На правах рукописи Карпов Дмитрий Игоревич ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА
advertisement
На правах рукописи 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 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 «23» декабря 2008 г. в 15 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 “21” ноября 2008 г. Ученый секретарь диссертационного совета А. А. Димитрюк ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Среди основных направлений развития 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-энергии, 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 развитие теоретических основ техники и энергетики СВЧ-нагрева, проектирования СВЧ-технологических установок, математического моделирования электромагнитных и тепловых полей в диэлектрических материалах при СВЧнагреве внесли отечественные ученые: В.П. Вологдин, Д.И. Воскресенский, И.И. Девяткин, Н.Д. Девятков, С.В. Некрутман, А.В. Нетушил, Ю.С. Архангельский и др., зарубежные: Э. Окресс, О. Andrade, J.Cannon, C. Chew, A. Conrad, D. Foster, R. Grubb, M. Ebadian, L. T. White и др. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в теории и практике создания СВЧ-нагревательных 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 резонаторного типа на основе применения полупроводниковых переключательных диодов в распределенных системах возбуждения электромагнитного поля с целью повышения уровня равномерности нагрева. Разработка конструкций рабочих камер резонаторного 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 СВЧпечей. Несмотря на достаточное количество разработанных конструкций рабочих камер, к моменту начала работы над диссертацией совершенно отсутствовали 3 сведения об использовании полупроводниковых переключательных диодов (pinдиодов) 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 резонаторного 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 электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа для обеспечения повышения равномерности нагрева обрабатываемого материала и повышения эффективности технологического процесса термообработки. 3. Установить степень влияния процесса управления системой возбуждения электромагнитного поля на распределение плотности 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 электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного 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 эквивалентных схем, метод экспериментального исследования. Научная новизна 1. Предложен и апробирован способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного 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 объеме нагреваемого материала и, как следствие, к улучшению равномерности его нагрева. 3. Проведены исследования длительности процессов выравнивания температуры в процессе нагрева материала СВЧ-нагревательной установкой резонаторного 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 резонаторного типа. 5. Предложена и практически реализована конструкция распределенной системы возбуждения, позволяющая обеспечить управление процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа. Практическая значимость Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов может найти применение в установках СВЧнагрева резонаторного типа и повысить эффективность технологического процесса термообработки. 2. Впервые предложена конструкция распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного 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 СГТУ 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 5 ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, СФ ИРЭ РАН, 2007, 2008 гг.). Публикации По материалам исследований, выполненных по теме диссертации, опубликовано семь печатных 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 пяти 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-нагревательных установках резонаторного 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 СВЧэнергии, подаваемой в рабочую камеру, основанный на электронном управлении распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющий повысить уровень равномерности нагрева обрабатываемого материала и улучшить 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 резонаторного типа на уровень равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов, улучшающего параметры технологического процесса термообработки. 3. Конструкция распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки резонаторного 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, 6 теории информации, теории антенн экспериментальных исследований. и подтверждается результатами КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 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 7 невозможность обеспечения требуемого уровня равномерности нагрева в процессе сообщения нагреваемой системе энергии. Второй метод равномерного СВЧ-нагрева может быть представлен следующей последовательностью действий: – периодическое 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 СВЧнагрева 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-установках, 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. 8 Рассмотрены вопросы выбора практических критериев равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева. Для оценки степени обеспечения требуемого технологического процесса термообработки обычно используется коэффициент уровня равномерности нагрева , определяемый следующим выражением: max min , где max , min - максимальная и минимальная температуры в объеме нагреваемого материала соответственно, °С; ср 0 , а ср , 0 - 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 , определяемый из соотношения: max , 0 max - максимальная где max - максимальная температура в объеме материала,°С; max температура в объеме материала относительно 0 ,°С; 0 - температура окружающей среды, °С; - разность максимального и минимального значений температуры в объеме материала, °С. При равномерном нагреве = 0 и = 0 – идеально равномерный случай нагрева. Выражение стремится к такому идеальному » , степень приближения к которому может быть выбрана из случаю при max . Эти соотношения практических соображений: =0,1 max или =0,05 max 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. 9 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 СВЧмощности 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 СВЧнагревательным 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 r . Изменение направления концентрации энергии электромагнитного поля в пространстве, посредством применения апертурных антенн, и возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме 10 нагреваемого материала, при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке r , 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 – СВЧпереключательных 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 11 Среднее увеличение времени выравнивания (в разах) 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. 250 200 150 100 50 0 1 2 4 8 16 32 64 Количество состояний Рис. 1 Среднее время выравнивания (с) 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. 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 2 4 8 16 32 64 Количество состояний Рис. 2 Полученные зависимости показывают значительное увеличение времени выравнивания температуры в зоне повышенного нагрева материала в случае использования управляемой многоэлементной системы возбуждения 12 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 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 СВЧпереключательных диодов. Получены эквивалентная схема излучающей части H-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 СВЧнагревательной 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 13 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. Рис. 3 Объединение четырех Н-образных щелей, расположенных на широкой стенке волновода и снабженных переключательными диодами, с четырехканальным устройством управления позволило создать распределенную электронноуправляемую 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 14 характеристики излучения Н-образной поперечной щели в широкой стенке волновода при переключении диодов системы возбуждения. Рис. 4 Изменения уровня мощности, -дБ 0 -2 0 -1,5 -2,4 10 -1,7 -3 -4 20 -1,9 30 40 -2,2 -3,8 -14 -4,2 -6 -7,8 -8 -12 60 -3 -4,8 -6 -10 50 -10,4 h=60 мм -11,7 h=35 мм -13,7 h=5 мм -16 L,мм 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 15 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 СВЧнагревательных установок резонаторного типа с распределенной электронноуправляемой 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. 16 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 СВЧнагревательной 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 СВЧнагревательных 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-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 СВЧ17 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 СВЧмощности 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. 18 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 СВЧмощность средами в произвольных волноводных структурах / А.В. Иванов, Д.И. Карпов, А.А. 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. 19 Текст pin диод p-i-n диод нагрев переключение коммутация управление СВЧ система возбуждения диод p-i-n диод нагрев переключение коммутация управление СВЧ система возбуждения технология СВЧ нагрева электротермические установки СВЧ печи переключательные диоды новое поколение пятое патент заявка 2006135042/09, 03.10.2006 SUBSTANCE: invention can be used for dielectric objects, particularly for food warming. Microwave oven has an operating room with a door, microwave energy source, controlling system and waveguide antenna array. Waveguide antenna array of serial feed is made in a low, wide waveguide wall, which forms the roof of operating room. In a low, wide waveguide wall there are H-shaped slots for communication. Each of them is supplied with two pairs of pin-diodes. Controlling system produces signals for pin diodes pairs operating. Operating signals are synchronized with ultra-high frequency power impulses of magnetron in such a manner, that the position of diodes with the next microwave power impulse changes in one or several pairs. Changing the position of pin-diodes electromagnetic field configuration in operating room also changes that lead to the equal energy liberation within warming object or food and the effect is more uniform heating. EFFECT: improvement of dielectric objects and food uniform heating in microwave oven. 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 60х84 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 20