Sidan 1 av 7 Innehåll INLEDNING... MÅLSÄTTNING, EXPRIMENTPLATS OCH MÄTUTRUSTNING... TEST LOKALISERING OCH MÅLSÄTTNING... TEORI OCH RESULTAT... TEORI... RESULTAT... 3 UTVÄRDERING... 6 APPENDIX... 6 APPENDIX A: UTSTRÅLANDE ELEKTRISKA FÄLT GENERAT AV FYRKANTVÅG... 6 APPENDIX B: UTSTRÅLANDE ELEKTRISKA FÄLT STYRKA I VERTIKAL RIKTNING... 6 APPENDIX C: SKÄRMNING AV MAGNETISK FÄLT STYRKA... 7
Sidan av 7 Inledning Rapporten är ett sammandrag av ett Examensarbete utfört vid Luleå Tekniska Universitet för Protec System AB. Anledningen till examensarbetet var att verifiera om Protec System s förläggningsrör för elektriska installationer kunde skärma elektromagnetiska fält. De skärmade rören är tillverkade av ett termoplastiskt material. Rapporten är ett sammandrag av de tre sista kapitlen (kap.8, kap.9, kap.) i rapporten: Sheilding properties of termoplastic material : (ISSN: 14-1617,ISRN : LTU-EX- 1997/95- -SE ) De tre kapitlen omfattar: målsättning, utrustning, testresultat för skärmning utstrålat elektriskt och magnetiskt fält. Testresultatet för magnetiska fält visas i Appendix C: Skärmning av Magnetisk fält styrka. För en närmare studie kan hela Examens arbetet beställas från Protec System AB. Målsättning, exprimentplats och mätutrustning Målet med examensarbetet var att undersöka de skärmande egenskaperna på Protec System s installationsrör, dvs rörens skärmande egenskaper mot elektromagnetiska fält, genererat från en signalledare som är förlagt inne i ett rör. Rören är producerade av termoplastiskt material i två skikt, ett isolerande innerhölje och ett ytterhölje som är elektrisk ledande. Examensarbetet hade tre delmål: 1. Förslag till skärmningsteori för termoplastiska rör där skärmeffekten kan beräknas analytisk.. Utföra mätningar som kan verifiera skärmningseffekten som är kalkylerad. 3. Förslag till test metoder som verifierar skärmningsteorin för termoplastiska rör. Test lokalisering och målsättning Tester och mätningar är utförda i EMC-Center vid Luleå Tekniska Universitets EMC-Center. Följande instrument är använda vid testerna En Wavetek Syntezized Function Generator model 9 med frekvens område upp till MHz används som signal källa. Tektronix TDS 3 digitalt oscilloscop användes för att kontrollera amplituden. EMI test reciever från Rohde & Schwarz, mäter utstrålad elektromagnetisk fältstyrka. En 745 för-förstärkare från Rohde & Schwarz, för mätning av elektriska fält. Mätprober från Rohde & Schwarz, en för att mäta magnetiska fält och en för elektriska fält. Två globala magnetiska fältprober och en elektrisk fältprob från Radians Innova AB har används för att mäta fältnivåerna i låga frekvenser. Testkabeln var en singel ledare med dia 1, mm. Skärmade rör av polypropylen material med en dia av 5 mm. Jordplan av hönsnät på 5 m, och ett jordplan av aluminium som täcker 6 m. Teori Teori och Resultat Innan resultatet och testerna redovisas, är det nödvändigt med en kort teoretisk genomgång. Tyngdpunkten i teorin ligger i Maxvell s ekvationer för en elektrisk dipol. Detta kan enklast förklaras med en figur. I Figur 1 ser vi att fältet utstrålar i tre olika riktningar: x, y, och z- riktning. Med dessa
Sidan 3 av 7 riktningarna kan en modell med Maxvell s ekvationer användas och den elektriska fältstyrkan kan beräknas. Idl sinθ ω sinω cosω sinω Eθ = + + [] 3 4πε r υ r υ r υ Idl cosθ cosω sinω Er = + [] 3 4πε r υ r υ E = [] φ Figur 1 Elektrisk dipol, ström element, samt Maxwell s ekvationer. Från Maxvell s ekvationer kan vi se att bara två av fältriktningar ger elektriska fältstyrka. De markerade punkterna i de två översta ekvationerna anger de delarna som är aktuella för mätningarna. Det är denna bakgrundsteori som är grunden för de uppmätta mätresultaten. Resultat Vid exprimentets utförande användes flera olika mätuppställningar. Mätuppställningen i figur är använd för mätning av utstrålade elektriska fält i horisontal riktning från testobjektet. Vid mätning av det utstrålande fältet från signalledaren, både med och utan skärm kan skärmningseffekten beräknas. När röret är på, är båda ändarna av röret kopplat samman med signalledaren, som går igenom röret (signalledaren är en koaxialkabel som är kopplat till röret i båda ändarna) Röret är också jordat i bägge ändarna. På ena sidan är ledaren ansluten med 5 ohm. På andra sidan kommer det en signal från signalgeneratorn. Från mätningsproben går signalen till EMI testreceiever från Rohde&Schwartz som detekterar fältstyrkan till det utstrålade elektriska fältet. Avståndet mellan mätproben och testobjektet varieras i fasta steg från 6m till,96m, vilket gör att vi arbetar i Figur Test uppställning för utstrålat elektrisk fält. närfältsområdet för de elektriska fälten. Mätningarna av de utstrålande fälten är utförda i bägge riktningarna, båda i horisontal och vertikalt riktning i förhållande till test objektet. Dessa mätningar är utförda i ett frekvensområdet från 5 Hz och upp till Mhz. Den första indikationen på att rören från Protec System har bra skärmningsförmåga finner vi i de obehandlade mätningarna som EMI testreceiver visar för både skärmat och oskärmat test objekt. Detta visas i figur 3.
Sidan 4 av 7 dbµ V 7 6 5 4 3 Obehandlade mätningar för skärmad och oskärmad kabel, 4kHz 9,3 61. Oskärmad Kabel Protec System 3,E+5 3,5E+5 4,E+5 4,5E+5 5,E+5 Frekve ns Figur 3 Obehandlade mätninger för skärmad och oskärmad kabel vid 4 khz. Detta resultat visar att installationsrören från Protec System har en bra skärmande effekt mot utstrålande elektriska fält. För ett mera noggrant resultat på skärmningseffekten skall man ta hänsyn till de olika probernas antennfaktor. Detta gör att vi kan kalkylera skärmningseffekt över hela mät området, som visas i figur 6. Därför måste avstånd relaterat till det elektriska fältet kontrolleras. Med detta menas att det elektriska fältet reduceras när avstånden från testobjektet ökar. Enligt Maxwell s ekvationer skall det elektriska fältet reduceras i styrka med en kombination av faktorerna 1/r och 1/r, där r är avstånds para från test objektet mätt i 1. 18 16 14 1 8 6 4 Elektriska fält vs. avstånd kh 5kHz khz,,4,6,8 1 16 14 1 8 6 4 Elektriska fält vs. avstånd 4 khz 1 MHz MHz,,4,6,8 1 Figur 4 Avståndsrelation för den elektriska fält styrkan enligt Maxwell s ekvationer. Som vi ser i figur 4 så är det elektriska fältet beroende av paran r, ett beroende som är ett mellanting mellan 1/r och 1/r, vilket visas i Maxvell s ekvationer. För höga frekvenser är inte avståndsrelationen så markant och exakt som för låga frekvenser. Orsaken till detta är att våglängden för det elektriska fältet börjar bli så korta i förhållande till mätavståndet och test objektets längd. 1 Avstånd paran r är i detta tillfället de markerade fälten i Maxwell s ekvationer.
Sidan 5 av 7 Elektrisk fält vid 5HZ Elektrisk fält vid 1MHz 1 5, 6,1,4 FK 1,5 mm Protec rør 1 75, 5 6,1,4,96 1,5 mm FK Protec rør Figur 5 Sammanställning mellan skärmat och oskärmat elektriska fält vid för två olika frekvenser. I figur 5 är fältnivåerna från oskärmat och skärmat testobjekt sammanställt för olika frekvenser. Figuren visar att testobjektet som är skärmat med Protec Systems installationsrör ger mycket låga fältnivåer. Figur 6 visar den kalkylerade skärmningsfaktorn för Protec Systems skärmade rör över hela frekvensområdet för två olika avstånd från testobjektet (,1m och,4m). Att kurvan för skärmningsfaktorn är ojämn för låga frekvenser beror på att mätningarna är utförda i närfältsområdet för det elektriska fältet. Detta ger några oönskade effekter. De effekterna som påverkar mätresultatet är reflexer från jordplanet, kapacitiva kopplingar mellan testobjekt och jord, samt avslutningseffekter. Mätnoggrannheten i de olika proberna kan också påverka detta resultat. SE (db) 3 5 15 SE i db för elektriska fält.1 m avstånd.4m avstånd 3-dB linje SE for elektriska fält 35, 3 1 5, SE(dB),E+7 5 1,E+6 5,E+1 1,E+6,E+6 3,E+6 4,E+6 5,E+6 6,E+6 7,E+6 6,4,96 5,E+4,E+3 Figur 6 Kalkylerat skärmningseffekt för hela frekvensområdet. Skärmningsfaktorn 3 db gräns ligger vid 3,5 MHz, något som ger ett stort frekvensområde med en mycket bra skärmningseffekt för skärmade Protec rör. Detta var en presentation av mätningsresultaten för de elektriska fälten i en riktning. Det är också utfört mätningar och tester för de andra fältriktningarna enligt Maxwell s ekvationer. Detta visade sig ge samma resultat i skärmningsfaktorer. I tillägg till dessa horisontella mätningarna är motsvarande mätningar utförda i vertikal riktning dvs. mellan jordplan och test objektet. Samma mätningar är också utförda när insignalen är en fyrkant våg. I Appendix A: Utstrålande elektriska fält styrka när insignalen är en fyrkant våg och appendix B: Utstrålande elektriska fält styrka i vertikal riktning är några av dessa resultat visat. Det är också utfört undersökningar angående skärmningseffekten för magnetiska fält både i vertikal och horisontal riktning. För denna fält typen visar det sig att Protec System s skärmade rör inte har någon skärmningseffekt, detta är illustrerat i Appendix C: Skärmning av magnetiska fält.
Sidan 6 av 7 Utvärdering Försöken har visat att Protec System,s skärmade installationsrör har mycket bra skärmande effekt mot elektriska fält upp till frekvenser kring 1 MHz. Det finns möjligheter att öka skärmningseffekten i både frekvensområde och db tal, men det krävs att aktiv forskning på termoplastiskt material genomförs. För att kunna öka skärmningseffekten skall man också öka det termoplastiska materialets ledningsförmåga (conductiviteten). Den relativa permitiviteten måste bli bättre och skall också bestämmas mera noggrant för en analytisk modell. När det gäller det magnetiska fältet vid låga frekvenser kan inget termoplastiskt material ge någon skärmeffekt. För högre frekvenser från MHz och uppåt blir både de magnetiska och elektriska fältet en elektomagnetsisk våg med samma riktning och amplitud, men 9 fasförskjuten i förhållande till varandra. Detta betyder att man kan upprätthålla skärmningseffekten för en elektromagnetisk våg vid högre frekvenser med rätt typ av material. Appendix Figuerna som visas i appendix är ett litet utval av figurer och resultaten som är behandlat i Examens arbetet. Med dessa figurer är det lättare att beskriva och visualisera skärmningseffekten, fältets riktning och avståndets beroende. Appendix A: Utstrålande elektriska fält generat av Fyrkantvåg Skärmat elektriska fält vs. frekvens och avstånd 6,1,4,96 1,E+6 V/ m 4 35, 3 1 5,,E+7 6 m Skärmningsfaktor för ektriska fält 3 1 5, -5, 1,E+6,E+7 SE (db) Figur 7 Skärmade elektriska fält och effektivitet när insignalerna är fyrkantvåg. Appendix B: Utstrålande elektriska fält styrka i vertikal riktning Skärmad och oskärmad elektriska fält vid khz 14 1 8 6 4 6,18,34,68 ProtecSystem Oskärmad FK Skärmad och oskärmad elektriska fält vid 1MHz 14 1 8 6 4 6,18,34,68 ProtecSystem Oskärmad FK Figur 8 Skärmad och oskärmad elektrisk fält för två olika frekvenser i vertikal riktning.
Sidan 7 av 7 Skärmnings faktor för elektriska fält 5 SE(dB) 15 5-5 6,18,34,68 4,E+5 1,E+6,E+7,E+5 Figur 9 Skärmningsfaktor för elektriska fält i vertikal riktning. Appendix C: Skärmning av magnetisk fält styrka Skärmningseffekt för magnetiska fält Skärmningseffekt för magnetiska fält SE(dB), 1,5 1,,5 -,5-1, -1,5 6 m,34 5,E+1,E+3 1,E+3 1,E+ 1,E+5 5,E+4 1,E+7 1,E+6 8,E+5,E+7 Frekvens SE(dB) 3,, 1, -1, -, -3, -4,,1 m 5,E+1 1,E+6 8,E+5 1,E+5 5,E+4,E+3 1,E+3 1,E+,E+7 1,E+7 Frekvens Figur Skärmningseffekt för magnetiska fält, till vänster magnetiska fält i horisontell riktning och till höger magnetiska fält i vertikal riktning.