Экранирование источников излучения

 

Для снижения интенсивности электромагнитных излучений применяют отражающие экраны из материалов с высокой проводимостью (сталь, медь и др.) и поглощающие экраны из поролона с добавлением активированного угля, листов резины специального состава с полыми или сплошными коническими шипами.

Глубина проникновения ЭМВ d, м, то есть расстояние,
на котором напряженность поля уменьшается в e раз (е = 2,718 – основание натурального логарифма), определяется по фор-
муле [22]:

 

(55)

где l – длина электромагнитной волны, м;

r – удельное сопротивление материала экрана, Oм·м (таб-
лица 25);

m – магнитная проницаемость материала экрана.

Магнитная проницаемость алюминия, меди и свинца m = 1. Для стали m = 180 в частотном диапазоне f = 0,1 МГц…. 1000 МГц. Значения m для других частот f, МГц, можно определить, пользуясь выражением:

. (56)

 

Таблица 25

Удельное сопротивление проводников r при 0⁰ С, 10^-8Ом×м

Материал проводника	Удельное сопротивление r
Алюминий	2,5
Графит	3,9
Железо	8,7
Медь	1,7
Латунь	7,5
Нихром
Ртуть
Свинец
Сталь
Вольфрам	5,5

 

Глубина проникновения ЭМП высоких частот очень мала (для меди – сотые доли миллиметра), поэтому толщина экрана выбирается из конструктивных соображений и, главным образом, из возможности обеспечения сплошных сварных швов. При сварке на переменном токе принимают толщину экрана 1,5…2 мм, на постоянном – около 1 мм; при газовой сварке – 0,8 мм.

Эквивалентный радиус экрана R_э, м (радиус цилиндра или сферы):

(57)

где b, l, h – геометрические размеры экрана, м;

V_э – внутренний объем экрана, м³.

 

Волновое сопротивление электрических и магнитных полей Z_E, Z_H, Ом, рассчитывается по формулам:

 

; , если << 1; (58)

, если >> 1,

где Z₀ – волновое сопротивление воздуха, Z₀ = 377 Ом.

Кратность ослабления напряженности ЭМП Э₀ металлическим экраном с технологическими отверстиями:

 

(59)

где d – толщина материала экрана, м;

m – наибольший размер отверстий (щелей) в экране, м.

 

Эффективность экранирования сетчатых материалов:

 

(60)

где s – шаг сетки, равный расстоянию между соседними центрами проволоки, м;

r – радиус проволоки, м.

 

Густые сетки характеризует соотношение s/r £ 8, редкие – s/r > 8. Эквивалентная толщина сетчатого экрана:

 

. (61)

 

Эффективность экранирования фольговыми материалами:

 

. (62)

 

К фольговым материалам относят электрически тонкие (d > d) толщиной от 0,01…0,05 мм, в основном диамагнитные металлы: алюминий, латунь, цинк. Крепление фольги к основе экрана производится наклеиванием. Такие экраны сравнительно мало ослабляют магнитную составляющую поля на низких частотах.

Эффективность экранирования токопроводящими красками:

 

. (63)

Токопроводящие краски создаются на основе диэлектрического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих составляющих (коллоидное серебро, графит, сажа, алюминий), пластификатора и отвердителя. Поверхностное сопротивление составляет около 7 Ом при толщине покрытия d = (1,5…1,7)×10^-4м.

Эффективность экранирования металлизации поверхности (пластик, стекло, дерево и т.п.) цинком может быть определена с погрешностью не более ± 10 дБ по эмпирической формуле:

 

(64)

где d₀ – количество распыленного металла, кг/м²;

f – частота, МГц.

 

Металлизация поверхности производится чаще всего методом распыления. Толщина слоя покрытия определяется прочностными и деформационными характеристиками материала подложки. Для плотной бумаги слой металла должен быть не более 0,28 кг/м²_, для ткани – до 0,3 кг/м².

При увеличении расхода металла до 0,6…0,8 кг/м² эффективность экранирования может быть повышена до 100 дБ и более. Металлизация поверхности успешно применяется для экранирования помещений и кабин. Эффективность экранирования алюминиевыми покрытиями примерно на 20 дБ выше, чем цинковыми.

Стекла с токопроводящим покрытием (окись олова, окись алюминия) толщиной d» 0,6×10^{-8 м используют в смотровых окнах и шкальных системах радиоэлектронной аппаратуры.}

Для того чтобы эффективность экранирования, определенную по формулам (59…64), выразить в децибелах, используют выражение:

 

. (65)

 

Полученную эффективность экранирования DЭ, дБ, необходимо сравнить с требуемой из условия обеспечения безопасности Э_тр, дБ:

 

(66)

где Е₁, Н₁ – напряженности электрического и магнитного поля в отсутствии экрана;

Е₂, Н₂ – напряженности электрического и магнитного поля при экранировании источника;

J₁, J₂ – плотность потока энергии без экрана и с экраном соответственно.

 

 

Эффективность защитных устройств DЭ, дБ, должна обеспечивать выполнение соотношения DЭ ³ Э_тр.

Защитные устройства должны представлять собой электрически и магнитно-замкнутый экран, который необходимо заземлять. Сопротивление заземлителя должно быть не более R £ 10 Ом.

Эффективность экранирующих устройств определяется электрическими и магнитными свойствами материала экрана, его конструкцией и геометрическими размерами, частотой излучения.

В таблице 26 представлена эффективность экранов для защиты от ЭМИ РЧ в диапазоне частот 30 МГц…40 ГГц.

 

 

Таблица 26

Эффективность защитных экранов

Наименование материала	ГОСТ, ТУ	Толщина, мм	Диапазон частот, Гц	Ослабле ние, дБ
Сталь листовая Ст3	ГОСТ 19903-74	1,4	30 МГц…40 ГГц
Фольга алюминиевая	ГОСТ 618-73	0,08	30 МГц…40 ГГц
Фольга медная	ГОСТ 5638-75	0,08	30 МГц…40 ГГц
Сетка стальная тканая	ГОСТ 5336-73	0,3…1,3	30 МГц…40 ГГц

 

Окончание табл. 26

Радиозащитное стекло с одно- или двухсто-ронним полупро-водниковым покрытием	ТУ 21-54-73		30 МГц…30 ГГц	20…40
Ткань хлопчатобумаж-ная с микро-проводом	ОСТ 17-28-70	-	30 МГц…30 ГГц	20…40
Ткань металлизирован-ная «Восход»	-	-	10 кГц…30 ГГц	40…65
Ткань трикотажная (полиамид+-проволока)	ТУ 6-06-С202-90	-	300 кГц…30 МГц	15…40
Примечание. На основе экранирующих материалов изготовлены СИЗ: очки с металлизированными стеклами ОРЗ-5, ТУ 64-1-2717-81, щитки защитные лицевые ГОСТ 12.4.023-84.

 

 

Примеры решения задач

 

Пример 2.6. Определить эффективность защитного экрана из алюминиевого листа толщиной d = 1,5 мм на частоте f = 1 МГц. Экран выполнен в виде кожуха 1,5 х 0,8 х 0,5 м³, в котором имеются технологические отверстия с наибольшим размером m = 10 мм.

 

Решение:

Длина электромагнитной волны по формуле (33) l, м:

 

 

Глубина проникновения d, м, по формуле (55):

 

.

Эквивалентный радиус экрана R_Э, м, по формуле (57):

 

 

Проверим соотношение (58) для расчета волновых сопротивлений электрического и магнитного поля:

 

 

Кратность ослабления ЭМП экраном Э₀ определяем по фор-муле (59).

Для электрического поля:

 

 

Ослабление ЭМП в децибелах, согласно выражению (65), составит:

 

 

Кратность ослабления магнитного поля Э_0(Н), раз, определим аналогично:

 

 

 

Пример 2.7. Источник ЭМИ РЧ работает на частоте
f = 30 МГц три часа в сутки, напряженность электрического поля при этом составляет 200 В/м. Определить требуемую эффективность защитного экрана.

Решение:

По таблице 23 определим предельно допустимый уровень напряженности электрического поля для заданной частоты:
Е_ПДУ = 48 В/м.

Требуемая эффективность экранирования по формуле (66) составит в децибелах:

 

 

Задачи для самостоятельного решения

 

Задача 2.13. Экран из латунной сетки с шагом s = 1 мм и радиусом проволоки r = 0,05 мм применяется для снижения ЭМИ РЧ на частоте 1 ГГц. Определить его эффективность в децибелах.

 

Задача 2.14. Фанерную камеру размером 6х3х4 м³ для защиты от ЭМИ РЧ на частоте 100 МГц предполагает покрыть токопроводящей краской или алюминиевой фольгой толщиной
0,05 мм. Выбрать из двух наиболее эффективный вариант.

 

Задача 2.15. Определить эффективность защитного экрана в виде кожуха из стального листа для снижения электромагнитных излучений на частоте, указанной в таблице 27. В экране имеются технологические отверстия (щели) размером m. Исходные данные по вариантам представлены в таблице 27.

 

Таблица 27

Исходные данные к задаче 2.15

Вариант	Толщина листа d, мм	Размеры кожуха, м	Размеры щели m, мм	Частота f, кГц
		2х1,5х1
	1,9	1,5х1х0,8
	1,8	2,5х1,8х0,5
	1,7	1,5х0,9х0,5
	1,6	2х1,5х1
	1,5	2х1,2х1
	1,4	1х0,7х0,5
	1,3	1,5х1х0,8
Окончание табл. 27
	1,2	1х0,5х0,3
	1,1	0,5х0,4х0,3
	1,0	1х0,5х0,4
	0,9	1,7х0,9х0,5
	0,8	1,5х1х0,5
	0,7	2х1х0,5
	0,5	1х0,8х0,8

 

 

ГЛАВА 3

ИНФРАКРАСНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Выбор теплозащитных средств

К средствам коллективной теплозащиты относят изоляцию источников излучения материалами с низкой теплопроводностью, экранирование источников или рабочих мест, воздушное душирование, радиационное охлаждение, мелкодисперсное распыление воды, вентиляцию.

Теплозащитные средства, согласно ГОСТ 12.4.123, должны обеспечивать тепловую облученность на рабочих местах не более 0,35 кВт/м² и температуру поверхности оборудования не выше 308 К (35⁰С) при температуре внутри источника теплоты до 373 К (100⁰С) и не выше 318 К (45⁰С) при температуре внутри источника теплоты выше 373 К (100⁰С).

Выбор защитных средств от теплового облучения должен осуществляться по максимальным значениям эффективности с учетом требований эргономики, технической эстетики, безопасности для данного вида работ и технико-экономического обоснования.

Ориентировочный расчет интенсивности теплового облучения Е, Вт/м², от нагретой поверхности в данной точке осуществляют по формулам [18]:

при :

(67)

при :

(68)

где r – расстояние от источника излучения, м;

S – площадь излучающей поверхности, м²;

Т₁ – температура излучающей поверхности, К;

Т₂ – температура поверхности, воспринимающей лучистую энергию, К; для кожи человека .

Вычисленную величину интенсивности облучения сравнивают с допустимыми значениями. Если Е больше нормы, необходимо проведение мероприятий по уменьшению воздействия излучения на работников.

Допустимые величины интенсивности теплового облучения работающих на рабочих местах от производственных источников, нагретых до темного свечения (материалов, изделий и др.) должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 28.

 

Таблица 28

Допустимая интенсивность теплового облучения [28]

Облучаемая поверхность тела, %	Интенсивность теплового облучения, Вт/м^2, не более
50 и более
25…50
не более 25

 

Допустимая интенсивность теплового облучения работников от источников, нагретых до белого и красного свечения (раскаленный или расплавленный металл, стекло, пламя и др.), не должна превышать 140 Вт/м². При этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела. Необходимо использовать средства индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

Длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения λ, м, рассчитывается по закону Вина:

 

(69)

где Т – абсолютная температура источника излучения, К.

 

Спектральный состав излучения определяет степень воздействия на человека и учитывается при выборе теплозащитных средств.

Энергетическая светимость (плотность потока энергии) абсолютно черного тела q, Вт/м², то есть энергия, излучаемая в 1 секунду с единицы поверхности абсолютно черного тела, определяется формулой Стефана-Больцмана:

(70)

где К_с – постоянная Стефана, равная 5,67×10^-8 Вт/(м²×К⁴).

Если излучаемое тело не является абсолютно черным, то

 

(71)

где e – приведенная степень черноты тела.

 

 

Задачи для самостоятельного решения

 

ЗАДАЧА 3.1. Определить энергию, излучаемую через смотровое окошко печи в течение t = 1 мин. Температура печи
Т = 1500 К, площадь смотрового окна S = 10 см². Считать излучение близким к излучению черного тела.

 

ЗАДАЧА 3.2. На какую длину волны приходится максимум энергии излучения следующих тепловых источников: тело человека с температурой поверхности кожи 30^оС; спираль электрической лампочки с температурой 3000 К; атомная бомба, имеющая в момент взрыва температуру 10⁹ К? Излучающие тела считать абсолютно черными.

 

ЗАДАЧА 3.3. Найти температуру печи, если известно, что из отверстия в ней размером 6,1 см² излучается в 1 секунду 8,28 кал. Излучение считать близким к излучению абсолютно черного тела.

 

ЗАДАЧА 3.4. Определить интенсивность теплового облучения человека от поверхности оборудования площадью 1 м² с температурой 1000 К. Расстояние от оборудования до рабочего места r = 0,5 м.

Сделать вывод о соответствии интенсивности допустимым величинам.

 

ЗАДАЧА 3.5. Расстояние от источника, нагретого до температуры 3000 К, до рабочего места составляет 1,5 м, площадь излучающей поверхности 0,5 м².

Сопоставить интенсивность теплового излучения с требованиями норм и дать рекомендации по обеспечению безопасности.

 

ЗАДАЧА 3.6. При какой температуре энергетическая светимость абсолютно черного тела равна q = 700 Вт/м²?

ЗАДАЧА 3.7. Облучаемая поверхность тела человека составляет более 50 %, интенсивность теплового облучения от производственного оборудования – 70 Вт/м².

Определить, в каком случае допустима работа в течение смены: когда источник – расплавленный металл или когда источником являются нагретые поверхности производственного оборудования.