Часть 2. Тестирование магнитного экрана ММР-50

8 февраля 2018

Cтенд для тестирования представлен в первой части нашего обзора.

Тестирование материала MMP-50, экранирующего магнитные поля на частоте 50 Гц.

В идеале для максимального экранирования объекта требуется создание замкнутого контура. Материал контура должен быть единым (монолитным). Но, к сожалению, в настоящий момент современные производства не могут создать максимально широкое полотно. Ширина лент, из которой в дальнейшем собираются полотна, составляет всего единицы сантиметров из-за сложностей технологического процесса их литья. Помимо этого, в реальных условиях возникают моменты, где появляются какие-то отверстия/щели и прочие неоднородности. Эти неоднородности могут вносить дополнительные потери коэффициента экранирования.

Еще одним скользким вопросом, который возникает при решении той или иной задачи, является объект экранирования. Это будет источник или помещение/здание. С экономической точки зрения лучше экранировать сам источник излучения МП (магнитного поля) из-за меньшего расхода самого материала. Но в ряде случаев лучшее ослабление получается при экр-нии самого объекта (помещения, приборного блока и т.д.), а не источника ЭМП.

Для наглядности проведем 2 эксперимента. В первом мы экранируем сам измерительный прибор 1 и 2 слоями ММР-50, во втором - экранируем саму катушку 1 слоем ММР-50. По итогам проведения двух экспериментов, сделаем вывод по эффективности экранирования того или иного объекта.

Измерительный прибор NFA1000 имеет возможность регистрировать уровень электрического и магнитного полей как в 3-х координатном пространстве, так и по каждой оси в отдельности. На графиках будем отображать коэффициент ослабления (КО) в 3D режиме и по оси Y (ось максимальной концентрации силовых линий) на разных частотах.

1. Экранирование измерительного прибора

Изначально проведем измерения на частоте 50 Гц. Проводить измерения свыше 20 мкТл в наших условиях было проблематично из-за ограничения расстояния между катушкой и экранированным коробом. Система формирования сигнала работала на максимуме своих возможностей. Чуть позже постараемся увеличить индуктивность катушки и, возможно, заменим усилитель, за счет чего добьемся значительного увеличения магнитного поля.

Из графика видно, что второй слой дает незначительное улучшение КО. В данном случае можно сделать вывод, что создание многослойной конструкции не дает значительного роста КО при кратном увеличении ее стоимости. Но этот эффект мы наблюдаем на небольшом по размерам источнике МП.

При проведении тестов наблюдалась и подтверждалась следующая картина. При использовании материала с высокой магнитной проницаемостью в качестве экрана (ММР-50), силовые линии МП огибали объект экранирования и проходили по самому экрану (Э). При этом, индукция МП у стенки Э (точка А), расположенной ближе к катушке индуктивности, имела практически те же параметры на противоположной стенке Э (точка Б).

В процессе тестирования Э не заземлялся. Оценка КО защитным заземленным экраном объекта и источника излучения будет произведена отдельно. 

Параллельно данным работам, мы изготовили катушку Гельмгольца, где дополнительно провели тестирование магнитного материала. В равномерное переменное магнитное поле (между двумя сборками) был помещен измерительный прибор NFA1000. На катушку подан ток синусоидальной формы частотой 50Гц. Задающим генератором является генератор сигналов произвольной формы. Усиление сигнала, подаваемого на катушку, осуществляется усилителем низкой частоты. Максимальная расчетная индукция МП составила 87 мкТл. На прибор одевался цилиндр из ММР-50, после чего производилась оценка значений полей до размещения цилиндра и после.

В опытной модели наибольшая плотность потока магнитного поля сосредоточена перпендикулярно плоскости колец катушки. Если в силовом трансформаторе используется штыревые сердечники/магнитопроводы, то настоящая модель будет близка по принципу формирования магнитного потока 1-фазного трансформатора.

В равномерном МП при частоте 50Гц получили КО в пределах 10-20 дБ, что и подтверждается независимыми испытаниями, проведенными нашими коллегами из ИМЦ концерна Вега (где производилось официальное подтверждение экранирующих свойств ММР-50). Но заметим, что  это относится к однородному МП.

Выжимка из протокола испытаний:

Активная магнитная рамка (1) использовалась в режиме питания от сети переменного тока 220 В. В этом режиме изменение значения силы тока в рамке осуществляется «вручную» с помощью трехпозиционного переключателя. Внешний вид рамки показан на рисунке.

Датчик магнитного поля располагался в плоскости рамки. Ток в магнитной рамке измерялся с помощью токовых клещей. Испытания проводились для трех типов магнитных экранов, представляющих собой цилиндры диаметрами 40, 100 и 220 мм. Основания цилиндров были открыты. Количество слоев экранирующего материала определялось общей длиной образцов материала. Дополнительно были проведены испытания для длины 420 мм (~ 1,5 слоя).

Порядок проведения испытаний:
  • включить активную магнитную рамку в сеть 220 В;
  • установить минимальное значение тока в рамке и зафиксировать его значение по показаниям токовых клещей;
  • измерить напряжение на выходе датчика магнитного поля – U0;
  • поместить датчик магнитного поля в экран, измерить напряжение на выходе датчика – Uэ;
  • рассчитать коэффициент экранирования по формуле Кэ = 20 ∙ log(Uo/Uэ)
  • повторить действия для среднего и максимального значения тока в рамке.
Результаты испытаний представлены в таблицах и на рисунках к ним.
Коэффициент экранирования образца №1 в зависимости от тока в рамке и диаметра экрана, длина экрана 1700 мм



Коэффициент экранирования образца №1 в зависимости от тока в рамке, диаметр экрана 100, длина экрана 1700 мм – пунктир, длина экрана 420 мм – сплошная линия.

Из графиков видно, что при увеличении силы тока, проходящего по рамке (соответственно возрастает и индукция магнитного поля), после прохождения определенного значения происходит снижение экранирующих свойств защитного материала. Это свойство обуславливается тем, что в определенный момент, материал начинает переходить в режим насыщения. Простыми словами - данный Э начинает становиться "прозрачным" для мощных переменных МП. 

Помимо этого, коэффициент ослабления зависит от диаметра экрана (его размеров). Но в данном тесте испытывается экран в виде цилиндра. Если технологически удалось сделать Э закрытый со всех сторон (с верхним и нижним основанием), то результаты должны были получиться приблизительно одинаковыми, не зависимо от диаметра самого Э. У Э с максимальным диаметром МП частично "залетает " в экранируемое пространство.

Экранирование источника переменного МП

В данном случае, катушка, подключенная к усилителю низкой частоты, помещалась в коробку, покрытую одним слоем материала ММР-50. На катушку подавалось переменное напряжение частотой 50 Гц. Измерительный прибор находился на расстоянии 20 и 50 см от катушки. Проводились относительные измерения с коробкой и без, после чего были получены следующие результаты.

Из результатов видно, при схожих уровнях индукции МП (при экр-нии источника и самого прибора), коэффициенты ослабления очень схожи. Более мощное поле источника создать не было возможности на момент написания статьи.

Защита от постоянного магнитного поля (снижение)

Тестирование проводилось в слабых постоянных МП до 100 мкТл. Максимальная величина индукции МП в 100 мкТл ограничена предельными значениями датчика постоянного МП (MS3-NFA), который поставляется дополнительным изделием к измерителю NFA1000. Точность датчика составляет +/- 10%. Диапазон измерений 10 нТл...100 мкТл. Частотный диапазон 0 Гц.

Постоянное МП формировалось при помощи катушки индуктивности (небольшого размера) и источника постоянного тока/напряжения.  Измерительный прибор в процессе тестирования помещался в коробку из материала ММР-50. Результаты измерений получились следующие.

За счет высокого Кэ материала ММР-50, его можно применять в том числе для снижения постоянных магнитных полей в таких приложениях, как:

  • защита корпусов и элементов высокочувствительного измерительного или приемо-передающего оборудования (учитывающего даже колебания магнитного поля земли);
  • защиты помещений, в которых требуется крайне низкий уровень внешних "шумов".

Тестирование материала в мощных постоянных МП на данный момент не проводилось.