Sähkömagneettisia näyttöjä käytetään laaj alti teollisuudessa. Niiden tarkoituksena on eliminoida joidenkin sähkölaitteen osien haitalliset vaikutukset muihin, suojella henkilöstöä ja laitteita muiden laitteiden käytön aikana ilmenevien ulkoisten kenttien vaikutuksilta. Ulkoisen magneettikentän "sammuttaminen" on välttämätöntä erittäin herkkien laitteiden säätämiseen ja testaamiseen tarkoitettujen laboratorioiden luomisessa. Sitä vaaditaan myös lääketieteessä ja niillä tieteenaloilla, joilla mitataan erittäin alhaisella induktiolla varustettuja kenttiä; suojaamaan tietoja sen siirron aikana kaapeleiden kautta.
Menetelmät
Magneettikentän suojaus on joukko tapoja vähentää jatkuvan tai vaihtuvan kentän voimakkuutta tietyllä tilan alueella. Magneettikenttää, toisin kuin sähkökenttää, ei voida täysin heikentää.
Teollisuudessa muuntajista, kestomagneeteista, suurvirtaasennuksista ja piireistä aiheutuvat hajakentät vaikuttavat eniten ympäristöön. Ne voivat häiritä täysin viereisten laitteiden normaalia toimintaa.
Käytetyin 2suojausmenetelmä:
- Suprajohtavista tai ferromagneettisista materiaaleista valmistettujen näyttöjen käyttö. Tämä on tehokasta jatkuvan tai matalataajuisen magneettikentän läsnä ollessa.
- Kompensointimenetelmä (pyörrevirran vaimennus). Pyörrevirrat ovat bulkkisähkövirtoja, joita esiintyy johtimessa magneettivuon muuttuessa. Tämä menetelmä näyttää parhaat tulokset suurtaajuuskentillä.
Periaatteet
Magneettisen kentän suojauksen periaatteet perustuvat magneettikentän etenemismalleihin avaruudessa. Näin ollen kunkin edellä mainitun menetelmän os alta ne ovat seuraavat:
- Jos asetat kelan ferromagneetista valmistettuun koteloon, ulkoisen magneettikentän induktiolinjat kulkevat suojanäytön seiniä pitkin, koska sen magneettiresistanssi on pienempi verrattuna sen sisällä olevaan tilaan.. Ne voimalinjat, jotka itse kela indusoivat, ovat myös lähes kaikki suljettuja kotelon seinämiin. Parhaan suojan saavuttamiseksi tässä tapauksessa on tarpeen valita ferromagneettiset materiaalit, joilla on korkea magneettinen läpäisevyys. Käytännössä käytetään useimmiten rautaseoksia. Näytön luotettavuuden lisäämiseksi se tehdään paksuseinäiseksi tai esivalmistetaan useista koteloista. Tämän rakenteen haittoja ovat sen raskas paino, tilavuus ja suojauksen heikkeneminen kotelon seinien saumojen ja leikkausten vuoksi.
- Toisessa menetelmässä ulkoisen magneettikentän heikkeneminensyntyy sen seurauksena, että siihen asetetaan toinen rengaspyörrevirtojen aiheuttama kenttä. Sen suunta on vastakkainen ensimmäisen kentän induktioviivojen kanssa. Taajuuden kasvaessa vaimennus tulee selvemmäksi. Tässä tapauksessa suojaukseen käytetään levyjä, jotka ovat johdinrenkaan muotoisia, joilla on alhainen resistanssi. Seulakoteloina käytetään useimmiten kuparista tai alumiinista valmistettuja sylinterin muotoisia laatikoita.
Pääominaisuudet
Suojausprosessia kuvaavat kolme pääominaisuutta:
- Ekvivalentti magneettikentän tunkeutumissyvyys. Joten jatketaan. Tätä lukua käytetään pyörrevirtojen seulontavaikutukseen. Mitä pienempi sen arvo, sitä suurempi virta kulkee suojakotelon pintakerroksissa. Vastaavasti, mitä suurempi sen indusoima magneettikenttä, joka syrjäyttää ulkoisen. Vastaava syvyys määritetään alla olevalla kaavalla. Tässä kaavassa ρ ja Μr ovat vastaavasti seulamateriaalin resistiivisyys ja suhteellinen magneettinen permeabiliteetti (ensimmäisen arvon mittayksiköt ovat Ohm∙m); f on kentän taajuus MHz:nä mitattuna.
- Suojauksen tehokkuus e - magneettikentän voimakkuuden suhde suojatussa tilassa suojan puuttuessa ja ollessa. Tämä arvo on sitä suurempi, mitä suurempi on näytön paksuus ja sen materiaalin magneettinen läpäisevyys. Magneettinen permeabiliteetti on indikaattori, joka kuvaa kuinka monta kertaa aineen induktioerilainen kuin tyhjiössä.
- Magneettisen kentän voimakkuuden ja pyörrevirran tiheyden vähentäminen syvyydellä x suojakotelon pinnasta. Indikaattori lasketaan alla olevan kaavan avulla. Tässä A0 on arvo näytön pinnalla, x0 on syvyys, jossa intensiteetti tai virrantiheys pienenee e kertaa.
Näyttösuunnittelu
Suojakuoret magneettikentän suojaamiseksi voidaan valmistaa eri malleina:
- arkki ja massiivinen;
- onttoina putkina ja koteloina, joissa on lieriömäinen tai suorakaiteen muotoinen osa;
- yksi- ja monikerroksinen, ilmavälillä.
Koska kerrosten lukumäärän laskeminen on melko monimutkaista, tämä arvo valitaan useimmiten hakuteoksista kokeellisesti saatujen suojaustehokkuuskäyrien mukaan. Leikkaukset ja saumat laatikoihin saa tehdä vain pyörrevirtojen linjoja pitkin. Muuten suojausvaikutus heikkenee.
Käytännössä korkean suojauskertoimen saavuttaminen on vaikeaa, koska kaapelien läpivientejä, ilmanvaihtoa ja asennusten huoltoa varten on aina tehtävä reiät. Keloille saumattomat kotelot valmistetaan arkkiekstruusiomenetelmällä, ja sylinterimäisen seulan alaosa toimii irrotettavana kannen.
Lisäksi rakenneosien kosketuksissa syntyy pinnan epätasaisuuksista johtuvia halkeamia. Niiden poistamiseksi käytäjohtavista materiaaleista valmistetut mekaaniset puristimet tai tiivisteet. Niitä on saatavana eri kokoisina ja eri ominaisuuksilla.
Pyörrevirrat ovat virtoja, jotka kiertävät paljon vähemmän, mutta ne pystyvät estämään magneettikentän tunkeutumisen näytön läpi. Jos kotelossa on suuri määrä reikiä, suojauskertoimen lasku tapahtuu logaritmisen riippuvuuden mukaan. Sen pienin arvo havaitaan suurikokoisilla teknisillä reikillä. Tästä syystä on suositeltavaa suunnitella useita pieniä reikiä yhden suuren sijaan. Jos on tarpeen käyttää standardoituja reikiä (kaapelin sisäänvientiä ja muita tarpeita varten), käytetään transsendenttisia a altoputkia.
Tasaisten sähkövirtojen luomassa magnetostaattisessa kentässä näytön tehtävänä on shuntoida kenttäviivat. Suojaelementti asennetaan mahdollisimman lähelle lähdettä. Maadoitusta ei vaadita. Suojauksen tehokkuus riippuu magneettisesta läpäisevyydestä ja suojamateriaalin paksuudesta. Jälkimmäisinä käytetään teräksiä, permalloya ja magneettiseoksia, joilla on korkea magneettinen permeabiliteetti.
Kaapelireittien suojaus suoritetaan pääsääntöisesti kahdella menetelmällä - käyttämällä suojattuja tai suojattuja kierrettyjä kaapeleita ja asettamalla putkia alumiinikoteloihin (tai sisäkkeisiin).
Suprajohtavat näytöt
Suprajohtavien magneettisuojusten toiminta perustuu Meissner-ilmiöön. Tämä ilmiö koostuu siitä, että magneettikentässä oleva kappale menee suprajohtavaan tilaan. Samaan aikaan magneettinenkotelon läpäisevyydestä tulee nolla, eli se ei läpäise magneettikenttää. Se kompensoituu täysin annetun kappaleen tilavuudessa.
Tällaisten elementtien etuna on, että ne ovat paljon tehokkaampia, suojaus ulkoiselta magneettikentältä ei riipu taajuudesta ja kompensaatiovaikutus voi kestää mieliv altaisen pitkän ajan. Käytännössä Meissner-ilmiö ei kuitenkaan ole täydellinen, koska todellisissa suprajohtavista materiaaleista valmistetuissa näytöissä on aina rakenteellisia epähomogeenisuuksia, jotka johtavat magneettivuon vangitsemiseen. Tämä vaikutus on vakava ongelma luotaessa koteloita magneettikentän suojaamiseksi. Magneettikentän vaimennuskerroin on sitä suurempi, mitä korkeampi materiaalin kemiallinen puhtaus on. Kokeissa paras suorituskyky todettiin lyijylle.
Muita suprajohtavien magneettikenttäsuojausmateriaalien haittoja ovat:
- korkeat kustannukset;
- jäännösmagneettikentän läsnäolo;
- suprajohtavuustilan ilmaantuminen vain alhaisissa lämpötiloissa;
- kyvyttömyys toimia suurissa magneettikentissä.
Materiaalit
Hiiliterässuojuksia käytetään useimmiten suojaamaan magneettikentältä, koska ne soveltuvat hyvin hitsaukseen, juottamiseen, ovat edullisia ja niille on tunnusomaista hyvä korroosionkestävyys. Niiden lisäksi materiaaleja, kuten:
- tekninen alumiinifolio;
- raudan, alumiinin ja piin pehmeä magneettiseos (alsifer);
- kupari;
- johtava pinnoitettu lasi;
- sinkki;
- muuntajateräs;
- johtavat emalit ja lakat;
- messinki;
- metallisoidut kankaat.
Rakenteellisesti ne voidaan valmistaa arkkien, verkkojen ja kalvojen muodossa. Arkkimateriaalit antavat paremman suojan ja verkkomateriaalit on helpompi koota - ne voidaan liittää yhteen pistehitsauksella 10-15 mm:n välein. Korroosionkestävyyden varmistamiseksi ristikot on lakattu.
Materiaalin valintasuosituksia
Kun valitset materiaalia suojaverkkoihin, noudatat seuraavia suosituksia:
- Heikoissa kentissä käytetään metalliseoksia, joilla on korkea magneettinen permeabiliteetti. Teknologisesti edistynein on permalloy, joka soveltuu hyvin puristamiseen ja leikkaamiseen. Sen täydelliseen demagnetoitumiseen vaadittava magneettikentän voimakkuus sekä sähkövastus riippuvat pääasiassa nikkelin prosenttiosuudesta. Tämän alkuaineen määrällä erotetaan vähänikkeliset (jopa 50 %) ja runsasnikkeliset (jopa 80 %) permalloit.
- Vaihtelevan magneettikentän energiahäviöiden vähentämiseksi kotelot sijoitetaan joko hyvästä johtimesta tai eristimestä.
- Yli 10 MHz:n kenttätaajuudelle hopea- tai kuparikalvopinnoitteet, joiden paksuus on vähintään 0,1 mm (kalvopäällysteisistä getinakseista ja muista eristysmateriaaleista valmistetut suojukset), sekä kupari, alumiini ja messinki, antaa hyvän vaikutuksen. Kuparin suojaamiseksi hapettumiselta se on päällystetty hopealla.
- Paksuusmateriaali riippuu taajuudesta f. Mitä pienempi f, sitä suurempi paksuuden on oltava saman suojausvaikutuksen saavuttamiseksi. Suurilla taajuuksilla koteloiden valmistukseen mistä tahansa materiaalista riittää 0,5-1,5 mm:n paksuus.
- Kentissä, joissa f on korkea, ferromagneetteja ei käytetä, koska niillä on korkea vastus ja ne aiheuttavat suuria energiahäviöitä. Muita erittäin johtavia materiaaleja kuin terästä ei myöskään saa käyttää pysyvien magneettikenttien suojaamiseen.
- Suojaamaan laajalla f-alueella monikerroksiset materiaalit (teräslevyt, joissa on erittäin johtava metallikerros) ovat optimaalinen ratkaisu.
Yleiset valintasäännöt ovat seuraavat:
- Korkeat taajuudet ovat erittäin johtavia materiaaleja.
- Matalat taajuudet ovat materiaaleja, joilla on korkea magneettinen permeabiliteetti. Seulonta on tässä tapauksessa yksi vaikeimmista tehtävistä, koska se tekee suojanäytön suunnittelusta raskaampaa ja monimutkaisempaa.
Foilteipit
Foil-suojateippejä käytetään seuraaviin tarkoituksiin:
- Suojaa laajakaistan sähkömagneettisia häiriöitä. Useimmiten niitä käytetään laitteilla varustettujen sähkökaappien oviin ja seiniin sekä suojan muodostamiseen yksittäisten elementtien (solenoidit, releet) ja kaapeleiden ympärille.
- Staattisen varauksen poistaminen, joka kerääntyy puolijohteita ja katodisädeputkia sisältäviin laitteisiin sekä laitteisiin, joita käytetään tietojen syöttämiseen/tulostukseentietokone.
- Maapiirien osana.
- Sähköstaattisen vuorovaikutuksen vähentämiseksi muuntajan käämien välillä.
Rakenteellisesti ne perustuvat johtavaan liimamateriaaliin (akryylihartsi) ja kalvoon (jossa on aallotettu tai sileä pinta), jotka on valmistettu seuraavista metallityypeistä:
- alumiini;
- kupari;
- tinattu kupari (juottoon ja parempaan korroosiosuojaan).
Polymeerimateriaalit
Niissä laitteissa, joissa vaaditaan magneettikentän suojauksen lisäksi suojaa mekaanisilta vaurioilta ja iskunvaimennusta, käytetään polymeerimateriaaleja. Ne on valmistettu polyuretaanivaahtotyynyistä, jotka on päällystetty polyesterikalvolla ja jotka perustuvat akryyliliimaan.
Netekidenäyttöjen valmistuksessa käytetään johtavasta kankaasta valmistettuja akryylitiivisteitä. Akryyliliimakerroksessa on kolmiulotteinen johtava matriisi, joka on valmistettu johtavista hiukkasista. Joustavuutensa ansiosta tämä materiaali vaimentaa tehokkaasti myös mekaanista rasitusta.
Korvausmenetelmä
Kompensointisuojausmenetelmän periaate on luoda keinotekoisesti magneettikenttä, joka on suunnattu vastapäätä ulkoista kenttää. Tämä saavutetaan yleensä Helmholtzin kelajärjestelmällä. Se koostuu kahdesta identtisestä ohuesta kelasta, jotka sijaitsevat koaksiaalisesti säteensä etäisyydellä. Sähkö kulkee niiden läpi. Kelojen indusoima magneettikenttä on erittäin tasainen.
Suojauspurkkituottaa myös plasma. Tämä ilmiö on otettu huomioon magneettikentän jakautumisessa avaruudessa.
Kaapelin suojaus
Magneettikentän suojaus on välttämätöntä kaapeleita vedettäessä. Niissä indusoituvat sähkövirrat voivat johtua kodinkoneiden sisällyttämisestä huoneeseen (ilmastointilaitteet, loistelamput, puhelimet), samoin kuin hissit kaivoksissa. Näillä tekijöillä on erityisen suuri vaikutus laajan taajuuskaistan protokollilla toimiviin digitaalisiin viestintäjärjestelmiin. Tämä johtuu pienestä erosta hyödyllisen signaalin tehon ja kohinan välillä spektrin yläosassa. Lisäksi kaapelijärjestelmien lähettämä sähkömagneettinen energia vaikuttaa haitallisesti tiloissa työskentelevän henkilökunnan terveyteen.
Johdinparien välillä tapahtuu ristikkäispuhelua niiden välisen kapasitiivisen ja induktiivisen kytkennän vuoksi. Kaapeleiden sähkömagneettinen energia heijastuu myös niiden a altoimpedanssin epähomogeenisuuksien vuoksi ja heikkenee lämpöhäviöiden muodossa. Vaimennuksen seurauksena signaaliteho pitkien juovien lopussa putoaa satoja kertoja.
Sähköteollisuudessa on tällä hetkellä käytössä 3 suojausmenetelmää kaapelireitille:
- Täysmetallisten laatikoiden (teräksestä tai alumiinista) käyttö tai metallisten sisäosien asennus muovisiin. Kenttätaajuuden kasvaessa alumiinin suojauskyky heikkenee. Haittapuolena on myös laatikoiden korkea hinta. Pitkiä kaapeliajoja varten onyksittäisten elementtien sähköisen kosketuksen ja maadoituksen varmistamisen ongelma laatikon nollapotentiaalin varmistamiseksi.
- Käytä suojattuja kaapeleita. Tämä menetelmä tarjoaa maksimaalisen suojan, koska vaippa ympäröi itse kaapelia.
- Metallin tyhjiöpinnoitus PVC-kanavalle. Tämä menetelmä on tehoton 200 MHz:n taajuuksilla. Magneettikentän "sammuttaminen" on kymmenen kertaa pienempi verrattuna kaapelin laittamiseen metallilaatikoihin suuren resistiivisyyden vuoksi.
Kaapelityypit
Suojattuja kaapeleita on kahdenlaisia:
- Yhteisellä näytöllä. Se sijaitsee suojaamattomien kierrettyjen johtimien ympärillä. Tällaisten kaapeleiden haittana on suuri ylikuuluminen (5-10 kertaa enemmän kuin suojatut parit), erityisesti parien välillä, joilla on sama kierreväli.
- Kaapelit suojatuilla kierretyillä pareilla. Kaikki parit ovat erikseen suojattuja. Korkeampien kustannustensa vuoksi niitä käytetään useimmiten verkoissa, joissa on tiukat turvallisuusvaatimukset, ja huoneissa, joissa on vaikea sähkömagneettinen ympäristö. Tällaisten kaapeleiden käyttö rinnakkaisessa asennuksessa mahdollistaa niiden välisen etäisyyden pienentämisen. Tämä vähentää kustannuksia jaettuun reitittämiseen verrattuna.
Suojattu kierretty parikaapeli on eristetty johdinpari (niiden lukumäärä on yleensä 2-8). Tämä muotoilu vähentää ylikuulumista.johtimien välillä. Suojaamattomilla pareilla ei ole maadoitusvaatimuksia, niillä on enemmän joustavuutta, pienemmät poikittaismitat ja helppo asennus. Suojattu pari tarjoaa suojan sähkömagneettisilta häiriöiltä ja korkealaatuista tiedonsiirtoa verkkojen kautta.
Tietojärjestelmissä käytetään myös kaksikerroksista suojausta, joka koostuu kierrettyjen parien suojaamisesta metalloidun muovinauhan tai -kalvon muodossa ja tavallisesta metallipunoksesta. Tällaisten kaapelijärjestelmien on oltava kunnolla maadoitettuja, jotta ne suojaavat tehokkaasti magneettikentältä.
