СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ НАГРЕВА СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R29/08 G01R21/04 H05B6/64 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к измерению температурного поля нагрева СВЧ-излучением в закрытых камерах, и предназначено для контроля распределения теплового поля нагрева СВЧ-печи.

Все известные способы и устройства измерения распределения СВЧ-излучения позволяют проводить измерения только в открытом пространстве (см. например, авт. св. СССР N 1838792, кл. G 01R 29/08, 1985; авт.св. СССР N 603921, кл. G 01R 29/08, 1976; патент США N 3931573, кл. G 01R 21/02, 1980). Методы СВЧ-термографии основаны на использовании жидкокристаллических пленок, меняющих цвет в зависимости от интенсивности СВЧ-излучения. Их недостатком является наличие поперечной теплопроводности пленки, что ведет к выравниванию градиента температуры вследствие теплопередачи от более нагретых участков к холодным (статья Максимова, Буханцева "Жидкокристаллические визуализаторы невидимых полей" в ж. Зарубежная радиоэлектроника, N 12, 1979 г.).

Традиционные зондовые измерения с перемещением зонда внутри СВЧ-камеры также неприемлемы, т.к. внедрение датчиков внутрь камеры непременно ведет к искажению СВЧ-поля, которое усиливается при введении в камеру СВЧ элементов коммутации и связи.

Известен способ измерения плотности потока энергии электромагнитного поля по авт.св. N 943604, кл. G 01R 29/08, 1980, при котором в исследуемое поле помещают электрически замкнутую цепочку преобразователей, образующую геометрически симметричную фигуру, и измеряют напряжения, наведенные исследуемым полем в преобразователях, расположенных диаметрально противоположно, и по измеренным величинам определяют активную и реактивную составляющие плотности потока энергии электромагнитного поля. Недостатком известного способа является искажение СВЧ-поля внутри камеры при помещении туда электрически замкнутой цепочки преобразователей.

Известно также устройство для измерения температуры по авт.св. СССР N 808872, кл. G 01K 7/00, 1979, содержащее распределенный термопреобразователь в виде жгута из нескольких проводов с различным по длине погонным сопротивлением, одни концы которых соединены, а другие подключены к блоку съема данных, выходы которого через коммутатор подключены к АЦП, соединенному с блоком восстановления, представляющим собой вычислитель температуры по приведенным формулам, результаты вычислителя фиксируются регистратором. Блок схема данных состоит из источника напряжения, стабилизаторов, постоянных регистров и развязывающих усилителей. Недостатками известного устройства являются возможность измерения температурного профиля только вдоль траектории расположения линейного термопреобразователя, а также внешние искажения в СВЧ-поле проводными датчиками термопреобразователя.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в минимизации искажений структуры исследуемого СВЧ-поля внутри камеры СВЧ при контроле теплового поля, создаваемого СВЧ-излучением.

Задача решена тем, что при осуществлении способа измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением путем помещения в исследуемое поле системы преобразователей, систему преобразователей в виде матрицы MxN термочувствительных непроводящих элементов, размещенных на диэлектрическом основании, после СВЧ-нагрева до T^o 60-80^oC вынимают из СВЧ-камеры, помещают в термостат и совмещают с матрицей полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных направляющих элементов, и измеряют напряжения на выходах полупроводниковых термодатчиков, пропорциональные температурам термочувствительных непроводящих элементов.

Задача решена также тем, что в устройстве для осуществления способа измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением, содержащем систему термопреобразователей, блок съема информации о тепловом поле, последовательно соединенные коммутатор, АЦП и ПЭВМ с регистратором, система термопреобразователей выполнена в виде матрицы MxN термочувствительных непроводящих элементов из материала с углеродсодержащими добавками, размещенных на диэлектрическом основании с шагом λ/4, λ длина волны СВЧ-колебаний, а блок съема информации выполнен в виде матрицы полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных непроводящих элементов, и помещен в термостат, при этом выходы полупроводниковых термодатчиков соединены с входами коммутатора.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением; на фиг. 2 приведен пример выполнения коммутатора; на фиг. 3 -пример выполнения блока сопряжения; на фиг. 4 пример температурного рельефа, измеренного в СВЧ-печи "Электроника" с помощью предложенного способа.

Устройство по фиг. 1 содержит матрицу 1 термочувствительных непроводящих элементов 2, помещаемую сначала в СВЧ-камеру 3, а затем в термостат 4, крышкой которого является матрица 5 полупроводниковых термодатчиков 6. Выходы термодатчиков через коммутатор 7 подключены к АЦП 8, выход которого через блок сопряжения 9 соединен с ПЭВМ 10, дисплей которого является регистратором 11.

В качестве термочувствительных элементов 2 служит шайба из пористой резины, наклеенной на основание из оргстекла, которое очень мало нагревается СВЧ-излучением, с шагом, равным четверти волны СВЧ-излучения. При уменьшении этого расстояния начнет сказываться взаимное влияние датчиков друг на друга, а при увеличении появляется вероятность пропуска какого-либо аномального возмущения СВЧ-поля. Матрица 5 полупроводниковых термодатчиков представляет собой основание, на котором с шагом, также равным четверти волны СВЧ-излучения, расположены транзисторы в металлическом корпусе, который обеспечивает быструю теплопередачу от термочувствительного элемента 2 к p - n-переходу транзистора.

Способ измерения распределения температурного поля в СВЧ-печи заключается в следующем.

Матрицу 2 с MxN термочувствительными элементами 2 помещают в СВЧ-камеру 3 в место, где необходимо измерить температурный рельеф. Включают СВЧ-нагрев на время, чтобы термочувствительные элементы 2 нагрелись до температуры 60. 80^oC. Время нагрева до указанной температуры составляет порядка 1 мин. При этом все остальные закономерности структуры СВЧ-поля в камере будут отражены в температурном рельефе на термочувствительных элементах 2.

Затем матрицу 1 вынимают их СВЧ-камеры 3 и помещают в термостат 4, закрывают термостат крышкой, на внутренней стороне которого установлена матрица 5 с полупроводниковыми термодатчиками 6. Соприкасаясь с соответствующим термочувствительным элементом 2, термодатчик 6, представляющий собой p n-переход транзистора в металлическом корпусе, формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное температуре термочувствительного элемента 2. Таким образом, температурный рельеф поля СВЧ-камеры 3 трансформируется в изменение напряжения на выходе термодатчиков 6. Коммутатор 7 поочередно подключает каждый термодатчик 6 к АЦП 8, в котором это напряжение преобразуется в цифровую форму и через блок сопряжения 9 поступает в ПЭВМ 10, в котором хранятся калибровочные характеристики каждого термодатчика 6.

ПЭВМ 10 вычисляет значение температуры по измеренному значению напряжения на выходе термодатчика 6 по формуле

где A₁ и A₂ значения АЦП для каждого термодатчика 6 для двух температур: t°1

На экране ПЭВМ 10 индицируется значение температур каждого термодатчика 6. Затем производят "запись в файл" полученных результатов измерения и при необходимости вывод на печать. На фиг. 4 приведен пример распечатки измеренного в 60 точках (матрица 6x10) рельефа температурного поля в СВЧ-печи "Электроника", где видно, что максимальный перепад может достичь значения 2,2 (73:33).

Учитывая инерционность процесса остывания, можно считать, что операция перемещения матрицы 1 термочувствительных непроводящих элементов вызовет лишь незначительное уменьшение абсолютных значений температур. Во всяком случае это уменьшение будет однородным в выбранном диапазоне температур и не скажется на относительном распределении температурного поля. При этом внутрь камеры не перемещаются никакие металлические элементы, изменяющие структуру СВЧ-поля.

Устройство измерения распределения температурного поля нагрева СВЧ-излучением было реализовано в процессе выполнения НИР.

Принципиальная схема коммутатора 7 приведена на фиг. 2. Основой блока коммутации является две микросхемы DD1, DD2 типа К561КП2, представляющие собой мультиплексор-демультиплексор цифровых аналоговых сигналов. Выходы микросхем образуют матрицу 8x8, позволяющую коммутировать 64 термодатчика. Посредством разъема XS1 коммутатор подключается к устройству сопряжения 9. Ключи A1.A6 служат для преобразования ТТЛ уровня управляющего напряжения в напряжение +15 В. Стабилизированное напряжение +10 В со стабилизатора VD1 (типа Д814Г) через мультиплексор DD2 приложено к выводам базы и коллектора термодатчика 6 (транзисторы VT1.VT64), эмиттер которого через мультиплексор DD1 также подключен к постоянному потенциалу, получаемому на инвертирующем входе операционного усилителя DA1. В результате ток эмиттера термодатчика 6 зависит только от температуры p n-перехода.

АЦП 8 работает по методу последовательного приближения и собран по стандартной схеме. В его состав входят регистратор последовательного приближения типа К155ИР17, ЦАП типа К572ПА1, компаратор типа К554СА3, операционный усилитель К155ЛА3.

Принципиальная схема блока сопряжения 9 приведена на фиг. 3. Блок сопряжения представляет собой параллельный порт, включенный в общую шину ПЭВМ IBM PC. Он осуществляет дешифрацию кода обмена информацией и производит обмен информацией между ПЭВМ и внешними блоками. Обращение к порту осуществляется как к внешнему блоку, имеющему непосредственный адрес. Выбор действия чтение-запись информации осуществляется подачей соответствующего кода. После дешифрации адреса порта (микросхемы DD3, DD4.1-4.5; DD6-DD9) и кода обращения к нему (микросхемы DD4.6, DD5) происходит подключение соответствующей пары регистров, выполняющих функцию буфера данных. Одна пара представляет информацию от ПЭВМ к внешним блокам (DD11-DD12), другая представляет информацию от внешних блоков в ПЭВМ (DD13-DD14).

Алгоритм работы программы ПЭВМ построен по принципу разделения во времени процесса измерения и обработки данных. Сначала производится опрос всех термодатчиков 6 и запоминается массив значений АЦП 8, соответствующих температуре каждого датчика (каждое измерение берется как среднее арифметическое десяти измерений). После этого в соответствии с калибровочными характеристиками каждого термодатчика 6 производится пересчет значений АЦП в значения температуры по формуле (1) и осуществляется вывод этих значений на экране.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к измерению температурного поля нагрева СВЧ-излучением в закрытых камерах, и предназначено для контроля распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением внутри СВЧ-печи. Изобретение позволяет минимизировать искажение структуры исследуемого поля. Матрицу 1 с MxN термочувствительными элементами 2 помещают в СВЧ-камеру 3 в место, где необходимо измерить температурный рельеф. Включают СВЧ-нагрев на время, чтобы термочувствительные элементы 2 нагревались до температуры 60...80^oC. При этом все остальные закономерности структуры СВЧ-поля в камере будут отражены в температурном рельефе на термочувствительных элементах 2. Затем матрицу 1 вынимают из СВЧ-камеры 3 и помещают в термостат 4, закрывают термостат крышкой, на внутренней стороне которого установлена матрица 5 с полупроводниковыми термодатчиками 6. Соприкасаясь с соответствующим термочувствительным элементом 2, термодатчик 6, представляющий собой p - n-переход транзистора в металлическом корпусе, формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное температуре термочувствительного элемента 2. Таким образом, температурный рельеф поля СВЧ-камеры 3 трансформируется в изменение напряжения на выходе термодатчика 6. Коммутатор 7 поочередно подключает каждый термодатчик 6 к АЦП 8, в котором это напряжение преобразуется в цифровую форму и через блок сопряжения 9 поступает в ПЭВМ 10, который, используя калибровочные характеристики термодатчиков 6, вычисляет значение температуры по измеренным значениям напряжения на их выходах. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением путем помещения в исследуемое поле системы преобразователей, отличающийся тем, что систему преобразователей в виде матрицы M•N термочувствительных непроводящих элементов, размещенных на диэлектрическом основании, после СВЧ-нагрева до 60 80^oС вынимают из СВЧ-камеры, помещают в термостат и совмещают с матрицей полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных непроводящих элементов, измеряют напряжения на выходах полупроводниковых термодатчиков, пропорциональные температурам непроводящих элементов. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее систему термопреобразователей, блок съема информации о тепловом поле, последовательно соединенные коммутатор, АЦП и ПЭВМ с регистратором, отличающееся тем, что система термопреобразователей выполнена в виде матрицы M•N термочувствительных непроводящих элементов из материала с углесодержащими добавками, размещенных на диэлектрическом основании с шагом λ/4, где λ - длина волны СВЧ-колебаний, а блок съема информации выполнен в виде матрицы полупроводниковых непроводящих элементов и помещен в термостат, при этом выходы полупроводниковых термодатчиков соединены с входами коммутатора.