В последнее время наблюдается уверенная тенденция всё более широкого применения методов и средств активного бесконтактного контроля и мониторинга различных процессов во всех сферах промышленного и сельскохозяйственного производства.

Наиболее эффективной в этом вопросе является техника и технология магниторезонансного контроля, осуществляемая в диапазоне радиочастот.

Точность и чувствительность датчиков при этом напрямую зависит от принятой системы экранирования и принципов её дизайнерской реализации.

Для успешной дизайнерской реализации, для повышения точности и эффективности применения этой технологии, исключительную важность имеют практические и теоретические критерии построения экранов для различных конфигураций сенсоров.

В настоящей статье затрагиваются и освещаются базовые аспекты теории и практики электромагнитного экранирования, правильное применение которых поможет повысить точность, чувствительность и общую эффективность средств магниторезонансного контроля и мониторинга.

Для примера рассмотрим один из проектов, который для успешного внедрения в повседневную практику требует дополнительной коррекции с учётом модификации ситстемы экранирования сверхчуствительных сенсоров.

Рассмотрим Устройство для магниторезонансного контроля качества воды или водных растворов, которое представляет собой участок трубопровода на котором на наружной поверхности трубы установлен кольцевой сенсор, подключённый к источнику питания и системе управления и усиления и идентификации сигнала.

В систему входит опционально передающее устройство, для передачи усиленного и идентифицированного сигнала на пульт оператора или на мобильный телефон.

Система настраивается на эталонный образец воды, причём с учётом всех локальных условий.

Сенсор системы фиксирует любое изменение в состоянии воды, сигнал идентифицируется и передаётся на пульт оператора, монитор компьютера или мобильный телефон.

Периодичность контрольных тестов может изменяться при настройке в пределах от одного теста в 0,1 секунды до одного теста в 1 минуту.

По состоянию на момент предложения резонансных контрольных технологий, контроль при помощи традиционно принятого оборудования имеет группу существенных недостатков и проблем.

Затраты времени на контроль качества воды в рассчёте на один объект составляет более двух рабочих часов.

Затраты химических реагентов на один контроль составляют более 10 долларов США.

Оперативность доведения результатов контроля не позволяет исключить отложения солей жёсткости в системах объектов контроля.

При контроле традиционными методами, точность контроля резко снижается из за наличия органических загрязнений.

Низкая оперативность реакции на результаты контроля,приводит к преждевременному выходу из строя дорогостоящего оборудования.

Не смотря на высокий уровень затрат на организацию и контроль качества воды эффект от этих затрат снижается от потерь, связанных с причинами, вызванными уровнем технологических проблем контроля при существующей технологии.

Для выполнения операций контроля, базирующихся на существующей технологии, требуется специально подготовленный квалифицированный персонал, стоимость рабочего часа которого составляет более 35 долларов США.

Персонал не может выполнить больше одного теста в сутки и в период между тестами состояние воды не контролируется, что приводит к аварийным ситуациям.

Время от момента обнаружения проблемы до устранения увеличено из за того, что нет возможности постоянного контроля за качеством воды. передача информации не оперативна, что также увеличивает время для устранения аварийных ситуаций.

Применение новой технологии позволяет добиться следующих показателей:

Контроль осуществляется 24 часа в сутки.

Контроль осуществляется в автоматическом режиме и процесс контроля не требует вмешательства оператора.

Информация о результатах контроля в режиме реального времени передаётся в службы обслуживания, что исключает аварии, так как решения принимаются сразу при получении результатов измерений.

Результаты контроля не зависят от увеличения или уменьшения концентрации органических веществ в контролируемой воде.

Ввиду того, что контроль осуществляется без непосредственного контакта с водой, отсутствуют проблемы, связанные с коррозией или любым другим разрушающим фактором.

Стоимость контроля состоит только из аммортизации стоимости системы для контроля, что составляет не более 250 долларов в год.

Система контроля работает в автономном автоматическом режиме и не требует какого либо обслуживания.

К числу основных параметров сенсора для резонансного контроля качества воды следует отнести точность и чуствительность. основной параметр,- чуствительность,- возможность отличить, зафиксировать и идентифицировать отличие эквивалентное 0,000 001 грамма на литр.

Как выглядит экономика такого проекта:

Количество объектов на которых может быть установлено контрольное оборудование, которое базируется на принципе магнитного резонанса, может быть представлено в количествах более чем миллион комплексных объектов, каждый из которых может иметь как минимум две контрольных точки.

Для анализа объёма поставки резонансных контрольных систем принимаем конфигурацию укомплектованную кроме системы контроля, идентификации и интерпретации характера контрольного сигнала, системой передачи сигнала по существующим каналам связи.

Стоимость системы ориентировочно должна составить 2500 долларов США.

Стоимость установки, гарантийного и серийного обслуживания, периодической аттестации, обеспечения запасными частями и инженерного сопровождения в процессе эксплуатации ориентировочно должна составить 30 – 35 % от стоимости системы, то есть,- 750 – 875 долларов США.

Предполагаемый объём рынка 2,5 миллиарда долларов США по стоимости системы.

Предполагаемый объём рынка услуг для комплексных контрольных систем,- 875 000 000 долларов США.

Предполагаемый общий объём рынка по вышеуказанным системам магниторезонансного контроля,- 3,375 миллиарда долларов США.

Казалось – бы существует технология, глубоко и профессионально проработанные технические и технологические решения, так что же мешает внедрять инновационные методы контроля и мониторинга?

Ответ как всегда довольно прост, - недостаточно глубокое знание специалистами техники Электромагнитного экранирования, что приводит к тому, что уровень помех при измерении становится очень высоким, особенно в случаях, когда технически требуется тонкое и особенно тонкое экранирование

Цель этой статьи и состоит в необходимости передать теоретические основы Электромагнитного экранирования в общем и особенности так называемого “тонкого экранирования” в частности.

Общее - RF Anechoic chamber изготовлен из электропроводящего материала, который предназначен для предотвращения прохождения электромагнитного излучения из оборудования находящегося внутри него и по направлению к этому оборудованию. Другими словами, не существует принципиальной разницы с точки зрения Электромагнитного экранирования оборудования, если речь идет о защите вашего оборудования от внешнего излучения или защиты от излучения из этого оборудования. Основным параметром в этом случае являеться расстояние от источника излучения.

В данной статье мы рассмотрим только ситуацию, когда мы защищаем наше оборудование от Электромагнитной утечки из RF Anechoic Chamber.

Была проведенна работа нескольких Научно-исследовательских учреждений для определенния необходимого уровня Электромагнитного экранирования RF Anechoic chamber.

Был установлен следующий уровень:

1. Экранирование Электрического поля 120дБ в диапозоне частот от 10kHz до 1GHz.

2. Экранирование Магнитного поля 100дБ в диапозоне частот от 10kHz до 50kHz.

Примечание: определение необходимого уровня Электромагнитного экранирования уже существует более 20 лет, поэтому на данный момент нет определения на диапозон частот свыше 1GHz. Практически определение этого уровня основано на знании оборудования и его степени Электромагнитного излучения, в соответствующем диапозоне а также учитывая фоновый шум.

Электромагнитное экранирование - как и все что касается Электромагнитных волн, начинается с уравнений Максвелла. Согласнно этим уравнениям Электромагнитная волна распространяется в пространстве и имеет Магнитную и Электрическую составляющие поля. Существует различие характера распространеной волны когда мы находимся близко или далеко от источника.

Это расстояние определяется параметром - длина волны. В распространении волны в воздухе длина волны равна: скорости света поделенная на частоту.

Очень важный параметр в распространении волн это расстояние – ?/2?. В случае когда расстояние от источника больше этой величины мы находимся в так называемом дальнем Электромагнитном поле. В обратном случае в ближнем поле. Эта величина называется переходная зона.

Отношение между магнитным и электрическим полем называется импеданс среды. Электромагнитная волна ведет себя по-разному в ближнем и дальнем поле. В дальнем Электромагнитном поле есть взаимозависимость между напряженностью электрического и магнитного полей. Отношение между этими полями называется импеданс волны E/H.

Этот импеданс равен 120? ? приблизительно 377 ?. Данный вид волны называется Плоской волной – Plane Wave.

В ближнем Электромагнитном поле отношение между магнитным и электрическим полем

не постоянное. В случае если источник излучения диполь или щелевая антенна (высокое напряжение и низкий уровень тока) главным образом образуется электрическое поле и тогда это поле видет импеданс больше чем 377 ? указанного выше. Этот импеданс растет по мере приближения к источнику излучения. При увеличении растояния от источника мы получим импеданс равный 377 ?, когда достигнем дальнего поля. В случае когда источник излучения петлевая антенна (высокий ток и низкое напряжение) главным образом образуется магнитное поле и тогда это поле видет импеданс меньше и соответсвено уменьшается по мере приближения к источнику.

У каждого материала существует свой характерный импеданс. Как сказано выше отношение между магнитным и электрическим полем в определенном материале является характерным импедансом этого материала. Характерный импеданс материала зависит от нескольких параметров: электропроводимость, намагничивание, диэлектрический коэффициент и частота.

В диэлектрическом материале нет зависимости от частоты. В электропроводящем материале нет зависимости от диэлектрического коэффициента так как он равен нулю. Из этого следует что характерный импеданс мы можем также назвать импеданс Электромагнитного экранирования.

Электромагнитное экранирование производиться средой или материалом который разделяет между источником Электромагнитной утечки и точкой приема этого излучения.

Эфективность Электромагнитного экранирования (SE – Shielding Effectiveness) эта величина определяющая качество экранирования а также размера Электромагнитного затухания сигнала в точке проверки, после внесения материала (среды), по сравнению с ситуацией без материала.

Эта величина определяется в единицах – дБ.

Важно заметить что только электропроводящий материал может быть использован как материал для экранирования.

Эфективность Электромагнитного экранирования определяется на основании типа материала, его формы, растояния от источника, вида поля, частоты, направления и поляризации поля. Вместе с этим наибольшее влияние имеет непрерывность материала и отсутствие в нем щелей и трещин.

Существует два вида Электромагнитного затухания образующееся при столкновении Электромагнитной волны с проводником. Первый вид образуется когда волна частично отражается. Этот вид называется – Reflection Loss. Второй вид образуется из-за потери энергии во время прохождения волны сквозь материал – Absorption Loss. Общая Shielding Effectiveness является сумой этих двух величин при добавлении коэфицента погрешности (когда ведется расчет в магнитном поле).

Absorption Loss - эта величина одинакова для магнитного и электрического поля. Она прямо пропорциональна толщине материала и обратно пропорциональна толщине скин-слоя материала.

Скин-слой (Skin Depth) является глубиной материала на которую проникает Электромагнитная волна с потерей 9дБ от первоначальной ее величины. Он обратно пропорционален: частоте волны, электропроводимости и намагничиванию материала. Отсуда следует что Absorption Loss растет с увеличением толщины материала и частоты. К примеру у стали этот Loss выше чем у меди из-за ее высокого намагничивания.

Reflection Loss - зависит от разницы между характерным импедансом Электромагнитной волны и характерным импедансом электропроводящего материала. По этому определению видно что эта величина разная для магнитного и электрического поля. Так как большая часть отражения происходит от поверхности материала поэтому даже незначительная толщина материала способна образовать значительный - Reflection Loss.

У плоской Электромагнитной волны потери от отражения прямо пропорциональны электропроводимости и обратно пропорциональны частоте и намагничиванию. Это отношение электропроводимости и намагничивания сохраняется и в электрическом поле, однако частота обратно пропорциональна в квадрате а также затухание сигнала обратно пропорционально расстоянию в квадрате.

Как я упоминал выше общее затухание сигнала является суммой двух величин: Reflection Loss и Absorption Loss. На нижних частотах доминантным является потеря от отражения а на высоких потеря от поглощения сигнала.

В электрическом поле потеря от отражения уменьшается а потеря от поглощения увеличивается с ростом частоты сигнала. Электромагнитное затухание также уменьшаеться с увеличением частоты до точки где потеря от поглощения становится вновь доминантным и затухание начинает расти.

В магнитном поле потеря от отражения и от поглощения увеличиваются с ростом частоты сигнала.

Электромагнитное затухание в этом случае при низких частотах практически нулевое.