Elektromagnetilisi ekraane kasutatakse tööstuses laialdaselt. Nende eesmärk on kõrvaldada mõne elektriseadme elemendi kahjulik mõju teistele, kaitsta personali ja seadmeid väliste väljade mõju eest, mis tekivad teiste seadmete töötamise ajal. Välise magnetvälja "kustutamine" on vajalik ülitundlike seadmete reguleerimiseks ja testimiseks mõeldud laborite loomisel. Seda nõutakse ka meditsiinis ja nendes teadusvaldkondades, kus teostatakse ülimadala induktsiooniga väljade mõõtmist; teabe kaitsmiseks kaablite kaudu edastamise ajal.
Meetodid
Magnetvälja varjestus on meetodite kogum konstantse või vahelduva välja tugevuse vähendamiseks teatud ruumipiirkonnas. Erinev alt elektriväljast ei saa magnetvälja täielikult nõrgendada.
Tööstuses avaldavad trafode, püsimagnetite, kõrgevooluseadmete ja vooluahelate hulkuvad väljad suurimat keskkonnamõju. Need võivad naaberseadmete normaalset tööd täielikult häirida.
Enim kasutatud 2kaitsemeetod:
- Ülijuhtivatest või ferromagnetilistest materjalidest valmistatud ekraanide kasutamine. See on efektiivne konstantse või madala sagedusega magnetvälja olemasolul.
- Kompensatsioonimeetod (pöörisvoolu summutamine). Pöörisvoolud on elektrivoolud, mis tekivad juhis magnetvoo muutumisel. See meetod näitab parimaid tulemusi kõrgsagedusväljade puhul.
Põhimõtted
Magnetvälja varjestamise põhimõtted põhinevad magnetvälja ruumis levimise mustritel. Seetõttu on iga ül altoodud meetodi puhul järgmised:
- Kui asetate induktiivpooli ferromagnetist valmistatud korpusesse, siis läbivad välise magnetvälja induktsioonijooned mööda kaitseekraani seinu, kuna sellel on väiksem magnettakistus võrreldes selle sees oleva ruumiga.. Mähise enda poolt esile kutsutud jõujooned on samuti peaaegu kõik korpuse seintega suletud. Sel juhul parima kaitse tagamiseks on vaja valida ferromagnetilised materjalid, millel on kõrge magnetiline läbilaskvus. Praktikas kasutatakse kõige sagedamini rauasulameid. Ekraani töökindluse suurendamiseks valmistatakse see paksuseinaliseks või mitmest korpusest kokkupandav alt. Selle konstruktsiooni puudusteks on selle suur kaal, mahukus ja varjestuse halvenemine korpuse seinte õmbluste ja sisselõigete korral.
- Teise meetodi puhul välise magnetvälja nõrgeneminetekib sellele teise välja pealesurumise tulemusena, mis on indutseeritud ringpöörisvoolude poolt. Selle suund on vastupidine esimese välja induktsioonijoontele. Sageduse kasvades on sumbumine rohkem väljendunud. Sel juhul kasutatakse varjestamiseks väikese takistusega juhtmete rõnga kujulisi plaate. Ekraanikestena kasutatakse kõige sagedamini vasest või alumiiniumist valmistatud silindrikujulisi karpe.
Põhifunktsioonid
Varjestusprotsessi kirjeldamiseks on kolm peamist omadust:
- Ekvivalentne magnetvälja läbitungimissügavus. Nii et jätkame. Seda arvu kasutatakse pöörisvoolude sõelumisefekti jaoks. Mida väiksem on selle väärtus, seda suurem on kaitsekesta pinnakihtides voolav vool. Vastav alt sellele, mida suurem on selle poolt indutseeritud magnetväli, mis tõrjub välja välist. Samaväärne sügavus määratakse järgmise valemiga. Selles valemis on ρ ja Μr vastav alt ekraani materjali eritakistus ja suhteline magnetiline läbilaskvus (esimese väärtuse mõõtühikud on Ohm∙m); f on välja sagedus, mõõdetuna MHz.
- Varjestuse efektiivsus e - varjestatud ruumi magnetvälja tugevuse suhe varjestuse puudumisel ja olemasolul. See väärtus on seda suurem, mida suurem on ekraani paksus ja selle materjali magnetiline läbilaskvus. Magnetiline läbilaskvus on näitaja, mis iseloomustab, mitu korda on induktsioon aineserinev kui vaakumis.
- Magnetvälja tugevuse ja pöörisvoolu tiheduse vähendamine sügavusel x kaitsekesta pinnast. Indikaator arvutatakse alloleva valemi abil. Siin on A0 väärtus ekraani pinnal, x0 on sügavus, mille juures intensiivsus või voolutihedus väheneb kordades.
Ekraanikujundus
Kaitsekatteid magnetvälja varjestamiseks saab valmistada erineva kujundusega:
- leht ja massiivne;
- silindrilise või ristkülikukujulise osaga õõnsate torude ja kestade kujul;
- ühekihiline ja mitmekihiline, õhuvahega.
Kuna kihtide arvu arvutamine on üsna keeruline, valitakse see väärtus kõige sagedamini teatmeteostest eksperimentaalselt saadud varjestuse efektiivsuse kõverate järgi. Kastidesse on lubatud lõikeid ja õmblusi teha ainult pöörisvoolude järgi. Vastasel juhul väheneb varjestus.
Praktikas on raske saavutada kõrget varjestustegurit, kuna alati on vaja teha augud kaablite sisestamiseks, ventilatsiooniks ja paigaldiste hooldamiseks. Rullide jaoks valmistatakse õmblusteta kestad lehtede väljapressimise meetodil ja silindrilise ekraani põhi toimib eemaldatava kattena.
Lisaks tekivad konstruktsioonielementide kokkupuutel pinna ebatasasuste tõttu praod. Nende kõrvaldamiseks kasutagejuhtivatest materjalidest valmistatud mehaanilised klambrid või tihendid. Need on saadaval erinevates suurustes ja erinevate omadustega.
Pöörisvoolud on voolud, mis ringlevad palju vähem, kuid need on võimelised takistama magnetvälja tungimist läbi ekraani. Kui korpuses on palju auke, toimub varjestusteguri vähenemine vastav alt logaritmilisele sõltuvusele. Selle väikseimat väärtust täheldatakse suurte tehnoloogiliste aukudega. Seetõttu on soovitatav kujundada mitu väikest auku, mitte üks suur. Kui on vaja kasutada standardiseeritud auke (kaabli sisend ja muudeks vajadusteks), siis kasutatakse transtsendentaalseid lainejuhte.
Alalisvoolude tekitatud magnetostaatilises väljas on ekraani ülesanne väljajooni šunteerida. Kaitseelement paigaldatakse allikale võimalikult lähedale. Maandus pole vajalik. Varjestuse efektiivsus sõltub magnetilisest läbilaskvusest ja varjestusmaterjali paksusest. Viimastena kasutatakse suure magnetilise läbilaskvusega teraseid, permalsulameid ja magnetsulameid.
Kaablitrasside varjestamine toimub peamiselt kahel viisil – kasutades varjestatud või kaitstud keerdpaarkaableid ja paigaldades torud alumiiniumkarpidesse (või sisestustesse).
Ülijuhtivad ekraanid
Ülijuhtivate magnetekraanide töö põhineb Meissneri efektil. See nähtus seisneb selles, et keha läheb magnetväljas ülijuhtivasse olekusse. Samal ajal magnetilinekesta läbilaskvus võrdub nulliga, see tähendab, et see ei läbi magnetvälja. See kompenseeritakse täielikult antud keha mahus.
Selliste elementide eeliseks on see, et need on palju tõhusamad, kaitse välise magnetvälja eest ei sõltu sagedusest ning kompensatsiooniefekt võib kesta meelevaldselt kaua. Praktikas ei ole Meissneri efekt siiski täielik, kuna ülijuhtivatest materjalidest valmistatud tõelistes ekraanides on alati struktuurseid ebahomogeensusi, mis põhjustavad magnetvoo lõksu. See efekt on tõsine probleem kestade loomisel magnetvälja varjestamiseks. Magnetvälja sumbumise koefitsient on seda suurem, seda kõrgem on materjali keemiline puhtus. Katsetes saavutati parima tulemuse plii puhul.
Muud ülijuhtivate magnetvälja varjestusmaterjalide puudused on järgmised:
- kõrge hind;
- jääkmagnetvälja olemasolu;
- ülijuhtivuse oleku ilmnemine ainult madalatel temperatuuridel;
- võimetus töötada tugevates magnetväljades.
Materjalid
Enamasti kasutatakse magnetvälja eest kaitsmiseks süsinikterasest ekraane, kuna need on hästi kohandatavad keevitamiseks, jootmiseks, on odavad ja neid iseloomustab hea korrosioonikindlus. Lisaks neile sellised materjalid nagu:
- tehniline alumiiniumfoolium;
- rauda, alumiiniumi ja räni pehme magnetsulam (alsifer);
- vask;
- juhtiv alt kaetud klaas;
- tsink;
- trafoteras;
- juhtivad emailid ja lakid;
- messing;
- metallistatud kangad.
Struktuurselt saab neid valmistada lehtede, võrkude ja fooliumi kujul. Lehtmaterjalid tagavad parema kaitse ning võrkmaterjale on mugavam kokku panna – neid saab omavahel ühendada punktkeevitusega 10-15 mm sammuga. Korrosioonikindluse tagamiseks on võred lakitud.
Soovitused materjali valikuks
Kaitseekraanide materjali valimisel juhindutakse järgmistest soovitustest:
- Nõrkades väljades kasutatakse suure magnetilise läbilaskvusega sulameid. Tehnoloogiliselt kõige arenenum on permalloy, mis sobib hästi surveks ja lõikamiseks. Selle täielikuks demagnetiseerimiseks vajalik magnetvälja tugevus ja elektritakistus sõltuvad peamiselt nikli protsendist. Selle elemendi koguse järgi eristatakse madala niklisisaldusega (kuni 50%) ja kõrge niklisisaldusega (kuni 80%) permalloide.
- Energiakadude vähendamiseks vahelduvas magnetväljas paigaldatakse korpused kas heast juhist või isolaatorist.
- Väljasagedusele üle 10 MHz hõbe- või vaskkilekatted paksusega 0,1 mm või rohkem (fooliumkattega getinaksist ja muudest isolatsioonimaterjalidest valmistatud ekraanid), samuti vask, alumiinium ja messing, annab hea efekti. Vase kaitsmiseks oksüdatsiooni eest on see kaetud hõbedaga.
- Paksusmaterjal sõltub sagedusest f. Mida madalam f, seda suurem peab olema paksus, et saavutada sama varjestusefekt. Kõrgetel sagedustel piisab mis tahes materjalist korpuse valmistamiseks 0,5–1,5 mm paksusest.
- Kõrge f-ga väljade puhul ferromagneteid ei kasutata, kuna neil on suur takistus ja need põhjustavad suuri energiakadusid. Püsimagnetväljade varjestamiseks ei tohiks kasutada ka muid väga juhtivaid materjale peale terase.
- Kaitseks laias f-vahemikus on mitmekihilised materjalid (kõrge juhtiva metallikihiga teraslehed) optimaalne lahendus.
Üldised valikureeglid on järgmised:
- Kõrged sagedused on väga juhtivad materjalid.
- Madalad sagedused on suure magnetilise läbilaskvusega materjalid. Sel juhul on sõelumine üks raskemaid ülesandeid, kuna see muudab kaitseekraani disaini raskemaks ja keerulisemaks.
Fooliumiteibid
Fooliumiga varjestuslinte kasutatakse järgmistel eesmärkidel:
- Lairiba elektromagnetiliste häirete varjestamine. Kõige sagedamini kasutatakse neid seadmetega elektrikilpide uste ja seinte jaoks, samuti üksikute elementide (solenoidid, releed) ja kaablite ümber ekraani moodustamiseks.
- Staatilise laengu eemaldamine, mis koguneb pooljuhte ja elektronkiiretorusid sisaldavatele seadmetele, samuti seadmetele, mida kasutatakse teabe sisestamiseks/väljastamiseksarvuti.
- Maandusahelate komponendina.
- Trafo mähiste vahelise elektrostaatilise interaktsiooni vähendamiseks.
Struktuurselt põhinevad need juhtival liimmaterjalil (akrüülvaik) ja fooliumil (gofreeritud või sileda pinnaga), mis on valmistatud järgmist tüüpi metallidest:
- alumiinium;
- vask;
- tinatatud vask (jootmiseks ja paremaks korrosioonikaitseks).
Polümeermaterjalid
Nendes seadmetes, kus lisaks magnetvälja varjestamisele on vajalik kaitse mehaaniliste kahjustuste ja löökide summutamise eest, kasutatakse polümeermaterjale. Need on valmistatud polüuretaanvahust padjanditena, mis on kaetud polüesterkilega ja mis põhinevad akrüülliimil.
Vedelkristallkuvarite tootmisel kasutatakse juhtivast kangast valmistatud akrüültihendeid. Akrüülliimi kihis on kolmemõõtmeline juhtiv maatriks, mis on valmistatud juhtivatest osakestest. Tänu oma elastsusele neelab see materjal tõhus alt ka mehaanilist pinget.
Hüvimeetod
Kompensatsioonivarjestuse meetodi põhimõte on luua kunstlikult välisväljale vastupidine magnetväli. Tavaliselt saavutatakse see Helmholtzi mähissüsteemiga. See koosneb kahest identsest õhukesest mähist, mis paiknevad koaksiaalselt nende raadiuse kaugusel. Nende kaudu juhitakse elekter. Mähiste poolt indutseeritud magnetväli on väga ühtlane.
Varjestuskanntoodetakse ka plasmaga. Seda nähtust võetakse arvesse magnetvälja jaotuses ruumis.
Kaabli varjestus
Kaablite paigaldamisel on magnetvälja kaitse hädavajalik. Neis indutseeritud elektrivoolu võib põhjustada kodumasinate (kliimaseadmed, luminofoorlambid, telefonid), samuti kaevandustes olevate liftide paigutamine ruumi. Need tegurid omavad eriti suurt mõju digitaalsetele sidesüsteemidele, mis töötavad laia sagedusribaga protokollidel. See on tingitud väikesest erinevusest kasuliku signaali võimsuse ja müra vahel spektri ülemises osas. Lisaks mõjutab kaablisüsteemide poolt eralduv elektromagnetiline energia ebasoods alt ruumides töötavate töötajate tervist.
Juhtmepaaride vahel tekib ristkõne, kuna nende vahel on mahtuvuslik ja induktiivne side. Kaablite elektromagnetiline energia peegeldub ka nende lainetakistuse ebaühtluse tõttu ja nõrgeneb soojuskadude näol. Sumbumise tulemusena langeb signaali võimsus pikkade joonte lõpus sadu kordi.
Praegu kasutatakse elektritööstuses 3 kaablite varjestusmeetodit:
- Täismetallist kastide (terasest või alumiiniumist) kasutamine või metalldetailide paigaldamine plastkarpidesse. Välja sageduse kasvades alumiiniumi sõelumisvõime väheneb. Puuduseks on ka kastide kõrge hind. Pikkade kaablite jaoks on olemasüksikute elementide elektrilise kontakti ja nende maanduse tagamise probleem, et tagada karbi nullpotentsiaal.
- Kasutage varjestatud kaableid. See meetod tagab maksimaalse kaitse, kuna kest ümbritseb kaablit ennast.
- Metalli vaakum-sadestamine PVC kanalile. See meetod on ebaefektiivne sagedustel kuni 200 MHz. Magnetvälja “kustutamine” on suure takistuse tõttu kümme korda väiksem võrreldes kaabli paigutamisega metallkarpidesse.
Kaabli tüübid
Varjestatud kaableid on kahte tüüpi:
- Ühise ekraaniga. See asub kaitsmata keerdunud juhtide ümber. Selliste kaablite puuduseks on see, et seal on suur ülekõla (5–10 korda rohkem kui varjestatud paarid), eriti sama keerdumisastmega paaride vahel.
- Varjestatud keerdpaaridega kaablid. Kõik paarid on individuaalselt varjestatud. Kõrgema hinna tõttu kasutatakse neid kõige sagedamini rangete ohutusnõuetega võrkudes ja raske elektromagnetilise keskkonnaga ruumides. Selliste kaablite kasutamine paralleelses paigaldamises võimaldab vähendada nendevahelist kaugust. See vähendab kulusid võrreldes jagatud marsruutimisega.
Varjestatud keerdpaarkaabel on isoleeritud juhtmepaar (nende arv on tavaliselt 2 kuni 8). See disain vähendab ülekuulamist.juhtide vahel. Varjestamata paaridel ei ole maandusnõudeid, neil on suurem paindlikkus, väiksemad põikimõõtmed ja paigaldamise lihtsus. Varjestatud paar pakub kaitset elektromagnetiliste häirete eest ja kvaliteetset andmeedastust võrkude kaudu.
Infosüsteemides kasutatakse ka kahekihilist varjestust, mis koosneb keerdpaaride kaitsest metalliseeritud plastlindi või fooliumi kujul ning tavalisest metallpunutisest. Tõhusaks kaitseks magnetvälja eest peavad sellised kaablisüsteemid olema korralikult maandatud.
