Elektromagnētiskie ekrāni tiek plaši izmantoti rūpniecībā. Tie kalpo, lai novērstu dažu elektriskās ierīces elementu kaitīgo ietekmi uz citiem, aizsargātu personālu un aprīkojumu no ārējo lauku ietekmes, kas rodas citu ierīču darbības laikā. Ārējā magnētiskā lauka "dzēšana" ir nepieciešama, veidojot laboratorijas, kas paredzētas īpaši jutīgu iekārtu regulēšanai un pārbaudei. Tas ir nepieciešams arī medicīnā un tajās zinātnes jomās, kurās tiek veikti lauku mērījumi ar īpaši zemu indukciju; lai aizsargātu informāciju tās pārraides laikā pa kabeļiem.
Metodes
Magnētiskā lauka ekranēšana ir veidu kopums, kā samazināt nemainīga vai mainīga lauka stiprumu noteiktā telpas zonā. Magnētisko lauku, atšķirībā no elektriskā lauka, nevar pilnībā novājināt.
Rūpniecībā vislielākā ietekme uz vidi ir transformatoru, pastāvīgo magnētu, augstas strāvas instalāciju un ķēžu klaiņojošiem laukiem. Tie var pilnībā traucēt blakus esošo ierīču normālu darbību.
Visbiežāk lietotais 2aizsardzības metode:
- No supravadošiem vai feromagnētiskiem materiāliem izgatavotu ekrānu izmantošana. Tas ir efektīvs pastāvīga vai zemas frekvences magnētiskā lauka klātbūtnē.
- Kompensācijas metode (virpuļstrāvas slāpēšana). Virpuļstrāvas ir liela apjoma elektriskās strāvas, kas rodas vadītājā, mainoties magnētiskajai plūsmai. Šī metode parāda labākos rezultātus augstas frekvences laukiem.
Principi
Magnētiskā lauka ekranēšanas principi ir balstīti uz magnētiskā lauka izplatīšanās modeļiem telpā. Attiecīgi katrai no iepriekš uzskaitītajām metodēm tās ir šādas:
- Ja ievietojat induktors apvalkā, kas izgatavots no feromagnēta, tad ārējā magnētiskā lauka indukcijas līnijas iet gar aizsargekrāna sienām, jo tam ir mazāka magnētiskā pretestība, salīdzinot ar telpu tajā.. Arī tās spēka līnijas, ko izraisa pati spole, gandrīz visas būs aizvērtas pret korpusa sienām. Lai nodrošinātu vislabāko aizsardzību šajā gadījumā, ir jāizvēlas feromagnētiskie materiāli, kuriem ir augsta magnētiskā caurlaidība. Praksē visbiežāk tiek izmantoti dzelzs sakausējumi. Lai palielinātu ekrāna uzticamību, tas ir izgatavots biezsienu vai saliekams no vairākiem korpusiem. Šīs konstrukcijas trūkumi ir tā lielais svars, apjomīgums un ekranējuma pasliktināšanās, ja korpusa sienās ir šuves un griezumi.
- Otrajā metodē ārējā magnētiskā lauka pavājināšanāsrodas cita lauka uzlikšanas rezultātā, ko izraisa gredzenveida virpuļstrāvas. Tā virziens ir pretējs pirmā lauka indukcijas līnijām. Palielinoties frekvencei, vājināšanās būs izteiktāka. Šajā gadījumā ekranēšanai tiek izmantotas plāksnes vadītāju gredzena formā ar zemu pretestību. Kā ekrāna apvalkus visbiežāk izmanto cilindriskas kastes, kas izgatavotas no vara vai alumīnija.
Galvenās funkcijas
Ekranēšanas procesu raksturo 3 galvenie raksturlielumi:
- Ekvivalents magnētiskā lauka iespiešanās dziļums. Tātad turpināsim. Šo skaitli izmanto virpuļstrāvu skrīninga efektam. Jo mazāka ir tā vērtība, jo lielāka ir strāva, kas plūst aizsargapvalka virsmas slāņos. Attiecīgi, jo lielāks ir tā inducētais magnētiskais lauks, kas izspiež ārējo. Ekvivalentais dziļums tiek noteikts pēc zemāk esošās formulas. Šajā formulā ρ un Μr ir attiecīgi ekrāna materiāla pretestība un relatīvā magnētiskā caurlaidība (pirmās vērtības mērvienības ir Ohm∙m); f ir lauka frekvence, ko mēra MHz.
- Ekranēšanas efektivitāte e - magnētiskā lauka intensitātes attiecība ekranētajā telpā, ja vairoga nav un tā ir. Šī vērtība ir lielāka, jo lielāks ir ekrāna biezums un tā materiāla magnētiskā caurlaidība. Magnētiskā caurlaidība ir rādītājs, kas raksturo vielas indukcijuatšķiras no vakuuma.
- Magnētiskā lauka intensitātes un virpuļstrāvas blīvuma samazināšana x dziļumā no aizsargapvalka virsmas. Rādītāju aprēķina, izmantojot tālāk norādīto formulu. Šeit A0 ir vērtība uz ekrāna virsmas, x0 ir dziļums, kurā intensitāte vai strāvas blīvums samazinās e reizes.
Ekrāna dizains
Aizsargpārsegus magnētiskā lauka ekranēšanai var izgatavot dažādos dizainos:
- loksne un masīvs;
- dobu cauruļu un apvalku veidā ar cilindrisku vai taisnstūrveida sekciju;
- vienslāņa un daudzslāņu, ar gaisa spraugu.
Tā kā slāņu skaita aprēķināšana ir diezgan sarežģīta, šī vērtība visbiežāk tiek izvēlēta no uzziņu grāmatām, pēc ekranēšanas efektivitātes līknēm, kas iegūtas eksperimentāli. Izgriezumus un šuves kastēs atļauts veikt tikai pa virpuļstrāvu līnijām. Pretējā gadījumā tiks samazināts ekranēšanas efekts.
Praksē ir grūti iegūt augstu ekranēšanas koeficientu, jo vienmēr ir nepieciešams izveidot caurumus kabeļu ievadīšanai, ventilācijai un instalāciju apkopei. Spolēm bezšuvju apvalkus izgatavo, izmantojot lokšņu ekstrūzijas metodi, un cilindriskā sieta apakšdaļa kalpo kā noņemams vāks.
Turklāt, saskaroties konstrukcijas elementiem, virsmas nelīdzenumu dēļ veidojas plaisas. Lai tos novērstu, izmantojietmehāniskas skavas vai blīves, kas izgatavotas no vadošiem materiāliem. Tie ir pieejami dažādos izmēros un ar dažādām īpašībām.
Virpuļstrāvas ir strāvas, kas cirkulē daudz mazāk, taču tās spēj novērst magnētiskā lauka iekļūšanu caur ekrānu. Ja korpusā ir liels skaits caurumu, ekranēšanas koeficienta samazināšanās notiek saskaņā ar logaritmisko atkarību. Tā mazākā vērtība tiek novērota ar liela izmēra tehnoloģiskiem caurumiem. Tāpēc ieteicams izveidot vairākus mazus caurumus, nevis vienu lielu. Ja nepieciešams izmantot standartizētus caurumus (kabeļu ievadīšanai un citām vajadzībām), tad tiek izmantoti transcendentālie viļņvadi.
Magneostatiskajā laukā, ko rada tiešas elektriskās strāvas, ekrāna uzdevums ir šuntēt lauka līnijas. Aizsargelements ir uzstādīts pēc iespējas tuvāk avotam. Zemējums nav nepieciešams. Ekranēšanas efektivitāte ir atkarīga no magnētiskās caurlaidības un vairoga materiāla biezuma. Kā pēdējais tiek izmantots tērauds, permalloy un magnētiskie sakausējumi ar augstu magnētisko caurlaidību.
Kabeļu trašu ekranēšana galvenokārt tiek veikta ar divām metodēm - izmantojot kabeļus ar ekranētu vai aizsargātu vītā pāra un ieliekot caurules alumīnija kastēs (vai ieliktņos).
Supravadoši ekrāni
Supravadošu magnētisko ekrānu darbības pamatā ir Meisnera efekts. Šī parādība sastāv no tā, ka ķermenis magnētiskajā laukā nonāk supravadītāja stāvoklī. Tajā pašā laikā magnētiskaiskorpusa caurlaidība kļūst vienāda ar nulli, tas ir, tas neiztur magnētisko lauku. Tas ir pilnībā kompensēts dotā ķermeņa tilpumā.
Šādu elementu priekšrocība ir tā, ka tie ir daudz efektīvāki, aizsardzība pret ārēju magnētisko lauku nav atkarīga no frekvences, un kompensācijas efekts var ilgt patvaļīgi ilgu laiku. Tomēr praksē Meisnera efekts nav pilnīgs, jo reālos ekrānos, kas izgatavoti no supravadošiem materiāliem, vienmēr ir strukturālas neviendabības, kas izraisa magnētiskās plūsmas uztveršanu. Šis efekts ir nopietna problēma, veidojot apvalkus, lai aizsargātu magnētisko lauku. Magnētiskā lauka vājināšanās koeficients ir lielāks, jo augstāka ir materiāla ķīmiskā tīrība. Eksperimentos vislabākais sniegums tika atzīmēts svinam.
Citi supravadošo magnētiskā lauka ekranēšanas materiālu trūkumi ir:
- augstas izmaksas;
- atlikušā magnētiskā lauka klātbūtne;
- supravadītspējas stāvokļa parādīšanās tikai zemā temperatūrā;
- nespēja darboties lielos magnētiskajos laukos.
Materiāli
Visbiežāk oglekļa tērauda sietus izmanto aizsardzībai pret magnētisko lauku, jo tie ir ļoti pielāgojami metināšanai, lodēšanai, ir lēti un tiem ir raksturīga laba izturība pret koroziju. Papildus tiem, tādi materiāli kā:
- tehniskā alumīnija folija;
- mīksts magnētiskais dzelzs, alumīnija un silīcija sakausējums (alsifer);
- varš;
- vadošs stikls ar pārklājumu;
- cinks;
- transformatora tērauds;
- vadošas emaljas un lakas;
- misiņš;
- metalizēti audumi.
Strukturāli tos var izgatavot lokšņu, tīklu un folijas veidā. Lokšņu materiāli nodrošina labāku aizsardzību, un sieta materiāli ir ērtāk montējami - tos var savienot kopā ar punktmetināšanu ar 10-15 mm soli. Lai nodrošinātu izturību pret koroziju, režģi ir lakoti.
Ieteikumi materiālu izvēlei
Izvēloties aizsargekrānu materiālu, tiek ievēroti šādi ieteikumi:
- Vājos laukos tiek izmantoti sakausējumi ar augstu magnētisko caurlaidību. Tehnoloģiski vismodernākais ir permalloy, kas ir labi piemērots spiedienam un griešanai. Tā pilnīgai demagnetizācijai nepieciešamais magnētiskā lauka stiprums, kā arī elektriskā pretestība galvenokārt ir atkarīga no niķeļa procentuālā daudzuma. Pēc šī elementa daudzuma izšķir permalojus ar zemu niķeļa saturu (līdz 50%) un ar augstu niķeļa saturu (līdz 80%).
- Lai samazinātu enerģijas zudumus mainīgā magnētiskajā laukā, apvalkus novieto vai nu no laba vadītāja, vai no izolatora.
- Lauka frekvencei, kas lielāka par 10 MHz, sudraba vai vara plēves pārklājumi ar biezumu 0,1 mm vai vairāk (ekrāni, kas izgatavoti no folijas pārklājuma getinaks un citiem izolācijas materiāliem), kā arī vara, alumīnija un misiņš, dod labu efektu. Lai aizsargātu varu no oksidēšanās, tas ir pārklāts ar sudrabu.
- Biezumsmateriāls ir atkarīgs no frekvences f. Jo mazāks f, jo lielākam jābūt biezumam, lai panāktu tādu pašu ekranēšanas efektu. Augstās frekvencēs, lai izgatavotu apvalkus no jebkura materiāla, pietiek ar 0,5-1,5 mm biezumu.
- Laukiem ar augstu f feromagnētus neizmanto, jo tiem ir augsta pretestība un tie rada lielus enerģijas zudumus. Pastāvīgo magnētisko lauku ekranēšanai nevajadzētu izmantot arī citus materiālus ar augstu vadītspēju, izņemot tēraudu.
- Aizsardzībai plašā f diapazonā optimāls risinājums ir daudzslāņu materiāli (tērauda loksnes ar ļoti vadošu metāla slāni).
Vispārīgie atlases noteikumi ir šādi:
- Augstas frekvences ir materiāli ar augstu vadītspēju.
- Zemas frekvences ir materiāli ar augstu magnētisko caurlaidību. Skrīnings šajā gadījumā ir viens no grūtākajiem uzdevumiem, jo tas padara aizsargekrāna dizainu smagāku un sarežģītāku.
Folijas lentes
Folijas aizsarglentes tiek izmantotas šādiem mērķiem:
- Pasargā platjoslas elektromagnētiskos traucējumus. Visbiežāk tos izmanto elektrisko skapju ar ierīcēm durvīm un sienām, kā arī ekrāna veidošanai ap atsevišķiem elementiem (solenoīdiem, relejiem) un kabeļiem.
- Statiskā lādiņa noņemšana, kas uzkrājas ierīcēs, kurās ir pusvadītāji un katodstaru lampas, kā arī ierīcēs, ko izmanto informācijas ievadīšanai/izvadīšanai nodators.
- Kā zemējuma ķēžu sastāvdaļa.
- Lai samazinātu elektrostatisko mijiedarbību starp transformatora tinumiem.
Strukturāli to pamatā ir vadošs adhezīvs materiāls (akrila sveķi) un folija (ar gofrētu vai gludu virsmu), kas izgatavota no šāda veida metāliem:
- alumīnijs;
- varš;
- alvots varš (lodēšanai un labākai pretkorozijas aizsardzībai).
Polimēru materiāli
Tajās ierīcēs, kur līdzās magnētiskā lauka ekranēšanai nepieciešama aizsardzība pret mehāniskiem bojājumiem un triecienu absorbciju, tiek izmantoti polimēru materiāli. Tie ir izgatavoti kā poliuretāna putu spilventiņi, kas pārklāti ar poliestera plēvi, pamatojoties uz akrila līmi.
Šķidro kristālu monitoru ražošanā tiek izmantotas akrila blīves, kas izgatavotas no vadoša auduma. Akrila līmes slānī ir trīsdimensiju vadoša matrica, kas izgatavota no vadošām daļiņām. Pateicoties tā elastībai, šis materiāls efektīvi absorbē arī mehānisko spriegumu.
Kompensācijas metode
Kompensācijas ekranēšanas metodes princips ir mākslīgi radīt magnētisko lauku, kas ir vērsts pretēji ārējam laukam. Parasti to panāk ar Helmholca spoļu sistēmu. Tas sastāv no 2 identiskām plānām spolēm, kas atrodas koaksiāli attālumā no to rādiusa. Caur tiem tiek nodota elektrība. Spolu inducētais magnētiskais lauks ir ļoti vienmērīgs.
Aizsardzības kannaražo arī plazma. Šī parādība tiek ņemta vērā magnētiskā lauka sadalījumā telpā.
Kabeļa ekranēšana
Magnētiskā lauka aizsardzība ir būtiska, ieliekot kabeļus. Tajos inducētās elektriskās strāvas var izraisīt sadzīves tehnikas iekļaušana telpā (kondicionieri, dienasgaismas spuldzes, telefoni), kā arī lifti raktuvēs. Šie faktori īpaši lielā mērā ietekmē digitālās sakaru sistēmas, kas darbojas ar protokoliem ar plašu frekvenču joslu. Tas ir saistīts ar nelielo atšķirību starp noderīgā signāla jaudu un troksni spektra augšējā daļā. Turklāt kabeļu sistēmu izstarotā elektromagnētiskā enerģija negatīvi ietekmē telpās strādājošā personāla veselību.
Starp vadu pāriem notiek savstarpēja saruna, jo starp tiem ir kapacitatīvs un induktīvās savienojums. Kabeļu elektromagnētiskā enerģija tiek atspoguļota arī to viļņu pretestības neviendabīguma dēļ un tiek vājināta siltuma zudumu veidā. Vājināšanās rezultātā signāla jauda garu līniju beigās samazinās simtiem reižu.
Šobrīd elektriskajā rūpniecībā tiek izmantotas 3 kabeļu trašu ekranēšanas metodes:
- Pilnīgi metāla kastu (tērauda vai alumīnija) izmantošana vai metāla ieliktņu uzstādīšana plastmasas kastēs. Palielinoties lauka frekvencei, alumīnija skrīninga spēja samazinās. Trūkums ir arī augstās kastu izmaksas. Gariem kabeļu gājieniem iratsevišķu elementu elektriskā kontakta un to zemējuma nodrošināšanas problēma, lai nodrošinātu kastes nulles potenciālu.
- Izmantojiet ekranētus kabeļus. Šī metode nodrošina maksimālu aizsardzību, jo apvalks ieskauj pašu kabeli.
- Metāla vakuuma uzklāšana uz PVC kanāla. Šī metode ir neefektīva frekvencēs līdz 200 MHz. Magnētiskā lauka “dzēšamība” ir desmit reizes mazāka, salīdzinot ar kabeļa ievietošanu metāla kastēs augstās pretestības dēļ.
Kabeļu veidi
Ir divu veidu ekranēti kabeļi:
- Ar kopēju ekrānu. Tas atrodas ap neaizsargātiem savītiem vadītājiem. Šādu kabeļu trūkums ir liels šķērsruna (5–10 reizes vairāk nekā ekranētiem pāriem), īpaši starp pāriem ar vienādu pagrieziena soli.
- Kabeļi ar ekranētiem vītā pāriem. Visi pāri ir individuāli ekranēti. Augstāko izmaksu dēļ tos visbiežāk izmanto tīklos ar stingrām drošības prasībām un telpās ar sarežģītu elektromagnētisko vidi. Šādu kabeļu izmantošana paralēlā ieklāšanā ļauj samazināt attālumu starp tiem. Tas samazina izmaksas salīdzinājumā ar dalītu maršrutēšanu.
Vītā pāra ekranēts kabelis ir izolēts vadu pāris (to skaits parasti ir no 2 līdz 8). Šis dizains samazina šķērsrunu.starp vadītājiem. Neekranētiem pāriem nav zemējuma prasību, tiem ir lielāka elastība, mazāki šķērseniskie izmēri un viegla uzstādīšana. Ekranētais pāris nodrošina aizsardzību pret elektromagnētiskiem traucējumiem un augstas kvalitātes datu pārraidi tīklos.
Informācijas sistēmās tiek izmantots arī divslāņu ekranējums, kas sastāv no vītā pāru aizsardzības metalizētas plastmasas lentes vai folijas veidā un kopējas metāla pinuma. Lai nodrošinātu efektīvu aizsardzību pret magnētisko lauku, šādām kabeļu sistēmām jābūt pareizi iezemētām.
