Elektromagnetni ekrani se široko koriste u industriji. Služe za otklanjanje štetnog djelovanja nekih elemenata električnog uređaja na druge, za zaštitu osoblja i opreme od djelovanja vanjskih polja koja nastaju tijekom rada drugih uređaja. "Gašenje" vanjskog magnetnog polja neophodno je u stvaranju laboratorija namijenjenih za podešavanje i ispitivanje visoko osjetljive opreme. Takođe je potreban u medicini i onim oblastima nauke u kojima se vrši merenje polja sa ultra-niskom indukcijom; za zaštitu informacija tokom njihovog prenosa preko kablova.
Metode
Zaštita od magnetnog polja je skup načina da se smanji jačina konstantnog ili naizmjeničnog polja u određenom području prostora. Magnetno polje, za razliku od električnog polja, ne može biti potpuno oslabljeno.
U industriji, zalutala polja od transformatora, trajnih magneta, visokostrujnih instalacija i strujnih kola imaju najveći uticaj na životnu sredinu. Oni mogu potpuno poremetiti normalan rad susjednih uređaja.
Najčešće korišteno 2način zaštite:
- Upotreba ekrana napravljenih od supravodljivih ili feromagnetnih materijala. Ovo je efikasno u prisustvu konstantnog ili niskofrekventnog magnetnog polja.
- Metod kompenzacije (prigušenje vrtložne struje). Vrtložne struje su velike električne struje koje se javljaju u vodiču kada se magnetski tok promijeni. Ova metoda pokazuje najbolje rezultate za visokofrekventna polja.
Principi
Principi zaštite magnetnog polja zasnovani su na obrascima širenja magnetnog polja u svemiru. Shodno tome, za svaku od gore navedenih metoda, one su sljedeće:
- Ako stavite induktor u kućište napravljeno od feromagneta, tada će linije indukcije vanjskog magnetskog polja prolaziti duž zidova zaštitnog ekrana, jer ima manji magnetni otpor u odnosu na prostor unutar njega. One linije sile koje indukuje sama zavojnica također će skoro sve biti zatvorene za zidove kućišta. Za najbolju zaštitu u ovom slučaju potrebno je odabrati feromagnetne materijale koji imaju visoku magnetnu permeabilnost. U praksi se najčešće koriste legure željeza. Kako bi se povećala pouzdanost sita, izrađuje se debelim zidovima ili prefabrikovanim od nekoliko kućišta. Nedostaci ovog dizajna su njegova velika težina, glomaznost i propadanje zaštite u prisustvu šavova i rezova na zidovima kućišta.
- U drugoj metodi, slabljenje vanjskog magnetnog poljanastaje kao rezultat nametanja drugog polja na njega, izazvanog prstenastim vrtložnim strujama. Njegov smjer je suprotan linijama indukcije prvog polja. Kako se frekvencija povećava, slabljenje će biti izraženije. U ovom slučaju za zaštitu se koriste ploče u obliku prstena vodiča sa niskim otporom. Kutije u obliku cilindra od bakra ili aluminijuma najčešće se koriste kao sito kućišta.
Ključne karakteristike
Postoje 3 glavne karakteristike za opisivanje procesa zaštite:
- Ekvivalentna dubina prodiranja magnetnog polja. Pa da nastavimo. Ova brojka se koristi za efekt screeninga vrtložnih struja. Što je njegova vrijednost manja, to je veća struja koja teče u površinskim slojevima zaštitnog kućišta. U skladu s tim, veće je magnetsko polje koje ga inducira, koje pomiče vanjsko. Ekvivalentna dubina je određena formulom ispod. U ovoj formuli, ρ i Μr su otpornost i relativna magnetna permeabilnost materijala ekrana, respektivno (mjerne jedinice prve vrijednosti su Ohm∙m); f je frekvencija polja, mjerena u MHz.
- Efikasnost zaštite e - odnos jačine magnetnog polja u zaštićenom prostoru u odsustvu i prisustvu štita. Ova vrijednost je veća, što je veća debljina ekrana i magnetska permeabilnost njegovog materijala. Magnetna permeabilnost je pokazatelj koji karakteriše koliko je puta indukcija u supstancidrugačije od onog u vakuumu.
- Smanjenje jačine magnetnog polja i gustine vrtložne struje na dubini x od površine zaštitnog kućišta. Indikator se izračunava pomoću formule u nastavku. Ovdje je A0 vrijednost na površini ekrana, x0 je dubina na kojoj se intenzitet ili gustina struje smanjuje e puta.
Dizajni ekrana
Zaštitni poklopci za zaštitu magnetnog polja mogu se izraditi u različitim izvedbama:
- list i masivan;
- u obliku šupljih cijevi i kućišta cilindričnog ili pravokutnog presjeka;
- jednoslojni i višeslojni, sa zračnim razmakom.
Pošto je proračun broja slojeva prilično komplikovan, ova vrijednost se najčešće bira iz referentnih knjiga, prema krivuljama efikasnosti zaštite koje su dobijene eksperimentalno. Rezovi i šavovi u kutijama dozvoljeni su samo duž linija vrtložnih struja. U suprotnom, efekat zaštite će biti smanjen.
U praksi je teško dobiti visok faktor zaštite, jer je uvijek potrebno napraviti rupe za ulaz kablova, ventilaciju i održavanje instalacija. Za zavojnice, bešavna kućišta se izrađuju metodom ekstruzije listova, a dno cilindričnog sita služi kao poklopac koji se može ukloniti.
Pored toga, kada strukturni elementi dođu u kontakt, nastaju pukotine zbog površinskih nepravilnosti. Da biste ih eliminisali, koristitemehaničke stezaljke ili brtve od provodljivih materijala. Dostupne su u različitim veličinama i sa različitim svojstvima.
Vrtložne struje su struje koje mnogo manje kruže, ali su u stanju da spreče prodor magnetnog polja kroz ekran. U prisustvu velikog broja rupa u kućištu dolazi do smanjenja koeficijenta zaštite prema logaritamskoj zavisnosti. Njegova najmanja vrijednost uočena je kod tehnoloških rupa velikih dimenzija. Stoga se preporuča dizajnirati nekoliko malih rupa umjesto jedne velike. Ako je potrebno koristiti standardizovane rupe (za ulaz kablova i druge potrebe), onda se koriste transcendentalni talasovodi.
U magnetostatičkom polju stvorenom jednosmernom električnom strujom, zadatak ekrana je da preusmjerava linije polja. Zaštitni element se postavlja što je moguće bliže izvoru. Uzemljenje nije potrebno. Efikasnost zaštite zavisi od magnetne permeabilnosti i debljine materijala za zaštitu. Kao potonje koriste se čelici, permaloj i magnetne legure visoke magnetne permeabilnosti.
Zaštita kablovskih trasa se uglavnom izvodi na dva načina - korišćenjem kablova sa oklopljenim ili zaštićenim upredenim paricom i polaganjem vodova u aluminijumske kutije (ili umetke).
Superprovodljivi ekrani
Rad supravodljivih magnetnih ekrana zasniva se na Meissner efektu. Ovaj fenomen se sastoji u činjenici da tijelo u magnetskom polju prelazi u supravodljivo stanje. Istovremeno, magnetnapermeabilnost kućišta postaje jednaka nuli, odnosno ne propušta magnetsko polje. Potpuno je kompenzirana u zapremini datog tijela.
Prednost ovakvih elemenata je što su mnogo efikasniji, zaštita od spoljašnjeg magnetnog polja ne zavisi od frekvencije, a efekat kompenzacije može trajati proizvoljno dugo. Međutim, u praksi, Meissnerov efekat nije potpun, jer u stvarnim ekranima napravljenim od supravodljivih materijala uvijek postoje strukturne nehomogenosti koje dovode do hvatanja magnetskog toka. Ovaj efekat predstavlja ozbiljan problem za stvaranje kućišta u cilju zaštite magnetnog polja. Koeficijent slabljenja magnetnog polja je veći, što je veća hemijska čistoća materijala. U eksperimentima, najbolji učinak je zabilježen za olovo.
Ostali nedostaci supravodljivih materijala za zaštitu magnetnog polja su:
- visoka cijena;
- prisustvo zaostalog magnetnog polja;
- pojava stanja supravodljivosti samo na niskim temperaturama;
- nemogućnost funkcioniranja u visokim magnetnim poljima.
Materijal
Najčešće se zasloni od ugljičnog čelika koriste za zaštitu od magnetnog polja, jer su vrlo prilagodljivi za zavarivanje, lemljenje, jeftini i karakterizirani dobrom otpornošću na koroziju. Pored njih, materijali kao što su:
- tehnička aluminijumska folija;
- meka magnetna legura gvožđa, aluminijuma i silicijuma (alsifer);
- bakar;
- provodljivo obloženo staklo;
- cink;
- transformatorski čelik;
- provodni emajli i lakovi;
- mjed;
- metalizirane tkanine.
Konstruktivno se mogu izraditi u obliku limova, mreža i folije. Limeni materijali pružaju bolju zaštitu, a mrežasti materijali su pogodniji za montažu - mogu se spojiti tačkastim zavarivanjem u koracima od 10-15 mm. Kako bi se osigurala otpornost na koroziju, rešetke su lakirane.
Preporuke za odabir materijala
Prilikom odabira materijala za zaštitne ekrane, vodite se sljedećim preporukama:
- U slabim poljima koriste se legure visoke magnetne permeabilnosti. Tehnološki najnaprednija je permaloy, koja se dobro podvrgava pritisku i rezanju. Jačina magnetnog polja potrebna za njegovu potpunu demagnetizaciju, kao i električna otpornost, zavise uglavnom od procenta nikla. Po količini ovog elementa razlikuju se permalloje sa niskim sadržajem nikla (do 50%) i visokoniklovim (do 80%).
- Da bi se smanjili gubici energije u naizmjeničnom magnetskom polju, kućišta se postavljaju ili od dobrog provodnika ili od izolatora.
- Za frekvenciju polja veću od 10 MHz, srebrne ili bakarne filmske prevlake debljine 0,1 mm ili više (ekrani od folijom obloženih getinaks i drugih izolacijskih materijala), kao i bakar, aluminijum i mesing, daju dobar efekat. Za zaštitu bakra od oksidacije, presvučen je srebrom.
- Debljinamaterijal zavisi od frekvencije f. Što je manji f, debljina mora biti veća da bi se postigao isti efekat zaštite. Na visokim frekvencijama, za proizvodnju kućišta od bilo kojeg materijala, dovoljna je debljina od 0,5-1,5 mm.
- Za polja sa velikim f, feromagneti se ne koriste, jer imaju veliki otpor i dovode do velikih gubitaka energije. Visoko provodljivi materijali osim čelika također se ne smiju koristiti za zaštitu trajnih magnetnih polja.
- Za zaštitu u širokom rasponu f, višeslojni materijali (čelični limovi sa visoko provodljivim metalnim slojem) su optimalno rješenje.
Opća pravila odabira su sljedeća:
- Visoke frekvencije su visoko provodljivi materijali.
- Niske frekvencije su materijali sa visokom magnetnom propusnošću. Screening je u ovom slučaju jedan od najtežih zadataka, jer dizajn zaštitnog ekrana čini težim i komplikovanijim.
Trake od folije
Folijske zaštitne trake se koriste u sljedeće svrhe:
- Zaštita širokopojasnih elektromagnetnih smetnji. Najčešće se koriste za vrata i zidove elektro ormara sa uređajima, kao i za formiranje paravana oko pojedinih elemenata (solenoida, releja) i kablova.
- Uklanjanje statičkog naboja koji se akumulira na uređajima koji sadrže poluprovodnike i katodne cijevi, kao i na uređajima koji se koriste za unos/izlaz informacija izkompjuter.
- Kao komponenta uzemljenja.
- Za smanjenje elektrostatičke interakcije između namotaja transformatora.
Strukturno su bazirani na provodljivom ljepljivom materijalu (akrilna smola) i foliji (sa valovitom ili glatkom površinom) napravljenoj od sljedećih vrsta metala:
- aluminij;
- bakar;
- kalajni bakar (za lemljenje i bolju zaštitu od korozije).
Polimerni materijali
U onim uređajima kod kojih je uz zaštitu magnetnog polja potrebna zaštita od mehaničkih oštećenja i apsorpcija udara, koriste se polimerni materijali. Izrađuju se u obliku jastučića od poliuretanske pjene prekrivenih poliesterskim filmom, na bazi akrilnog ljepila.
U proizvodnji monitora sa tečnim kristalima koriste se akrilne brtve od provodljive tkanine. U sloju akrilnog ljepila nalazi se trodimenzionalna provodljiva matrica napravljena od provodljivih čestica. Zbog svoje elastičnosti, ovaj materijal takođe efikasno apsorbuje mehanički stres.
Način kompenzacije
Princip metode kompenzacijske zaštite je da se umjetno stvori magnetsko polje koje je usmjereno suprotno od vanjskog polja. Ovo se obično postiže pomoću sistema Helmholtz zavojnica. Sastoji se od 2 identične tanke zavojnice smještene koaksijalno na udaljenosti od njihovog radijusa. Kroz njih prolazi struja. Magnetno polje inducirano zavojnicama je veoma uniformno.
Zaštitna konzervatakođe proizveden plazmom. Ovaj fenomen se uzima u obzir u distribuciji magnetnog polja u prostoru.
Zaštita kablova
Zaštita od magnetnog polja je neophodna prilikom polaganja kablova. Električne struje inducirane u njima mogu biti uzrokovane uključivanjem kućanskih aparata u prostoriju (klima uređaji, fluorescentne lampe, telefoni), kao i liftova u rudnicima. Ovi faktori imaju posebno veliki uticaj na digitalne komunikacione sisteme koji rade na protokolima sa širokim frekvencijskim opsegom. To je zbog male razlike između snage korisnog signala i šuma u gornjem dijelu spektra. Osim toga, elektromagnetna energija koju emituju kablovski sistemi negativno utiče na zdravlje osoblja koje radi u prostorijama.
Unakrsni razgovor se javlja između parova žica zbog prisustva kapacitivnog i induktivnog spoja između njih. Elektromagnetna energija kablova se takođe reflektuje zbog nehomogenosti njihove valne impedanse i slabi u vidu gubitaka toplote. Kao rezultat slabljenja, snaga signala na kraju dugih linija opada stotine puta.
Trenutno se u elektroindustriji praktikuju 3 metode zaštite kablovskih trasa:
- Upotreba potpuno metalnih kutija (čeličnih ili aluminijumskih) ili ugradnja metalnih umetaka u plastične. Kako se frekvencija polja povećava, sposobnost aluminijuma se skraćuje. Nedostatak je i visoka cijena kutija. Za dugačke kablove postojiproblem osiguravanja električnog kontakta pojedinih elemenata i njihovog uzemljenja kako bi se osigurao nulti potencijal kutije.
- Koristite oklopljene kablove. Ova metoda pruža maksimalnu zaštitu jer omotač okružuje sam kabel.
- Vakumsko nanošenje metala na PVC kanal. Ova metoda je neefikasna na frekvencijama do 200 MHz. “Gašenje” magnetnog polja je deset puta manje u poređenju sa polaganjem kabla u metalne kutije zbog visoke otpornosti.
Vrste kablova
Postoje 2 vrste oklopljenih kablova:
- Sa zajedničkim ekranom. Nalazi se oko nezaštićenih nasukanih provodnika. Nedostatak takvih kablova je što postoji veliki preslušavanje (5-10 puta više od oklopljenih parova), posebno između parova sa istim korakom uvijanja.
- Kablovi sa oklopljenim upredenim paricama. Svi parovi su pojedinačno zaštićeni. Zbog veće cijene najčešće se koriste u mrežama sa strogim sigurnosnim zahtjevima i u prostorijama sa teškim elektromagnetnim okruženjem. Upotreba takvih kablova u paralelnom polaganju omogućava smanjenje udaljenosti između njih. Ovo smanjuje troškove u poređenju sa podijeljenim usmjeravanjem.
Oklopljeni kabl sa upredenim parom je izolovani par provodnika (njihov broj je obično od 2 do 8). Ovaj dizajn smanjuje preslušavanje.između provodnika. Neoklopljeni parovi nemaju zahtjeve za uzemljenjem, imaju veću fleksibilnost, manje poprečne dimenzije i jednostavnost ugradnje. Zaštićeni par pruža zaštitu od elektromagnetnih smetnji i visokog kvaliteta prenosa podataka preko mreža.
Informacioni sistemi koriste i dvoslojnu zaštitu, koja se sastoji od zaštite upredenih para u obliku metalizirane plastične trake ili folije, i uobičajene metalne pletenice. Za efikasnu zaštitu od magnetnog polja, takvi kablovski sistemi moraju biti pravilno uzemljeni.
