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. Теоретическиесведения

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.

 

 

Рис.4. 2. Структурная схема измерителя ППЭ П3-18

 

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.

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, которыерасполагаются 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.

Индикатор Я6П-110предназначен для преобразования аналогового сигнала, снимаемого с АП, в цифровой сигнал и отсчета значения плотности потока энергии поля в относительных единицах – дБ.

4.5. Порядок выполнения ЛР

4.5.1. Подготовка к работе измерителя П3-18

1. Ознакомитесь с инструкцией по эксплуатации измерителя, расположением и назначением органов управления и контроля индикатора.

2. Поместите измеритель в месте, защищенном от воздействия ЭМП.

3. Подсоедините к индикатору Я6П-110 антенну-преобразователь
АП-ППЭ-3.

4. Тумблер блока питания сетевого установите в положение «Питание».

5. Тумблер включения питания индикатора (на лицевой панели) установите в нижнее положение «О».

6. Подключите к сети питания 220 В штепсельную вилку измерителя.

7. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели установите в правое положение (значок ►).

4.5.2. Подготовка к проведению измерений

1. Тумблер включения питания на лицевой панели индикато­ра установите в верхнее положение. При этом на табло загорается одна запятая.

2. Выдержите включённым измеритель в течение 60 мин для стабилизации саморазогрева.

3. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели пере­ведите в левое положение (значок со стрелкой).

4. Разместите антенну измерителя таким образом, чтобы она не оказалась в зоне действия измеряемого ЭМП для его калиб­ровки (два следующих пункта).

5. Переключатель «Род работы» установите в положение «q1» и регулировкой ручки «q1» установите показание индика­тора, соответствующее 23 дБ.

6. Переключатель «Род работы» переведите в положение «▼2» и плавной регулировкой ручки «▼2» установите показание индикатора в пределах 4 ... 8 дБ. Повторите калибровку по пп. 5 и 6.

Примечание. При нестабильности калибровки «▼2» в указанных выше пределах погрешность измерений (случайная составляющая) возрастает примерно на ±0,5 дБ.

7. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели пере­ведите в правое положение (значок ►).

8. Переключатель «Род работы» переведите в положение 0 (0t) или 10 дБ (10dBt) в зависимости от предполагаемого уровня ППЭ. При неизвестном уровне ППЭ следует начать с по­ложения тумблера 10 дБ.

9. Расположите антенну-измеритель в положение, перпенди­кулярное предполагаемому направлению ЭМП от исследуемого источника

4.5.3. Проведение измерений

1. Перед внесением антенны в измеряемое ЭМП, верхний ле­вый тумблер режимов на лицевой панели индикатора переведите в левое положение (значок со стрелкой). При этом на табло инди­катора появятся показания, соответствующие уровню измеряемо­го поля. Правильность работы индикатора контролировать уста­новкой переключателя «Род работы» в положения 0 и 10 дБ. Раз­ница показаний должна быть, равна 10.

2. Нижний предел измерения определяют по формуле ПН=10^-(Kf/10),мкВт/см2, а верхний Пв=10/(Кзап^-10(Kf/10))мВт/см2.
Для антенны АП-ППЭ-1 К_зап=0,9+10,5ехр(-1,565·10(Kf/10))
Значение K_f, при частоте излучения СВЧ-печи, равен 2,3.

3. Если при измерениях показания прибора превышают 30 дБ, необходимо перевести переключатель «Род работы» в положение «10dBt».Внимание! Превышение уровня, измеряемого ЭМП значения верхнего предела измерений более чем в три раза может при­вести к повреждению антенны- преобразователя.

4. Произведите отсчёт показаний прибора при ориентации ан­тенны на максимум показаний.В диапазоне частот 0,3... 25,86 ГГц можно не производить ориентацию на максимум приема, но при этом следует иметь в виду, что величина погрешности измерения в этом случае мо­жет достигать ±2,5 дБ.

4.5.4. Окончание измерений

1. Удалить антенну из зоны действия измеряемого ЭМП.Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели перевести в правое положение (значок ►).

2. Выключить питание индикатора Я6П-110, для чего тумб­лер включения питания индикатора (на лицевой панели) установить в нижнее положение «0». Отсоединить штепсельную вилку индикатора от сети электропитания.Внимание! Запрещается выдергивать вилку за шнур питания!

3. Отсоединить антенну от индикатора, для чего выкрутить гайку крепления разъёма и аккуратно отсоединить его кабельную часть от приборной части.

Сдать прибор преподавателю

4.5.5. Последовательность проведения измерений

1. Провести измерение ЭМИ в помещении в отсутствии источника излучения не менее пяти раз. Результаты измерений А_0i занести в табл.4.1.

Примечание. Если уровень ЭМП в помещении, где проводится лабораторная работа, меньше предела чувствительности антенны-преобразователя (примерно 1 мкВт/см²), то показания на табло индикатора будут нулевыми «00,0».

2. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации микровол­новой печи. Соблюдая инструкцию и требования техники безо­пасности при работе с электроприборами подключить печь к сети электропитания.

3. Составить карту измерений ЭМП в направлениях, нормаль­ных к передней, боковым и верхней стенкам микроволновой печи(в каждом направлении взять точки находящиеся: вплотную к панели, на расстоянии 5 см, 10 см, 20 см и 50 см от панели).

4. Помещая поочерёдно в позиции измерений антенну при­бора ПЗ-18 провести измерения А_иij(не менее 5 измерений в каждой точке). Результаты занести в табл. 4.1