Устройство для определения наличия продуктов в микроволновом резонаторе

УДК 621.3.029.6

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ ПРОДУКТОВ В МИКРОВОЛНОВОМ РЕЗОНАТОРЕ

Андреев Сергей Андреевич, к.т.н., доцент

Обосновывается актуальность проблемы повышения надежности СВЧ-установок сельскохозяйственного назначения. Приводятся описания и критический анализ нескольких конструкций устройств обнаружения аварийных режимов .Предложен новый способ определения наличия продуктов в микроволновом резонаторе на основе измерения электрической емкости. Рассмотрена конструкция устройства и описана последовательность его работы.

Ключевые слова: СВЧ-обработка сельскохозяйственных продуктов, надежность СВЧ-генераторов, микроволновый резонатор, диэлектрическая проницаемость, электрическая емкость.

Использование энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля позволяет интенсифицировать многие сельскохозяйственные технологические процессы. К таким процессам относятся: предпосевная обработка семян, дезинфекция и дезинсекция зерна, пастеризация молока, обработка почвы и многие другие [1]. В большинстве случаев СВЧ-воздействие на объекты (продукты) обработки производится в циклическом режиме. При этом обрабатываемые продукты помещаются в рабочую камеру, представляющую собой микроволновый резонатор, после чего включается СВЧ-генератор. В то же время широкому распространению СВЧ-установок препятствует их недостаточная надежность, обусловленная выходом из строя магнетрона при незагруженном резонаторе. К сожалению, включение СВЧ-установок при отсутствии продуктов в резонаторе случается довольно часто, так как в течение рабочего дня внимание обслуживающего персонала ослабевает, а монотонные операции притупляют бдительность. Поэтому проблема распознания аварийного режима и автоматического отключения СВЧ-генераторов остается актуальной.

На сегодняшний день известны несколько технических решений, позволяющих в некоторой степени разрешить названную проблему. Например, еще в 1984 году было обнаружено, что при незагруженном резонаторе происходит искажение формы кривой тока в цепи питания магнетрона. На основе этого эффекта создавались разнообразные устройства, автоматически распознающие аварийные режимы и отключающие СВЧ-генераторы. На указанном принципе функционирует установка для СВЧ-обработки, со-

стоящая из СВЧ-генератора с магнетроном и устройства защиты. Устройство защиты выполнено в виде полосового фильтра, подключенного к цепи анодного питания магнетрона и имеющего электрическую связь с усилителем. Выход усилителя соединен с катушкой реле, размыкающий контакт которого установлен в цепи питания СВЧ-генератора [1].

К сожалению эта установка оказалась недостаточно надежной вследствие утраты работоспособности устройства защиты при изменении параметров магнетрона в результате его значительного нагрева или старения. Кроме того, устройство защиты, входящее в состав установки, не обеспечивает гарантированного отключения питания при возникновении аварийного режима вследствие низкой информативности анализируемого параметра: при переходе от нормального режима к аварийному значение пятой гармонической составляющей ( соответствующей частоте 250 Гц) в цепи анодного питания магнетрона изменяется только на 40%..

Некоторые перечисленные недостатки в последующих конструкциях удалось исключить. Например, была разработана установка для СВЧ-обработки, содержащая СВЧ-генератор, резонатор и устройство защиты, включающее активный фильтр, блок формирования сигнала управления, датчик температуры, предварительный усилитель, буферный каскад и реле. При этом вход активного фильтра подключен в анодную цепь магнетрона, а его выход - к первому входу блока формирования сигнала управления. Одновременно нормально замкнутый контакт реле установлен в цепи питания СВЧ-генератора [2].

В этой установке отрицательное влияние температурного дрейфа параметров магнетрона частично устраняется введением цепи термокомпенсации. Однако эта мера не позволила полностью исключить зависимость качества работы устройства защиты от степени прогрева магнетрона в широком диапазоне температур, а также от изменения параметров магнетрона при его старении. Кроме того, используемый в установке принцип распознавания аварийного режима не обеспечивает получения достоверной информации при малых количествах обрабатываемого материала.

Наконец, была создана установка для СВЧ-обработки, в которой использовался эффект возникновения широкополосного излучения магнетроном при аварийном режиме. Эта установка содержит СВЧ-генератор с резонатором и последовательно соединенные датчик аварийного режима, усилитель мощности и реле. При этом размыкающий контакт реле установлен в цепи питания СВЧ-генератора, а датчик аварийного режима выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности, фильтра низких частот, усилителя порогового элемента, элемента «И» и триггера. Вход триггера подключен к выходу первого элемента задержки, второй вход элемента «И» подключен к выходу второго элемента задержки, а входы первого и второго элементов задержки подключены к цепи питания СВЧ-генератора [3].

И все-таки надежность последней установки оставляет желать лучшего.

Кроме того, требуемые наладочные работы оказались довольно трудоемкими, а при эксплуатации установки появилась необходимость в периодическом обслуживании. Названные недостатки обусловлены следующими причинами:

- При нагреве магнетрона происходит существенное изменение его параметров. В связи с этим изменяется величина э.д.с., наводимая в катушке индуктивности. Величина э.д.с., соответствующая нормальному режиму при прогретом магнетроне, может превысить величину э.д.с., соответствующую аварийному режиму при непрогретом магнетроне. В результате питание СВЧ-генератора либо ложно отключится при нормальном режиме, либо не отключится при аварийном.

- Параметры магнетрона, используемых в установках для СВЧ-обработки, обладают значительным технологическим разбросом. Поэтому при одном и том же режиме работы величина э.д.с., наводимая в катушке индуктивности, для разных экземпляров однотипных магнетронов, будет различной. Для обеспечения работоспособности установки для СВЧ-обработки необходимо проводить трудоемкие наладочные работы на каждом аппарате.

- В процессе длительной эксплуатации или хранения магнетрона его параметры несколько изменяются. Вследствие этого для сохранения работоспособности установки для СВЧ-обработки необходимо производить ее периодическое техническое обслуживание. Это обслуживание заключается в корректировке порога срабатывания реле и является трудоемкой процедурой, требующую высокую квалификацию наладчика.

- При понижении напряжения питания в аварийном режиме автоматическое отключение СВЧ-генератора невозможно, поскольку величина э.д.с., наводимая в катушке индуктивности, окажется меньше величины э.д.с., соответствующей нормальному режиму при номинальном напряжении питания.

Перечисленные недостатки известных установок обусловили поиск новых решений, обеспечивающих достоверное обнаружение аварийных режимов. В результате нами было предложено новое устройство определения наличия продуктов в микроволновом резонаторе, реагирующее на изменение электрической емкости в зоне СВЧ-обработки. Используемое в этом устройстве изменение емкости основывается на изменении диэлектрической проницаемости среды между обкладками искусственно созданного конденсатора [5]. Установка для СВЧ-обработки с таким устройством содержит СВЧ-генератор 1, соединенный с резонатором 2, катушку 3 индуктивности (L1) и усилитель 4 мощности. К выходу усилителя 4 мощности подсоединено реле 5 (K3). Помимо этого в состав устройства входят высокочастотный генератор 6, дополнительное реле 7 (K1), реле 8 времени (K2), замыкающая кнопка 9 (S1) «Пуск» и размыкающая кнопка 10 (S2) «Стоп».

Принципиальная электрическая схема устройства для определения на-

личия продуктов в микроволновом резонаторе представлена на рис.1.

Резонатор 2 выполнен в виде полого параллелепипеда, разделенного на две части, совмещенные друг с другом по плоскости разделения и не соприкасающиеся между собой. Расстояние между совмещенными частями резонатора 2 не должно превышать четверти длины волны электромагнитной энергии, вырабатываемой СВЧ-генератором 1. При распространенной частоте СВЧ-генератора 2450 МГц эта длина волны составит 0,12 м. Следовательно, максимально допустимое расстояние между совмещенными частями резонатора не должно превышать 0,031 м.

Рис.1. Принципиальная электрическая схема устройства для определения наличия продуков в микроволновом резонаторе

СВЧ-генератор 1 подключен к питающей сети через последовательно соединенные замыкающий контакт (К2.2) реле 8 времени (К2), размыкающий контакт (К3.1) реле 5 (К3), размыкающую кнопку 10 (Б2) «Стоп» и замыкающую кнопку 9 (Б1) «Пуск». Параллельно замыкающей кнопке 9 (Б1) «Пуск» установлен замыкающий контакт (К1.1) дополнительного реле 7 (К1), а параллельно замыкающему контакту (К2.2) реле 8 времени (К2) и СВЧ-генератору 1 подключены реле 8 времени (К2) и последовательно соединенные размыкающий контакт (К2.1) реле 8 времени (К2) и

высокочастотный генератор 6, а также катушка дополнительного реле 7 (К1). Параллельно выходу высокочастотного генератора 6 подключены последовательно соединенные части резонатора 2 и катушка 3 индуктивности Ь1.

Совмещенные части резонатора 2 образуют электрический конденсатор с емкостью, величина которой зависит от диэлектрических параметров среды внутри резонатора 2 . Индуктивность Ь1 катушки 2 составляет величину , определяющую возникновение резонанса напряжений в цепи последовательно соединенных с ней частями резонатора 2 при отсутствии в нем обрабатываемых продуктов. При частоте переменного напряжения, вырабатываемого высокочастотным генератором 6 30 кГц и величине электрической емкости, образуемой между частями резонатора 2 при отсутствии в нем продуктов 20 пФ, величина индуктивности Ь1 катушки 3 определяется условием:

1

где ю=27г/ = 2 • 3,14 • 30 • 103 = 18,8 кГц. Откуда

11

/1 —_—_= 1 41Гн

^2С1 (18,8 • 102)2 -20-10-12 ^

Установка для СВЧ-обработки работает следующим образом. При нажатии на кнопку 9 (Б1) «Пуск» получает питание дополнительное реле 7 (К1) и реле 8 времени (К2). Замыкающий контакт (К 1.1) дополнительного реле 7 (К1) замыкается и ставит цепь питания катушки дополнительного реле 7 (К1) на самоподпитку. Одновременно включается высокочастотный генератор 6, и по цепи, состоящей из последовательно соединенных частей резонатора 2 и катушки 3 индуктивности Ь1 начинает течь ток. Напряжение, образующееся на катушке 3 индуктивности Ь1, подается на вход усилителя мощности.

Дальнейшая последовательность работы установки для СВЧ-обработки зависит от наличия нагрузки (обрабатываемых продуктов) внутри резонатора.

На рис.2 и рис.3 представлены временные диаграммы работы установки для СВЧ-обработки при нормальном и аварийном режимах соответственно.

52

к1 51 И .....к1 51

УЛ т I к

к2 V_^тгггтпггттттШТГТТТШШ ...............................к \ 1\

6 6 \

V III IIIIII I

1 V иниилиишннинитшГ 1 А

кЗ кЗ и и \и 1Й1!к

а б

Рис.2. Временная диаграмма работы установки для СВЧ-обработки при нормальном (а) и аварийном (б) режимах

При наличии продуктов в резонаторе 2 (при нормальном режиме) резонанс напряжений в цепи последовательно соединенных частей резонатора 2 и катушки 3 индуктивности Ь1 не возникает. Величина напряжения, образующегося на выходе усилителя 4 мощности и подаваемого на катушку реле 5 (К3) не достигает порога срабатывания. Размыкающий контакт (К3.1) реле 5 (К3) остается в замкнутом состоянии.

По истечении времени, установленного в качестве выдержки для реле 8 (К2), происходит его срабатывание. Замыкающий контакт (К2.2) реле 8 времени (К2) замыкается и СВЧ-генератор 1 получает питание. Энергия СВЧ-электромагнитного поля попадает в резонатор 2 и воздействует на находящиеся в нем продукты. Одновременно с подачей питания к СВЧ-генератору 1 происходит размыкание размыкающего контакта (К2.1) реле 8 времени (К2), приводящее к обесточиванию питания высокочастотного генератора 6.

При нажатии на размыкающую кнопку 10 (Б2) «Стоп» дополнительное реле 7 (К1) и реле 8 времени (К2) обесточиваются, замыкающий контакт (К2.2) реле 8 времени (К2) размыкается и СВЧ-генератор 1 выключается.

В случае отсутствия обрабатываемых продуктов (при аварийном режи-ме)величина электрической емкости, образуемой между частями резонатора 2 уменьшается. В цепи последовательно соединенных частей резонатора 2 и катушки 3 индуктивности (Ь1) возникает резонанс напряжений. Вследствие этого напряжение на катушке 3 индуктивности (Ь1), а, следовательно, и на входе усилителя 4 мощности резко возрастает. Величина напряжения на выходе усилителя 4 мощности и подаваемого на катушку реле 5 (К3) превысит порог срабатывания последнего. Реле 5 (К3) срабатывает, размыкающий контакт (К3.1) реле 5 (К3) размыкается и все элементы установки обесточиваются.

Для повторного включения установки для СВЧ-обработки необходимо устранить причину аварийного режима (поместить продукты в рабочую камеру и вновь нажать на кнопку 9 (Б1) «Пуск».

Описанное устройство для определения наличия продуктов в микровол-

новом резонаторе обеспечивает достаточно надежную работу СВЧ-генератора благодаря своевременному обнаружению аварийного режима и автоматическому отключению питания при прогретом и непрогретом магнетроне. Одновременно это техническое решение повышает достоверность получения информации о заполнении резонатора при изменении параметров магнетрона в результате его длительной эксплуатации, а также при изменении напряжения питания. Список литературы

1.Бородин И.Ф., Шарков Г. А., Горин А. Д. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве: ВНИИТЭагропром - М.: 1987, 55 с.

2. Авторское свидетельство № 1232157 СССР МКИ A 01 C 1/00 Установка для СВЧ-обработки / Бородин И.Ф., Шарков Г.А., Андреев С.А. - 3828665/30-15; заявл. 05.11.1984; опубл. 23.05.1986. Бюл. № 19.

3.Авторское свидетельство № 1475509 СССР МКИ A 01 C 1/00 Установка для СВЧ-обработки / Пипко А.И., Прокудин А.С., Юрков В.С., Буров А.С., Андержанов А.Л., Андреев С.А., Шарков Г.А. - 4310650/30-15; заявл. 28.09.1987; опубл. 30.04.1989. Бюл. № 16.

4.Авторское свидетельство № 1596493 СССР МКИ H 05 B 6/64 Устройство СВЧ-обработки / Бородин И.Ф., Андреев С.А., Андержанов А.Л., Соколов А.И., Семенов Л.А., Пипко А.И., Прокудин А.С., Юрков Б.С. - 4441128/24 -09; заявл. 10.05.1988; опубл. 30.09.1990. Бюл. № 36.

5. Патент № 120535 Российская Федерация МПК H 05 B6/64 (2006.01) Установка для СВЧ-обработки / Андреев С. А., Судник Ю.А., Щукина В.Н. - 2012110352; заявл. 20.03.2012; опубл. 20.09.2012. Бюл. № 26.

Andreev Sergey Andreevich, Cand.Tech.Sci, associate professor

(e-mail: asa-finance@yandex.ru) Russian State Agricultural University - Moscow Agricultural Academy, named after K.A.Timiryazev, Moscow,Russia Stolbunov Alexey Andreevich, postgraduate student

(e-mail stolbunov2011@yandex.ru) Russian State Agricultural University - Moscow Agricultural Academy, named after K.A.Timiryazev, Moscow, Russia

DEVICE FOR DETERMINING THE AVAILABILITY OF PRODUCTS IN THE MICROWAVE CAVITY

Abstract. The urgency of the problem of increasing the reliability of microwave systems for agricultural purposes. Descriptions and critical analysis of several designs of emergency modes of detection devices. A new method for determining the presence of food in a microwave cavity based on the measurement of electrical capacitance. We consider the construction of the device and describes the sequence of his work.

Keywords: microwave processing of agricultural products, the reliability of the microwave generator, a microwave cavity, a dielectric constant, electric capacity.