автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Электронно-управляемая распределенная система возбуждения электромагнитного поля в СВЧ-устройствах резонаторного типа

На правах рукописи

003460407

Карпов Дмитрий Игоревич

ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СВЧ-УСТРОЙСТВАХ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

&

Саратов-2008

003460407

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический

университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор

Иванченко Владимир Афанасьевич

- кандидат технических наук Семенов Владимир Константинович

Ведущая организация ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов

Защита состоится «2$у> декабря 2008 г. в ífy часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп. 2, ауд. 404.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Среда основных направлений развгаия новых технологий производства продукции различного назначения важное место занимает термообработка диэлектрических материалов и пищевых продуктов. Перспективным способом термообработки является использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. Технологии, использующие СВЧ-энергию для нагрева и сушки диэлектрических материалов, нагрева и размораживания пищевых продуктов, являются экологически чистыми и достаточно эффективными.

В 1970 -1990 годах в нашей стране и за рубежом были разработаны и освоены производством источники СВЧ-энергаи, предназначенные для использования в электротермических установках бытового и промышленного назначения с уровнем выходной средней мощности от 600 Вт до нескольких киловатт.

Одновременно проводились исследования электромагнитных и тепловых процессов в волноводах и резонаторах, частично заполненных поглощающими материалами, совершенствовались конструкции рабочих камер, что позволило создать промышленные установки и бытовые СВЧ-печи. Наиболее значительный вклад в развшие теоретических основ техники и энергетики СВЧ-нагрева, проектирования СВЧ-технологических установок, математического моделирования электромагнитных и тепловых полей в диэлектрических материалах при СВЧ-нагреве внесли отечественные ученые: BÜ Вологдин, ДИ. Воскресенский, ИИ Девяткин, Н.Д. Девятков, С.В. Некрутман, AJB. Нетушил, Ю.С. Архангельский и др., зарубежные: Э. Окресс, О. Andrade, J.Cannon, С. Chew, A. Conrad, D. Foster, R. Gnibb, M. Ebadian, L. Т. White и др.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в теории и практике создания СВЧ-нагреватеяьных установок, для перехода к технике и технологии более высокого уровня и обеспечения максимальной эффективности технологических процессов СВЧ-нагрева необходимо использование достижений в различных областях электроники, радиотехники, микроэлектроники, в частности, в сфере полупроводниковых коммутирующих устройств СВЧ. Важной народнохозяйственной задачей и актуальной проблемой технологий СВЧ-нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов является совершенствование конструкций рабочих камер резонагорного типа на основе применения полупроводниковых переключательных диодов в распределенных системах возбуждения электромагнитного псшя с целью повышения уровня равномерности нагрева Разработка конструкций рабочих камер резонаторнош типа с использованием полупроводниковых переключательных диодов позволит улучшить основной показатель качества процесса нагрева - равномерность нагрева и создать новые потребительские качества установок СВЧ-нагрева и бытовых СВЧ-печей.

Несмотря на достаточное количество разработанных конструкций рабочих камер, к моменту начала работы над диссертацией совершенно отсутствовали

3

сведения об использовании полупроводниковых переключательных диодов (рщ-диодов) в системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах установок СВЧ-нагрева.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является решение актуальной научно-технической задачи: повышение уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонагорного типа на основе применения распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере с электронным управлением процессом возбуждения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать методы нагрева, обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева в СВЧ-нагревательных установках.

2. Обосновать необходимость электронного управления процессом возбуждения элегаромагштюго поля в рабочей камере СВЧ-нагреватеяьных установок резонагорного типа для обеспечения повышения равномерности нагрева обрабатываемого материала и повышения эффективности технологического процесса термообработки.

3. Установил, степень влияния процесса управления системой возбуждения электромагнитного поля на распределение платности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и определить характеристики процесса управления системой возбуждения, в наибольшей степени влияющие на уровень равномерности нагрева.

4. Выбрать метод управления процессом изменения характера распределения элекгромашишого поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонагорного типа, обеспечивающий максимальный уровень равномерности нагрева.

Методы исследования

Для решения вышеприведенных задач были использованы: методы математической физики, методы статистической физики, метод моделирования задач теплопроводности, метод эквивалешных схем, метод экспериментального исследования.

Научная новизна

1. Предложен и апробирован способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонагорного типа, основанный на применении распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах с электронным управлением процессом возбуждения.

2. Показано, что изменение в процессе нагрева состояния элементарных излучателей распределенной системы возбуждения, осуществляемое переключением диодов, приводит к повышению плотности тепловых источников в

4

о&ьеме нагреваемого материала и, как следствие, к улучшению равномерности его нагрева

3. Проведены исследования длительности процессов выравнивания температуры в процессе нагрева материала СВЧ-гшгревательной установкой резонагорного типа с управляемой системой возбуждения в случае непрерывного и импульсного режимов работы источника СВЧ-энергии.

4. На основе статистических испытаний модели нагреваемого материала показано повышение уровня равномерности нагрева при электронном управлении процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки резонагорного типа.

5. Предложена и практически реализована конструкция распределенной системы возбуждения, позволяющая обеспечить управление процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагреваггельной установки резонагорного типа.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов может наши применение в установках СВЧ-нагрева резонагорного типа и повысит эффективность технологического процесса термообработки.

2. Впервые предложена конструкция распределенной системы возбуждения элекфомагнитного поля в рабочей камере резонагорного типа с переключательными диодами, позволяющая повысить в процессе нагрева плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, тем самым, улучшить равномерность его нагрева.

3. Конструкция СВЧ-печи, использующая предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов, защищена патентом РФ.

4. Результаты работы могут быть использованы в НИОКР, проводимых (Л ТУ и предприятиями радиоэлектронного профиля.

Апробация работы

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период 2004-2008 гг. Основные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на: Федеральной итоговой научно-технической конференции Всероссийского конкурса на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным проектам (Москва, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004 г.), Второй и Третьей конференциях молодых

ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, СФ ИРЭ РАН, 2007,2008 гг.).

Публикации

По материалам исследований, выполненных по теме диссертации, опубликовано семь печалных работ, в том числе две работы в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и пята приложений. Диссертация изложена на 176 страницах, из них 147 страниц текста, 29 рисунков. Список использованной литературы содержит 68 наименований.

Личный вклад автора

Автор предложил способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагреватеяьных установках резонагорного типа, обосновал и сформулировал научные положения и технические решения, изложенные в работе, лично проанализировал и обобщил полученные результаты. В практических результатах автору принадлежит приоритет в постановке и реализации задач.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Способ управления распределением в объеме нагреваемого материала СВЧ-энергаи, подаваемой в рабочую камеру, основанный на электронном управлении распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющий повысил, уровень равномерности нагрева обрабатываемого материала и улучшил, выходные параметры технологического процесса термообработки.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния переключения диодов распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонагорного типа на уровень равномерности нагрева дизлеетрических материалов и пищевых продуктов, улучшающего параметры технологического процесса термообработки.

3. Конструкция распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки резонагорного типа с переключательными полупроводниковыми диодами, методика управления системой возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, позволяющие повысить равномерность нагрева обрабатываемого материала.

Достоверность результатов и выводов

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована фундаментальными закономерностями теории электромагнитного поля, термодинамики, теории теплопроводности и теплообмена, статистической физики,

б

теории информации, теории антенн и подтверждается результатами экспериментальных исследований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована задача достижения высокою уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках с рабочими камерами резонаторного тала, поставлена цель работы, определены задачи исследований, отражены научная новизна, пракпнческая значимость полученных результатов, представлена апробация работы.

В первой главе «Исследование путей повышения уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-установках резонаторного типа» исследованы методы нагрева, принципиально обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева, в основе которых лежит условие достижения изолированной системой равновесного состояния. Важнейшим выходным параметром технологического процесса СВЧ-нагрева является равномерность нагрева. В резонаторных СВЧ-нагревательных установках обеспечение однородной плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала, и, соответственно, равномерности нагрева, сдерживается большим объемом рабочей камеры (по сравнению с камерой с бегущей волной), большой неоднородностью электрического поля в объеме рабочей камеры. Высокая неравномерность нагрева в СВЧ-нагревательных установках с рабочими камерами резонаторного типа является следствием универсальности их применения и конструкции. Представляя процесс СВЧ-нагрева как изменение состояния нагреваемого объекта (макроскопической системы), происходящее вынужденно, благодаря работе электродинамических сил, и рассматривая только начальное и конечное состояния нагреваемой системы, возможно применение термодинамического метода для изучения состояний нагреваемого объекта. Нагреваемый материал может бьпь представлен как гетерогенная система, состоящая из нескольких гомогенных систем (подсистем). Равновесное состояние замкнутой системы характеризуется максимальным значением эшропии, при кагором в системе, в частности, отсутствуют градиенты температуры, и, следовательно, равномерность температуры по объему системы максимальная.

Первый метод равномерного СВЧ-нагрева может бьпь представлен следующей последовательностью действий: — сообщение нагреваемой системе посредством работы электродинамических сил необходимого количества энергии в форме тепла - адиабатическая изоляция нагреваемой системы - выдержка нагреваемой системы до истечения времени релаксации. Рассмотренный метод равномерного нагрева является практически реализуемым, теоретически обеспечивает высокий уровень равномерности нагрева, тем не менее, он обладает рядом практических недостатков, самым существенным из которых является

невозможность обеспечения требуемого уровня равномерности нагрева в процессе сообщения нагреваемой системе энергии.

Второй метод равномерного СВЧ-нагрева может был. представлен следующей последовательностью действий: - сообщение в процессе нагрева нагреваемой гетерогенной системе посредством работы электродинамических сил заданного количества энергии в форме тепла в течение времени, значительно меньшего времени релаксации - адиабатическая изоляция нагреваемой системы. Рассмотренный метод теоретически обеспечивает равномерность нагрева объекта в процессе нагрева, что важно для СВЧ-нагревательных установок с рабочими камерами резонаторного типа, не требует выдержки объекта нагрева для завершения процессов релаксации. Недостатком рассмотренного метода равномерного нагрева, кроме требования адиабатической изоляции объекта нагрева, является большая длительность процесса нагрева.

Показано, что рассмотренные методы нагрева указывают направление, в котором необходимо вести техническую работу по созданию СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа с высоким уровнем равномерности нагрева

Предлагаемый метод равномерного нагрева базируется на основных положениях термодинамики и результатах анализа первого и второго методов равномерного нагрева. Сущностью предлагаемого метода равномерного СВЧ-нагрева установками резонаторного типа является технический процесс распределения энергии источника СВЧ-колебаний по объему нагреваемого материала в процессе нагрева и увеличения длительности локальных процессов выравнивания температуры в объеме нагреваемого материала в процессе нагрева. В предлагаемом методе используется наличие в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки стоячих волн, характерное доя рабочих камер резонансного типа, как основы механизма распределения энерпш источника СВЧ-колебаний по объему нагреваемого материала Преимущество предлагаемого метода равномерного нагрева, относительно первых двух, заключается в отсутствии требования адиабатической изоляции нагреваемого объекта, определенной и меньшей длительности процесса нагрева, обеспечиваемой совмещениям технического процесса распределения энергии по объему нагреваемого объекта и процесса выравнивания температуры в объеме нагреваемого объекта.

Определены границы применения предлагаемого метода равномерного нагрева, которые определяются наличием в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки основы механизма распределения энерпш по объему нагреваемого объекта - стоячих волн.

Рассмотрены критерии оценки равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-установках, необходимый для оценки соответствия выбранного технологического процесса нагрева заданному, выбору конструкции элементов установки нагрева, определению влияния тештофизических параметров и геометрических размеров нагреваемого материала на равномерность и однородность температурного шля в объеме материала.

Рассмотрены вопросы выбора практических критериев равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева Дня оценки степени обеспечения требуемого технологического процесса термообработки обычно используется коэффициент уровня равномерности нагрева т/, определяемый следующим выражением:

где максимальная и минимальная температуры в объеме нагреваемого

материала соответственно, °С; АО = вср -0О, а вср,ва- средняя температура нагрева

материала и температура окружающей среды соответственно. Данный критерий является основополагающим в СВЧ-энергегаке.

Показано, что критерием качества процесса нагрева материала может служить коэффициент неравномерности нагрева 60, определяемый из соотношения:

где втк - максимальная температура в объеме материала,°С; в^ - максимальная температура в объеме материала относительно 0О ,°С; 0О - температура окружающей среды, °С; Ав- разность максимального и минимального значений температуры в объеме материала, °С. При равномерном нагреве Ав— 0 и ¿0= 0 — идеально равномерный случай нагрева. Выражение 59 стремится к такому идеальному случаю при 0^Ю»А0, степень приближения к которому может быть выбрана из практических соображений: Д в =0,1 в'ща или Д£=0,05^„. Эти соотношения устанавливают практические значения границ разницы температуры в объеме материала, при достижении которых принимается решение о степени равномерности нагрева

В СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа при нагреве материалов произвольной формы и с произвольными электрофизическими и теплофизическими характеристиками температура нагрева элементарного объема нагреваемого материала носит случайный характер.

Рассмотрен статистический подход к определению критерия равномерного нагрева материалов произвольной формы и с произвольными электрофизическими и теплофизическими характеристиками. Показано, что критерием равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева в данном случае может являться функция неравномерности нагрева. Приведенные функции неравномерности удобны для исследования процессов нагрева объектов различных конфигураций. Объемная функция неравномерности определяется, при указанных условиях, только разностью величин нагретой части объема объекта и ненагретой части объема, ее значение может являться критерием равномерности нагрева объекта и может применяться для характеристики тех или иных процессов нагрева, рассматриваемых со статистической точки зрения.

Исследованы гута создания СВЧ-нахревательных установок резонаторного типа, обеспечивающие требуемый процесс термообработки. Показано, что для анализа процессов выравнивания температуры в нагреваемом материале необходимы распределения температуры в элементах объема нагреваемого материала после воздействия протяженного и точечного внутренних источников тепловой энергии.

Приведены результаты, показывающие, что длительность процессов выравнивания температуры в элементарных объемах материала играет важную роль в обеспечении равномерности теплового поля нагреваемого материала Для обеспечения равномерного теплового поля в процессе нагрева необходимо увеличение времени выравнивания температуры в элементарных объемах нагреваемого материала в процессе нагрева.

.Показано, что в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа для обеспечения равномерного теплового поля в нагреваемом материале в процессе нагрева необходимо:

- обеспечить в процессе нагрева последовательное производство внутренних источников тепловой энерши;

- увеличить длительность локальных процессов выравнивания температуры в элементарных объемах нагреваемого материала в процессе нагрева.

Выбрано направление создания СВЧ-нагревателъной установки резонаторного типа, обеспечивающей требуемый уровень равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов. Основой выбранного направления является процесс распределения энергии СВЧ-исгочника по объему обрабатываемого материала в процессе нагрева. Указанный процесс обеспечивает: повышение плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и увеличение длительности локальных процессов выравнивания температуры в объеме материала, что позволяет улучшить равномерность нагрева обрабатываемого материала.

Во второй главе «Распределенные системы возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа» рассмотрен процесс распределения внутренних тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в СВЧ-нагреваяельных установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля. Показано, что выражение для функции платности тепловых источников, применительно к СВЧ-нагревательным установкам резонаторного типа, указывает на возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме нагреваемого материала при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке г.

Изменение направления концентрации энергии электромагнитного поля в пространстве, посредством применения апертурных антенн, и возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме

нагреваемого материала, при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке г, создают предпосылки управления положением внутренних тепловых источников в нагреваемом материале в процессе нагрева, и, следовательно, плотностью источников.

Сформулированы условия, обеспечивающие возможность изменения направления или направлений концентрации энергии электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа:

- рабочая камера установки должна быть «сильно» нагруженной;

- система возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки должна бьпъ многоэлеменшой (распределенной);

- конструкция системы возбуждения электромагнитного поля должна обеспечивать изменение расстояния между нормалями излучения элементарных излучателей системы возбуждения.

Изменение расстояний между нормалями излучения элементарных излучателей в общем случае может бьпъ плавным (аналоговым) или ступенчатым (дискретным). Плавное изменение расстояний межцу элементами антенных решеток в процессе нагрева сопряжено со значительными техническими трудностями. Дискретное изменение расстояния возможно посредством применения специального класса полупроводниковых приборов — СВЧ-переключагельных диодов, имеющих два устойчивых состояния и определяющих, тем самым, количество состояний элементарного излучателя системы возбуждения.

Рассматривая процесс распределения плотности тепловых источников по объему обрабатываемого материала с произвольными теплофизическими характеристиками как случайный процесс, возможно использовать характеристики такого процесса, одной из которых является энтропия случайного дискретного процесса. Таким процессом может быть стационарный дискретный процесс распределения зон повышенного нагрева в объеме нагреваемого объекта, обеспечиваемый управляемой системой возбуждения элеюромагнишого поля в рабочей камере нагревательной установки.

Показано, что изменения в процессе нагрева расстояния между нормалями максимумов излучения элементарных излучателей многгалементной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа обеспечивают максимальную вероятность реализации равномерного распределения внутренних тепловых источников по объему нагреваемого материала.

Проведено исследование длительности процесса выравнивания температуры нагреваемого материала в установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения элекгромагншного поля.

Приведены расчетные одномерные распределения температуры в сечении элементарного объема нагреваемого материала с известными теплофизическими характеристиками после воздействия внутреннего источника тепловой энерпш. Показано, что длительность процессов выравнивания температуры более нагретых

элементов объема нагреваемого материала зависит от числа возможных состояний системы возбуждения.

На рисунке 1 представлена полученная зависимость относительного увеличения среднего времени локальных процессов выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева модели нагреваемого материала от числа возможных состояний системы возбуждения.

На рисунке 2 представлена зависимость абсолютного увеличения среднего времени локальных процессов выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева модели нагреваемого материала для случая нагрева импульсным источником СВЧ-энергаи с длительностью импульса 6,5 мс и скважностью 3 от числа возможных состояний системы возбуждения.

Полученные зависимости показывают значительное увеличение времени выравнивания температуры в зоне повышенного нагрева материала в случае использования управляемой многоэлементной системы возбуждения

электромагнитного поля и определяют тенденцию повышения равномерности нагрева.

Рассмотрены электронно-управляемые системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательных установок резонаторного типа. Выработаны требования, которым должна удовлетворять управляемая система возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах нагревательных установок резонаторного типа:

- система возбуждения электромаппгшого поля в рабочей камере установки должна был. многоэлеменшой (распределенной);

- конструкция системы возбуждения электромагнитного поля должна обеспечивать изменение расстояний между нормалями максимумов излучений входящих в нее элементов;

- изменение расстояний между нормалями максимумов излучений элементов системы возбуждения должно бьпъ ступенчатым (дискретным).

Кроме выработанных требований, отвечающих решаемой задаче, управляемая система возбуждения должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к устройствам деления СВЧ-мощности. Такими основными требованиями, применительно к рассматриваемой задаче, являются следующие требования:

-система возбуждения должна был. согласована с источником СВЧ-энергии во всех своих возможных состояниях;

-система возбуждения должна обеспечивать равное деление мощности между элементарными излучателями;

-элементарные излучатели, составляющие систему возбуждения, для обеспечения динамического фазирования системы возбуждения при изменении своего состояния должны вносись минимально возможный относительный фазовый сдвиг коэффициента передачи.

Показано, что основой конструктивной реализации управляемой системы возбуждения электромагнитного поля является Н-образная поперечная излучающая щель в широкой стенке волновода, снабженная двумя парами СВЧ-переключательных диодов.

Получены эквивалентная схема излучающей части Н-образной щели и аналитическое выражение передаточной функции резонансной излучающей щели в волноводе, которые позволяют создать на основе метода эквивалентных схем модель управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа и провести исследование многощелевой управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагреватеяьной установки резонаторного типа.

Показано, что переключение пар диодов элементарного излучателя системы возбуждения приводит к смещению его нормали максимума излучения вдоль щели на четверть длины волны и приводит к изменению характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере. При расположении нормалей максимума излучения излучателей в ряд система возбуждения является линейной, в случае

расположения нормалей на плоскости система возбуждения является двумерной. Для распределенной четырехщелевой управляемой системы возбуждения из шестнадцати возможных вариантов условий возбуждения электромагнитного поля два обеспечиваются линейными системами возбуждения, остальные - двумерными системами возбуждения.

На рис. 3 показаны все возможные варианты условий возбуждения 1, электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа с четырехщелевой управляемой системой возбуждения, два из которых обеспечиваются линейными системами возбуждения Ь, четырнадцать -двумерными Б. Периодическое переключение пар диодов обеспечивает периодическое изменение характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере и увеличение плотности внутренних источников тепловой энергии в объеме нагреваемого материала в процессе нагрева

Объединение четырех Н-образных щелей, расположенных на широкой стенке волновода и снабженных переключательными диодами, с четырехканальным устройством управления позволило создать распределенную электронно-управляемую систему возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа, обеспечивающую заданный технологический процесс термообработки.

Общий вид конструкции четырехщелевой распределенной системы возбуждения электромагнитного поля представлен на рис. 4.

Получены экспериментальные характеристики изменения при переключении диодов уровня мощности, излучаемой Н-образной щелью в пространство безэховой камеры для различных значений высоты Ь, и расстояния Ь, от узкого края щели, рис.5. Экспериментальные результаты под тверждают изменение пространственной

характеристики излучения Н-образной поперечной щели в широкой стенке волновода при переключении диодов системы возбуждения.

Рис.4

Цмм

Рис.5

В третьей главе «Определение режима электронного управления подачей СВЧ-мощносш в резонаторную камеру, обеспечивающего заданный электротехнологический процесс термообработки» проведено исследование распределенной электронно-управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа.

Предложена и обоснована модель, позволяющая определить тенденции изменения величины выделяющейся в части объема нагреваемого материала энергии источника при изменении состояний системы возбуждения в процессе

нагрева. Сравнение величины мощности, выделяющейся в части объема материала при изменении состояний системы возбуждения, с величиной мощности, выделяющейся в той же части объема при отсутствии изменений состояния системы возбуждения, и обобщение полученных результатов на весь объем нагреваемого материала позволили установить тенденцию влияния переключений в системе возбуждения на равномерность нагрева материала

Предложены методы управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа.

Показано, что управление процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом нагреваемом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа, может быть построено на основе как замкнутых автоматических систем, так и незамкнутых систем. Во втором случае управляющее устройство не получает информацию о состоянии объекта управления и осуществляет управление воздействием в соответствии с заданной целью, получаемой в виде априорной информации- Управление системой возбуждения электромагаишого поля может быть осуществлено незамкнутой системой управления, состоящей из источника дискретных сообщений и управляющего устройства, обеспечивающего подачу необходимых напряжений на переключательные диоды элементарных излучателей в соответствии с поступающими сообщениями

Показано, что методом управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа в данном случае является применение того или иного закона распределения вероятностей выбора кодовых комбинаций при формировании объединения кодовых комбинаций для исполнительного устройства системы управления.

Проведены исследования электродинамических и тепловых свойств СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа с распределенной элекгронно-управляемой системой возбуждения электромагнитного поля. Исследование электродинамических и тепловых свойств СВЧ-нагреватепьной установки резонаторного типа с многощелевой системой возбуждения электромагнитного поля проведено методом эквивалентных схем, методом статистических испытаний модели и экспериментальным методом. Во всех статистических испытаниях модели нагреваемого материала величина стандартного отклонения среднего значения мощности, поглощенной эквивалентом элементарного объема нагреваемого материала при переключении системы возбуждения в процессе нагрева, меньше стандартного отклонения величины мощности, поглощенной эквивалентом элементарного объема нагреваемого материала в отсутствии переключения системы возбуждения, что позволяет сделать заключение об улучшении равномерности нагрева материала в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа, снабженной переключаемой в процессе нагрева системой возбуждения электромагнитного поля.

Полученные значения стандартных отклонений, являющихся в этом случае мерой рассеяния средних значений мощностей, поглощенных различными частями объема нагреваемого материала при переключении системы возбуждения, и, соответственно, определяющих равномерность нагрева, оказываются значительно меньшими, чем в случае отсутствия переключений системы возбуждения.

Приведены результаты экспериментального исследования теплового поля эквивалента нагреваемого материала для СВЧ-нагревагельной установки резонаторного типа с электронно-управляемой и неуправляемой четырехщелевыми системами возбуждения электромагнитного поля. Полученная равномерность нагрева СВЧ-нагревагельной установки с управляемой системой возбуждения электромагнитного поля в два раза лучше равномерности нагрева СВЧ-нагревательной установки с неуправляемой распределенной системой возбуждения и соответствует требуемому уровню равномерности нагрева, установленному в СВЧ-энергетике для резонагорных СВЧ-нагревательных установок с механическим перемещением нагреваемого материала

Полученные результаты статистических испытаний модели воздействия управляемой системы возбуждения на равномерность нагрева материала и результаты экспериментальных испытаний СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа с электронно-управляемой системой возбуждения электромагнитного поля подтверждают возможность создания СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа нового поколения с распределенным управляемым источником возбуждения электромагнитного поля, позволяющих обеспечить требуемый технологический процесс термообработки диэлектрических материалов и пищевых продуктов с произвольными электрофизическими характеристиками.

В заключении приведены основные результаты работы. В процессе выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были получены следующие основные результаты:

1. Предложен способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа, основанный на распределении энергии СВЧ-исгочника в процессе нагрева по объему нагреваемого материала Конструкция СВЧ-печи, использующая предложенный способ, защищена патентом Российской Федерации.

2. Показано, что использование распределенных систем возбуждения электромагнитного поля с управлением подачей СВЧ-мощносги в рабочую камеру резонаторного типа позволит достигнуть требуемого уровня равномерности нагрева в резонаторных СВЧ-нагревательных установках и создать новые потребительские качества у бытовых СВЧ-печей.

3. Обоснована необходимость электронного управления процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа для достижения равномерного распределения СВЧ-

энергии в объеме нагреваемого материала и обеспечения заданного технологического режима термообработки.

4. Исследован режим электронного управления подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру, при котором достигается наиболее равномерное распределение внутренних тепловых источников в объеме нагреваемого материала, что позволяет улучшить равномерность нагрева в СВЧ-нагревательных установках резонаторнош типа.

■ 5. Показано значительное увеличение времени выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева материала в процессе нагрева при использовании управляемой многоэлеменгаой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа

6. Показана эффективность использования распределенных систем возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа для улучшения выходных параметров обрабатываемого материала

7. Предложена конструкция четырехщелевой управляемой системы возбуждения электромагнитного поля, позволяющая реализовать предложенный способ повышения уровня равномерности нагрева материала в нагревательных установках резонаторного типа и СВЧ-печах, определена методика управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа

8. Представлены результата статистических испытаний модели воздействия управляемой системы возбуждения на нагрев материала, позволяющие подтвердил, улучшение равномерности нагрева материала

9. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие состоятельность предложенного способа повышения уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых цродукгов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

1. Карпов Д. И. Временные характеристики импульсного СВЧ-нагрева элементарного объема изотропного материала / Д.И.Карпов, А.Э.Семенов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. №4 (28). Вып.1. - С. 146- 150.

2. Патент на изобретение № 2329617 РФ. СВЧ-печь / Д.И. Карпов, В.А. Коломейцев. Бюл. № 20. ФГУ ФИПС, 2008 г.

Публикации в других изданиях

3. Карпов Д.И. Тепловые процессы в конвейерной СВЧ-установке поперечного типа на основе ПВТР /А.Н. Журавлев, Д. И. Карпов, Т.Р.Салахов // Функциональные системы и устройства низких и сверхвысоких частот: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. - С. 58 - 62.

4. Карпов Д.И. Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими, поглощающими СВЧ-мощность средами в произвольных волноводных структурах / A.B. Иванов, Д.И. Карпов, A.A. Марковский // Материалы итоговой конференции Всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам. М.: МИЭМ, 2004. - С. 352 - 353.

5. Карпов Д. И. Электродинамические параметры волноводов, частично заполненных термопараметрическим материалом / А.Р.Железняк, Д.И. Карпов, Ф.З. Хамидуллин // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 110-летию изобретения радио. Саратов: СГТУ, 2005.-С. 386-391.

6. Карпов Д. И. Временные характеристики импульсного СВЧ-нагрева элементарного объема изотропного материала / Д.И. Карпов // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: материалы Второй конф. молодых ученых. Саратов: СФ ИРЭ РАН, 2007. - С. 59 - 60.

7. Карпов Д.И. Стационарный дискретный процесс распределения энергии СВЧ-источника в объеме нагреваемого диэлектрического материала и равномерность нагрева / Д.И. Карпов // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: материалы Третьей конф. молодых ученых. Саратов: СФ ИРЭ РАН, 2008. - С. 51 - 54.

Карпов Дмитрий Игоревич

ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СВЧ-УСТРОЙСТВАХ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА

Автореферат Корректор О.А. Панина

Подписано в печать 14.11.2008 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 303 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ РАВНОМЕРНОСТИ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ УСТАНОВКАХ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА.

1.1. Методы ' йагрева, обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа.

1.2. Определение критериев оценки равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа.

1.3. Исследование путей создания установок резонаторного типа, обеспечивающих требуемый электротехнологический процесс термообработки диэлектрических материалов.

2. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПОДАЧЕЙ СВЧ МОЩНОСТИ В РАБОЧУЮ КАМЕРУ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА.

2.1. Процесс распределения плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля.

2.2. Исследование длительности процесса выравнивания температуры нагреваемого материала в установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля.

2.3. Электронно-управляемые системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательных установок резонаторного типа.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ СВЧ МОЩНОСТИ В РЕЗОНАТОРНУЮ КАМЕРУ,

ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ЗАДАННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ТЕРМООБРАБОТКИ.

3.1. Исследование распределенной электронно-управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа.

3.2. Методика управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа.

3.3. Исследования электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с распределенной электронно-управляемой системой возбуждения электромагнитного поля.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована задача достижения высокого уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках с рабочими камерами резонаторного типа, поставлена цель работы, определены задачи исследований, отражены научная новизна, практическая значимость полученных результатов, представлена апробация работы.

В первой главе «Исследование путей повышения уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-установках резонаторного типа» исследованы методы нагрева, принципиально обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева, в основе которых лежит условие достижения изолированной системой равновесного состояния. Важнейшим выходным параметром технологического процесса СВЧ-нагрева является равномерность нагрева. В резонаторных СВЧ-нагревательных установках обеспечение однородной плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала, и, соответственно, равномерности нагрева, сдерживается большим объемом рабочей камеры (по сравнению с камерой с бегущей волной), большой неоднородностью электрического поля в объеме рабочей камеры. Высокая неравномерность нагрева в СВЧ-нагревательных установках с рабочими камерами резонаторного типа является следствием универсальности их применения и конструкции. Представляя процесс СВЧ-нагрева как изменение состояния нагреваемого объекта (макроскопической системы), происходящее вынужденно, благодаря работе электродинамических сил, и рассматривая только начальное и конечное состояния нагреваемой системы, возможно применение термодинамического метода для изучения состояний нагреваемого объекта. Нагреваемый материал может быть представлен как гетерогенная система, состоящая из нескольких гомогенных систем подсистем). Равновесное состояние замкнутой системы характеризуется максимальным значением энтропии, при котором в системе, в частности, отсутствуют градиенты температуры, и, следовательно, равномерность температуры по объему системы максимальная.

Первый метод равномерного СВЧ-нагрева может быть представлен следующей последовательностью действий: - сообщение нагреваемой системе посредством работы электродинамических сил необходимого количества энергии в форме тепла — адиабатическая изоляция нагреваемой системы - выдержка нагреваемой системы до истечения времени релаксации. Рассмотренный метод равномерного нагрева является практически реализуемым, теоретически обеспечивает высокий уровень равномерности нагрева, тем не менее, он обладает рядом практических недостатков, самым существенным из которых является невозможность обеспечения требуемого уровня равномерности нагрева в процессе сообщения нагреваемой системе энергии.

Второй метод равномерного СВЧ-нагрева может быть представлен следующей последовательностью действий: - сообщение в процессе нагрева нагреваемой гетерогенной системе посредством работы электродинамических сил заданного количества энергии в форме тепла в течение времени, значительно меньшего времени релаксации — адиабатическая изоляция нагреваемой системы. Рассмотренный метод теоретически обеспечивает равномерность нагрева объекта в процессе нагрева, что важно для СВЧ-нагревательных установок с рабочими камерами резонаторного типа, не требует выдержки объекта нагрева для завершения процессов релаксации. Недостатком рассмотренного метода равномерного нагрева, кроме требования адиабатической изоляции объекта нагрева, является большая длительность процесса нагрева.

Показано, что рассмотренные методы нагрева указывают направление, в котором необходимо вести техническую работу по созданию СВЧнагревательных установок резонаторного типа с высоким уровнем равномерности нагрева.

Предлагаемый метод равномерного нагрева базируется на основных положениях термодинамики и результатах анализа первого и второго методов равномерного нагрева. Сущностью предлагаемого метода равномерного СВЧ-нагрева установками резонаторного типа является технический процесс распределения энергии источника СВЧ-колебаний по объему нагреваемого материала в процессе нагрева и увеличения длительности локальных процессов выравнивания температуры в объеме нагреваемого материала в процессе нагрева. В предлагаемом методе используется наличие в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки стоячих волн, характерное для рабочих камер резонансного типа, как основы механизма распределения энергии источника СВЧ-колебаний по объему нагреваемого материала. Преимущество предлагаемого метода равномерного нагрева, относительно первых двух, заключается в отсутствии требования адиабатической изоляции нагреваемого объекта, определенной и меньшей длительности процесса нагрева, обеспечиваемой совмещением технического процесса распределения энергии по объему нагреваемого объекта и процесса выравнивания температуры в объеме нагреваемого объекта.

Определены границы применения предлагаемого метода равномерного нагрева, которые определяются наличием в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки основы механизма распределения энергии по объему нагреваемого объекта - стоячих волн.

Рассмотрены критерии оценки равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-устаповках, необходимые для оценки соответствия выбранного технологического процесса нагрева заданному, выбору конструкции элементов установки нагрева, определению влияния теплофизических параметров и геометрических размеров нагреваемого материала на равномерность и однородность температурного поля в объеме материала.

Рассмотрены вопросы выбора практических критериев равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева. Для оценки степени обеспечения требуемого технологического процесса термообработки обычно используется коэффициент уровня равномерности нагрева 77, определяемый следующим выражением: в -в . ~ maxmm

Ав ' гДе ^max'^min" максимальная и минимальная температуры в объеме нагреваемого материала соответственно, °С; А0 -9ср-в0, а дср,в0- средняя температура нагрева материала и температура окружающей среды соответственно. Данный критерий является основополагающим в СВЧ-энергетике.

Показано, что критерием качества процесса нагрева материала может служить коэффициент неравномерности нагрева 8в, определяемый из соотношения: м Ав Ав да - -=-, втш О0 + &L* где 0тах- максимальная температура в объеме материала,°С; в'тгх -максимальная температура в объеме материала относительно в0,°С; в0-температура окружающей среды, °С; Ав- разность максимального и минимального значений температуры в объеме материала, °С. При равномерном нагреве А0= 0 и 8в= 0 — идеально равномерный случай нагрева. Выражение 50 стремится к такому идеальному случаю при в'тжу>АО, степень приближения к которому может быть выбрана из практических соображений: А0=0,\0'тах или Ав=0,05О'пгх. Эти соотношения устанавливают практические значения границ разницы температуры в объеме материала, при достижении которых принимается решение о степени равномерности нагрева.

В СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа при нагреве материалов произвольной формы и с произвольными электрофизическими и теплофизическими характеристиками температура нагрева элементарного объема нагреваемого материала носит случайный характер.

Рассмотрен статистический подход к определению критерия равномерного нагрева материалов произвольной формы и с произвольными электрофизическими и теплофизическими характеристиками. Показано, что критерием равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева в данном случае может являться функция неравномерности нагрева. Приведенные функции неравномерности удобны для исследования процессов нагрева объектов различных конфигураций. Объемная функция неравномерности определяется, при указанных условиях, только разностью величин нагретой части объема объекта и ненагретой части объема, ее значение может являться критерием равномерности нагрева объекта и может применяться для характеристики тех или иных процессов нагрева, рассматриваемых со статистической точки зрения.

Исследованы пути создания СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа, обеспечивающие требуемый процесс термообработки. Показано, что для анализа процессов выравнивания температуры в нагреваемом материале необходимы распределения температуры в элементах объема нагреваемого материала после воздействия протяженного и точечного внутренних источников тепловой энергии.

Приведены результаты, показывающие, что длительность процессов выравнивания температуры в элементарных объемах материала играет важную роль в обеспечении равномерности теплового поля нагреваемого материала. Для обеспечения равномерного теплового поля в процессе нагрева необходимо увеличение времени выравнивания температуры в элементарных объемах нагреваемого материала в процессе нагрева.

Показано, что в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа для обеспечения равномерного теплового поля в нагреваемом материале в процессе нагрева необходимо:

- обеспечить в процессе нагрева последовательное производство внутренних источников тепловой энергии;

- увеличить длительность локальных процессов выравнивания температуры в элементарных объемах нагреваемого материала в процессе нагрева.

Выбрано направление создания СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа, обеспечивающей требуемый уровень равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов. Основой выбранного направления является процесс распределения энергии СВЧ-источника по объему обрабатываемого материала в процессе нагрева. Указанный процесс обеспечивает: повышение плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и увеличение длительности локальных процессов выравнивания температуры в объеме материала, что позволяет улучшить равномерность нагрева обрабатываемого материала.

Во второй главе «Распределенные системы возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа» рассмотрен процесс распределения внутренних тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля. Показано, что выражение для функции плотности тепловых источников, применительно к СВЧ-нагревательным установкам резонаторного типа, указывает на возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме нагреваемого материала при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке г.

Изменение направления концентрации энергии электромагнитного поля в пространстве, посредством применения апертурных антенн, и возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме нагреваемого материала, при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке г, создают предпосылки управления положением внутренних тепловых источников в нагреваемом материале в процессе нагрева, и, следовательно, плотностью источников.

Сформулированы условия, обеспечивающие возможность изменения направления или направлений концентрации энергии электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа:

- рабочая камера установки должна быть «сильно» нагруженной;

- система возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки должна быть многоэлементной (распределенной);

- конструкция системы возбуждения электромагнитного поля должна обеспечивать изменение расстояния между нормалями излучения элементарных излучателей системы возбуждения.

Изменение расстояний между нормалями излучения элементарных излучателей в общем случае может быть плавным (аналоговым) или ступенчатым (дискретным). Плавное изменение расстояний между элементами антенных решеток в процессе нагрева сопряжено со значительными техническими трудностями. Дискретное изменение расстояния возможно посредством применения специального класса полупроводниковых приборов — СВЧ-переключательных диодов, имеющих два устойчивых состояния и определяющих, тем самым, количество состояний элементарного излучателя системы возбуждения.

Рассматривая процесс распределения плотности тепловых источников по объему обрабатываемого материала с произвольными теплофизическими характеристиками как случайный процесс, возможно использовать характеристики такого процесса, одной из которых является энтропия случайного дискретного процесса. Таким процессом может быть стационарный дискретный процесс распределения зон повышенного нагрева в объеме нагреваемого объекта, обеспечиваемый управляемой системой возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки.

Показано, что изменения в процессе нагрева расстояния между нормалями максимумов излучения элементарных излучателей многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа обеспечивают максимальную вероятность реализации равномерного распределения внутренних тепловых источников по объему нагреваемого материала.

Проведено исследование длительности процесса выравнивания температуры нагреваемого материала в установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля.

Приведены расчетные одномерные распределения температуры в сечении элементарного объема нагреваемого материала с известными теплофизическими характеристиками после воздействия внутреннего источника тепловой энергии. Показано, что длительность процессов выравнивания температуры более нагретых элементов объема нагреваемого материала зависит от числа возможных состояний системы возбуждения.

На рисунке 1 представлена полученная зависимость относительного увеличения среднего времени локальных процессов выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева модели нагреваемого материала от числа возможных состояний системы возбуждения.

Рис. i

На рисунке 2 представлена зависимость абсолютного увеличения среднего времени локальных процессов выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева модели нагреваемого материала для случая нагрева импульсным источником СВЧ-энергии с длительностью импульса 6,5 мс и скважностью 3 от числа возможных состояний системы возбуждения.

Рис. 2

Полученные зависимости показывают значительное увеличение времени выравнивания температуры в зоне повышенного нагрева материала в случае использования управляемой многоэлементной системы

Рассмотрены электронно-управляемые системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательных установок резонаторного типа. Выработаны требования, которым должна удовлетворять управляемая система возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах нагревательных установок резонаторного типа: система возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки должна быть многоэлементной (распределенной); конструкция системы возбуждения электромагнитного поля должна обеспечивать изменение расстояний между нормалями максимумов излучений входящих в нее элементов; изменение расстояний между нормалями максимумов излучений элементов системы возбуждения должно быть ступенчатым (дискретным).

Кроме выработанных требований, отвечающих решаемой задаче, управляемая система возбуждения должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к устройствам деления СВЧ-мощности. Такими основными требованиями, применительно к рассматриваемой задаче, являются следующие требования:

-система возбуждения должна быть согласована с источником СВЧ-энергии во всех своих возможных состояниях;

-система возбуждения должна обеспечивать равное деление мощности между элементарными излучателями;

-элементарные излучатели, составляющие систему возбуждения, для обеспечения динамического фазирования системы возбуждения при изменении своего состояния должны вносить минимально возможный относительный фазовый сдвиг коэффициента передачи.

Показано, что основой конструктивной реализации управляемой системы возбуждения электромагнитного поля является Н-образная поперечная излучающая щель в широкой стенке волновода, снабженная двумя парами СВЧ-переюпочательных диодов.

Получены эквивалентная схема излучающей части Н-образной щели и аналитическое выражение передаточной функции резонансной излучающей щели в волноводе, которые позволяют создать на основе метода эквивалентных схем модель управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа и провести исследование многощелевой управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа.

Показано, что переключение пар диодов элементарного излучателя системы возбуждения приводит к смещению его нормали максимума излучения вдоль щели на четверть длины волны и приводит к изменению характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере. При расположении нормалей максимума излучения излучателей в ряд система возбуждения является линейной, в случае расположения нормалей на плоскости система возбуждения является двумерной. Для распределенной четырехщелевой управляемой системы возбуждения из шестнадцати возможных вариантов условий возбуждения электромагнитного поля два обеспечиваются линейными системами возбуждения, остальные — двумерными системами возбуждения.

На рис. 3 показаны все возможные варианты условий возбуждения 1, электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа с четырехщелевой управляемой системой возбуждения, два из которых обеспечиваются линейными системами возбуждения L, четырнадцать - двумерными D. Периодическое переключение пар диодов обеспечивает периодическое изменение характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере и увеличение плотности внутренних источников тепловой энергии в объеме нагреваемого материала в процессе нагрева. + + ч +■ +■ +■ +

Рис. 3

Объединение четырех Н-образных щелей, расположенных на широкой стенке волновода и снабженных переключательными диодами, с четырехканальным устройством управления позволило создать распределенную электронно-управляемую систему возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа, обеспечивающую заданный технологический процесс термообработки.

Общий вид конструкции четырехщелевой распределенной системы возбуждения электромагнитного поля представлен на рис. 4.

Получены экспериментальные характеристики изменения при переключении диодов уровня мощности, излучаемой Н-образной щелью в пространство безэховой камеры для различных значений высоты h, и расстояния L, от узкого края щели, рис.5. Экспериментальные результаты подтверждают изменение пространственной характеристики излучения Н

Рис. 4 0

-2 s -4 о -6

2 г -8

S -10

1 i

Z 0> -12

I

X Г) -14

5

-16

40 50 60 ли.

-13,7

ЧУ-4,2 h=80 мм -h=35 мм -h=5 мм

L,mm

Рис. 5

В третьей главе «Определение режима электронного управления подачей СВЧ-мощности в резонаторную камеру, обеспечивающего заданный электротехнологический процесс термообработки» проведено исследование распределенной электронно-управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа.

Предложена и обоснована модель, позволяющая определить тенденции изменения величины выделяющейся в части объема нагреваемого материала энергии источника при изменении состояний системы возбуждения в процессе нагрева. Сравнение величины мощности, выделяющейся в части объема материала при изменении состояний системы возбуждения, с величиной мощности, выделяющейся в той же части объема при отсутствии изменений состояния системы возбуждения, и обобщение полученных результатов на весь объем нагреваемого материала позволили установить тенденцию влияния переключений в системе возбуждения на равномерность нагрева материала.

Предложены методы управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа.

Показано, что управление процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом нагреваемом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа, может быть построено на основе как замкнутых автоматических систем, так и незамкнутых систем. Во втором случае управляющее устройство не получает информацию о состоянии объекта управления и осуществляет управление воздействием в соответствии с заданной целью, получаемой в виде априорной информации. Управление системой возбуждения электромагнитного поля может быть осуществлено незамкнутой системой управления, состоящей из источника дискретных сообщений и управляющего устройства, обеспечивающего подачу необходимых напряжений на переключательные диоды элементарных излучателей в соответствии с поступающими сообщениями.

Показано, что методом управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа в данном случае является применение того или иного закона распределения вероятностей выбора кодовых комбинаций при формировании объединения кодовых комбинаций для исполнительного устройства системы управления.

Проведены исследования электродинамических и тепловых свойств СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа с распределенной электронно-управляемой системой возбуждения электромагнитного поля. Исследование электродинамических и тепловых свойств СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа с многощелевой системой возбуждения электромагнитного поля проведено методом эквивалентных схем, методом статистических испытаний модели и экспериментальным методом. Во всех статистических испытаниях модели нагреваемого материала величина стандартного отклонения среднего значения мощности, поглощенной эквивалентом элементарного объема нагреваемого материала при переключении системы возбуждения в процессе нагрева, меньше стандартного отклонения величины мощности, поглощенной эквивалентом элементарного объема нагреваемого материала в отсутствии переключения системы возбуждения, что позволяет сделать заключение об улучшении равномерности нагрева материала в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа, снабженной переключаемой в процессе нагрева системой возбуждения электромагнитного поля.

Полученные значения стандартных отклонений, являющихся в этом случае мерой рассеяния средних значений мощностей, поглощенных различными частями объема нагреваемого материала при переключении системы возбуждения, и, соответственно, определяющих равномерность нагрева, оказываются значительно меньшими, чем в случае отсутствия переключений системы возбуждения.

Приведены результаты экспериментального исследования теплового поля эквивалента нагреваемого материала для СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа с электронно-управляемой и неуправляемой четырехщелевыми системами возбуждения электромагнитного поля. Полученная равномерность нагрева СВЧ-нагревательной установки с управляемой системой возбуждения электромагнитного поля в два раза лучше равномерности нагрева СВЧ-нагревательной установки с неуправляемой распределенной системой возбуждения и соответствует требуемому уровню равномерности нагрева, установленному в СВЧ-энергетике для резонаторных СВЧ-нагревательных установок с механическим перемещением нагреваемого материала.

Полученные результаты статистических испытаний модели воздействия управляемой системы возбуждения на равномерность нагрева материала и результаты экспериментальных испытаний СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа с электронно-управляемой системой возбуждения электромагнитного поля подтверждают возможность создания СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа нового поколения с распределенным управляемым источником возбуждения электромагнитного поля, позволяющих обеспечить требуемый технологический процесс термообработки диэлектрических материалов и пищевых продуктов с произвольными электрофизическими характеристиками.

В «заключении» приведены основные результаты работы. В процессе выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были получены следующие основные результаты:

1. Предложен способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа, основанный на распределении энергии СВЧисточника в процессе нагрева по объему нагреваемого материала. Конструкция СВЧ-печи, использующая предложенный способ, защищена патентом Российской Федерации.

2. Показано, что использование распределенных систем возбуждения электромагнитного поля с управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа позволит достигнуть требуемого уровня равномерности нагрева в резонаторных СВЧ-нагревательных установках и создать новые потребительские качества у бытовых СВЧ-печей.

3. Обоснована необходимость электронного управления процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа для достижения равномерного распределения СВЧ-энергии в объеме нагреваемого материала и обеспечения заданного технологического режима термообработки.

4. Исследован режим электронного управления подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру, при котором достигается наиболее равномерное распределение внутренних тепловых источников в объеме нагреваемого материала, что позволяет улучшить равномерность нагрева в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа.

5. Показано значительное увеличение времени выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева материала в процессе нагрева при использовании управляемой многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа.

6. Показана эффективность использования распределенных систем возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа для улучшения выходных параметров обрабатываемого материала.

7. Предложена конструкция четырехщелевой управляемой системы возбуждения электромагнитного поля, позволяющая реализовать предложенный способ повышения уровня равномерности нагрева материала в нагревательных установках резонаторного типа и СВЧ-печах, определена методика управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа.

8. Представлены результаты статистических испытаний модели воздействия управляемой системы возбуждения на нагрев материала, позволяющие подтвердить улучшение равномерности нагрева материала.

9. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие состоятельность предложенного способа повышения уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа.

В процессе выполнения диссертационной работы, при непосредственном участии автора, получены следующие основные результаты:

1. Предложен способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа, основанный на распределении энергии СВЧ источника в процессе нагрева по объему нагреваемого материала.Конструкция СВЧ печи, использующая предложенный способ, защищена патентом Российской Федерации.2. Показано, что использование распределенных систем возбуждения электромагнитного поля с управлением подачей СВЧ мощности в рабочую камеру резонаторного типа позволит достигнуть требуемого уровня равномерности нагрева в резонаторных СВЧ нагревательных установках и создать новые потребительские качества у бытовых СВЧ печей.3. Обоснована необходимость электронного управления процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ нагревательных установок резонаторного типа для достижения равномерного распределения СВЧ энергии в объеме нагреваемого материала и обеспечения заданного электротехнологического процесса термообработки.4. Исследован режим электронного управления подачей СВЧ мощности в рабочую камеру, при котором достигается наиболее равномерное распределение внутренних тепловых источников в объеме нагреваемого материала, что позволяет улучшить равномерность нагрева в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа.5. Показано значительное увеличение времени выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева материала в процессе нагрева при использовании управляемой многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки резонаторного типа.6. Показана эффективность использования распределенных систем возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением подачей СВЧ мощности в рабочую камеру резонаторного типа для улучшения выходных параметров обрабатываемого материала.7. Предложена конструкция четырех щелевой управляемой системы возбуждения электромагнитного поля, позволяющая реализовать предложенный способ повышения уровня равномерности нагрева материала в нагревательных установках резонаторного типа и СВЧ печах, определена методика управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющим рабочую камеру резонаторного типа.8. Представлены результаты статистических испытаний модели воздействия управляемой системы возбуждения на нагрев материала, позволяющие подтвердить улучшение равномерности нагрева материала.9. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие состоятельность предложенного способа повышения уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа.

1. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ системы равномерного нагрева / В.А. Коломейцев // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. — Саратов: СГТУ,1999 г. - стр.30.

2. Румер Ю. Б., Рыбкин М. Ш. Термодинамика. Статистическая физика и кинетика. -М.: Наука ,1977, стр.11,12.

3. Маделунг Э. Математический аппарат физики. — М.:Гос.изд.физ-мат. литры, 1957, стр. 552.

4. Рейф Ф. Статистическая физика. Москва: Наука, 1972, стр. 134, 255.

5. Articles on recent developments in materials. Proc. OSU - Georgia Tech. Symp. Radomes, 1966.

6. Клингер Г.Г., Сверхвысокие частоты — M.: Наука, 1969, стр. 236

7. Архангельский Ю.С., Тригорлый С.В. СВЧ электротермические установки лучевого типа. Саратов: Сарат. Гос. Техн.ун — т, 2000, с. 6.

8. Карпов Д.И. Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими, поглощающими СВЧ мощность, средами в произвольных волноводных стуктурах /А.В.Иванов, Д.И.Карпов, А.А. Марковский //Всероссийский конкурс

9. Карпов Д.И. Тепловые процессы в конвейерной СВЧ установке поперечного типа на основе ПВТР. /А.Н. Журавлев, Д. И. Карпов, Т.Р. Салахов //Функциональные системы и устройства низких и сверх высоких частот. Межвуз. Науч. сб. Саратов: 2003 с. 58 62

10. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: Сарат. гос. тех. ун-т, 1998, стр.7

11. Радиоавтоматика / под ред. В. А. Бесекерского.-М.: Высш. школа.,1985.с.5,8.

12. Коломейцев В.А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Ч.2./В.А. Коломейцев, В.В. Комаров, А.Р. Железняк. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006.С. 158,159.

13. Дворяшин Б.В. Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. — М. Сов. Радио., 1976. с.247.

14. Демидович Б. П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. — М.: Наука, 1966, с. 635.

15. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления Т.2. М.: Наука, 1969, с. 519.

16. Портис А. Физическая лаборатория. -М. Наука, 1972, с. 201.

17. Архангельский Ю.С. Установки диэлектрического нагрева. СВЧ установки. — Саратов: Сарат. Гос. Техн. Ун т, 2003, с. 133-137.

18. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления Т.З. М: Наука, 1970, с. 369, 374 - 376.

19. Гелль П.П., Иванов—Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры Л.:Энергоатомиздат,1984. с.340.

20. Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы физики.-М.: Атомиздат,1972, с.206.

21. Корбанский И. Н. Антенны, ВВИА имени Н. Е. Жуковского, 1966, с. 43 — 64,284-289.

22. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток) под ред. Д.И. Воскресенского.- М.: Радио и связь, 1981, с. 107 126.

23. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. Москва: Высш. школа., 1988, с. 235 - 238, 273 - 280, 310-316.

24. Sherman J.W. Properties of Focused Apertures оп the Fresnel Region.- «IRE Trans.», v AP-10, p 399 408, July, 1962.

25. Вешникова И.Е., Евстропов Г.А. Теория согласованных щелевых излучателей. / Радиотехника и электроника. Том 10, № 7, 1965 / М. Наука, с. 1181 1189.

26. Евстропов Г.А., Царапкин С.А. Исследование волноводно-щелевых антенн с идентичными резонансными излучателями. / Радиотехника и электроника. Том 10, № 9, 1965 / М: Наука, с. 1663 1671.

27. Ерош И.Л. Дискретная математика. Комбинаторика. СПб: ГУАП. СПб., 2001,с.4.

28. Боровиков А.А Теория вероятностей. М: Наука, 1976, 352с.

29. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М: Изд-во иностр. лит. 1963, 829с.

30. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. М: Наука, 1968, 464с.

31. White J.F. Semiconductor Control. Artech House, p.39 - 114, 1977.

32. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение / под ред Г. Уотсона. М: Мир, 1972, с. 304-334.

33. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах / под ред. И.В. Мальского и Б.В. Сестрорецкого. М: Сов. Радио, 1969, с. 414 428.

34. PIN Diode Designer's «Microwave Ass.». 1980, p. 134 137; 146.

35. High Voltage PIN Switching Diodes « Alpha Microwave Semiconductors». 1985, p. 3.9, 3.10.

36. Горяинов В. Т., Журавлев А. Г. , Тихонов В. И. Примеры и задачи по статистической радиотехнике.- М., Сов.радио, 1970, с.275.

37. Нефедов Е.И. Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи. М., Наука, 1974, с. 14-16.

38. Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. М: связь, 1976, с. 72.

39. Нетушил А.В., Поливанов К.М. Теория электромагнитного поля. ч.З. JI: Госэнергоиздат, 1956, с. 140, 145, 180.

40. Крауфорд Ф. Волны. М: Наука. 1974, с. 318 324.

41. Благовещенский В. П. Основы радиотехники сверхвысоких частот.-Л.:Судпромгиз, 1952, с. 211 -216.

42. Техническая кибернетика / под ред. В.В. Солодовникова. М: Машиностроение, 1973. с. 8,9.

43. Куликовский Л.Ф. Автоматические информационные измерительные приборы. М. Д., Энергия, 1966, с. 14 - 16.

44. Харкевич А.А. Борьба с помехами. -М. Физматгиз, 1963, с. 17, 19.

45. Kolomeytsev V.A. Family of operating chambers for microwave thermal processing of dielectric materials / V.A. Kolomeytsev, V.V. Yakovlev // Digits of 28lh International Microwave power Symposium/ Montreal, Canada, 1993. - p. 181-186.

46. Kraszewski N. Microwave aquametr /10th European microwave conference 80. Warszawa, Poland/. England, Kent.: Microwave Exhibition and Publishers Ltd, 1980. p.52.

47. Бородин И.Ф., Шарков Г.А., Горин А.Д. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве. М.: ВНИИТЭИагропром, 1987, с. 6 — 7.

48. Коломейцев В.А. Комаров В.В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. 4.1. Саратов: Сарат.гос. техн. ун - т, 1997,с.19 - 27.

49. Карпов Д. И. Временные характеристики импульсного СВЧ нагрева элементарного объема изотропного материала / Д.И.Карпов, А.Э.Семенов //Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007 №2 с. 146 - 150.

50. Советов Н.М. Техника сверхвысоких частот. М: Высшая школа, 1976, с. 174.

51. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973, 584 - 585; 568; 591.

52. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев Справочник по математике.- М.: Наука, 1980, с 171.

53. Справочник по радиолокации./Под ред. М.Сколника.-ТЛ.М.: Сов. радио, 1976, стр. 139.

54. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники./ Под ред. Б. X. Кривицкого В 2-х т. Т.1, М:Энергия, 1977, с.25, 81,82,