CC BY
59
УДК 378
ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ЭКРАНИРОВАНИЯ
А.В. Кох, С.С. Шевченко
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия
Резюме: в статье приведено описание процесса создания лабораторной установки для оценки экранирующих способностей различных материалов от электромагнитного воздействия.
Ключевые слова: электромагнитное экранирование, экран, лабораторная установка, электромагнитная совместимость.
LABORATORY STAND FOR ELECTROMAGNETIC SHIELDING RESEARCH
A.V. Kokh, S.S. Shevchenko
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
Abstract: The aim of the work is the development of a laboratory bench, which will allow to measure the screening coefficients of various electromagnetic screens and compare them among themselves. The main task of the work is to improve the training of specialists in the field of electromagnetic compatibility. Therefore, to improve understanding of the process by students, it was decided to create a setup using the example of a particular case. Thus, the main components of the stand are the RF signal source, the electromagnetic screen and the receiver that measures the signal power.
Keywords: еlectromagnetic shielding, electromagnetic shield, laboratory stand, electromagnetic compatibility.
Введение
Рост быстродействия электронных средств приводит к повышению их чувствительности к воздействию внешних электромагнитных полей. Также за последние десятилетия существенно расширился рабочий диапазон частот и увеличилось число источников помех самой разнообразной природы. Интеграция рынка и расширение действия стандартов электромагнитной совместимости (ЭМС) заставляют производителей все больше уделять внимания методам и средствам обеспечения ЭМС.
Так, например, по приведенным в [1] данным утверждается, что в Новосибирской энергосистеме за период с 1999 по 2001 годы произошло около 100 ложных срабатываний релейной защиты. В качестве причин упоминаются удары молнии, коммутации, разряды статического электричества и т.п. Указанные процессы являются источниками электромагнитного поля (ЭМП) с широкими спектром и мощностью излучения. Экранирование является одним из основных способов защиты электронной аппаратуры от внешних дестабилизирующих электромагнитных воздействий или устранения повышенных уровней помехоэмиссии от аппаратуры.
Подробное изучение мер снижения интенсивности ЭМП очень важно для современного специалиста в области электроэнергетики. В этой связи, на кафедре «Техника и электрофизика высоких напряжений» (ТЭВН) Новосибирского государственного технического университета возникла необходимость создания лабораторной установки по исследованию экранирующих свойств ЭМ экранов. Практическое изучение материала посредством выполнения лабораторной работы, совместно с теоретическим курсом и аналитическим расчетом задач по теме, значительно увеличит уровень подготовки будущих специалистов.
Целью данной работы является создание лабораторного стенда, который позволит продемонстрировать эффект экранирования электромагнитного поля, а также произвести численную оценку эффективности экранирования.
Конструкция лабораторного стенда
К лабораторной установке предъявлялись следующие требования:
- Установка должна быть проста и понятна для студентов. Она должна обеспечивать сохранность используемого оборудования.
- Установка должна содержать четко обозначенные источник поля, приемник поля и экранирующую конструкцию.
- Источник должен создавать электромагнитные волны, длина которых должна быть достаточно короткой для их формирования с учетом ограниченного пространства лаборатории.
- Экранирующие конструкции должны позволять исследовать влияние на эффективность экранирования таких факторов как магнитная проницаемость материала экрана, его проводимость и геометрические размеры.
- Приемник поля должен быть способен количественно оценить мощность электромагнитного поля.
В качестве источника поля предложено использовать беспроводную базовую станцию - точку доступа D-link DAP 1353. Такое оборудование генерирует электромагнитное поле частотой 2.4 ГГц, а длина электромагнитной волны составляет 12,5 см. Таким образом, можно получить сформировавшееся электромагнитное поле в пределах лабораторного стенда. Дополнительными преимуществами использования беспроводной точки доступа являются: низкая цена оборудования, легкость замены в случае поломки, широкий выбор устройств в качестве приемника электромагнитного поля.
Планшетный компьютер Samsung Galaxy Tab 4 и программное обеспечение " Wi-Fi Analyzer' позволяют оценить уровень электромагнитного поля в дБ. Результат измерения можно получать в виде численных значений либо в виде графика изменения уровня сигнала во времени. Пример работы показан на рис. 1.
аБ Без экрана
-id
H
С экраном
-за
-4а
-5а
-бо
-7а
Рис. 1. Интерфейс программного обеспечения 135
Для того, чтобы оценить эффективность работы экранирующей конструкции было предложено следующий принцип устройства лабораторной установки. Источник поля помещается в металлический короб. Одна сторона короба позволяет устанавливать стенку из различного материала и различной толщины. Остальные стороны должны ослаблять поле так, чтобы коэффициент затухания сигнала, проходящего через них, был много больше, чем коэффициент затухания сигнала, проходящего через съемную сторону. Таким образом, поле вне этого корпуса будет обусловлено только прохождением через съемную экранирующую конструкцию.
На уровень сигнала будет влиять и расстояние между источником и приемником поля. Чтобы исключить этот фактор беспроводная станция закреплена внутри металлического короба, а планшетный компьютер расположен внутри передней панели лабораторной установки в специальном кармане.
Передняя панель выполнена из прозрачного поликарбоната, что дает возможность студентам видеть и понимать устройство лабораторной установки. Также такая конструкция обеспечивает безопасность и сохранность оборудования. Между передней панелью и коробом обеспечен зазор, величиной 5 мм. Этот промежуток используется для установки съемной стенки короба благодаря которой проводится оценка эффективности экранирования.
Как уже упоминалось выше, экранирующие конструкции выполнены из различных материалов с разной магнитной проницаемостью, разной удельной проводимостью и разной толщины. Также применяются сплошные и перфорированные экраны. Внешний вид установки показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид стенда
Для функционирования беспроводной станции необходимы две входные цепи. Цепь питания и информационная цепь. Таким образом, возникает ситуация, когда электромагнитная волна будет распространяться по этим цепям, минуя экранирующую конструкцию. Для подавления этой волны на входные цепи установлены ферритовые кольца.
Расчет эффективности экранирования
Исходными данными для расчета являются: конструктивные параметры изделия; спектр частот помехи и соответствующие ей допустимые напряженности электромагнитного поля или его составляющих. В дальней зоне излучения мощности электрического и магнитного полей равны. В электронной аппаратуре экранируют как источники, так и приемники помехи.
Во-вторых, выбирают конструктивную форму экрана в зависимости от защищаемого изделия в виде параллелепипеда, цилиндра или сферы. Форма экрана влияет в первую очередь на характеристическое сопротивление среды вблизи него и, как следствие, на эффективность экранирования. Кроме этого, форма экрана влияет на его резонансные свойства, а именно, на значение резонансной частоты. Низшая резонансная частота экрана
138 ^
может быть определена по приближенной формуле /рез = — *106 . Значение /рез не должно
Кэ
входить в спектр частот помехи.
Чтобы сравнивать экраны различных форм, вводится обобщенный параметр -эквивалентный радиус экрана Яэ.
Для экрана прямоугольной формы с размерами 1Х , /2, /3:
4
для цилиндрического экрана диаметром О:
3
К = 3— /1/9/4 э Ч 4п 1 3
4
для сферического экрана Кэ = гэ.
К = °2к
8 = 0,03,1 = 0,52' Р
Материал стенок экрана оказывает наибольшее влияние на эффективность экранирования. Величиной, характеризующей экранирующее действие материала экрана, является эквивалентная глубина проникновения 8, м:
' ^ г ' V ^ Г/
где р - удельное сопротивление материала экрана, Ом-м; X - длина волны в воздухе, м; / - частота, МГц.
Для немагнитных материалов ^г = 1, а для ферромагнитных материалов ^г зависит от
частоты /. Для стали эта зависимость имеет вид: ^ 150 - 30/, где / - частота, МГц. В
электромагнитном поле дальней зоны немагнитные материалы, обладающие большей проводимостью по сравнению с магнитными, обеспечивают более высокую эффективность.
Поскольку основной характеристикой экрана является его эффективность, методика инженерного расчета должна исходить из зависимостей этой характеристики от длины волны X, модуля волнового сопротивления диэлектрика г относительно вида волны, материала экрана, от параметров, которые определяют геометрические размеры экрана и качество конструкции. Необходимо, чтобы формулы были просты и давали необходимую точность совпадения расчетных и экспериментальных результатов. В формулах должны быть учтены особенности материалов и конструкции экранов, основные физические процессы и особенности экранирования составляющих электромагнитного поля.
Наиболее удобным как для построения самой расчетной формулы, так и для ее использования является выражение эффективности экранирования произведением ряда сомножителей, каждый из которых определяет влияние одного из факторов или одной группы близких факторов.
Формула для расчета сплошного электромагнитного экрана в дальней зоне:
137
Ээ = 20log | еЬ(М )| + 20log
7 7
1 + 0,5(7в + -э)гк(кй)
где 7в - характеристическое сопротивление окружающего пространства (для плоской волны 7в = 120л Ом); 7э - характеристическое сопротивление металла, из которого сделан
экран 7Э = ^П/йгйоРе ; к - коэффициент вихревых токов к = ^п/НгН-о / ре^п/4 •
Результаты работы лабораторного стенда в сравнении с результатами расчета
По завершению изготовления стенда были произведены измерения коэффициентов экранирования для ряда экранирующих конструкций. Результаты измерений и сравнение их с расчетными данными показаны в таблице.
Таблица
Расчетная и экспериментальная эффективность экранирования в зависимости от экранирующей
конструкции
Материал экрана Эффективность экранирования, дБ Максимальная погрешность, %
Расчетная Экспериментальная
Алюминий 20,5 18-22 12,5
Сталь 33,8 30-35 12,7
Медь 21,0 19-23 9,6
Перфорированный алюминий 19,5 17-21 12,9
Так как значения мощности сигнала могут колебаться в некоторых пределах, то измерения проводятся по следующей схеме. После установки экранирующей конструкции в установку выдерживается пауза в 15-20 секунд, чтобы приемник поля успел зафиксировать изменение мощности поля. Затем производится измерение уровня электромагнитного поля/ Было принято решение принимать в учет среднее значение коэффициента экранирования среди 10 последующих друг за другом обновлений данных.
Эффективность экранирования алюминиевого и медного экранов практически не отличаются при одинаковой толщине листа металла, хотя удельное сопротивление меди ниже, чем алюминия. Также не сильно отличается от предыдущих экранов значение коэффициента экранирования перфорированного алюминиевого экрана. Эффективность экранирования стального экрана гораздо выше остальных в силу его толщины (3 мм) и, в большей степени, высокой магнитной проницаемости. В результате сравнения данных, полученных при расчете, и результатов эксперимента можно сказать о том, что погрешность составляет не более 13%.
Заключение
На основании рассмотренной теории и расчетов был разработан и сконструирован лабораторный стенд, который позволяет измерять эффективность экранирования различных электромагнитных экранов. Полученные с помощью лабораторной установки результаты хорошо согласуются с расчетными данными.
На сегодняшний день установка внедрена на кафедре «Техники и электрофизики высоких напряжений» НГТУ и используется в лаборатории электромагнитной совместимости для подготовки студентов 4 курса по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Литература
1. Певзнер Л.Д. [и др.]. Электромагнитная совместимость в радиоприемных устройствах. Москва, 2010. Сер. № 4 Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня
138
(научно-технического журнала). (Препр.).
2. Юдин А.А., Харламов К.Д. Резонансные явления при электромагнитном экранировании / Сборник: Образование, наука, производство Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2015. С. 3160-3163.
3. Применение магнитных экранов для испытаний датчиков магнитных полейДоломанский Ю.К., Коноплин А.Д., Муравьев Л.А., Пономарев В.В.Науки о Земле. 2013. № 4. С. 14-21.
4. IEEE 6th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology, 2005, proceedings. 2005. Т. 2005.
5. Висящев А.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах: Учеб. для вузов по направлению 650900 «Электроэнергетика». Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. 693 с.
6. Шмурьев В.А. Цифровая регистрация и анализ аварийных процессов в электроэнергетических системах. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2004. 96 с.
7. Кармашев В.С. [и др.]. Электромагнитная совместимость технических средств: Справочник. М.: [б. и.], 2001. 401 с.
8. Применение контактного способа измерения температуры в учебном лабораторном стенде Меркульев А.Ю., Юрков Н.К. Молодой ученый. 2014. № 2 (61). С. 156-158.
9. Локализация и ослабление побочных электромагнитных излучений от средств вычислительной техники путем экранирования электромагнитных волн Петров И.С. Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2012. № 23. С. 189-191.
10. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств / Сборник научных трудов, Москва, 2012 г. Московский гос. ин-т электроники и математики (Технический ун-т), Каф. «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы», Московский Союз науч. и инженерных общественных об-ний / под ред. Л.Н. Кечиева. Москва, 2012.
Авторы публикации
Кох Александр Викторович - магистрант кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета, технико-коммерческий инженер ООО «Трансформер-Сибирь».
Шевченко Станислав Сергеевич - старший преподаватель кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета.
References
1. Elektromagnitnaya sovmestimost' v radiopriemnykh ustroistvakh L.D. Pevzner [i dr.]. Moskva, 2010. Ser. No. 4 Otdel'nye stat'i Gornogo informatsionno-analiticheskogo byulletenya (nauchno-tekhnicheskogo zhurnala) (Prepr.).
2. Rezonansnye yavleniya pri elektromagnitnom ekranirovaniiYudin A.A., Kharlamov K.D.V sbornike: Obrazovanie, nauka, proizvodstvo Belgorodskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet im. V.G. Shukhova. 2015. P. 3160-3163.
3. Primenenie magnitnykh ekranov dlya ispytanii datchikov magnitnykh poleiDolomanskii Yu.K., Konoplin A.D., Murav'ev L.A., Ponomarev V.V.Nauki o Zemle. 2013. No. 4. P. 14-21.
4. IEEE 6th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology, 2005, proceedings2005. T. 2005.
5. Visyashchev A.N. Elektromagnitnaya sovmestimost' v elektroenergeticheskikh sistemakh: Ucheb. dlya vuzov po napravleniyu 650900 «Elektroenergetika». Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2005. 693 p.
6. Shmur'ev V.A. Tsifrovaya registratsiya i analiz avariinykh protsessov v elektroenergeticheskikh sistemakh. M.: NTF «Energoprogress», 2004. 96 p.
7. Karmashev, V.S. [i dr.]. Elektromagnitnaya sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv: Spravochnik.
M.: [b. i.], 2001. 401 p.
8. Primenenie kontaktnogo sposoba izmereniya temperatury v uchebnom laboratornom stende Merkul'ev A.Yu., Yurkov N.K. Molodoi uchenyi. 2014. No. 2 (61). P. 156-158.
9. Lokalizatsiya i oslablenie pobochnykh elektromagnitnykh izluchenii ot sredstv vychislitel'noi tekhniki putem ekranirovaniya elektromagnitnykh voln Petrov I.S. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Komp'yuternye tekhnologii, upravlenie, radioelektronika. 2012. No. 23. S. 189-191.
10. Elektromagnitnaya sovmestimost' i proektirovanie elektronnykh sredstvsbornik nauchnykh trudov, Moskva, 2012 g. / Moskovskii gos. in-t elektroniki i matematiki (Tekhnicheskii un-t), Kaf. «Radioelektronnye i telekommunikatsionnye ustroistva i sistemy», Moskovskii Soyuz nauch. i inzhenernykh obshchestvennykh ob-nii / pod red. L.N. Kechieva. Moskva, 2012.
Authors of the publication
Alexander V Kokh — graduate student of the Department of High Voltage Techniques and Electrophysics of Novosibirsk State Technical University, technical and commercial engineer of Transformer-Siberia LLC.
Stanislav S. Shevchenko — Senior Lecturer of the Department of High Voltage Techniques and Electrophysics, Novosibirsk State Technical University.
Поступила в редакцию 20.10.2017.
