RU2570293C2

RU2570293C2 - Method of uhf-treatment of dielectric materials (options)

Info

Publication number: RU2570293C2
Application number: RU2014112883/06A
Authority: RU
Inventors: Светлана Николаевна Лаптева
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-12-10
Also published as: RU2014112883A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention relates to UHF power engineering, and can be used during UHF drying and UHF treatment of the construction materials. Method of UHF-treatment of dielectric materials under first option means, that dielectric material with known dielectric permeability and tangent of angle of dielectric losses is loaded in the metal chamber, is exposed to UHF radiation, at that the dielectric material is located in the metal chamber against and perpendicular to UHF emitter exposing by UHF radiation by supply of the electromagnetic waves at right angle to its surface, selecting dimensions of UHF emitter opening, and reactive component of the input resistance is compensated. Under second option the method means, that dielectric material with unknown dielectric permeability and tangent of angle of losses is loaded in the metal chamber, exposed to UHF radiation, at that the dielectric material is located in the metal chamber against and perpendicular to UHF emitter exposing by UHF radiation by supply of the electromagnetic waves at right angle to its surface, position of waveguide line section is determined, where input resistance is equal to wave resistance, UHF emitter is located at distance divisible by integral value of lengths of half-waves from determined distance between UHF emitter and border between the treated surface of the dielectric material and free space.

EFFECT: minimisation of reflection of UHF emitter electromagnetic waves from layer of dielectric materials, this results in maximum absorption of UHF energy by the dielectric materials, and energy consumption decreasing.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области СВЧ-энергетики и может быть использовано при СВЧ-сушке и СВЧ-обработке строительных материалов.The invention relates to the field of microwave energy and can be used for microwave drying and microwave processing of building materials.

В СВЧ-энергетике обработка вещества производится с помощью мощного потока СВЧ-электромагнитных волн. Между излучателем электромагнитных волн и обрабатываемым материалом имеется область свободного пространства, волновое сопротивление которого обычно отличается от сопротивления обрабатываемого материала. На границе раздела неизбежно возникают отражения, которые приводят в дальнейшем к нарушению режима работы генератора СВЧ и линии передачи. Кроме того, значительная амплитуда отраженной от вещества волны означает, что она поглощается не в обрабатываемом материале, а направляется опять в излучатель. Последнее, кроме нарушения режима линии, работы генератора, вызывает также резкое уменьшение КПД всей установки [Черняев Л.К. Согласование в высокочастотных трактах. - М.: Сов. Радио, 1967, с. 67]. Для уменьшения коэффициента отражения может быть использован «просветляющий» слой диэлектрика с электрическими характеристиками, являющимися средним геометрическим из характеристик свободного пространства и диэлектрика, при этом толщина «просветляющего» слоя должна быть равной четверти длины волны в нем. Эта идея широко распространена в оптике [Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. Электрические поля и волны. - М.: Сов. радио, 1971, с. 240]. Подобный подход является малопродуктивным в СВЧ-энергетических установках, так как требует для каждого из обрабатываемых материалов «своего» диэлектрика достаточно большой толщины с минимальными потерями в нем.In microwave energy, the processing of substances is carried out using a powerful stream of microwave electromagnetic waves. Between the emitter of electromagnetic waves and the processed material there is a region of free space, the wave resistance of which usually differs from the resistance of the processed material. At the interface, reflections inevitably occur, which subsequently lead to a violation of the operating mode of the microwave generator and transmission line. In addition, a significant amplitude of the wave reflected from the substance means that it is not absorbed in the material being processed, but is sent again to the emitter. The latter, in addition to the violation of the line mode, the operation of the generator, also causes a sharp decrease in the efficiency of the entire installation [Chernyaev L.K. Matching in high frequency paths. - M .: Owls. Radio, 1967, p. 67]. To reduce the reflection coefficient, an “antireflective” layer of a dielectric with electrical characteristics that are the geometric mean of the characteristics of free space and a dielectric can be used, while the thickness of the “antireflection” layer should be equal to a quarter of the wavelength in it. This idea is widespread in optics [L.D. Goldstein, N.V. Grains. Electric fields and waves. - M .: Owls. radio, 1971, p. 240]. Such an approach is unproductive in microwave power plants, since it requires for each of the materials to be processed its “own" dielectric of a sufficiently large thickness with minimal losses in it.

Наиболее близким к предложенному способу техническим решением, принятым за прототип, является способ СВЧ-сушки древесины, заключающийся в увеличении скорости сушки древесины за счет того, что получают минимальное (нулевое) значение интенсивности отраженного излучения [патент RU 2114361, Кл. F26B 3/347, 1998]. В основу прототипа положен принцип согласования пространства с веществом путем подбора угла падения волны. Способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сорта укладывают горизонтально рядами с зазором между досками. Сложенный штабель облучают СВЧ-излучением с одной или двух его поверхностей. Облучают поверхность штабеля СВЧ-излучением с поляризацией, параллельной плоскости падения, под углом Брюстера, который поддерживают постоянным в процессе сушки путем изменения направления облучения.Closest to the proposed method, the technical solution adopted for the prototype is a method of microwave drying of wood, which consists in increasing the drying speed of wood due to the fact that receive the minimum (zero) value of the intensity of the reflected radiation [patent RU 2114361, Cl. F26B 3/347, 1998]. The prototype is based on the principle of matching space with matter by selecting the angle of incidence of the wave. The method of microwave drying of wood consists in the fact that lumber of the same grade is laid horizontally in rows with a gap between the boards. A folded stack is irradiated with microwave radiation from one or two of its surfaces. The stack surface is irradiated with microwave radiation with polarization parallel to the plane of incidence, at a Brewster angle, which is kept constant during the drying process by changing the direction of irradiation.

Реальные же диэлектрики, обрабатываемые в СВЧ-установках, всегда имеют большие потери электромагнитной энергии. Кроме того, в случае нечетко выраженной границы раздела сред (сыпучие материалы) угол падения электромагнитной волны для разных участков будет различный, что не дает возможности в полной мере реализовать предложенный способ. Процесс сушки занимает длительное время, а нагрев материала должен осуществляться медленно, следовательно, является энергоемким. Эти недостатки свойственны прототипу.Real dielectrics processed in microwave installations always have large losses of electromagnetic energy. In addition, in the case of a clearly defined interface of the media (bulk materials), the angle of incidence of the electromagnetic wave for different sections will be different, which makes it impossible to fully implement the proposed method. The drying process takes a long time, and the heating of the material should be carried out slowly, therefore, it is energy intensive. These disadvantages are characteristic of the prototype.

Известно, что все диэлектрические вещества характеризуются диэлектрической проницаемостью (ε) и тангенсом угла диэлектрических потерь (tg δ). На практике чаще всего приходится работать с диэлектрическими веществами неизвестных электрических характеристик.It is known that all dielectric substances are characterized by dielectric constant (ε) and dielectric loss tangent (tan δ). In practice, most often you have to work with dielectric substances of unknown electrical characteristics.

Техническим результатом изобретения является минимизация отражения электромагнитных волн СВЧ-излучателя от слоя диэлектрических материалов, что ведет к максимальному поглощению СВЧ-энергии диэлектрическими материалами, а также снижение энергоемкости.The technical result of the invention is to minimize the reflection of electromagnetic waves of a microwave emitter from a layer of dielectric materials, which leads to maximum absorption of microwave energy by dielectric materials, as well as a decrease in energy intensity.

Это достигается двумя вариантами решения задачи.This is achieved by two options for solving the problem.

Согласно первому варианту способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов заключается в том, что диэлектрический материал с известной диэлектрической проницаемостью (ε) и тангенсом угла диэлектрических According to the first embodiment, the method of microwave processing of dielectric materials is that a dielectric material with a known dielectric constant (ε) and dielectric tangent

потерь (tg δ) помещают в металлическую камеру напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, подбирают размеры раскрыва СВЧ-излучателя и компенсируют реактивную составляющую входного сопротивления.loss (tan δ) is placed in a metal chamber opposite and perpendicular to the microwave emitter, irradiated with microwave radiation by supplying electromagnetic waves perpendicular to its surface, the aperture of the microwave emitter is selected and the reactive component of the input resistance is compensated.

Согласно второму варианту способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов состоит в том, что диэлектрический материал с неизвестной диэлектрической проницаемостью (ε) и тангенсом угла потерь (tg δ) помещают в металлическую камеру напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, определяют положение сечения волноводной линии, в котором входное сопротивление равно волновому. СВЧ-излучатель располагают на расстоянии, кратном целому числу длин полуволн от найденного расстояния между СВЧ-излучателем и границей раздела поверхности диэлектрического материала и свободного пространства (l).According to the second embodiment, the method of microwave processing of dielectric materials is that a dielectric material with an unknown dielectric constant (ε) and a loss tangent (tan δ) is placed in a metal chamber opposite and perpendicular to the microwave emitter, irradiated with microwave radiation by supplying electromagnetic waves perpendicularly its surface, determine the position of the section of the waveguide line, in which the input impedance is equal to the wave. The microwave emitter is located at a multiple of an integer number of half-wavelengths from the found distance between the microwave emitter and the interface of the surface of the dielectric material and free space (l).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ, согласно первому варианту, отличается тем, что диэлектрический материал размещают в металлической камере напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучая СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, подбирают размеры раскрыва СВЧ-излучателя и компенсируют реактивную составляющую входного сопротивления.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method, according to the first embodiment, is characterized in that the dielectric material is placed in a metal chamber opposite and perpendicular to the microwave emitter, irradiating the microwave radiation by supplying electromagnetic waves perpendicular to its surface, the opening dimensions of the microwave emitter are selected and compensate for the reactive component of the input resistance.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ, согласно второму варианту, отличается тем, что диэлектрический материал размещают в металлической камере напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучая СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, определяют положение сечения волноводной линии, в котором входное сопротивление равно волновому, СВЧ-излучатель располагают на A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method, according to the second embodiment, is characterized in that the dielectric material is placed in the metal chamber opposite and perpendicular to the microwave emitter, irradiating the microwave radiation by supplying electromagnetic waves perpendicular to its surface, determine the position of the waveguide line section, in which the input impedance is equal to the wave, the microwave emitter is placed on

Расстоянии, кратном целому числу длин полуволн от найденного расстояния между СВЧ-излучателем и границей раздела обрабатываемой поверхности диэлектрического материала и свободного пространства.The distance that is a multiple of an integer number of half-wavelengths from the found distance between the microwave emitter and the interface between the treated surface of the dielectric material and the free space.

Таким образом, оба заявляемых решения соответствуют критерию изобретения «новизна».Thus, both of the proposed solutions meet the criteria of the invention of "novelty."

Экспериментальная проверка заявляемого способа может осуществляться на СВЧ-установке, схема которой представлена на фиг. 1, на фиг. 2 - графическая зависимость активной составляющей от коэффициента фазы, на фиг. 3 - графическая зависимость реактивной составляющей входного сопротивления от коэффициента фазы.An experimental verification of the proposed method can be carried out on a microwave installation, the scheme of which is presented in FIG. 1, in FIG. 2 is a graph of the dependence of the active component on the phase coefficient; FIG. 3 - graphical dependence of the reactive component of the input resistance on the phase coefficient.

Следует отметить, что известны рупорные СВЧ-излучатели с различным поперечным сечением [Франклин А.З. Антенны СВЧ. М.: Сов. Радио, 1957]. Из Большой Советской Энциклопедии известно, что в случае рупорных излучателей существует понятие «раскрыв» (наибольшее сечение) СВЧ-излучателя. Размеры раскрыва СВЧ-излучателя определяют по формулам. Используя данные СВЧ-генератора, определяют длину падающей волны и для данного диэлектрического материала подбирают линейные размеры раскрыва СВЧ-излучателя.It should be noted that horn microwave emitters with different cross sections are known [A. Franklin Microwave antennas. M .: Sov. Radio, 1957]. From the Great Soviet Encyclopedia it is known that in the case of horn emitters there is the concept of “opening” (the largest section) of a microwave emitter. The dimensions of the aperture of the microwave emitter are determined by the formulas. Using the data of the microwave generator, the incident wavelength is determined and the linear dimensions of the aperture of the microwave emitter are selected for a given dielectric material.

Установка для осуществления способа СВЧ-обработки диэлектрических материалов состоит из металлической камеры 1, которая соединена с СВЧ-излучателем 2, размеры раскрыва которого можно изменять. СВЧ-излучатель расположен напротив и перпендикулярно поверхности диэлектрического материала 3, который помещают в металлическую камеру. СВЧ-генератор 4 присоединяют к СВЧ-излучателю.Installation for implementing the method of microwave processing of dielectric materials consists of a metal chamber 1, which is connected to a microwave emitter 2, the opening of which can be changed. The microwave emitter is located opposite and perpendicular to the surface of the dielectric material 3, which is placed in a metal chamber. The microwave generator 4 is connected to a microwave emitter.

Способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов согласно первому варианту осуществляется следующим образом. В металлическую камеру 1 предложенной установки (фиг. 1) напротив и перпендикулярно раскрыву СВЧ-излучателя 2 помещают диэлектрический материала 3, например, насыпают на радиопрозрачную ленту песок, фиксируя его радиопрозрачными пенополистирольными вкладышами, которые не влияют The method of microwave processing of dielectric materials according to the first embodiment is as follows. In the metal chamber 1 of the proposed installation (Fig. 1), opposite and perpendicular to the opening of the microwave emitter 2, a dielectric material 3 is placed, for example, sand is poured onto a radiolucent tape, fixing it with radiotransparent polystyrene foam inserts that do not affect

на работу устройства, но позволяют фиксировать его в металлической камере или помещают в металлическую камеру блок пенобетона. Подобное размещение способствует тому, что диэлектрический материал облучается подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности и коэффициент поглощения стремится к максимальному значению. Подбирают размеры раскрыва СВЧ-излучателя таким образом, чтобы вся обрабатываемая поверхность диэлектрического материала подвергалась облучению в процессе обработки. Используя математический пакет MathCAD и формулу полного входного сопротивления, а также зная электрические характеристики диэлектрических веществ, получают графические зависимости нормированной активной и реактивной составляющих входного сопротивления волновода от коэффициента фазы (βl). По полученным графическим зависимостям определяют значение коэффициента фазы (βl), соответствующее тому, что активная составляющая входного сопротивления стремится к единице, т.е. R(βl)→1 (фиг. 2). По полученным данным коэффициента фазы определяют расстояние l, на которое и устанавливают СВЧ-излучатель. По значениям коэффициента фазы (βl) определяют значение реактивной составляющей входного сопротивления (фиг. 3) и компенсируют ее вводом в волновод дополнительного реактивного сопротивления, имеющего противоположный знак по отношению к расчетному, определенному из графика. Компенсация реактивной составляющей входного сопротивления осуществляется с помощью диафрагмы или введения реактивного штыря. Подключают СВЧ-генератор 4 и облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности диэлектрического материала.the device’s operation, but they allow it to be fixed in a metal chamber or a foam concrete block is placed in a metal chamber. This arrangement contributes to the fact that the dielectric material is irradiated by the supply of electromagnetic waves perpendicular to its surface and the absorption coefficient tends to the maximum value. The dimensions of the aperture of the microwave emitter are selected so that the entire treated surface of the dielectric material is irradiated during processing. Using the MathCAD mathematical package and the formula for the total input resistance, as well as knowing the electrical characteristics of the dielectric substances, we obtain graphical dependences of the normalized active and reactive components of the input resistance of the waveguide on the phase coefficient (βl). Using the obtained graphical dependencies, the value of the phase coefficient (βl) is determined, which corresponds to the fact that the active component of the input resistance tends to unity, i.e. R (βl) → 1 (Fig. 2). According to the obtained data of the phase coefficient, the distance l is determined at which the microwave emitter is installed. The values of the phase coefficient (βl) determine the value of the reactive component of the input resistance (Fig. 3) and compensate for it by introducing additional reactance into the waveguide, which has the opposite sign with respect to the calculated one, determined from the graph. Compensation of the reactive component of the input resistance is carried out using a diaphragm or the introduction of a reactive pin. Connect the microwave generator 4 and irradiated with microwave radiation by applying electromagnetic waves perpendicular to the surface of the dielectric material.

Способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов, согласно второму варианту, в случае, если неизвестны значения диэлектрической проницаемости (ε) и тангенса угла диэлектических потерь (tg δ), заключается в следующем. В металлическую камеру 1 предложенной установки (фиг. 1) напротив и перпендикулярно раскрыву СВЧ-излучателя 2 помещают диэлектрический материал 3, например песок или блок пенобетона. Подобное размещение способствует тому, что диэлектрический материал облучается подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности и коэффициент поглощения стремится к максимальному значению. Посередине широкой стенки металлической камеры прорезана неизлучающая щель, по которой может в продольном направлении перемещаться детекторный зонд, который подключают к ваттметру, что позволяет измерять режим работы волноводной линии. Подключают СВЧ-генератор 4 и облучают подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности диэлектрического материала. Измеряют режим работы линии передачи, т.е. с помощью детекторного зонда определяют коэффициент стоячей волны как отношение максимального и минимального значений амплитуды напряжения, которое вдоль волноводной линии меняется от сечения к сечению. В сечениях максимумов и минимумов напряжения входное сопротивление является активным. В других сечениях сопротивление комплексное, и при переходе через максимум характер реактивности меняется. Таким образом, вдоль линии происходит изменение сопротивления. Участок линии длиной, равной целому числу длин полуволн, не изменяет сопротивления. Находят то сечение линии, в котором входное сопротивление равно волновому (активная составляющая волнового сопротивления). В этом сечении вычисляют реактивную составляющую волнового сопротивления по формулам. Для обработки результатов служат специальные круговые диаграммы Вольперта, по данным которых и определяется расположение сечения линии, имеющее полученное значение реактивной и активной составляющих волнового сопротивления. Реактивную составляющую входного сопротивления подбирают по модулю равной полученному ранее волновому сопротивлению, а по знаку противоположную ему. Известно, что поперечные сечения волноводной линии с одинаковым входным сопротивлением периодически повторяются через расстояние, равное половине длины волны. СВЧ-излучатель располагают на расстоянии, The method of microwave processing of dielectric materials, according to the second embodiment, in case the dielectric constant (ε) and dielectric loss tangent (tan δ) are unknown, is as follows. In the metal chamber 1 of the proposed installation (Fig. 1) opposite and perpendicular to the opening of the microwave emitter 2 is placed a dielectric material 3, for example sand or a block of foam concrete. This arrangement contributes to the fact that the dielectric material is irradiated by the supply of electromagnetic waves perpendicular to its surface and the absorption coefficient tends to the maximum value. A non-radiating slot is cut in the middle of the wide wall of the metal chamber, along which a detector probe can be moved in the longitudinal direction, which is connected to a wattmeter, which makes it possible to measure the operating mode of the waveguide line. The microwave generator 4 is connected and irradiated with electromagnetic waves perpendicular to the surface of the dielectric material. The mode of operation of the transmission line, i.e. using a detector probe, the standing wave coefficient is determined as the ratio of the maximum and minimum values of the voltage amplitude, which varies from section to section along the waveguide line. In the sections of the maximums and minimums of the voltage, the input resistance is active. In other sections, the resistance is complex, and when passing through a maximum, the nature of the reactivity changes. Thus, a change in resistance occurs along the line. A section of a line with a length equal to an integer number of half-wavelengths does not change the resistance. Find the section of the line in which the input impedance is equal to the wave (the active component of the wave impedance). In this section, the reactive component of the wave resistance is calculated by the formulas. To process the results, special Volpert pie charts are used, according to which the location of the line section is determined, which has the obtained value of the reactive and active components of the wave resistance. The reactive component of the input resistance is selected modulo equal to the previously obtained wave impedance, and in sign opposite to it. It is known that cross sections of a waveguide line with the same input impedance are periodically repeated over a distance equal to half the wavelength. The microwave emitter is located at a distance

кратном целому числу длин полуволн от найденного расположения сечения линии, т.е. располагают его на расстоянии l от поверхности диэлектрического материала. Например, для диэлектрического материала пенобетона определено по предложенному способу расстояние от раскрыва СВЧ-излучателя до диэлектрического материала, l=0,16 м такое, чтобы обеспечить максимальное поглощение электромагнитных волн в обрабатываемом слое диэлектрического материала, следовательно, снизить энергоемкость использования СВЧ-энергии.a multiple of an integer number of half-wavelengths from the found location of the line section, i.e. place it at a distance l from the surface of the dielectric material. For example, for the dielectric material of foam concrete, the distance from the aperture of the microwave emitter to the dielectric material, l = 0.16 m, is determined in such a way as to ensure maximum absorption of electromagnetic waves in the treated layer of dielectric material, and therefore, reduce the energy consumption of the use of microwave energy.

Claims

1. The method of microwave processing of dielectric materials, consisting in the fact that a dielectric material with a known dielectric constant and the dielectric loss tangent are placed in a metal chamber, irradiated with microwave radiation, characterized in that the dielectric material is placed in a metal chamber opposite and perpendicular to the microwave emitter, irradiating microwave radiation by supplying electromagnetic waves perpendicular to its surface, select the aperture of the microwave emitter and compensate for the reactive component of the input of resistance.

2. The method of microwave processing of dielectric materials, which consists in the fact that a dielectric material with an unknown dielectric constant and a loss tangent is placed in a metal chamber, irradiated with microwave radiation, characterized in that the dielectric material is placed in a metal chamber opposite and perpendicular to the microwave emitter by irradiating microwave radiation with the supply of electromagnetic waves perpendicular to its surface, determine the position of the section of the waveguide line in which the input impedance is equal to the wave, microwave and recipients disposed at a distance, an integer multiple of half-wave lengths on the determined distance between the microwave radiator and the edge of the treated surface section of dielectric material and free space.