Elektromagnetické obrazovky jsou široce používány v průmyslu. Slouží k eliminaci škodlivých účinků některých prvků elektrického zařízení na jiné, k ochraně osob a zařízení před účinky vnějších polí, ke kterým dochází při provozu jiných zařízení. "Zhášení" vnějšího magnetického pole je nezbytné při vytváření laboratoří určených pro seřizování a testování vysoce citlivých zařízení. Vyžaduje se také v medicíně a těch oblastech vědy, kde se provádí měření polí s ultranízkou indukcí; k ochraně informací během jejich přenosu přes kabely.
Metody
Stínění magnetického pole je soubor způsobů, jak snížit sílu konstantního nebo střídavého pole v určité oblasti prostoru. Magnetické pole, na rozdíl od elektrického pole, nemůže být zcela oslabeno.
V průmyslu mají rozptylová pole z transformátorů, permanentních magnetů, vysokoproudých instalací a obvodů největší dopad na životní prostředí. Mohou zcela narušit normální provoz sousedních spotřebičů.
Nejpoužívanější 2metoda ochrany:
- Použití obrazovek vyrobených ze supravodivých nebo feromagnetických materiálů. To je účinné v přítomnosti konstantního nebo nízkofrekvenčního magnetického pole.
- Metoda kompenzace (tlumení vířivých proudů). Vířivé proudy jsou hromadné elektrické proudy, které se vyskytují ve vodiči při změně magnetického toku. Tato metoda ukazuje nejlepší výsledky pro vysokofrekvenční pole.
Principy
Principy stínění magnetického pole jsou založeny na vzorcích šíření magnetického pole v prostoru. Pro každou z výše uvedených metod jsou tedy následující:
- Pokud umístíte induktor do pouzdra vyrobeného z feromagnetu, budou indukční čáry vnějšího magnetického pole procházet podél stěn ochranné clony, protože má menší magnetický odpor ve srovnání s prostorem uvnitř. Ty siločáry, které jsou indukovány samotnou cívkou, budou také téměř všechny uzavřeny ke stěnám pouzdra. Pro nejlepší ochranu je v tomto případě nutné volit feromagnetické materiály, které mají vysokou magnetickou permeabilitu. V praxi se nejčastěji používají slitiny železa. Aby se zvýšila spolehlivost obrazovky, je vyrobena jako silnostěnná nebo prefabrikovaná z několika pouzder. Nevýhody tohoto provedení jsou jeho velká hmotnost, objemnost a zhoršení stínění v přítomnosti švů a řezů ve stěnách pláště.
- Ve druhé metodě oslabení vnějšího magnetického polevzniká v důsledku uložení dalšího pole na něj, indukovaného prstencovými vířivými proudy. Jeho směr je opačný než indukční čáry prvního pole. S rostoucí frekvencí bude útlum výraznější. V tomto případě se pro stínění používají desky ve formě prstence vodičů s nízkým odporem. Jako kryty obrazovky se nejčastěji používají krabice ve tvaru válce vyrobené z mědi nebo hliníku.
Klíčové funkce
Pro popis procesu stínění existují 3 hlavní charakteristiky:
- Hloubka pronikání ekvivalentního magnetického pole. Pokračujme tedy. Tento údaj se používá pro stínící účinek vířivých proudů. Čím menší je jeho hodnota, tím vyšší proud teče v povrchových vrstvách ochranného pouzdra. V souladu s tím, čím větší je magnetické pole jím indukované, které vytlačuje to vnější. Ekvivalentní hloubka je určena níže uvedeným vzorcem. V tomto vzorci jsou ρ a Μr měrný odpor a relativní magnetická permeabilita materiálu stínítka (jednotky měření první hodnoty jsou Ohm∙m); f je frekvence pole, měřená v MHz.
- Účinnost stínění e - poměr intenzity magnetického pole ve stíněném prostoru v nepřítomnosti a přítomnosti stínění. Tato hodnota je tím vyšší, čím větší je tloušťka síta a magnetická permeabilita jeho materiálu. Magnetická permeabilita je ukazatel charakterizující, kolikrát je indukce v látcejiné než ve vakuu.
- Snížení intenzity magnetického pole a hustoty vířivých proudů v hloubce x od povrchu ochranného pouzdra. Ukazatel se vypočítá pomocí níže uvedeného vzorce. Zde A0 je hodnota na povrchu obrazovky, x0 je hloubka, ve které intenzita nebo proudová hustota klesá e-krát.
Design obrazovky
Ochranné kryty pro odstínění magnetického pole lze vyrobit v různých provedeních:
- list a masivní;
- ve formě dutých trubek a pouzder s válcovým nebo obdélníkovým průřezem;
- jednovrstvé a vícevrstvé, se vzduchovou mezerou.
Vzhledem k tomu, že výpočet počtu vrstev je poměrně komplikovaný, volí se tato hodnota nejčastěji z referenčních knih podle křivek účinnosti stínění, které byly získány experimentálně. Řezy a švy v krabicích je povoleno provádět pouze podél linií vířivých proudů. V opačném případě bude účinek stínění snížen.
V praxi je obtížné dosáhnout vysokého faktoru stínění, protože je vždy nutné vytvořit otvory pro vstup kabelů, ventilaci a údržbu instalací. U svitků jsou bezešvé obaly vyráběny metodou vytlačování plechu a spodní část válcového síta slouží jako odnímatelný kryt.
Při kontaktu konstrukčních prvků navíc vznikají trhliny v důsledku nerovností povrchu. Chcete-li je odstranit, použijtemechanické svorky nebo těsnění z vodivých materiálů. Jsou k dispozici v různých velikostech as různými vlastnostmi.
Vířivé proudy jsou proudy, které jsou mnohem méně cirkulující, ale jsou schopny zabránit pronikání magnetického pole přes stínítko. V případě velkého počtu otvorů v plášti dochází k poklesu koeficientu stínění podle logaritmické závislosti. Jeho nejmenší hodnota je pozorována u technologických otvorů velkých rozměrů. Proto se doporučuje navrhnout několik malých otvorů spíše než jeden velký. Pokud je nutné použít standardizované otvory (pro vstup kabelů a další potřeby), pak se používají transcendentální vlnovody.
V magnetostatickém poli vytvářeném stejnosměrnými elektrickými proudy je úkolem obrazovky přepínat siločáry. Ochranný prvek se instaluje co nejblíže ke zdroji. Uzemnění není nutné. Účinnost stínění závisí na magnetické permeabilitě a tloušťce materiálu stínění. Jako poslední se používají oceli, permalloy a magnetické slitiny s vysokou magnetickou permeabilitou.
Stínění kabelových tras se provádí převážně dvěma způsoby - pomocí kabelů se stíněnou nebo chráněnou kroucenou dvojlinkou a uložením elektroinstalačních trubek do hliníkových krabic (nebo vložek).
Supravodivé obrazovky
Fungování supravodivých magnetických clon je založeno na Meissnerově jevu. Tento jev spočívá v tom, že těleso v magnetickém poli přejde do supravodivého stavu. Přitom magnetickýpermeabilita pouzdra se rovná nule, to znamená, že neprochází magnetickým polem. Je plně kompenzován v objemu daného tělesa.
Výhoda takových prvků je, že jsou mnohem účinnější, ochrana před vnějším magnetickým polem nezávisí na frekvenci a kompenzační efekt může trvat libovolně dlouho. V praxi však Meissnerův jev není úplný, protože ve skutečných obrazovkách vyrobených ze supravodivých materiálů vždy existují strukturální nehomogenity, které vedou k zachycení magnetického toku. Tento efekt je vážným problémem pro vytváření pouzder za účelem odstínění magnetického pole. Koeficient útlumu magnetického pole je tím větší, čím vyšší je chemická čistota materiálu. V experimentech byl nejlepší výkon zaznamenán u olova.
Další nevýhody supravodivých materiálů pro stínění magnetického pole jsou:
- vysoké náklady;
- přítomnost zbytkového magnetického pole;
- vzhled stavu supravodivosti pouze při nízkých teplotách;
- neschopnost fungovat ve vysokých magnetických polích.
Materiály
Nejčastěji se clony z uhlíkové oceli používají k ochraně před magnetickým polem, protože jsou vysoce přizpůsobivé pro svařování, pájení, jsou levné a vyznačují se dobrou odolností proti korozi. Kromě nich materiály jako:
- technická hliníková fólie;
- měkká magnetická slitina železa, hliníku a křemíku (alsifer);
- měď;
- sklo s vodivým povlakem;
- zinc;
- transformátorová ocel;
- vodivé emaily a laky;
- brass;
- metalizované tkaniny.
Konstrukčně mohou být vyrobeny ve formě plechů, sítí a fólií. Plechové materiály poskytují lepší ochranu a síťované materiály se pohodlněji sestavují – lze je spojovat bodovým svařováním v krocích po 10-15 mm. Pro zajištění odolnosti proti korozi jsou mřížky lakovány.
Doporučení pro výběr materiálu
Při výběru materiálu pro ochranné clony se řiďte následujícími doporučeními:
- Ve slabých polích se používají slitiny s vysokou magnetickou permeabilitou. Technologicky nejpokročilejší je permalloy, která se dobře hodí k tlaku a řezání. Síla magnetického pole potřebná k jeho úplné demagnetizaci, stejně jako elektrický odpor, závisí především na procentuálním obsahu niklu. Podle množství tohoto prvku se rozlišují permalloye s nízkým obsahem niklu (do 50 %) a s vysokým obsahem niklu (do 80 %).
- Pro snížení energetických ztrát ve střídavém magnetickém poli jsou kryty umístěny buď z dobrého vodiče, nebo z izolantu.
- Pro frekvenci pole vyšší než 10 MHz, stříbrné nebo měděné filmové povlaky o tloušťce 0,1 mm nebo více (obrazovky vyrobené z fólií potažených getinaků a jiných izolačních materiálů), stejně jako měď, hliník a mosaz, dávají dobrý efekt. Pro ochranu mědi před oxidací je potažena stříbrem.
- Tloušťkamateriál závisí na frekvenci f. Čím nižší f, tím větší musí být tloušťka pro dosažení stejného stínícího efektu. Při vysokých frekvencích je pro výrobu pouzder z jakéhokoli materiálu dostatečná tloušťka 0,5-1,5 mm.
- Pro pole s vysokým f se feromagnetika nepoužívají, protože mají vysoký odpor a vedou k velkým ztrátám energie. K odstínění permanentních magnetických polí by se také neměly používat vysoce vodivé materiály jiné než ocel.
- Pro ochranu v širokém rozsahu f jsou optimálním řešením vícevrstvé materiály (ocelové plechy s vysoce vodivou kovovou vrstvou).
Obecná pravidla výběru jsou následující:
- Vysoké frekvence jsou vysoce vodivé materiály.
- Nízké frekvence jsou materiály s vysokou magnetickou permeabilitou. Detekce je v tomto případě jedním z nejobtížnějších úkolů, protože konstrukce ochranné clony je těžší a složitější.
Fóliové pásky
Fóliové stínící pásky se používají pro následující účely:
- Stínění širokopásmového elektromagnetického rušení. Nejčastěji se používají pro dveře a stěny elektrických skříní se zařízeními a také pro vytvoření stínění kolem jednotlivých prvků (solenoidy, relé) a kabelů.
- Odstranění statického náboje, který se hromadí na zařízeních obsahujících polovodiče a katodové trubice a také v zařízeních používaných ke vstupu/výstupu informací zpočítač.
- Jako součást zemních obvodů.
- Pro snížení elektrostatické interakce mezi vinutími transformátoru.
Strukturálně jsou založeny na vodivém adhezivním materiálu (akrylová pryskyřice) a fólii (s vlnitým nebo hladkým povrchem) vyrobených z následujících typů kovů:
- hliník;
- měď;
- pocínovaná měď (pro pájení a lepší antikorozní ochranu).
Polymerové materiály
V těch zařízeních, kde je spolu se stíněním magnetického pole vyžadována ochrana proti mechanickému poškození a tlumení nárazů, se používají polymerní materiály. Jsou vyrobeny ve formě polštářků z polyuretanové pěny potažených polyesterovou fólií na bázi akrylového lepidla.
Při výrobě monitorů z tekutých krystalů se používají akrylová těsnění vyrobená z vodivé tkaniny. Ve vrstvě akrylového lepidla je trojrozměrná vodivá matrice vyrobená z vodivých částic. Díky své elasticitě tento materiál také účinně absorbuje mechanické namáhání.
Způsob kompenzace
Principem metody kompenzačního stínění je umělé vytvoření magnetického pole, které je nasměrováno opačně než vnější pole. Toho je obvykle dosaženo systémem Helmholtzových cívek. Skládá se ze 2 stejných tenkých cívek umístěných koaxiálně ve vzdálenosti jejich poloměru. Prochází jimi elektřina. Magnetické pole indukované cívkami je vysoce rovnoměrné.
Stínící plechovkavyrábí se také plazmou. Tento jev je zohledněn při rozložení magnetického pole v prostoru.
Stínění kabelu
Při pokládání kabelů je nezbytná ochrana proti magnetickému poli. Elektrické proudy v nich indukované mohou být způsobeny zařazením domácích spotřebičů do místnosti (klimatizace, zářivky, telefony) a také výtahy v dolech. Tyto faktory mají zvláště velký vliv na digitální komunikační systémy pracující na protokolech s širokým frekvenčním pásmem. Je to způsobeno malým rozdílem mezi výkonem užitečného signálu a šumem v horní části spektra. Kromě toho elektromagnetická energie vyzařovaná kabelovými systémy nepříznivě ovlivňuje zdraví personálu pracujícího v prostorách.
Mezi páry vodičů dochází ke křížovému hovoru kvůli přítomnosti kapacitní a indukční vazby mezi nimi. Elektromagnetická energie kabelů se také odráží v důsledku nehomogenit jejich vlnové impedance a je zeslabena ve formě tepelných ztrát. V důsledku útlumu výkon signálu na konci dlouhých vedení stokrát klesne.
V současné době se v elektrotechnickém průmyslu používají 3 způsoby stínění kabelových tras:
- Použití celokovových krabic (ocelových nebo hliníkových) nebo instalace kovových vložek do plastových. S rostoucí frekvencí pole se snižuje stínicí schopnost hliníku. Nevýhodou je také vysoká cena krabic. Pro dlouhé kabelové trasy existujeproblém zajištění elektrického kontaktu jednotlivých prvků a jejich uzemnění pro zajištění nulového potenciálu krabice.
- Používejte stíněné kabely. Tato metoda poskytuje maximální ochranu, protože plášť obklopuje samotný kabel.
- Vakuové nanášení kovu na PVC kanál. Tato metoda je neúčinná při frekvencích do 200 MHz. „Zhášení“magnetického pole je desetkrát menší ve srovnání s položením kabelu do kovových krabic díky vysokému odporu.
Typy kabelů
Existují 2 typy stíněných kabelů:
- Se společnou obrazovkou. Je umístěn kolem nechráněných lankových vodičů. Nevýhodou těchto kabelů je, že dochází k velkým přeslechům (5-10krát více než u stíněných párů), zejména mezi páry se stejnou roztečí kroucení.
- Kabely se stíněnými kroucenými páry. Všechny páry jsou samostatně stíněné. Pro svou vyšší cenu se nejčastěji používají v sítích s přísnými bezpečnostními požadavky a v místnostech se ztíženým elektromagnetickým prostředím. Použití takových kabelů v paralelním pokládání umožňuje zmenšit vzdálenost mezi nimi. To snižuje náklady ve srovnání s rozděleným směrováním.
Twisted-pair stíněný kabel je izolovaný pár vodičů (jejich počet je obvykle od 2 do 8). Tato konstrukce snižuje přeslechy.mezi vodiči. Nestíněné páry nemají žádné požadavky na uzemnění, mají větší flexibilitu, menší příčné rozměry a snadnou instalaci. Stíněný pár poskytuje ochranu proti elektromagnetickému rušení a vysoce kvalitní přenos dat po sítích.
Informační systémy využívají také dvouvrstvé stínění, které se skládá z ochrany kroucených párů ve formě metalizované plastové pásky nebo fólie a běžného kovového opletu. Pro účinnou ochranu proti magnetickému poli musí být takové kabelové systémy řádně uzemněny.
