15 мая 2016г.
Work microwave generator without load is the failure of the magnetron. To recognize the emergency mode can be used by low-frequency energy dissipation.
We consider two microwave systems for the treatment of products with safety devices Keywords: microwave generator, magnetron, failure mode detection alarm/
Эффективность многих технологических процессов современного АПК может быть существенно повышена за счет использования энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля. Уже сегодня СВЧ-энергия успешно применяется для интенсивного нагрева различных веществ, в процессах сушки, экстрагирования, разрушения сельскохозяйственных материалов, а также для биологического угнетения или стимуляции [4]. Реализация перечисленных процессов обычно осуществляется в СВЧ-установках дискретного действии, в которых обрабатываемые продукты загружаются в рабочую камеру, после чего включается СВЧ-генератор. В таких установках экспозиция воздействия задается сочетанием продолжительности и интенсивности работы СВЧ- генератора. В аналогичном режиме эксплуатируются бытовые микроволновые печи, которые повсеместно используются для разогрева и приготовления пищи.
К сожалению широкое внедрение СВЧ-техники существенно сдерживается ее невысокой надежностью, проявляющейся в выходе из строя магнетрона при включении с незагруженной рабочей камерой. Такой режим работы для СВЧ-устройств является аварийным, поскольку генератор работает в несогласованном режиме. Самым неблагоприятным следствием аварийного режима является возникновение обратной волны, которая вызывает перегрев и последующее разрушение катода.
Следует отметить, что на практике аварийные режимы возникают довольно часто. Причиной аварийных режимов обычно бывают ошибочные действия оператора, который выполняет монотонные операции, устает и допускает нарушения технологии.
На сегодняшний день разработан целый ряд устройств защиты СВЧ-генераторов от аварийных режимов. Среди них наибольшее распространение получили устройства, принцип действия которых основан на анализе кривой тока в цепи анодного питания магнетрона [3]. Несмотря на простую техническую реализацию эти устройства обладают некоторыми недостатками. Главный среди них – необходимость периодической подстройки по мере старения магнетрона. Кроме того, работа таких устройств защиты сопряжена с их включением в высоковольтную анодную цепь, что снижает уровень безопасности при обслуживании и эксплуатации.
В процессе экспериментальной работы с СВЧ-генераторами было замечено, что при возникновении аварийного режима повышается уровень низкочастотного излучения вне рабочей камеры (в окрестности магнетрона, а точнее, в окрестности цепи его питания). При этом в зависимости от места расположения измерителя уровень излучения может меняться на 40…50%. При питании магнетрона однополярным выпрямленным напряжением частота рассеянного излучения в основном соответствует третьей и пятой гармоникам и в меньшей степени – первой гармонике. Обнаруженное явление оказалось достаточно стабильным и вполне пригодным для построения на его основе устройств защиты СВЧ-генераторов от аварийных режимов. Ряд разработанных и испытанных устройств защиты продемонстрировал удовлетворительные показатели, которые определили возможность использования этих устройств в СВЧ-установках широкого назначения.
Ниже приведено описание двух таких установок, предназначенных для порционной СВЧ-обработки сельскохозяйственных продуктов на основе магнетрона М-105.
Установка для СВЧ-обработки [1] содержит рабочую камеру 1 с генератором
2 СВЧ на магнетроне, датчик 3 аварийного режима, усилитель 4 мощности и реле 5, размыкающие контакты 6 которого установлены в цепи питания генератора 2 СВЧ. Датчик
3 аварийного режима состоит из катушки 7 индуктивности, фильтра 8 низких частот, усилителя 9, порогового элемента 10, элемента «И» 11, триггера 12, а также первого 13 и второго 14 элементов задержки.
Установка для СВЧ-обработки функционирует следующим образом.
Генератор 2 СВЧ вырабатывает сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, которые, попадая в рабочую камеру 1, воздействуют на находящиеся внутри нее продукты. При этом вне рабочей
камеры 1 создается переменное поле за счет рассеяния электромагнитной энергии. Величина рассеиваемой энергии меняется по периодическому закону и характеризуется широким частотным спектром с преобладанием гармонической составляющей с частотой питающего напряжения (50 Гц). Амплитуда преобладающей частоты не зависит от режима работы установки для СВЧ-обработки, определяемого наличием нагрузки в рабочей камере 1. Амплитуды составляющих высших частот непосредственно связаны с режимом работы и возрастают с уменьшением массы обрабатываемого материала.
За счет переменной энергии рассеяния в датчике 3, а именно, в катушке 7, наводится ЭДС порядка 4…6 мВ при нормальном режиме работы и 8…10 мВ при аварийном.
При расположении катушки 7 в непосредственной близости к корпусу магнетрона (на расстоянии, меньшем 3
см)
тепловые потери увеличиваются. При удалении катушки 7 от магнетрона на 10 см и более
резко снижается величина наводимой ЭДС, что нежелательно.
Электрический сигнал с катушки 7 подается на вход фильтра 8. Фильтр 8 является полосовым устройством, пропускающим колебания с частотой, превышающей 150 Гц. Далее электрический сигнал через усилитель 9 поступает
на пороговый элемент 10. При нормальном режиме работы величина этого сигнала составляет 3 В,
при аварийном – 7 В. На выходе порогового элемента 10 появляется логическая единица (например, величиной 9 В для КМОП-логики) в случае превышения величиной информативного сигнала величины опорного уровня порогового элемента (например, в 5 В). В аварийном режиме работы амплитуда информативных импульсов оказывается больше опорного сигнала и на выходе порогового элемента 10 появляются логические единицы (импульсы).
С выхода порогового элемента 10 электрические импульсы поступают на первый вход элемента «И» 11. Автоматический анализ режима работы устройства для СВЧ-обработки осуществляется с помощью первого 13 и второго 14 элементов задержки. Второй элемент 14 задержки обеспечивает выдержку времени 5 с, и при получении входного сигнала одновременно с включением устройства через 5 с на его выходе появляется логическая единица, поступающая на вход элемента «И» 11. На выходе элемента «И» 11 появляется логическая единица только при одновременном наличии логических единиц на его обоих входах. Таким образом, в случае аварийного режима через 5 с после включения на выходе элемента «И» 11 появляются импульсы, возникающие на выходе порогового элемента 10.
Второй элемент 14 задержки введен для предотвращения ложного срабатывания в период переходных процессов, протекающих в генераторе 2 СВЧ в течение 4…5 с после включения. Поэтому элемент «И» 11 оказывается нечувствительным к помехам, сопровождающим переходный процесс.
Последний переводится в устойчивое состояние, и на его выходе появляется логическая единица.
При включении устаноки для СВЧ-обработки входной сигнал также получает элемент 13 задержки, обеспечивающий выдержку времени в 12 с. Через 12 с после включения на его выходе появляется логическая единица, поступающая на вход триггера 12, переводя последний в исходное состояние и обеспечивая его нечувствительность к случайным импульсам на первом входе (возникающим, например, вследствие резкого колебания напряжения питания, внешних наводок, помех и т.д.).
Таким образом, при автоматическом анализе режима работы установки для СВЧ-обработки аварийный режим успевает проявиться серией импульсов, формируемых фильтром 8 низких частот, и вызвать появление логической единицы на выходе триггера 12 (при малой вероятности ложного срабатывания). В случае аварийного режима сигнал с выхода триггера 12 подается на вход усилителя 4 мощности, а с выхода последнего – на обмотку реле 5, вызывая
его срабатывание и размыкание контактов 6. При этом питание генератора 2 СВЧ отключается. Для повторного включения необходимо устранить причину аварийного режима и осуществить подачу питания вручную.
К сожалению, описанная установка для СВЧ-обработки может оказаться
неработоспособной при существенном изменении напряжения питания. Для преодоления этого недостатка была разработана усовершенствованная установка для СВЧ-обработки [2]. Функциональная схема этой установки представлена на Рисунке 2, а ее принципиальная электрическая схема
– на Рисунке 3.
Усовершенствованная установка для СВЧ-обработки содержит генератор 1 СВЧ на магнетроне VL1, сочлененный с рабочей камерой 2 и устройство 3 защиты. Устройство 3 защиты состоит из первичного преобразователя 4, выполненного в виде антенны А1 в форме крестообразного турникета. Длина турникета равна половине длины волны
СВЧ-энергии, вырабатываемой генератором
1 СВЧ. Первичный преобразователь 4 установлен около магнетрона (на расстоянии 5…10 см от него) вне рабочей камеры 2. К выходу первичного преобразователя 4 подключен первый выпрямитель 5 со средней точкой на диодах VD5 и VD6. Выход первого выпрямителя 5 подсоединен к положительному входу элемента 6 сравнения с положительным и отрицательным входами, собранного на резисторах R7, R8 и R9. Вход второго выпрямителя 7, выполненного по мостовой схеме на диодной сборке VD7, подключен в цепь питания генератора 1 СВЧ. Выход второго выпрямителя 7 через делитель 8 напряжения, собранный на резисторах R10 и R11, подсоединен к отрицательному входу элемента 6 сравнения. Выход элемента 6 сравнения подключен к катушке реле 9 KV1. Нормально замкнутый контакт 10 KV1.1 реле 9 KV1 установлен в цепи питания генератора 1 СВЧ.
Разнополярность входов элемента 6 сравнения достигается за счет последовательного соединения выпрямителя 5 и резистора R9, входящего в состав элемента 6 сравнения. Причем, выпрямленные напряжения, образующиеся на резисторах R9 и R7 (или R8), направлены навстречу друг другу.
Усовершенствованная установка для СВЧ-обработки действует следующим образом. Генератор 1 СВЧ вырабатывает сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, которые, попадая в рабочую камеру 2, воздействуют на находящиеся в ней продукты. При этом в окрестности магнетрона VL1 вне рабочей камеры 2 за счет некоторой несогласованности генератора 1 СВЧ с нагрузкой происходит рассеяние электромагнитной энергии. В первичном преобразователе 3 наводится ЭДС,, которая выпрямляется первым выпрямителем 5 и подается на положительный вход элемента 6 сравнения. Таким образом, при наличии продуктов в рабочей камере 2, то есть при нормальном режиме работы, на положительном входе элемента 6 сравнения формируется напряжение порядка 280 мВ. Одновременно напряжение питания поступает на вход второго выпрямителя 7, а с его выхода – через делитель 8 напряжения – на отрицательный вход элемента 6 сравнения. При нормальном напряжении питания величина напряжения на отрицательном входе элемента 6 составляет 20 мВ.
В элементе сравнения 6 происходит уменьшение напряжения на его положительном входе на величину напряжения на отрицательном входе. На выходе элемента 6 сравнения формируется напряжение, определяемое соотношением
𝑈вых = 𝑈1 − 𝑈2 ,
где 𝑈1 – напряжение на выходе первого выпрямителя 5, В; 𝑈2 – напряжение на выходе делителя 8,
В. При нормальном режиме работы
𝑈вых = 250 мВ.
С
выхода элемента 6 сравнения напряжение подается на катушку реле 9
KV1. При нормальном режиме
работы и нормальном напряжении питания реле 9 KV1 остается
в нерабочем состоянии, а его контакт KV1.1 – замкнутым. Генератор 1 СВЧ продолжает получать питание, и процесс СВЧ-обработки продуктов не прерывается. При понижении напряжения питания, например, до 210 В, уровень рассеяния снизится. Это определит уменьшение величины ЭДС, наводимой в первичном преобразователе 4, и напряжения на выходе первого выпрямителя 5 до 260 мВ. Одновременно произойдет
уменьшение величины напряжения на выходе второго выпрямителя 7 и на выходе делителя 8 напряжения до 10 мВ. Вместе с тем, в результате вычитания встречно направленных напряжений величина напряжения, формирующегося на выходе элемента 6 сравнения остается неизменной, то есть 250 мВ. Аналогично увеличение напряжения питания не вызовет изменения напряжения на катушке реле 9 KV1, поскольку повышение напряжения на выходе первого выпрямителя 5 будет скомпенсировано повышением напряжения на выходе делителя 8 напряжения. С увеличением несогласованности генератора 1 СВЧ с нагрузкой, возникающей при уменьшении массы обрабатываемых продуктов по отношению к номинальной, и особенно, при их отсутствии (при аварийном режиме) уровень
рассеиваемой энергии возрастает. При нормальном напряжении питания величина ЭДС, наводимой в первичном преобразователе 4, увеличивается, и величина напряжения на выходе первого выпрямителя 5 достигает 350 мВ.
В то
же время величина
напряжения на выходе делителя 8 напряжения остается равной
20 мВ. Поэтому в результате вычитания
напряжений на
положительном и
отрицательном входах элемента 6 сравнения на его выходе формируется напряжение порядка 330 мВ. Величина этого напряжения превышает
значение порога срабатывания реле 9 KV1, его контакт KV1.1 размыкается,
и цепь питания генератора 1 СВЧ обесточивается.
Таким образом, при отклонении напряжения питания от нормального в аварийном режиме работы устройства 3 защиты не нарушается, поскольку изменение напряжения на выходе первого выпрямителя 5 компенсируется изменением напряжения на выходе делителя 8 напряжения.
Список литературы
1.
Авторское свидетельство № 1596493 СССР МКИ H 05 B 6/64 Устройство СВЧ-обработки / Бородин И.Ф., Андреев С.А., Андержанов А.Л., Соколов А.И., Семенов Л.А., Пипко А.И., Прокудин А.С., Юрков Б.С. – 4441128/24 –09; заявл. 10.05.1988; опубл. 30.09.1990. Бюл. № 36.
2.
Авторское свидетельство № 1822630 СССР МКИ A 01 C 1/00, H 05 B 6/68 Установка для СВЧ-обработки / Бородин И.Ф., Андреев С.А., Андержанов А.Л. Соколов А.И. – 4922734/15; заявл. 29.03.1991; опубл. 23.06.1993. Бюл.№ 23.
3.
Андреев С.А. Исследование зависимости параметров цепи питания СВЧ-генератора от нагрузки / Г.А. Шарков, С.А. Андреев // Электроавтоматизация в сельских установках. Сборник научных трудов МИИСП – М.: МИИСП, 1985 – С.12…16.
4. Применение СВЧ-энергии в
сельском хозяйстве / И. Ф. Бородин, Г. А. Шарков, А. Д. Горин, 53 с. ил. 22 см, М. ВНИИТЭИагропром 1987.
