7. Защита от электромагнитных полей и ионизирующих излучений

7.1. Расчет защитного экрана от электромагнитного излучения Пример 33

Исходные данные.

Рассчитать толщину медного экрана для защиты от электро –

магнитных полей на расстоянии 3 м от излучателя. Импульсная мощность 100 кВт, средняя по времени мощность 400 Вт, длина волны – 3 м.

Определим частоту электромагнитного излучения, если извест­на длина волны:

,

где: – длина волны электромагнитного излучения;

с – скорость распространения электромагнитных возмущений (для вакуума или воздуха – ско­рость света с = 3–10–8 м/с);

f– частота электромагнитных колебаний, Гц.

Гц = 100 МГц.

Определим глубину проникновения δ электромагнитного поля в медный экран, (т.е. глубину, не которой излучение ослабля­ется в E paз = 2,72 раза). Согласно графику на рис. 4.1.[4] глубина проникновения поля в медь составляет 0,035 мм.

Рис. 20. Глубина проникновения электромагнитных полей в толщу экрана в зависимости от частоты колебаний.

Сначала определяем время, в течение которого действует импульсная мощность:

T = мин

Вт/м² = 88400 мкВт/см².

Вт/м² = 350 мкВт/см².

Согласно ССБТ ГОСТ 12. 1. 006 –76 "Электромагнитные поля радиочастот.

Общие требования безопасности ", так как рабочее место находится от излучателя на расстоя­ния, равном длине волны, то есть в зоне излучения, то нормирование ведется по плотности потока мощности, по I . При воздействии электромагнитного излучения в течение всего рабочего дня допустимая плотность потока мощности составляет до 0,1 Вт/м² (до 10 мкВт/см² ); при воздействии не более 2 ч – от 0,1 до 1,0 Вт/м² (от 10 до 100 мкВт/см²), а в ос­тальное гремя плотность потока энергии не должна превышать 0,1 Вт/м²; при воздействии не более 20 минут допускается от 1,0 до 10,0 Вт/м² (от 100 до 1000 мкВт/см²) , но с обяза­тельным использованием защитных очков. В остальное время работы плотность потоке энергии не должна превышать 0,1 Вт/м².

Таким образом, требуемая степень экранирования на рабочем месте при импульсном воздействии электромагнитного поля составит:

раза.

где: – степень экранирования в относительных единицах;

I_o и I_э – плотности потока энергии до к после медного экране соответственно.

Определим необходимую толщину медного экрана, создающего ослабления плотности потока энергии в 88,4 paзa.

Э≥ e^{d /б} ; lgЭ = lg e; lg 88,4 = ;

1,948 = ; d =мм.

По соображениям прочности принимаем толщину медного экрана:

d = 0,5 мм.

7.2. Расчет защитного экрана индукционной катушки для нагрева стальной заготовки перед термообработкой

Пример 34

В тех случаях, когда общее экранирование всей установки затрудняет выполнение технологического процесса, используют поблочное экранирование. В установках промышленного нагрева токами высокой и ультравысокой частоты в виде отдельных блоков экранируют рабочие элементы этих установок (конденсатора, индукционные печи, закалочные индукторы, подводящие энергию ВЧ к рабочим элементам фидера, согласующие трансформаторы).

Исходные данные:

Радиус катушки – индукторе, α ₌ 0,105 м; длине, l = 0,35 м; число витков, ω = 15; сила тока в катушке, I = 4350 А; рабочая частота f = 2400 Гц; радиус сердечника (нагреваемо­го металла, изделия), α_c = 0,070; длина сердечника (за­готовки), l_c = 0,140 м; допустимые потери мощности,W_n= 215 Вт (обычно – I % от мощности установки) Определить ослабление поля внутри катушки в результате экранирования, ∆H.

Потери энергии в экране рассчитывают в следующем порядке. Определяют глубину проникновения поля в экран по формуле:

где β_э – удельная проводимость материала экрана, _э – абсолютная магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м,

,

где ₀ = 4·10^-7 Гн/м – относительная магнитная проницаемость.

Для немагнитных материалов ₀ = 1,0 Гн/м.

для алюминия:

Ом^–1 · м^–1;

для стали:

Гн/м;Ом^–1м^–1.

Так как мы принимаем по конструктивным соображениям экран из листовой стали, то

м.

Как правило, глубина проникновения поля в экран меньше I мм, а в нашем случае она составила 0,07 мм, но, исходя из соображения прочности экрана, толщину его стенок d следует принимать не менее I мм. При этом d >δ.

Потери энергии в цилиндрическом экране W рассчитывают по следующим формулам.

Для катушек без сердечника, удовлетворяющих условию

l > 1,5 (A – a ) ; Вт.

где А – радиус экран, м. Вначале ориентировочно можно принять А = 3а .

Для катушек без сердечника, удовлетворяющих условиям

l < 1,5 (A – a ):

Вт.

Для катушек с сердечником, удовлетворяющих условиям:

l > 1,5 (A – a); l_c≤ l ; l_c ≤ l;

Для катушек о сердечником, удовлетворяющих условию l < 1,5(А – а), следует произвести расчет дважды, по двум последним формулам, и принять меньший из полученных результатов. Использование этих формул в данном случае ведет к некоторому занижению расчетных потерь по сравнению с действительными.

В случае экрана квадратного сечения можно пользоваться теми же формулами, приняв величину А равной половине стороны квадрата. Это приводит к некоторому занижению расчетных потерь по сравнение с действительными.

В нашем случае - l > 1,5·(A – a); 0,35 > 1,5 · (2 · 0,105): L_c < l; 0,14 м < 0,35 м, поэтому:

Найденную величину потерь W следует сравнить с допустимой величиной потерь Wn. Если W < Wn, то можно уменьшить радиус экрана А, если этому не мешает конструкция самой установки. Если W > Mn , следует увеличить радиус экрана А и вновь произвести расчет.

Если для стального экрана приемлемых размеров потеря энер­гии сказываются недопустимыми, следует принять алюминиевый экран. Расчет по приведенным выше формулам является прибли­женным и поэтому необходимо, чтобы условие W< Wn выполнялось с некоторым запасом.

Чтобы избежать дополнительных потерь энергии в торцовых ставках экрана (верхняя, нижняя – дно), расстояние от этих стенок до ближайших витков катушки нужно брать не меньше , где– постоянная затухания симметричной волны,распространяющейся вдоль оси экрана;

– для цилиндрического экрана радиусом А ;

– для экрана квадратной формы со стороной 2А.

Если это условие выполнено, тo торцовые стенки практически не вызывают дополнительных потерь энергии в экране. То же условие должно выполняться в отношении расстояния от витка, до нижней стенки при открытом сверху экране.

м.

Ослабление экраном поля внутри катушки рассчитывают для цилиндрического экрана радиусом А . При расчете экрана квад­ратной формы его следует заменить цилиндрический, полагая, что А = ,

где 2 А₁– сторона квадрата (при этом площадь квадрата равна площади круга).

Ослабление магнитного поля ∆H (%), обусловленное экранированием, определяют по формулам:

для катушки без сердечника при условии:

l > 2a, l > 2(A – a) ∆H=

то же, при условии:

l < 2a ∆H =

то же, при условии:

l < 2 ( A – a ), l > 2a ∆H =

для катушек с сердечником при условии:

l >2 ( a – a_c ),

l< 2 ( A – a ), l_c = l

∆H =

Рассчитанное ослабление обычно не должно превышать 5%. Если найденное ослабление превышает допустимое, нужно уве­личить радиус экрана А.

Проверку экрана катушки на эффективность экранирования про­водят следующим образом. Требуемую эффективность экранирования Э тр находят путем деления величины напряженности по­ля, создаваемого катушкой на рабочем месте при отсутствии экрана (Нр), на величину допустимой напряженности поля (Н_н) по ССБТ ГОСТ 12.1.006–76. Примем Н_н = 5 А/м:

Значение H_p можно найти по формуле:

где ρ – расстояние от катушки до рабочего места, равное 3 м.

Требуемую величину эффективности экранирования нужно сравнить с фактической: Э_тр = 6,645 /5 = 1,329.

Для сплошного цилиндрического экрана радиусом А или квадратного со стороной 2 Aт эффективность экранирования при d > δ

.

Эффективность экрана, имеющего форму трубы, при отсутствии проникновения поля непосредственно сквозь материал экрана определяют по формуле:

где Z – расстояние от открытого конца экрана до ближайшего вятка катушки вдоль оси экрана, м; Z = 0,082 м.

для цилиндрического экрана радиусом А;

–для экрана квадратного сечения со стороной 2А₁;­

Так как фактическая эффективность экрана Э** = 1,614 больше

требуемой Э_тр = 1,329, то условие безопасности соблюдено.