Способ измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ- излучением и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК G01K7/01 G01K11/32 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к измерению температурного поля нагрева СВЧ-излучением в закрытых камерах, и предназначено для контроля распределения электромагнитного и 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. G01R 29/08, 1985; авт. св. СССР N 603921, кл. G01R 29/08, 1976; патент США N 3931573, кл. G01R 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. G01K 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.

Так же есть устройство для осуществления измерений распределений теплового поля нагрева СВЧ-излучением по авт. св. №2099727, кл. G01R 21/00, G01R 29/00, Н05В 6/00 содержащее матрицу с M×N термопреобразователями которую помещают в рабочую камеру в место, где необходимо измерить температурный рельеф. Включают СВЧ-нагрев на время, чтобы термопреобразователь нагрелись до температуры 60…80 градусов. При этом все остальные закономерности структуры СВЧ-поля в камере будут отражены в температурном рельефе на термопреобразователях. Затем матрицу вынимают из СВЧ-камеры и помещают в термостат, закрывают термостат крышкой, на внутренней стороне которого установлена матрица с M×N полупроводниковыми датчиками температуры. Соприкасаясь с соответствующим термопреобразователем, каждый полупроводниковый датчик температуры, представляющий собой p-n-переход транзистора в металлическом корпусе, формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное температуре термопреобразователя. Таким образом, температурный рельеф поля СВЧ-камеры трансформируется в изменение напряжения на выходе полупроводникового датчика температуры и через коммутатор, АЦП, интерфейс поступает в ПЭВМ.

ПЭВМ, используя калибровочные характеристики термопреобразователя и полупроводникового датчика температуры, вычисляют распределения тепловых полей в рабочей камере и как решение обратной задачи распределение интенсивности ЭМП в ней. Недостатком известного устройства является то, что при перемещении матрицы термопреобразователей вносит определенную погрешность в измерениях.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в минимизации искажений структуры исследуемого СВЧ-поля внутри камеры СВЧ при контроле теплового поля, создаваемого СВЧ-излучением, а также минимизация погрешности в измерении температуры.

Задача решена тем, что при осуществлении способа измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением путем помещения в исследуемое поле системы преобразователей в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов, размещенных на диэлектрическом основании, которые нагревают СВЧ-излучением, а затем измеряют их температуру, отличающийся тем что предварительно в каждый из термочувствительных непроводящих элементов встраивают волоконно-оптический датчик температуры, которые последовательно соединяют, нагревание ведут до 60-300 градусов, а измерение температуры осуществляют с помощью измерения их центральных длин волн, значение которых изменяется пропорционально изменению температуры.

Задача решена также тем, что в устройстве для осуществления способа измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением, содержащее систему термопреобразователей, которая 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-излучения, блок съема информации о тепловом поле, последовательно соединенные АЦП и ПЭВМ с регистратором, отличающееся тем, что в каждый термопреобразователь встроен волоконно-оптический датчик температуры, все волоконно-оптические датчики температуры соединены последовательно, вход первого датчика через циркулятор соединен с широкополосным лазерным источником, а второй выход циркулятора через фотоприемник соединен с входом АЦП.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением; на фиг. 2 приведена функциональная оптико-электронная схема опроса для АВБС с нормировкой выходного сигнала перед фотоприемником; на фиг. 3 пример зависимости температуры, с помощью предложенного способа.

Устройство по фиг. 1 в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов с волоконно оптическим датчиком температуры, которые последовательно соединены волокном 8, размещенных на диэлектрическом основании 1, помещают в исследуемое поле системы 3. Для измерения температуры преобразователей 2 через циркулятор 6 засвечиваются излучением широкополосного лазерного диода 4 с помощью оптического фильтра 5. Отраженное преобразователей 2 излучение через второе плечо циркулятора 6 попадает на оптический фильтр с наклонной линейной характеристикой 9 и далее на фотоприемник 10 с полосой пропускания, равной максимальной адресной частоте, присущей структурам массива. Обработанный АЦП 11 сигнал с выхода фотоприемника 10 поступает на ПЭВМ 7.

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

Преобразователи 2 с волоконно оптическим датчиком температуры в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов, которые последовательно соединены волокном 8, размещенных на диэлектрическом основании 1, помещают в исследуемое поле системы 3. Включают СВЧ нагрев на время, что бы преобразователи 2 нагревались до температуры 60…300 градусов. Для измерения температуры преобразователей 2 через циркулятор 6 засвечиваются излучением широкополосного лазерного диода 4 с помощью оптического фильтра 5. Отраженное преобразователей 2 излучение через второе плечо циркулятора 6 попадает на оптический фильтр с наклонной линейной характеристикой 9 и далее на фотоприемник 10 с полосой пропускания, равной максимальной адресной частоте, присущей структурам массива. Обработанный АЦП 11 сигнал с выхода фотоприемника 10 поступает на ПЭВМ 7, в котором хранится калибровочные характеристики каждого термодатчика. Калибровка заключается в том, что формируется файл данных, содержащих значения АЦП для каждого термодатчика для двух температур - А₁ для Т₁ и А₂ для Т₂. Промежуточные значения температур вычисляются по формуле

где А - значение АЦП, соответствующее температуре Т, где A₁ и А₂ - значения АЦП для каждого термодатчика 6 для двух температур: 1 (20.24°С комнатная температура) и t₂ (при нагреве до 60.80°С); А измеренное значение напряжения термодатчика (на выходе АЦП). На экране ПЭВМ 7 индицируется значение температур каждого термодатчика 6. Затем производят "запись в файл" полученных результатов измерения и при необходимости вывод на печать. На фиг. 3 приведен пример распечатки измеренного в 60 точках (матрица 6×10) рельефа температурного поля, где видно, что максимальный перепад может достичь значения 2,2 (73:33).

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

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к измерению температурного поля нагрева СВЧ-излучением в закрытых камерах, и предназначено для контроля распределения электромагнитного и теплового поля нагрева СВЧ-излучением. Согласно заявленному решению преобразователи с волоконно-оптическим датчиком температуры 2 в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов, которые последовательно соединены волокном 8, размещённых на диэлектрическом основании 1, помещают в исследуемое поле системы 3. Включают СВЧ-нагрев на время, чтобы преобразователи 2 нагревались до температуры 60-300°С. Для измерения температуры преобразователей 2 через циркулятор 6 засвечиваются излучением широкополосного лазерного диода 4 с помощью оптического фильтра 5. Отраженное от преобразователей 2 излучение через второе плечо циркулятора 6 попадает на оптический фильтр с наклонной линейной характеристикой 9 и далее на фотоприемник 10 с полосой пропускания, равной максимальной адресной частоте, присущей структурам массива. Обработанный АЦП 11 сигнал с выхода фотоприемника 10 поступает на ПЭВМ 7. ПЭВМ, используя калибровочные характеристики ТП, МАВБС и ОФНЛХ, вычисляет распределения тепловых полей в рабочей камере и как решение обратной задачи распределение интенсивности ЭМП в ней. Технический результат - изобретение позволяет минимизировать искажение структуры исследуемого поля, а также определяется отсутствием взаимодействия измеряемых ЭМП и элементов измерительной аппаратуры, высоким быстродействием, устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, диэлектрическим характером соединений в системах, пожаробезопасностью, малыми массой и габаритами, работоспособностью в широком диапазоне температур и, наконец, возможностью объединения в волоконно-оптическую систему съема, передачи и обработки информации, управления и синхронизации процессов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением путем помещения в исследуемое поле системы преобразователей в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов, размещенных на диэлектрическом основании, которые нагревают СВЧ-излучением, а затем измеряют их температуру, отличающийся тем, что предварительно в каждый из термочувствительных непроводящих элементов встраивают волоконно-оптический датчик температуры, которые последовательно соединяют, нагревание ведут до 60-300°С, а измерение температуры осуществляют с помощью измерения их центральных длин волн, значение которых изменяется пропорционально изменению температуры.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее систему термопреобразователей, которая 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-излучения, блок съема информации о тепловом поле, последовательно соединенные АЦП и ПЭВМ с регистратором, отличающееся тем, что в каждый термопреобразователь встроен волоконно-оптический датчик температуры, все волоконно-оптические датчики температуры соединены последовательно, вход первого датчика через циркулятор соединен с широкополосным лазерным источником, а второй выход циркулятора через фотоприемник соединен с входом АЦП.