УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВЧ В ОБЪЕМЕ, ЗАПОЛНЕННОМ СЫПУЧИМ ЛИБО ЖИДКИМ МАТЕРИАЛОМ

Полезная модель относится к устройствам измерения мощности электромагнитного поля и может быть использована в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и смежных отраслях промышленности.
Известен двухканальный волоконно-оптический измеритель СВЧ-мощности, содержащий генератор оптического излучения, соединенный со входом оптического разветвителя, два волоконно-оптических датчика СВЧ-мощности, каждый из которых содержит волоконный световод с изогнутым, с радиусом R, чувствительным участком со снятой оболочкой, помещенным в термооптическую среду, причем первый выход оптического разветвителя связан со входом первого волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R1, а второй выход оптического разветвителя связан со входом второго волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R2, кроме того выходы обоих волоконно-оптических датчиков связаны с соответствующими входами оптоэлектронной схемы обработки сигналов [патент РФ №2091801, МПК6 G01R 21/00 Опубл. 27.09.1997]. В известном измерителе СВЧ-мощности в первый и второй датчик дополнительно введен корпус, а радиус изгиба световедущей жилы первого волоконно-оптического датчика больше радиуса изгиба световедущей жилы второго волоконно-оптического датчика, кроме того во второй волоконно-оптический датчик введен проводящий отражающий материал, выполненный либо в виде нанесенного покрытия на диэлектрический корпус или на границу термооптической среды, либо в виде объемной примеси в термооптическую среду в областях, оптически связанных с чувствительным участком.
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности контроля напряженности поля в конкретной точке СВЧ поля, сложность использования в СВЧ камере, заполненной сыпучим либо жидким материалом. Указанные недостатки создают сложности при изучении распространения СВЧ-поля в объеме, заполненном сыпучими либо жидкими материалами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной одели является устройство для измерения плотности ВЧ и СВЧ энергии методом лазерной интерференционной термометрии, содержащее датчик в форме параллелепипеда из оптически прозрачного материала, с размерами много меньше длины волны электромагнитного излучения, который помещают в камеру СВЧ нагрева [Гусева Н.В. Измерение плотности ВЧи СВЧ энергии методом лазерной интерференционной термометрии // Инженерный вестник Дона, 2013, №1. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_6_Guseva.pdf_1489.pdf]. Мощность, поглощаемая датчиком, определяется по формуле:
0
r
где - ω - угловая частота колебаний ЭМП, ε - электрическая постоянная, ε и tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала датчика, Е - эффективная величина напряженности электрического поля (ЭП) в материале датчика и V - объем датчика.
Мощность Р расходуется на изменение температуры и энергии упругих деформаций датчика, а также на компенсацию тепловых потерь при взаимодействии датчика с окружающей средой в камере нагрева. В то же время, если датчик находится в ЭМП в течение времени, значительно меньшем постоянной времени нагрева датчика, то мощность, поглощаемую датчиком, можно определить по формуле:
0
р
где Т и Т - температуры датчика и окружающей среды в камере нагрева, m - масса датчика, с - удельная теплоемкость материала датчика, Δτ - время нагрева.
0
r
0
Датчик располагают на минимальном расстоянии от стенок камеры СВЧ воздействия и ориентируют его большую грань параллельно им, таким образом можно обеспечить перпендикулярность или параллельность силовых линий ЭП большим граням датчика. Если силовые линии перпендикулярны, то напряженность ЭП для точек, находящихся в воздухе около больших граней датчика, рассчитывается по формуле Е=εЕ, если линии поля параллельны, то Е=Е.
Прогретый в камере нагрева датчик извлекают из камеры и помещают в интерферометр. Отраженные от противоположных граней датчика пучки лазерного излучения интерферируют. Интерференционная картина регистрируется видеокамерой.
Недостатками данного устройства является то, что отсутствует возможность измерить удельную мощность, выделяемую в конкретной точке микроволновой печи либо зоны СВЧ обработки, заполненной сыпучим либо жидким материалом, в том числе непрозрачным.
Задачей полезной модели является измерение удельной мощности и напряженности электромагнитного поля СВЧ в конкретных точках материала, тем самым обеспечивается возможность получать картину распространения поля в сыпучих и жидких материалах, в том числе непрозрачных.
В результате использования предлагаемой полезной модели появляется возможность измерить удельную мощность, выделяемую в конкретной точке микроволновой печи либо зоны СВЧ обработки, заполненной сыпучим либо жидким материалом, в том числе непрозрачным, например, зерном сельскохозяйственных культур, за счет того, что детектор предлагаемого устройства для измерения удельной мощности электромагнитного поля СВЧ в объеме, заполненном сыпучим либо жидким материалом может быть помещен в любую точку СВЧ зоны, в которой осуществляется воздействие.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения удельной мощности электромагнитного поля СВЧ в объеме, заполненном сыпучим либо жидким материалом, содержащее детектор, блок опроса сигнала, блок обработки и вывода данных результатов измерений. Детектор содержит корпус в форме шара, заполненный материалом для которого известны зависимости теплоемкости и диэлектрических свойств от температуры на исследуемой частоте, при этом в детектор встроена термопара, которая соединена с блоком опроса сигнала термопар, который соединен с блоком обработки и вывода данных результатов измерений на экран и их запись в файл, причем блок опроса сигнала термопар и блок обработки и вывода данных результатов измерений на экран и их запись в файл выполнены в одном корпусе.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 приведена общая схема предлагаемого устройства для измерения удельной мощности электромагнитного поля СВЧ в объеме, заполненном сыпучим либо жидким материалом.
Устройство содержит детектор 1, содержащий шарообразный корпус 2, заполненный материалом для которого известны зависимости теплоемкости и диэлектрических свойств от температуры на исследуемой частоте 3, термопару 4, блок опроса сигнала термопар 5, и блок обработки и вывода данных результатов измерений на экран и их запись в файл 6, при этом 5 и 6 выполнены в едином корпусе 7.
На фиг. 2 приведен график, построенный на основании экспериментальных данных измерения температуры материала 3, заполняющего емкость 2 детектора 1, показывающий динамику нагрева и дальнейшее установление температуры, характеризующее поглощенную мощность в точке установки детектора.
Предлагаемое устройство для измерения удельной мощности электромагнитного поля СВЧ в объеме, заполненном сыпучим либо жидким материалом работает следующим образом.
Детектор 1 помещается в требуемую точку зоны СВЧ обработки заполненную сыпучим либо жидким материалом, далее за счет воздействия СВЧ поля материал 3, заполняющий корпус 2 разогревается, измерения изменения температуры фиксируется термопарой 4, сигнал от термопары 4 поступает на блок опроса сигнала термопар 5, далее информация попадает в блок обработки и вывода данных результатов измерений на экран и их запись в файл 6, в котором происходит вычисление удельной мощности электромагнитного поля СВЧ в объеме по известной зависимости (3):
3
где с - теплоемкость материала, Дж/кг·°С; ρ - объемная плотность материала, кг/м; ΔT - разница между конечной и начальной температурой материала, °С.
Далее производится вычисление напряженности поля при учете того, что:
где Е - напряженность электрического поля, В/м; ε" - фактор диэлектрических потерь материала;  - частота поля, Гц.
изм
СВЧ
Значения с и ε" принимаются из справочных данных. Измерение изменения температуры производится в течение времени τ, при этом воздействие СВЧ-поля производится в течение времени τ. Вывод результатов измерений производится на экран устройства 7, а также записывается в файл с указанием текущих значений измеряемых величин и времени измерения.