Progress28.ru

IT Новости
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Защита от магнитного поля

Электронная библиотека

При несоответствии требованиям норм (в зависимости от характера выполняе­мых работ и уровня напряженности магнитного поля) для защиты от воздействия магнитных полей применяют практически такие же мероприятия, способы и средства, как и при защите от воздействия электрических полей:

– защита временем и рассто­янием;

– уменьшение параметров излучения непосред­ственно в самом источнике излучения;

– экранирование источника излучения;

– экранирование рабочего места;

– рациональное размещение установок в рабочем помеще­нии;

– установление рациональных режимов эксплуата­ции установок и работы обслуживающего персонала;

– применение предупреждающей сигнализации;

– выделение зон излучения;

– применение средств индивидуальной защиты.

Кратко остановимся на характеристике некоторых способов защиты. Так, в качестве организационных мероприятий, позволяющих уменьшить неблагоприятное действие постоянного магнитного поля, можно считать выполнение следующих требований:

– ограничение непосредственного контакта рук персонала с намагниченными изделиями путем использования манипуляторов, щипцов, прокладок из немагнитных материалов;

– введение и выведение изделий из электромагнитов следует осуществлять при обесточенном электромагните либо с использованием указанных приспособлений;

– осуществление намагничивания изделий на последней стадии технологического процесса;

– хранение и перенос магнитных изделий в толстостенной таре из немагнитных материалов или приспособлениях и устройствах, замыкающих магнитный поток;

– использование на участках технических испытаний изделий автоматических устройств для измерения физических параметров магнитов и магнитных материалов.

При разработке и эксплуатации технологических установок постоянного тока, создающих постоянное магнитное поле в большом объеме рабочего пространства, необходимо обеспечивать дистанционное управление технологическим процессом. Пульты управления установками должны быть вынесены за пределы зоны, в которой уровни магнитного поля превышают ПДУ с учетом времени действия.

Участки производственной среды с уровнями МП, превышающими ПДУ, следует обозначить специальными предупреждающими знаками, выполненными в соответствии с ГОСТ Р 12.4.026-2001 «ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности», с поясняющей надписью: «Осторожно! Магнитные поля» [16].

Для предупреждения неблагоприятного действия постоянного магнитного поля (ПМП) на руки работающих в производстве изделий электронной техники требуется осуществление следующих мероприятий:

– увеличить габариты кожухов на магнитных установках, предотвращающих контакты рук работающих с ПМП;

– внедрить сквозные технологические кассеты на участках сборки, исключающие воздействие ПМП на руки работающих;

– внедрить специальные приспособления дистанционного принципа действия для захвата приборов в магнитном поле и манипуляций.

Технологические установки постоянного тока следует размещать на таком расстоянии друг от друга, чтобы персонал, занятый на одном рабочем месте, не попадал в зону действия ПМП от другого источника.

При организации рабочих мест (рабочих зон) следует осуществлять и такие организационные мероприятия по снижению воздействия ПМП на организм человека, как выбор рационального режима труда и отдыха, сокращение времени нахождения в условиях действия ПМП, определение маршрута движения в рабочей зоне, ограничивающего контакт с ПМП.

Заметим, что кроме защиты временем, расстоянием и указанных выше мероприятий, наиболее действенной технической мерой для защиты от магнитного поля является экранирование. Экранирование от постоянных магнитных полей осуществляется посредством того, что для защиты человека или какого-либо оборудования от влияния посторонних магнитных полей их окружают массивными замкнутыми оболочками из ферромагнитного материала. Такие оболочки и называют магнитными экранами. Поле внутри экрана оказывается ослабленным по сравнению с внешним полем.

Например, для экрана в форме полого шара с радиусами R1 и R2 (рис. 3.22) и с абсолютной магнитной проницаемостью стенок m, помещенного во внешнее однородное поле с индукцией В, магнитная индукция В в полости экрана равна [45]:

Например, если R1 = 0.8R2 и m = 400, то В = 0.023В. Следовательно, напряженность поля внутри экрана составляет 2 % от напряженности внешнего поля.

В случае экрана, выполненного в форме цилиндра с радиусами R1 и R2, значение магнитной индукции в средней части экрана при больших значениях магнитной проницаемости стали, из которой изготовлен экран (m >> m), можно определить с помощью следующего выражения:

Здесь d – толщина стенки экрана (d = R2 – R1).

Экранирующее действие экранов из ферромагнитного вещества определяется тем, что линии магнитной индукции внешнего поля, стремясь пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, сгущаются внутри стенок экрана, почти не проникая в его полость. Точно также можно защитить внешнее пространство от воздействия магнитного поля, если

источник поля окружить массивной замкнутой оболочкой из ферромагнитного материала Нередко применяют многоступенчатые экраны в виде нескольких полых ферромагнитных тел, расположенных одно внутри другого.

Принцип действия экранов, которые применяются для защиты от воздействия магнитных полей промышленной частоты, будет рассмотрен ниже. Здесь только отметим, что физически экранирующее действие таких экранов объясняется не только тем, что магнитное сопротивление стенок экрана много меньше магнитного сопротивление воздуха, но и возникновением вихревых токов в стенках экрана, которые создают свое магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, и тем самым ослабляют его. Поэтому в данном случае важна не только величина магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен экран, но и его удельная проводимость.

Отметим, что экранирующие устройства, предназначенные для защиты от магнитных полей, являются также хорошими защитными средствами (при их заземлении) и от электрических полей. Однако те экранирующие устройства, которые предназначены для защиты от электрических полей и толщина стенок которых определяется в основном из соображений механической прочности, могут оказаться малоэффективными при защите от магнитных полей, особенно, если эти поля являются постоянными.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Экранирование магнитного поля постоянного магнита, экранирование переменных магнитных полей

Для снижения в определенной области пространства напряженности магнитного поля постоянного магнита или низкочастотного переменного магнитного поля переменных токов, — применяют магнитное экранирование. В сравнении с электрическим полем, которое довольно легко экранируется применением клетки Фарадея, магнитное поле полностью экранировать нельзя, его можно лишь до определенной степени ослабить в каком-то конкретном месте.

Читать еще:  Контроль за обеспечением защиты государственной тайны

Практически, в целях научных исследований, в медицине, в геологии, в некоторых технических областях связанных с космосом и атомной энергетикой, часто экранируют очень слабые магнитные поля, индукция которых редко превышает 1 нТл.

Речь идет как о постоянных магнитных полях, так и о переменных магнитных полях широкого частотного диапазона. Индукция магнитного поля Земли, например, в среднем не превышает 50 мкТл, такое поле вместе с высокочастотными шумами проще ослабить путем магнитного экранирования.

Что же касается экранирования магнитных полей рассеяния в силовой электронике и электротехнике (постоянные магниты, трансформаторы, цепи высокого тока), то здесь бывает достаточно просто локализовать значительную часть магнитного поля, а не пытаться убрать его полностью. Ферромагнитный экран — для экранирования постоянных и низкочастотных магнитных полей

Первый и наиболее простой способ экранирования магнитного поля — применение ферромагнитного экрана (кожуха) в форме цилиндра, листа или сферы. Материал такого кожуха должен обладать высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.

Когда подобный экран помещается во внешнее магнитное поле, то магнитная индукция в ферромагнетике самого экрана оказывается сильнее чем внутри экранируемой области, где индукция получится соответственно меньше.

Рассмотрим пример с экраном в форме полого цилиндра.

На рисунке видно, что линии индукции внешнего магнитного поля, проникая в стенку ферромагнитного экрана, сгущаются внутри нее, а непосредственно в полости цилиндра линии индукции окажутся поэтому более разряженными. То есть внутри цилиндра магнитное поле останется минимальным. Для качественной реализации требуемого эффекта, применяют ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как пермаллой или мю-металл.

Кстати, простое утолщение стенки экрана — не лучший способ повысить его качество. Значительно эффективнее действуют многослойные ферромагнитные экраны с промежутками меду составляющими экран слоями, где коэффициент экранирования будет равен произведению коэффициентов экранирования для отдельных слоев — качество экранирования многослойного экрана будет лучше чем эффект от сплошного слоя толщиной равной сумме упомянутых слоев.

Благодаря многослойным ферромагнитным экранам возможно создание магнитозащищенных комнат для различных исследований. Наружные слои таких экранов изготавливаются в этом случае из ферромагнетиков насыщающихся при больших величинах индукции, тогда как внутренние их слои делаются из мю-металла, пермаллоя, метгласса и т. д. — из ферромагнетиков, насыщающихся при меньших значениях магнитной индукции.

Медный экран — для экранирования переменных магнитных полей

Если требуется экранировать переменное магнитное поле, то применяют материалы с высокой электропроводностью, такие как медь.

В этом случае изменяющееся внешнее магнитное поле наведет в проводящем экране индукционные токи, которые охватят пространство защищаемого объема, причем направление магнитных полей этих индукционных токов в экране будет противоположно внешнему магнитному полю, защита от которого таким образом устраивается. Следовательно внешнее магнитное поле окажется частично скомпенсировано.

При этом чем выше частота токов — тем выше и коэффициент экранирования. Соответственно, для более низких частот, а тем более для постоянных магнитных полей, более всего подходят экраны ферромагнитные.

Коэффициент экранирования К, в зависимости от частоты переменного магнитного поля f, размера экрана L, проводимости материала экрана и его толщины d, — приблизительно можно найти по формуле:

Применение сверхпроводящих экранов

Как известно, сверхпроводник способен полностью вытеснить из себя магнитное поле. Данное явление известно как эффект Мейснера. Согласно правилу Ленца, любое изменение магнитного поля в сверхпровднике порождает индукционные токи, которые своими магнитными полями компенсируют изменение магнитного поля в сверхпроводнике.

Если сравнить с обычным проводником, то в сверхпроводнике индукционные токи не затухают, и поэтому способны оказывать компенсирующее магнитное действие бесконечно (теоретически) долго.

Недостатками метода можно считать высокую его стоимость, наличие внутри экрана остаточного магнитного поля, которое было там до перехода материала в сверхпроводящее состояние, а также чувствительность сверхпроводника к температуре. При этом критическая магнитная индукция для сверхпроводников может достигать десятков тесла.

Активный компенсационный метод экранирования

Для уменьшения внешнего магнитного поля можно специально создать дополнительное магнитное поле, равное по величине, но противоположное по направлению внешнему магнитному полю, от которого необходимо экранировать определенную область.

Это достигается применением специальных компенсирующих катушек (катушек Гельмгольца) — пара одинаковых соосно расположенных катушек с током, которые разносятся на расстояние радиуса катушки. Между такими катушками получается достаточно однородное магнитное поле.

Чтобы добиться компенсации по всему объему заданной области пространства, нужно минимум шесть таких катушек (три пары), которые размещаются в соответствии с конкретной задачей.

Типичные применения такой компенсационной системы — защита от низкочастотных помех, порождаемых электрическими сетями (50 Гц), а также экранирование магнитного поля Земли.

Обычно системы данного типа работают совместно с датчиками магнитного поля. В отличие от магнитных экранов, уменьшающих магнитное поле вместе с шумами внутри всего объема ограниченного экраном, активная защита с применением компенсационных катушек позволяет устранить магнитные помехи лишь в локальной области, на которую она настроена.

Однако, независимо от конструкции системы защиты от магнитных помех, любая из них нуждается в антивибрационной защите, так как вибрация экрана и датчика способствует порождению самим вибрирующим экраном дополнительных магнитных помех.

Часть 1.Тестирование материала для экранирования переменных магнитных полей

В настоящее время существует огромная проблема экранирования магнитных полей (МП), как постоянных, так и переменных. Ряд трансформаторных подстанций, щитовых, сильных постоянных магнитов, различных датчиков требуют экранирования специальными материалами.

Читать еще:  Антивирусник онлайн проверить компьютер

Большинство экранирующих материалов (краска, ткань, сетка, пленка) не способны снижать МП даже на незначительную величину из-за другой природы формирования и распространения самого МП. Во многих источниках часто встречается информация о возможности применения ферритов, медных сплошных экранов, специальных аморфных и нанокристаллических сплавов, пермаллоев, но практически нигде не предоставляется информация о самих коэффициентах экранирования магнитных полей.

Сотрудники нашей компании решили на практике проверить свойства ряда материалов (применительно для использования на больших и малых объектах). Пермаллои не рассматриваем из-за снижения их магнитных свойств при механических деформациях. Ферриты применять на практике еще сложнее. Ориентировать нужным образом цилиндр или куб из меди в помещении крайне проблематично. Остаются материалы из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Немного об аморфных сплавах. Данные материалы создаются методом быстрого охлаждения (путем распыления расплавленного металла на быстро вращающийся барабан-холодильник) и пропускания фазы кристаллизации материала, за счет чего твердое готовое вещество принимает структуру, очень похожую на лед. Для некоторых сплавов (уже отвердевших), для приобретения ими требуемых магнитных свойств, требуется дополнительная термическая обработка и/или перемагничивание.

В данной части пойдет речь об испытании на практике ряда изделий из аморфных и нанокристаллических сплавов в переменных магнитных полях на уровнях от 500 нТл до 20 мкТл на ряде частот от 16 Гц до 300 кГц.

Работу в постоянных МП мы будем оценивать позже.

Скажем сразу, что мы не являемся профессорами и академиками в области изучения МП, но имеем хорошее представление о природе происхождения и распространения МП и делимся своими наработками в этой сфере.

Ряд производителей предоставляют готовые решения для экранирования переменных МП в виде рулонных материалов шириной 50-65 см в широком ценовом диапазоне. Их изделия имеют свои особенности, которые опишем ниже.

Нами был собран испытательный стенд, который имел в своем составе следующие узлы:

  • Источник питания постоянного тока (для формирования уровня выходного сигнала);
  • Генератор сигнала, совмещенный с осциллографом Rigol DS1074Z-S (для формирования синусоидального сигнала требуемой частоты и его последующего контроля);
  • Усилитель сигнала низкой частоты;
  • Катушка индуктивности;
  • Измерительный прибор NFA1000 (для контроля уровня МП и его направленности)
  • Экранированный ящик (из 5 слоев ленты, изготовленной из аморфных сплавов);
  • Образец тестируемого материала.

За счет изменения уровня выходного напряжения на источнике питания, мы получали различный уровень МП на катушке индуктивности. Генератором сигналов задавали необходимую несущую частоту. Осциллографом контролировали сформированный сигнал. Измерительный прибор помещался напротив сердечника катушки в экранированном коробе. При проведении измерений, тестируемый образец материала (1 и 2 слоя) одевался на короб, создавая преграду для прохождения силовых линий МП.

В процессе тестирования был обнаружен один интересный эффект — дополнительный отжиг аморфного и нанокристаллического сплава практически никак не влиял на увеличение коэффициента экранирования. Главным определяющем критерием на коэффициент экранирования была относительная начальная магнитная проницаемость самого материала. Температурный отжиг в теории повышает начальную магнитную проницаемость до 5-15 раз, что должно повышать экранирующие свойства, но этого не происходит. Причем после отжига, резко повышается хрупкость самого материала, что сильно ограничивает его дальнейшее применение на практике (зачастую невозможно согнуть без излома).

В качестве испытуемых материалов были выбраны МАР 1К (Санкт-Петербург), MCL61 (Германия), ММР-50 (собственное производство). Вместе с МАР 1К мы испытаем исходное сырье, не прошедшее дополнительного отжига (скорее всего МАР 1К проходил дополнительную термическую обработку из-за чего стал очень хрупким) и сравним их характеристики. Так же сравним ММР-50 (не проходит дополнительную термическую обработку) и термообработанный материал и, по возможности, снимем видео обзор.

ММР-50 — оптимальное отношение цена/эксплуатационные характеристики

Муки выбора исходного сырья были очень долгими. С материалом было проведено много различных манипуляций (и температурная обработка, и перемагничивание, и т.д). В итоге сделан тестовый образец, который получил такую номенклатуру и проходит в настоящий момент испытания на предмет определения коэффициента ослабления переменных магнитных полей.

Основной задачей является максимальное подавление МП промышленной частоты (50 Гц) и основных гармоник (100, 150 Гц). Изделие собрано из лент аморфного сплава, имеющих толщину около 30 микрон. Максимальное ослабление достигается при полной изоляции (укрытии) защищаемого объекта или источника МП. Хочется отметить, что ММР-50 практически не работает в сильных полях, имеющих уровень свыше 300 мТл (за счет относительно низкого уровня индукции насыщения). Этим свойством обладают все наши вышеперечисленные аналоги. Для сведения: при решении большинства задач, уровень МП не превышает и 1 мТл.

Для максимально точного определения коэффициента экранирования будем проводить по 3 замера каждой контрольной точки и выводить усредненное значение по ним. Даже малейшая щель между экранированным коробом и образцом дает сильное падение коэффициента ослабления, поэтому и увеличиваем число измерений.

В следующей части обзора представлены графики на конкретных частотах тестирования. На графиках представлены зависимости коэффициента ослабления от уровня внешнего магнитного поля в пределах 500 нТл. 20 мкТл. В процессе дополнения данных, будем их размещать и делать по ним заметки.

Для начала приведем зависимость уровня магнитной индукции на частоте 50 Гц от расстояния до излучающей катушки (источника).

Из данного графика можно сделать вывод, что основным средством по уменьшению уровня МП является увеличение расстояния до источника.

Часть 1.Тестирование материала для экранирования переменных магнитных полей

В настоящее время существует огромная проблема экранирования магнитных полей (МП), как постоянных, так и переменных. Ряд трансформаторных подстанций, щитовых, сильных постоянных магнитов, различных датчиков требуют экранирования специальными материалами.

Читать еще:  Лечить компьютер от вирусов онлайн

Большинство экранирующих материалов (краска, ткань, сетка, пленка) не способны снижать МП даже на незначительную величину из-за другой природы формирования и распространения самого МП. Во многих источниках часто встречается информация о возможности применения ферритов, медных сплошных экранов, специальных аморфных и нанокристаллических сплавов, пермаллоев, но практически нигде не предоставляется информация о самих коэффициентах экранирования магнитных полей.

Сотрудники нашей компании решили на практике проверить свойства ряда материалов (применительно для использования на больших и малых объектах). Пермаллои не рассматриваем из-за снижения их магнитных свойств при механических деформациях. Ферриты применять на практике еще сложнее. Ориентировать нужным образом цилиндр или куб из меди в помещении крайне проблематично. Остаются материалы из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Немного об аморфных сплавах. Данные материалы создаются методом быстрого охлаждения (путем распыления расплавленного металла на быстро вращающийся барабан-холодильник) и пропускания фазы кристаллизации материала, за счет чего твердое готовое вещество принимает структуру, очень похожую на лед. Для некоторых сплавов (уже отвердевших), для приобретения ими требуемых магнитных свойств, требуется дополнительная термическая обработка и/или перемагничивание.

В данной части пойдет речь об испытании на практике ряда изделий из аморфных и нанокристаллических сплавов в переменных магнитных полях на уровнях от 500 нТл до 20 мкТл на ряде частот от 16 Гц до 300 кГц.

Работу в постоянных МП мы будем оценивать позже.

Скажем сразу, что мы не являемся профессорами и академиками в области изучения МП, но имеем хорошее представление о природе происхождения и распространения МП и делимся своими наработками в этой сфере.

Ряд производителей предоставляют готовые решения для экранирования переменных МП в виде рулонных материалов шириной 50-65 см в широком ценовом диапазоне. Их изделия имеют свои особенности, которые опишем ниже.

Нами был собран испытательный стенд, который имел в своем составе следующие узлы:

  • Источник питания постоянного тока (для формирования уровня выходного сигнала);
  • Генератор сигнала, совмещенный с осциллографом Rigol DS1074Z-S (для формирования синусоидального сигнала требуемой частоты и его последующего контроля);
  • Усилитель сигнала низкой частоты;
  • Катушка индуктивности;
  • Измерительный прибор NFA1000 (для контроля уровня МП и его направленности)
  • Экранированный ящик (из 5 слоев ленты, изготовленной из аморфных сплавов);
  • Образец тестируемого материала.

За счет изменения уровня выходного напряжения на источнике питания, мы получали различный уровень МП на катушке индуктивности. Генератором сигналов задавали необходимую несущую частоту. Осциллографом контролировали сформированный сигнал. Измерительный прибор помещался напротив сердечника катушки в экранированном коробе. При проведении измерений, тестируемый образец материала (1 и 2 слоя) одевался на короб, создавая преграду для прохождения силовых линий МП.

В процессе тестирования был обнаружен один интересный эффект — дополнительный отжиг аморфного и нанокристаллического сплава практически никак не влиял на увеличение коэффициента экранирования. Главным определяющем критерием на коэффициент экранирования была относительная начальная магнитная проницаемость самого материала. Температурный отжиг в теории повышает начальную магнитную проницаемость до 5-15 раз, что должно повышать экранирующие свойства, но этого не происходит. Причем после отжига, резко повышается хрупкость самого материала, что сильно ограничивает его дальнейшее применение на практике (зачастую невозможно согнуть без излома).

В качестве испытуемых материалов были выбраны МАР 1К (Санкт-Петербург), MCL61 (Германия), ММР-50 (собственное производство). Вместе с МАР 1К мы испытаем исходное сырье, не прошедшее дополнительного отжига (скорее всего МАР 1К проходил дополнительную термическую обработку из-за чего стал очень хрупким) и сравним их характеристики. Так же сравним ММР-50 (не проходит дополнительную термическую обработку) и термообработанный материал и, по возможности, снимем видео обзор.

ММР-50 — оптимальное отношение цена/эксплуатационные характеристики

Муки выбора исходного сырья были очень долгими. С материалом было проведено много различных манипуляций (и температурная обработка, и перемагничивание, и т.д). В итоге сделан тестовый образец, который получил такую номенклатуру и проходит в настоящий момент испытания на предмет определения коэффициента ослабления переменных магнитных полей.

Основной задачей является максимальное подавление МП промышленной частоты (50 Гц) и основных гармоник (100, 150 Гц). Изделие собрано из лент аморфного сплава, имеющих толщину около 30 микрон. Максимальное ослабление достигается при полной изоляции (укрытии) защищаемого объекта или источника МП. Хочется отметить, что ММР-50 практически не работает в сильных полях, имеющих уровень свыше 300 мТл (за счет относительно низкого уровня индукции насыщения). Этим свойством обладают все наши вышеперечисленные аналоги. Для сведения: при решении большинства задач, уровень МП не превышает и 1 мТл.

Для максимально точного определения коэффициента экранирования будем проводить по 3 замера каждой контрольной точки и выводить усредненное значение по ним. Даже малейшая щель между экранированным коробом и образцом дает сильное падение коэффициента ослабления, поэтому и увеличиваем число измерений.

В следующей части обзора представлены графики на конкретных частотах тестирования. На графиках представлены зависимости коэффициента ослабления от уровня внешнего магнитного поля в пределах 500 нТл. 20 мкТл. В процессе дополнения данных, будем их размещать и делать по ним заметки.

Для начала приведем зависимость уровня магнитной индукции на частоте 50 Гц от расстояния до излучающей катушки (источника).

Из данного графика можно сделать вывод, что основным средством по уменьшению уровня МП является увеличение расстояния до источника.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector