Измерение плотности потока электромагнитной энергии, излучаемой СВЧ-печью.
6.
6.
6.
6.
Цель работы - ознакомление с методами и средствами измерения плотности потока энергии СВЧ излучения, приобретение навыков контроля ППЭ.
4.1. Объект испытаний
Микроволновая печь
4.2. Теоретические сведения
4.2.1. Энергетические характеристики электромагнитного излучения
Электромагнитное поле (ЭМП) — это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга. Спектр электромагнитных волн очень широк от радиоволн до гамма лучей. Сверхвысокие частоты (СВЧ) лежат в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц.
Источниками СВЧ полей являются: радары (500 МГц – 15 ГГц), системы спутниковой связи (≈2,38 ГГц), системы сотовой связи (463 МГц – 1880 МГц), СВЧ–печи (2,45 ГГц) и многие другие бытовые приборы. Интенсивность ЭМП, в данном интервале, характеризуется поверхностной плотностью потока энергии. Плотность потока энергии (ППЭ) или интенсивность I – величина равная количеству энергии ∆W, переносимой через единичную площадь, в единицу времени. I(ППЭ)= ∆W/(S∆t). в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).
Существует ряд приборов для измерения плотности потока электромагнитного излучения. Структурная схема такого прибора показана на рис. 4.1. Излучение от источника падает на антенну-преобразователь, которая преобразует величину ППЭ в электрический сигнал, передаваемый по каналу связи на индикаторное устройство.
4.3. Принцип работы СВЧ-печи.
В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Источником СВЧ энергии в микроволновой печи является магнетрон. При подаче тока на магнетрон, он начинает генерировать электромагнитную энергию, которая через специальные форсунки подается в рабочую камеру микроволновой печи. Рабочая камера печи оборудована металлическими стенками со специальным покрытием, отражающими микроволны, и вращающимся поддоном, обеспечивающим однородное распределение волн. При приготовлении пищи, под воздействием переменного поля молекулы начинают вращаться. В результате трения молекул возникает тепло, которое готовит пищу и вызывает кипение воды.
| Рис.4. 1. Конструкция магнетрона |
Магнетроном называется генераторный, вакуумный, двухэлектродный прибор СВЧ, в котором движение электронов происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Схематично устройство магнетрона показано на рис.4.1. Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создается внешними магнитами или электромагнитом. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра. Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определенных видах колебаний. Мощность магнетрона современных микроволновых печей составляет 700-850 Вт. Этого достаточно, чтобы за несколько минут довести до кипения воду в 200-граммовом стакане. Для охлаждения магнетрона рядом с ним имеется вентилятор, непрерывно обдувающий его воздухом.
Порожденные магнетроном микроволны поступают в полость печи по волноводу - каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение
4.4. Оборудование и приборы для выполнения ЛР
В лабораторной работе используют широкополосный измеритель плотности потока энергии (ППЭ) электромагнитного поля марки П3-18 (производитель – завод РИАП), содержащее:
антенну-преобразователь (АП-ППЭ-1);
индикатор Я6П-110;
сетевой (встроенный) и аккумуляторный блоки питания.
Измерительное устройство схематично изображено на рис. 4.2.
Антенна-преобразователь (АП) выполнена на основе системы последовательно соединенных тонкопленочных термопар (многослойная термопара), размещенных на конической поверхности. При измерениях, АП помещается в измеряемое ЭМП, под воздействием которого, за счет различной плотности поглощенной энергии ЭМП, между приближенными к источнику и удаленными от него спаями возникает разница температур (градиент температур). Измерение градиента температур осуществляется путем изменения термоЭДС, возникающей на термопарах, которая пропорциональна величине ППЭ.
Суммарная термоЭДС по резистивной линии связи (ЛС) передается к измерителю температуры, который состоит из линейного усилителя постоянного тока (УПТ), размещенного в ручке АП и индикатора, вход которого соединен с выходом УПТ.
Суммарная термоЭДС по резистивной линии связи (ЛС) передается к измерителю температуры, который состоит из линейного усилителя постоянного тока (УПТ), размещенного в ручке АП и индикатора, вход которого соединен с выходом УПТ.
Антенны-преобразователи (АП) предназначены для приема и преобразования ЭМП в напряжение постоянного или квазипостоянного тока. Общий вид и развертка конической поверхности АП представлены на рис. 4.3.
Рис.4. 3. Общий вид и развертка конической поверхности АП
Резистивные пленки, выполненные в виде девяти (1-9) последовательно соединенных тонкопленочных термопар, которые располагаются на диэлектрическом основании конической формы (10), угол при вершине которой составляет 109,5 ± 10˚. С целью уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости конической поверхности основание имеет ажурную конструкцию. Для предохранения от механических повреждений термопарные преобразователи закрыты кожухом (16), а резиновые проводники линии связи (11) размещены внутри ручки (17). Кожух (16) и ручка (17) выполнены из полистирола. УПТ, предназначенный для усиления сигналов, снимаемых с термопарных элементов, размещен на конце ручки. УПТ имеет регулируемый коэффициент усиления, что обеспечивает приведение коэффициента преобразования АП к уровню, необходимому при калибровке измерителей ППЭ.