СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЧ-МОЩНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01R21/04 G01R29/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении интенсивности распределения СВЧ-излучения в камерах СВЧ-нагрева.

Цель изобретения - обеспечение количественной оценки распределения СВЧ-излучения.

Известен способ визуализации распределения интенсивности СВЧ-полей (см., например, Курлыков В. В. и др. Способ визуализации распределения интенсивности СВЧ-полей без применения поглощающих материалов. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1977, вып. 10, с. 105-106), заключающийся в размещении в исследуемом поле пропитанной проявителем и засвеченной фотографической пленки для голографии, затем, после воздействия СВЧ-излучения, проводят операцию фиксирования.

Недостатком описанного аналога является только качественная визуальная оценка распределения интенсивности СВЧ-поля. Указанный недостаток обусловлен тем, что определенной градации яркости, оцененной визуально на фотографической пленке, ставят в соответствие интенсивность поля в данном месте. Сравнивая отдельные участки изображения на пленке, судят о большей или меньшей степени присутствия СВЧ-поля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа датчик СВЧ-излучения (см. авт. св. N 1388817, бюл. N 14 от 15.04.88 г. Датчик СВЧ-излучения. Авторы Богатов Н.А. и др. ), содержащий поглотитель СВЧ-излучения, звукопроводы, пьезоэлемент и регистратор, регистрирующий звуковые импульсы при расширении поглотителя в результате действия СВЧ-излучения.

У прототипа и предлагаемого изобретения имеются следующие сходные существнные признаки, а именно: регистрируется тепловое расширение поглотителя при воздействии СВЧ-излучения.

Недостатком прототипа является измерение интенсивности СВЧ-излучения только импульсных источников, которые в камерах СВЧ-нагрева не используются.

Цель изобретения - определение интенсивности распределения СВЧ-излучения за счет выполнения поглотителя в виде пластины известной толщины, регистрации изменения толщины при воздействии СВЧ-излучения и вычисления выражения, содержащее толщины пластины до и после СВЧ-излучения и коэффициенты теплопроводности материала пластины.

Для достижения цели изобретение содержит следующие общие, выраженные определенным образом существенные признаки, совокупность которых направлена на решение только одной связанной с целью изобретения задачи, а именно: регистрация теплового расширения поглотителя; поглотитель выполнен в виде пластины известной толщины, выдержка пластины под воздействием СВЧ-излучения во времени, необходимом для изменения ее толщины, измерение толщины пластины в сравниваемых участках, вычисление выражения, включающее толщины пластин до и после СВЧ-излучения и коэффициенты теплопроводности материала пластины.

По отношению к прототипу у предлагаемого изобретения имеются следующие отличительные признаки, а именно: поглотитель выполнен в виде пластины известной толщины, выдержка пластины под воздействием СВЧ-излучения во времени, необходимом для изменения ее толщины, измерение толщины пластины в сравниваемых участках, вычисление выражения, включающее толщины пластины до и после СВЧ-излучения и коэффициенты теплопроводности материала пластины.

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь. При действии СВЧ-поля, например, диэлектрические материалы поглощают часть мощности излучения, называемой мощностью потерь, идущей на нагрев диэлектрика (см., например, Архангельский Ю.С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологический процессов. Изд-во Сарат. ун-та, 1983, с. 8-9)
P = 0,278•10^-12E²fεtgδ(Вт/см³) (1) ,
где
P - мощность потерь на единицу объема материала ΔV ;
E - напряженность электрического поля в данном месте;
F - частота диэлектрическая проницаемость материала;
ε
tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь материала.

В результате проникающего действия СВЧ-поля, оказываемого на диэлектрик, происходит его интенсивный нагрев изнутри, и, поместив в СВЧ-поле поглотитель, например, пенопласт в виде тонкой пластины с низкой температурой размягчения, происходит расширение (деформация) его толщины. Деформацию толщины пластины пенопласта можно объяснить выделением газов при нагреве и их расширении, но так как линейные размеры пластины в продольных направлениях намного превосходят ее толщину, то и расширение газов происходит в направлении нормалей к обеим поверхностям пластины. Расширение (деформация) толщины пластины пенопласта возможно при превышении температуры пенопласта, вызванное действием мощности потерь, температуры размягчения пенопласта. Обычно температура размягчения пенопласта составляет значение 60^oC (см., например, Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник. Колл. авт. Под ред. проф. д. т.н. Ю.М. Пятина. М.: Машиностроение, 1969, с. 492). Поэтому время действия СВЧ-излучения состоят из времени достижения температуры образца температуры размягчения и времени, необходимом для осуществления заметной деформации толщины пластины.

Выделим участок площади ΔS (см. чертеж, лежащий на плоскости симметрии, проходящей через середину толщины d₀ пластины. После воздействия СВЧ-излучения произошло изменение толщины d₀ до размеров d и приращение толщины будет иметь вид Δd = (d-d_o)/2 . По сторонам площади ΔS проведем грани под прямым углом до пересечения с деформированной поверхностью пластины. Допустим, что полученный участок площади на поверхности параллелен плоскости симметрии и равен ΔS . Обозначим полученный объем ΔV .

Тепловое сопротивление R_т материала пластины на участке между центром толщины и поверхностью определяется через параметры материала известным образом (см., например, Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец "Конструир. и произв. радиоаппаратуры. "-М.: Высш. шк., 1984, с. 26-27, 31)
R_т= d/2λ•ΔS (град/Вт) (2) ,
где
d/2 - толщина пластины в месте деформации;
λ - коэффициент теплопроводности материала пластины.

В данном объеме ΔV = ΔS•d/2 действует мощность потерь (нагрева), равная ΔV•P , и тепловое сопротивление R_т можно представить в виде
R_т= ΔT/P•ΔV (3) ,
где
ΔT - разность температур между центром пластины и ее поверхностью при нагреве.

Приращение температуры ΔT связано с температурным коэффициентом линейного расширения материала пластины ТКl, который является постоянной величиной для данного материала, соотношением
ΔT = Δd/TKl (4) .

Представляя выражения (2) и (4) в (3), получим
P = 2λ•ΔS•Δd/ΔV•d•TKl (5) .

Определение интенсивности распределения СВЧ-излучения, которая является одной из основных характеристик камеры СВЧ-нагрева (см., например, Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов, стр. 13), можно выразить через отношение мощностей потерь (1) и (5) в выбранных областях нагретой пластины (см. чертеж)
.

В связи с изменением толщины материала пластины (d₁ и d₂) соответственно будут изменяться и коэффициенты теплопроводности (λ₁ и λ₂). . Поэтому при использовании конкретного материала необходимо однажды провести измерения коэффициентов теплопроводности в зависимости от толщины, измененной путем нагрева СВЧ-излучением.

Для осуществления определения интенсивности распределения СВЧ-излучения необходимо выбрать поглотитель в виде пластины известной толщины, например, пенопласт, выдержать время воздействия СВЧ-излучения, необходимое для формирования устойчивой деформации толщины пластины, провести измерение толщины пластины в выбранных сравниваемых участках, выполнить вычисление распределения по представленному выражению (6).

Выбор поглотителя в виде пластины известной толщины обусловлен тем, что определение интенсивности распределения СВЧ-излучения проводят по результатам измерения толщины пластины в выбранных сравниваемых участках после воздействия СВЧ-излучения определенное время, необходимое для формирования устойчивой деформации.

По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность предлагаемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию новизны.

По мнению авторов, сущность предлагаемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не выделяется вышеуказанное влияние на полученный технический результат - новое свойство объекта - совокупность признаков, которые отличают от прототипа изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в технике измерения интенсивности СВЧ-излучения, в частности, при определении интенсивности распределения в камерах СВЧ-нагрева, с получением технического результата, заключающегося в выборе поглотителя в виде пластины известной толщины, обусловливающего обеспечение достижения поставленной цели - определение интенсивности распределения СВЧ-излучения, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На чертеже поясняется сущность изобретения.

На чертеже изображено: сечение пластины толщиной d после воздействия СВЧ-излучения с указанием толщины d₀ пластины до влияния СВЧ-поля, обозначенной штриховыми линиями; площади ΔS ; элемент объема ΔV , образованный как ΔS•d/2 ; условное обозначение теплового сопротивления R_т по принятой аналогии теплоэлектрической модели; толщины пластины d₁ и d₂ Δd₁ и Δd₂ в двух выбранных участках сравнения.

Итак, согласно формуле изобретения предлагаемого способа процесс определения интенсивности распределения СВЧ-излучения целесообразно осуществить следующим образом.

Допустим, что в качестве поглотителя выбран пористый материал - пенопласт, имеющий низкую температуру размягчения, а также являющийся наиболее доступным материалом. Допустим также, что площадь ΔS много меньше площади поперечного сечения пор пенопласта. Тогда толщину d₀ можно представить как чередование заполненных газом пор с общим размером d_газ и твердых планок между ними с общим размеров d_тв, и d₀=d_газ+d_тв. Известным параметром является удельная плотность пенопласта δ , например, равная 0,05 г/см³, а также удельная плотность твердой основы пенопласта, например, 1,0 г/см³. При таком соотношении плотностей линейные размеры будут соотносится как d_тв/d_газ=1/2. Согласно выражению (2) описания изобретения тепловое сопротивление R_т будет представлено в виде суммы тепловых сопротивлений твердой и газообразной частей толщины d₀
R_т= R_ттв+R_тгаз= d_тв/2λ_твΔS+d_газ/2λ_газΔS (7) .

Известным является коэффициент теплопроводности λ_тв пенопласта, например, равный 0,2 Вт/м•К, и коэффициент теплопроводности λ_газ , например, воздуха, равный 0,02 Вт/м•К. Подставляя полученные данные в выражение (7) намного превышает (в нашем случае в 20 раз) первое слагаемое, которым можно пренебречь. Изменение толщины пенопласт главным образом происходит за счет увеличения размеров пор d = d_тв+(d_газ+2Δd), , так как неизменность размера d_тв обусловлена ничтожно малым температурным коэффициентом линейного расширения твердой диэлектрической основы и существенным температурным коэффициентом расширения газа. Поэтому для вычисления выражения (6) с использованием материала поглотителя - пенопласта, коэффициенты теплопроводности λ₁ и λ₂ материала пластины заменяются на коэффициенты теплопроводности газа (воздуха) λ_газ1 и λ_газ2 . Однако в диапазоне изменения температуры материала пластины - пенопласта (от 60^oC до 120^oC) отношение λ_газ1/λ_газ2≃ 1 с погрешностью, не превышающей 15%. Дальнейшее расширение толщины пенопласта приведет к еще большей разнице тепловых сопротивлений твердой основы R_ттв и пор R_тгаз.

Пенопласт толщиной d₀=0,02 м подвергался воздействию нескольких источников СВЧ-излучения мощностью 1,5 кВт каждый в камере СВЧ-нагрева. Определялась интенсивность распределения СВЧ-излучения в двух участках с размерами толщин d₁=0,03 м и d₂=0,04 м. Тогда, подставляя полученные данные в выражение (6), получим относительное изменение мощности потерь равным 0,90, причем чем ближе значение толщины d₁ и d₂, тем меньше погрешность определения за счет стремления отношения λ_газ1/λ_газ2 к единице.

Как показали результаты опытной проверки, при использовании предлагаемого способа обеспечивается достижение следующих показателей, а именно: количественное определение интенсивности распределения СВЧ-излучения по результатам измерения толщины пластины и коэффициентов теплопроводности материала пластины для разных толщин.

Согласно данным проведенных экспериментов изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующим преимуществом: было известно определение интенсивности СВЧ-излучения импульсных источников, стало возможным количественно определить интенсивность распределения СВЧ-излучения источников, генерирующих как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы, а также при любом другом режиме работы.

Предлагаемый способ определения интенсивности распределения СВЧ-излучения представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит обеспечить коррекцию мест вводов СВЧ-энергии в камеру СВЧ-нагрева с целью достижения равномерности распределения СВЧ-излучения, а также может быть использовано для проведения аттестации камер по равномерности распределения уровня СВЧ излучения.

Предлагаемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение возможно использовать в камерах СВЧ-нагрева для определения интенсивности распределения греющей мощности. С целью определения интенсивности распределения СВЧ-излучения поглотитель выполняют в виде пластины известной толщины, выдерживают в камере нагрева под действием СВЧ-излучения определенное время, необходимое для изменения толщины пластины, измеряют толщину пластины в сравниваемых участках, а интенсивность распределения СВЧ излучения определяют по выражению
P₁/P₂ = λ₁d₂(1-d₀/d₁)/λ₂d₁(1-d₀/d₂) ,
где Р₁, Р₂ - мощность потерь материала пластины в сравнивемых участках;
d_о - толщина пластины до воздействия СВЧ излучения;
d₁, d₂ - толщины пластины в выбранных участках сравнения после воздействия СВЧ-излучения;
λ₁ , λ₂ - известные коэффициенты теплопроводности материала пластины, определенные для разных значений ее толщины. 1 ил.

Способ определения интенсивности распределения СВЧ-излучения, заключающийся в регистрации теплового расширения поглотителя СВЧ-излучения, отличающийся тем, что поглотитель выполняют в виде пластины известной толщины и по истечении времени, необходимого для изменения толщины пластины под воздействием СВЧ-излучения, измеряют толщину пластины в сравниваемых участках, а интенсивность распределения СВЧ-излучения определяют по выражению
P₁/P₂= λ₁•d₂(1-d₀/d₁)/λ₂d₁(1-d₀/d₂),
где P₁, P₂ - мощности потерь материала пластины в сравниваемых участках;
d_о - толщина пластины до воздействия СВЧ-излучения;
d₁, d₂ - толщины пластины в выбранных участках сравнения после воздействия СВЧ-излучения;
λ₁,λ₂ - известные коэффициенты теплопроводности материала пластины, определенные для разных значений ее толщины.