nepoužívajú, pretože majú vysoký odpor a vedú k veľkým stratám energie. Na tienenie permanentných magnetických polí by sa tiež nemali používať vysoko vodivé materiály iné ako oceľ.
- Na ochranu v širokom rozsahu f sú optimálnym riešením viacvrstvové materiály (oceľové plechy s vysoko vodivou kovovou vrstvou).
Všeobecné pravidlá výberu sú nasledovné:
- Vysoké frekvencie sú vysoko vodivé materiály.
- Nízke frekvencie sú materiály s vysokou magnetickou permeabilitou. Detekcia je v tomto prípade jednou z najťažších úloh, pretože dizajn ochrannej clony je ťažší a komplikovanejší.
Fóliové pásky
Fóliové tieniace pásky sa používajú na nasledujúce účely:
- Tenie širokopásmového elektromagnetického rušenia. Najčastejšie sa používajú na dvere a steny elektrických skríň so zariadeniami, ako aj na vytvorenie clony okolo jednotlivých prvkov (solenoidy, relé) a káblov.
- Odstránenie statického náboja, ktorý sa hromadí v zariadeniach obsahujúcich polovodiče a katódové trubice, ako aj v zariadeniach používaných na vstup a výstup informácií zpočítač.
- Ako súčasť uzemňovacích obvodov.
- Na zníženie elektrostatickej interakcie medzi vinutiami transformátora.
Konštrukčne sú založené na vodivom lepiacom materiáli (akrylová živica) a fólii (s vlnitým alebo hladkým povrchom) vyrobených z nasledujúcich druhov kovov:
- hliník;
- meď;
- pocínovaná meď (na spájkovanie a lepšiu antikoróznu ochranu).
Polymérové materiály
V zariadeniach, kde je popri tienení magnetického poľa potrebná ochrana pred mechanickým poškodením a tlmením nárazov, sa používajú polymérne materiály. Vyrábajú sa vo forme podložiek z polyuretánovej peny potiahnutých polyesterovým filmom na báze akrylového lepidla.
Pri výrobe monitorov z tekutých kryštálov sa používajú akrylové tesnenia vyrobené z vodivej tkaniny. Vo vrstve akrylového lepidla je trojrozmerná vodivá matrica vyrobená z vodivých častíc. Tento materiál vďaka svojej elasticite účinne absorbuje aj mechanické namáhanie.
Spôsob kompenzácie
Princípom metódy kompenzačného tienenia je umelé vytvorenie magnetického poľa, ktoré je nasmerované opačne ako vonkajšie pole. To sa zvyčajne dosahuje systémom Helmholtzových cievok. Pozostáva z 2 rovnakých tenkých cievok umiestnených koaxiálne vo vzdialenosti ich polomeru. Cez ne prechádza elektrina. Magnetické pole indukované cievkami je vysoko rovnomerné.
Tieniaca plechovkaprodukované aj plazmou. Tento jav sa berie do úvahy pri rozložení magnetického poľa v priestore.
Tenie kábla
Pri ukladaní káblov je nevyhnutná ochrana pred magnetickým poľom. Elektrické prúdy indukované v nich môžu byť spôsobené zahrnutím domácich spotrebičov do miestnosti (klimatizácie, žiarivky, telefóny), ako aj výťahov v baniach. Tieto faktory majú obzvlášť veľký vplyv na digitálne komunikačné systémy pracujúce na protokoloch so širokým frekvenčným pásmom. Je to spôsobené malým rozdielom medzi výkonom užitočného signálu a šumom v hornej časti spektra. Okrem toho elektromagnetická energia vyžarovaná káblovými systémami nepriaznivo ovplyvňuje zdravie personálu pracujúceho v priestoroch.
Cross-talk sa vyskytuje medzi pármi vodičov v dôsledku prítomnosti kapacitnej a indukčnej väzby medzi nimi. Elektromagnetická energia káblov sa tiež odráža v dôsledku nehomogenít ich vlnovej impedancie a je oslabená vo forme tepelných strát. V dôsledku útlmu výkon signálu na konci dlhých vedení stokrát klesne.
V súčasnosti sa v elektrotechnickom priemysle praktizujú 3 spôsoby tienenia káblových trás:
- Použitie celokovových boxov (oceľových alebo hliníkových) alebo montáž kovových vložiek do plastových. Keď sa frekvencia poľa zvyšuje, schopnosť tienenia hliníka klesá. Nevýhodou je aj vysoká cena boxov. Pre dlhé káblové trasy existujeproblém zabezpečenia elektrického kontaktu jednotlivých prvkov a ich uzemnenie pre zabezpečenie nulového potenciálu boxu.
- Používajte tienené káble. Táto metóda poskytuje maximálnu ochranu, pretože plášť obklopuje samotný kábel.
- Vákuové nanášanie kovu na PVC kanál. Táto metóda je neúčinná pri frekvenciách do 200 MHz. „Zhášanie“magnetického poľa je desaťkrát menšie v porovnaní s uložením kábla do kovových škatúľ vďaka vysokému odporu.
Typy káblov
Existujú 2 typy tienených káblov:
- So spoločnou obrazovkou. Nachádza sa okolo nechránených lankových vodičov. Nevýhodou takýchto káblov je veľké presluchy (5-10 krát viac ako tienené páry), najmä medzi pármi s rovnakou rozstupom zákrutu.
- Káble s tienenými krútenými pármi. Všetky páry sú samostatne tienené. Pre ich vyššiu cenu sa najčastejšie používajú v sieťach s prísnymi bezpečnostnými požiadavkami a v miestnostiach so sťaženým elektromagnetickým prostredím. Použitie takýchto káblov pri paralelnom ukladaní umožňuje zmenšiť vzdialenosť medzi nimi. To znižuje náklady v porovnaní s rozdeleným smerovaním.
Tienený krútený pár je izolovaný pár vodičov (ich počet je zvyčajne od 2 do 8). Tento dizajn znižuje presluchy.medzi vodičmi. Netienené páry nemajú žiadne požiadavky na uzemnenie, majú väčšiu flexibilitu, menšie priečne rozmery a jednoduchú inštaláciu. Tienený pár poskytuje ochranu pred elektromagnetickým rušením a vysokokvalitný prenos dát cez siete.
Informačné systémy využívajú aj dvojvrstvové tienenie, ktoré pozostáva z ochrany krútených párov vo forme metalizovanej plastovej pásky alebo fólie a bežného kovového opletu. Pre účinnú ochranu pred magnetickým poľom musia byť takéto káblové systémy správne uzemnené.
