Brevet FR2487623A1 — publié le 19820129

La présente invention concerne le traitement de matériaux par micro-ondes. On sait utiliser des cavités micro-ondes résonnantes pour la fusion de matériaux réfractaires. Mais cette application pose d'importants problèmes : en effet, les caractéristiques diélectriques de ces produits varient tout d'abord avec la température, en particulier au voisinage de la fusion. D'autre part, il faut prendre garde å ce que la fréquence de fonctionnement de la cavité micro-ondesrésonnante demeure l'une des fréquences autorisée pour les applications industrielles. Malgré des tentatives assez nombreuses, pour la plupart effectuées en laboratoire, ce problème n'a jamais été résolu de manière véritablement satisfaisante. La présente invention vient y apporter une solution, qui présente l'avantage non négligeable de fonctionner de manière entièrement automatique. Le dispositif de traitement de matériaux par micro-ondes selon l'invention est du type comprenant une cavité micro-ondes résonnante -présentant un emplacement pour recevoir le matériau a traiter, un orifice de couplage, ainsi que des moyens d'ajustement permettant de faire varier ses caractéristiques micro-ondes-, un générateur micro-ondes, et des moyens de transmission micro-ondes, du type guide d'ondes, montés entre le géné- rateur et l'orifice de couplage de la cavité. L'action sur les moyens d'ajustement permet d'accorder la cavité sur la fréquence du générateur. Selon un aspect essentiel de l'invention, les moyens d'ajustement comprennent d'une part un organe conducteur mobile, placé au niveau de l'orifice de couplage pour ajuster ce couplage, et d'autre part un dispositif de réglage de l'accord de la cavité ; il est prévu également, dans les moyens de transmission, au voisinage immédiat de l'orifice de couplage, un dispositif détecteur apte fournir un premier signal représentatif de l'accord de la cavité, et un second signal représentatif du couplage de la cavité, c'est-a-dire de la quantité d'énergie réfléchie a l'entrée de celle-ci ; il est prévu enfin un premier circuit d'asservissement, qui réagit au premier signal en actionnant le dispositif d'accord pour maintenir le premier signal en dessous d'un premier seuil prédéterminé, ainsi qu'un second circuit d'asservissement qui réagit au second signal en actionnant l'organe de couplage pour maintenir le second signal en dessous d'un seuil prédéterminé qui lui est propre (second seuil prédéterminé). Dans un mode de réalisation considéré comme préférentiel, on prévoit également un circuit de commande central , qui fait agir d'abord le premier circuit d'asservissement, puis le second circuit d'asservissement, et ainsi de suite, alternativement. Avantageusement, le premier circuit d'asservissement réagit à l'amplitude du premier signal, en valeur absolue. De son côté, le second circuit d'asservissement réagit à l'amplitude et au signe du second signal, pour définir respectivement en fonction de ceuxci l'amplitude et le sens du déplacement de l'organe d'ajustement de couplage, afin d'ouvrir l'orifice de la cavité en présence d'un sous-couplage, et de le fermer en présence d'un sur-couplage. Au lieu que le fonctionnement du second circuit d'asservissement se fasse de la manière qui vient d'être déterminée, on peut prévoir que ce second circuit d'asservissement agisse initialement dans un sens arbitraire, et ensuite dans un sens lié à la comparaison de la valeur présente du second signal à sa valeur ancienne. Dans un mode de réalisation particulier, chacun des circuits d'asservissement comprend un moteur pas à pas. Toujours de maniere particuliere, le dispositif de réglage d'accord de la cavité peut comprendre deux tiges selfiques rotatives, décentrées, autour d'axes paralleles, et placées dans la cavité de façon sensiblement symétrique par rapport à l'axe de son orifice de couplage. En pratique, il apparat avantageux que les tiges selfiques soient placées dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'orifice de couplage, et qui passe par l'emplacement du matériau à traiter ou bien près de celui-ci En variante, le dispositif de réglage d'accord de la cavité peut comprendre un court-circuit mobile, placé dans la cavité à l'opposé de l'orifice de couplage par rapport à l'emplacement du matériau à traiter. De son côté, le dispositif détecteur comprend avantageusement quatre diodes détectrices micro-ondes. Ces diodes sont couplées au champ électrique dans le guide à des emplacements proches de la liaison entre le guide et la cavité. Chaque couplage est effectué par un trou circulaire centré au milieu du grand côté du guide. Un connecteur coaxial est fixé au dessus du trou dans la paroi du guide, et l'enfoncement du conducteur central dans le trou règle le couplage. Les premier et second signaux précités sont établis par diff8rence entre les signaux de sortie des diodes, prises deux à deux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référene aux dessins annexés, donnés uniquement pour illustrer à titre non limitatif un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et sur lesquels - la figure 1 est un schéma électrique de principe de l'ensemble du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est un dessin schématique illustrant la forme intérieure de la cavité utilisée dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention ; et - les figures 3 et 3A à 3C illustrent la disposition des diodes détectrices dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Sur la figure 1, un générateur micro-ondes GM est couplé par l'intermédiaire d'un guide d'ondes GO à une cavité micro-ondes CMO. Un dispositif détecteur DD est placé sur le guide d'ondes, au voisinage immédiat du couplage de celui-ci avec la cavité CMO. Ce dispositif détecteur fournit deux signaux SI et 52. On verra plus loin que l'un des signaux est représentatif de l'accord de la cavité, tandis que l'autre est représentatif de son couplage avec le guide d'ondes et par conséquent le générateur micro-ondes. I1 est par ailleurs prévu sur la cavité un dispositif d'accord DA, qui se trouve illustré schématiquement sur la figure 1 par un trait tirette Cette cavité reçoit également, au niveau de son orifice de couplage, un organe conducteur IR, mobile, placé de manière à fermer plus ou moins l'orifice de couplage afin d'ajuster le couplage entre la cavité et le guide d'ondes. Le premier signal S1, représentatif de l'accord de la cavité, est applique à un premier circuit d'asservissement désigné par la référence CAV1. Ce premier circuit d'asservissement réagit à l'amplitude du signal S1 en commandant par indexation un premier moteur pas à pas MP1, qui agit sur le dispositif d'accord DA, d'une manière que l'on décrira plus loin en détail. Dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le premier circuit d'asservissement CAV1 est sous le contrôle d'un circuit de commande central CC, dont il reçoit une commande de marche, ou signal MAV1. Le premier circuit d'asservissement CAV1 ne va donc pouvoir fonctionner que lorsqu'il reçoit cette commande de marche. I1 agit alors par l'intermédiaire du moteur pas à pas MP1 sur le dispositif d'accord DA, et ce jusqu'à ce que l'amplitude du signal S1 tombe au dessous d'un premier seuil prédéterminé, ce qui indique que l'accord de la cavité est réalisé, et ce à l'intérieur d-'une fourchette prédétermiilée. Lorsque l'amplitude du signal S1 est comprise dans la limite définie par le seuil, le premier circuit d'asservissement CAV1 envoie un signal RAV1 au circuit de commande central CC, pour lui indiquer qu'il a réalisé l'accord de la cavité dans les limites prédéfinies. I1 est également prévu un second circuit d'asservissement CAV2, qui actionne un second moteur pas à pas MP2, lequel agit à son tour sur le dispositif d'ajustement du couplage de la cavité IR. Le second circuit d'asservissement reçoit du circuit de commande central CC un premier signal d'autorisation de marche MAV2, et un second signal, SAV2, définissant le sens de marche. I1 envoie en retour vers le circuit de commande CC un signal de compte-rendu d'asservissement, noté RAV2. De la méme manière que précédemment, le second circuit d'asservissement CAV2 ne pourra donc fonctionner que lorsqu'il recevra du circuit de commande central CC le signal MAV2 lui autorisant la marche. Mais, contrairement à ce qui se passait pour le premier circuit d'asservissement, c'est maintenant le circuit de commande central qui reçoit lui-méme le second signal S2, représentatif du couplage de la cavité.Dans ce mode de réalisation, le circuit de commande central CC détermine le signe du signal S2, afin de définir en conséquence le sens de commande du second circuit d'asservissement, sens qui est appliqué a ce second circuit sous la forme du signal S2sV2. En conséquence, si le second signal S2 possède usa valeur supérieure a un seuil prédéterminé, le second circuit d'asservissement CAV2 est commandé (signal MAV2) dans le sens convenable en fonction du signe du signal (SAV2) par le circuit de commande central CC, de façon qu'il agisse sur le moteur pas à pas MP2, pour déplacer l'organe d'ajustement de couplage IR d;ln nombre de pas prédéterminé.Lorsque ce déplacement d'un nombre de pas prédéterminé est effectué, le circuit CAV2 envoie un signal de compte-rendu par la ligne RAV2 au circuit de commande central, qui peut alors exciter à nouveau le premier circuit d'asservissement En d'autres termes, le premier asservissement réalise l'accord enfréquence, a l'intérieur d'un seuil prédéterminé, qui peut entre exprimé en termes de transfert d'énergie comme on le verra plus loin.A ce moment là, on détecte les conditions du couplage entre la cavité et le guide d'ondes, le signal S2 (représentatif d'un défaut de couplage) est supérieur à un seuil prédéterminé d'amplitude, on agit sur le second circuit d'asservissement, d'un nombre de pas prédéterminé, après quoi on agit à nouveau sur le premier circuit d'asservissement pour retoucher l'accord, et ainsi de suite. Bien entendu, une variante simple de l'invention consiste à ne pas définir de façon déterministe le signe du déplacement commandé par le second circuit d'asservissement : on peut définir le déplacement initial comme étant dans un sens arbitraire, et agir ensuite par comparaison de la valeur présente du signal S2 à sa valeur présente : le déplacement suivant est effectué dans le même sens que le déplacement antérieur si ce signal a diminué ; sinon il est effectué en sens inverse. La figure 2 illustre de façon très schématique une cavité utilisée par le demandeur pour la mise en oeuvre de l'invention. Le dessin de la figure 2 représente le contour intérieur de la cavité, dont les parois ont une épaisseur de l'ordre de 1 cm (non représentée) et permettant le montage des différentes partie mécaniques. Cette cavité se présente généralement comme un parallélépipède rectangle, de hauteur 50 mm, de largeur 80 mm, et de profondeur 100 mm. L'orifice de couplage, non représenté, apparaît sur la face avant du parallélépipède. On y voit également un mode de réalisation de l'organe d'ajustement de couplage, qui est ici du type iris. Cet iris coulisse dans deux gorges pratiquées dans les parois inférieure et supérieure de la cavité. L'iris est solidaire d'une tige T2, qui vient s'engager dans un manchon T'2, sollicité en rotation par le second moteur pas à pas MP2.A l'aide d'un entraînement vis-écrou de type classique, le manchon T'2, lorsqu'il tourne d'un nombre de pas prédéterminé, déplace en translation d'une distance pré déterminee la tige T2, et par conséquent l'iris IR. Sur la figure 2, on voit également des perçages EM1 et EM2,--situes pratiquement sur l'axe central de la cavité, et permettant le passage du produit à traiter. On s'intéreseea maintenant au dipositif d'accord de la cavité. Comme précédemment indiqué, on peut réaliser l'accord de la cavité par un court-circuit, mais, dans le mode de réalisation décrit, le demandeur a préféré utiliser des tiges selfiques. Notées TS1 et TS2, ces tiges selfiques sont ici placées verticalement dans la cavité, et sensiblement symétriquement par rapport à l'axe vertical de passage du produit. Ces tiges sont donc également placées dans la cavité de façon sensiblement symétrique par rapport a l'axe de son orifice de couplage, du moins lorsque la géométrie de la cavité est également symétrique. On voit également que les tiges selfiques sont places pratiquement dans un même plan que le produit. Ces tiges TS1 et TS2 sont montées rotatives, décentrées, autour de leurs axes. Elles sont solidaires de deux couronnes dentées CD1 et CD2, qui peuvent les entraîner en rotation, et sont elles-mês commandées par des vis sans fin placées sur un meme arbre T1, actionné a son tour par le premier moteur pas à pas MP1. Ces pièces métalliques cylindriques constituant les tiges selfiques vont donc pouvoir se déplacer entre une position où elles sont toutes les deux vers l'intérieur de la cavité, et une position où elles sont toutes les deux vers l'extérieur de la cavité. Cela permet due faire varier la fréquence d'accord de celle-ci. On va maintenant décrire en référence aux figures 3 et 3A a 3C un mode de réalisation du dispositif du détecteur DD de la figure 1. Ce mode de réalisation comporte quatre éléments détecteurs proprement dits, illustrés sur la figure 3 en Da, Db, Dc et Dd, dans l'ordre où ils se trouvent alignés sensiblement au centre du grand côté du guide d'ondes GO alimentant la cavité, et ce au voisinage du plan d'entrée dans la cavité, noté PCM. La détection proprement dite est assurée par des diodes micro-ondes, qui vont être couplées au champ électrique dans le guide. Chaque couplage est donc effectué par un trou circulaire centré au milieu du grand cbté du guide. On verra ci-après les positions exactes. Un connecteur coaxial est fixé au dessus du trou dans la paroi du guide, et l'enfoncement du conducteur central dans le trou règle le couplage entre le connecteur coaxial et le cnamp électrique situé a l'intérieur du guide. La figure 3A montre une condition de sur-couplage. L'énergie s'y trouve représentée, en fonction de la distance a l'égard de la paroi de la cavité, cette distance étant notée - x puisqu'elle va vers la gauche. La figure 3B donne une courbe d'énergie illustrée de la même façon, mais pour une condition de sous-couplage entre le guide et la cavité. Sur ces figures, g note la longueur d'onde spatiale dans le guide. On voit que c et d sont séparés de Au/4 ; les détecteurs a et b sont situés symétriquement par rapport à l'image à n Ag/4 du plan d'entrée de la cavité R.Pour disposer les diodes on peut utiliser la périodicité du systeme d'ondes stationnaires dans le guide d'ondes, la figure 3C indique le montage réalisé dans un mode de réalisation particulier. (F = 2450 MHZ ; Xg = 173,3 mm ; guide RG112. Dé- tecteurs de type coaxial avec connecteur N côté microondes, et sortie sur fiche BNC pour le signal détecté). En réglant le couplage de chacun des détecteurs au guide d'ondes par enfoncement du conducteur central de chaque connecteur coaxial, on prendra soin de ne pas perturber la position des extrema du système d'ondes stationnaire, et en particulier le conducteur central de chaque connecteur coaxial ne doit pas pénétrer à l'intérieur du guide. Au lieu de la cavité, on placera le guide en fonctionnement sur charge adaptée, ce qui permet alors de vérifier que le couplage est identique pour les diodes a et d, ainsi que pour les diodes c et d. Quant à lui, le positionnement et les éléments détecteurs proprement dits est vérifié en observant les signaux obtenus quand on place un court-circuit dans le plan d'entrée de la cavité. Après avoir fait ces vérifications, on obtient un signal b - b) qui est lié à l'accord en fréquence de la cavité, cet accord étant vérifié si et seulement si a = b. C'est dans ce cas seulement que les signaux délivrés par les capteurs c et d sont véritablement représentatifs de la qualité du couplage entre le guide d'ondes et la cavité. Le signe de(c - d)indique si la cavité est sous-couplée ou sur-couplée, et l'amplitude (c - d)est liée à quantité d'énergie réfléchie. Plus précisément, le taux d'ondes stationnairesest égal à c/d dans le cas d'un sous-couplage, et d/c dans le cas d'un sur-couplage. On utilise donc le signal (a - b) comme signal S1 de la figure 1, le signal (c - d) comme signal S2 de la figure 1.Ces signaux sont alors utilisés de la manière précédemment décrite. On peut résumer les choses de la manière suivante: on vérifie d'abord l'accord, puis on ajuste le couplage, puis on vérifie à nouveau l'accord et ainsi de suite. Bien entendu, chaque fois que l'un des asservissements reçoit une grandeur d'entrée qui est inférieure à sa valeur de seuil, son fonctionnement est purement et simplement inhibé, et l'on retourne à l'antre asservissement. A cet égard, on pourra utiliser les variantes habituelles des circuits d'asservissement. Par exemple, dans le cas où le signal S1 = a - b reste toujours inférieur au seuil, une horloge située dans le circuit de commande central .CC relance périodiquement le second asservissement, afin de s'assurer que le couplage est maintenu à sa valeur optimale.Bien entendu, on pourra également prévoir avantageusement un réglage du fonctionnement d'ensemble, au moyen de l'ajustement des différents seuils et des différentes vitesses de déplacement des éléments variables. La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. On notera en particulier que l'élec- tronique de commande peut être utilisée avec toute cavité micro-Dndes comportant ou pouvant recevoir deux éléments de réglage à commande par moteur pas à pas, et ce quelle que soit sa dimension ou sa fréquence d'accord. Par contre, le dispositif de mesure sur le guide d'ondes d'entrée doit faire l'objet d'une réalisation particulière pour chaque fréquence de travail et standard de guide d'ondes. Le dispositif selon la présente invention a donné de bons résultats dans des applications aussi délicates que la fusion de matériaux réfractaires, dont on a vu précédemment que les caractéristiques diélectriques variaient sensiblement au voisinage de la fusion. Cela étant, l'invention peut servir a de nombreuses applications de cavitA micro-ondes résonnantes. REVENDICATIONS 1) Dispositif de traitement de matériaux par micro-ondes, du type comprenant une cavité micro-ondes résonnante, présentant un emplacement pour recevoir le matériau à traiter, un orifice de couplage, ainsi que des moyens d'ajustement permettant de faire varier ses caractéristiques micro-ondes, un générateur micro-ondes, et des moyens de transmission micro-ondes, du genre guide d'ondes, montés entre le générateur et l'orifice de couplage de la cavité, l'action sur les moyens d'ajustement permettant d'accorder la cavité sur la fréquence du générateur, caractérisé par le fait que les moyens d'ajustement com prennent d'une part un organe conducteur mobile placé au niveau de l'orifice de couplage pour ajuster ce couplage, et d'autre part un dispositif de réglage de l'accord de cette cavité, par le fait qu'il est prévu dans les moyens de transmission, au voisinage immédiat de l'orifice de couplage, un dispositif détecteur apte à fournir un premier signal représentatif de l'accord de la cavité, et un second signal représentatif du couplage de la cavité, c'est-àdire de la quantité d'énergie- réfléchie à l'entrée de celle-ci, et par le fait qu'il est prévu un premier circuit d'asservissement qui réagit au premier signal en actionnant le dispositif d'accord pour maintenir le premier signal en dessous d'un premier seuil prédéterminé, et un second circuit d'asservissement qui réagit au second signal en actionnant l'organe de couplage pour maintenir le second signal en dessous d'un second seuil prédéterminé. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de commande centrale qui fait agir d'abord le premier circuit d'asservissement, puis le second circuit d'asservissement, et ainsi de suite, alternativement. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le premier circuit d'asservissement réagit à l'amplitude du premier signal, en valeur absolue. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le second circuit d'asservissement réagit à l'amplitude et au signe du second signal, pour définir respectivement l'amplitude et le sens du déplacement de l'organe d'ajustement de couplage, afin d'ouvrir l'orifice de la cavité en présence d'un sous-couplage, et de le fermer en présence d'un sur-couplage. 5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le second circuit d'asservissement agit initialement dans un sens arbitraire, et ensuite dans un sens lié à la comparaison de la valeur présente du second signal à sa valeur ancienne. 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que chacun des circuits d'asservissement comprend un moteur pas à pas. 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le dispositif de réglage d'accord de la cavité comprend deux tiges selfiques rotatives, décentrées, autour d'axes parallèles, et placées dans la cavité de façon sensiblement symétrique par rapport à l'axe de son orifice de couplage. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les tiges selfiques sont placées dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'orifice de couplage, et qui passe par l'emplacement du matériau à traiter ou près de celui-ci. 9) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le dispositif de réglage d'accord de la cavité comprend un court-circuit mobile placé dans la cavité à l'opposé de l'orifice de couplage par rapport à l'emplacement du matériau à traiter. 10) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le dispositif détecteur comprend quatre diodes détectrices micro-ondes.