Микроволновая обработка при инактивации микрофлоры. Часть 3

1 2 3

---

 

5 Расчет модулей и узлов двухволновой установки

 

5.1 Расчет рабочей камеры

 

Любой объем, ограниченный со всех сторон проводящей поверхностью, может рассматриваться как резонатор. Однако на практике стремятся использовать простые формы, поскольку их параметры могут быть просчитаны аналитически. Более сложные формы требуют расчетов с помощью специальных численных методов на мощных компьютерах, причем время, требуемое для расчета только резонансных частот, может измеряться часами. Но никакой компьютер не поможет, если резонатор имеет форму, не поддающуюся математическому описанию. В этом случае помочь может только эксперимент. Аналогом резонатора в радиотехнике служит колебательный контур.

Частота колебательного контура вычисляется по формуле:

 

С повышением резонансной частоты контура значения величин L и С уменьшаются. Конструктивно это выглядит как раздвижение пластин конденсатора и снижение количества витков катушки сначала до одного, а затем до нескольких, параллельно включенных полувитков, которые в пределе сливаются в единую замкнутую полость. Как и в контуре, основными параметрами резонатора являются резонансные частоты и добротность.. Мы получили его из волновода, поэтому вполне естественно, что часть свойств волновода будет присуща и призматическому резонатору. Множество типов волн, существующих в волноводе, трансформируется в стоячие волны резонатора, которые образуют множество видов колебаний. По аналогии с прямоугольным волноводом, виды колебаний призматического резонатора обозначаются путем добавления к типу волны еще одного индекса, указывающего количество стоячих полуволн вдоль продольной координаты.

Собственно понятия продольной и поперечной координат для резонатора теряют смысл, поскольку структура полей в любом направлении зависит только от вида колебаний и геометрических размеров сторон. Ни одно из направлений нельзя выделить как приоритетное. При этом следует помнить, что обозначение вида колебаний связано с определенной ориентацией призматического резонатора. Например, один и тот же вид может рассматриваться как Н110, Н101, Н011 в зависимости от выбранной системы координат.

Каждый вид колебаний в резонаторе характеризуется собственной резонансной частотой и добротностью. Аналогично волноводу, самый низкочастотный вид называется основным, остальные – высшими видами. На практике обычно используется основной вид, по тем же причинам, что и в случае волновода. Камера микроволновой печи, которую можно рассматривать как призматический резонатор, – это как раз то редкое исключение из правила, которое подтверждает само правило. Дело в том, что резонансные явления в камере, скорее, вынужденная необходимость, чем желательное явление. Длины волн резонаторных видов колебаний вычисляются по формуле, напоминающей формулу для

Как и в волноводе, в резонаторе существуют Е и Н виды колебаний. Но, как следует из приведенной формулы, резонансная частота зависит только от индексов вида колебаний, а не от типа волны. Например, колебания видов Е111 и Н111 будут происходить на одной и той же частоте. В этом случае говорят, что данные виды колебаний являются вырожденными. Преобладание колебаний того или иного-вида будет связано только с условиями возбуждения.

Ранее была отмечена аналогия между резонатором и колебательным контуром. Но есть существенная разница между видами колебаний в резонаторе и гармониками контура. Природа этих различий кроется в пространственной форме колебаний в резонаторе, в то время как в контуре электромагнитная энергия может двигаться только в одном направлении – вдоль проводника с током. Поэтому гармоники всегда кратны основной частоте, а в резонаторе все определяется соотношением индексов т, п, р, различные сочетания которых позволяют получать большое разнообразие видов колебаний, частоты которых могут располагаться на любом расстоянии от основной частоты.

Для рабочей камеры выберем размеры 200x300x400 мм для возбуждения основного типа колебаний на частоте 2450 МГц.

На рис. 5.1,а показан спектр резонансных частот для резонатора с поперечными размерами 200x300x400 мм. Как нетрудно заметить, чем дальше мы удаляемся в сторону более высоких частот, тем гуще расположены резонансные частоты. В пределе они сливаются в сплошной спектр. Штриховой линией отмечена рабочая частота микроволновых печей. Несмотря на то, что возможна ситуация, когда непосредственно на рабочей частоте нет ни одного резонанса, в камере они будут возбуждаться в большом количестве. Чтобы понять, каким образом это происходит, необходимо вначале рассмотреть второй основной параметр резонатора – добротность.

 

Как уже отмечалось, при резонансе амплитуды электрического и магнитного полей в сотни и тысячи раз превышают амплитуду возбуждающего поля. Максимальное значение амплитуд ограничивается тем, что с ростом напряженности магнитного поля возрастают и токи в стенках резонатора, что приводит к дополнительным потерям. В какой-то момент энергия, теряемая в стенках, сравняется с энергией возбуждения и установится состояние равновесия.

Таким образом, в резонаторе запасается некоторая энергия. Если в этот момент отключить источник возбуждения, то колебания в резонаторе продолжаются относительно долго, (это могут быть сотни периодов), пока вся запасенная энергия не израсходуется на нагрев стенок. Очевидно, чем меньше потери в резонаторе, т.е. чем выше его качество, тем на более высоком уровне стабилизируется амплитуда колебаний и тем дольше они будут происходить после отключения генератора. Для определения качества резонатора абсолютные значения амплитуд и времени затухания непригодны, поскольку они зависят от уровня входного сигнала. Удобнее в качестве характеристики резонатора использовать отношение запасенной энергии к величине подводимой мощности или, что то же самое, к мощности, теряемой в резонаторе за один период колебаний. Это отношение и называется добротностью.

Каждый резонатор способен работать на любой из принадлежащих ему резонансных частот или даже сразу на нескольких. Поскольку потери на разных частотах разные, добротность всегда определяется применительно к какой-то конкретной частоте. Обычно это основная частота, но бывают специфические случаи, когда резонатор возбуждается на более высокочастотных видах колебаний. Как уже упоминалось, микроволновая печь – один из таких случаев.

Чем выше добротность, тем уже полоса частот, в которой возможно возбуждение резонатора, и тем больше амплитуда колебаний электромагнитного поля. Существует простая формула, устанавливающая связь между добротностью и шириной полосы рабочих

где – ширина полосы на уровне половинной мощности.

Если нет потерь, то возбуждение резонатора возможно только на резонансной частоте. Добротность самых высококачественных резонаторов, работающих в условиях сверхпроводимости, может превышать 10 000. В большинстве вакуумных приборов СВЧ добротность составляет порядка 1000.

Добротность пустой камеры микроволновой печи на рабочих видах колебаний не превышает 100, поэтому полоса частот, на которой происходит ее возбуждение, более 25 МГц. Следовательно, камера может возбуждаться на видах, которые смещены относительно частоты магнетрона на 12.5 МГц в любую сторону и даже более. В качестве иллюстрации на рис. 5.1б показана амплитудно-частотная характеристика резонанса на частоте 2.44 ГГц. Из рисунка видно, что, несмотря на удаленность резонанса от частоты магнетрона, он будет успешно возбуждаться. То же самое относится и к другим близлежащим видам. Таким образом однородность поля в камере необходимо улучшать.

Механические способы повышения однородности поля в рабочих камерах. Существо механических мер состоит в одном из двух способов: обеспечении периодических изменений структуры поля за счет специальных механических устройств при неподвижном обрабатываемом образце либо изменении расположения обрабатываемого материала при неизменности условий возбуждения ЭМП в рабочей камере.

Согласно первому из перечисленных способов рабочая камера содержит металлические рассеиватели (диссекторы), вращающиеся с периодом Твр (рис.5.2). Поэтому ЭМП, искаженное рассеивателем, для каждой точки камеры оказывается различными для различных моментов времени. Значение удельной поглощенной энергии за время Твр равно:

Таким образом, чем большими являются изменения поля при вращении диссектора, тем выше однородность распределения удельной поглощенной энергии.

Второй из способов может быть реализован в различных вариантах.

Перемещения объекта в процессе обработки. Одним из наиболее распространенных является способ, реализованный в большинстве конструкций бытовых СВЧ-печей, состоит в использовании вращающихся оснований, на которые устанавливается объект. В результате вращения для каждой точки объекта интенсивность поля периодически изменяется. В результате за период вращения значение удельной поглощенной энергии также определяется соотношением (5.4). Другой вариант реализован в установках конвейерного типа. В этих случаях обрабатываемый материал, помещенный на транспортер, в процессе обработки перемещается мимо ряда излучателей (рис.5.3). В результате интенсивность ЭМП для каждой точки обрабатываемого объекта изменяется во времени, а значение удельной поглощенной энергии за время обработки определяется соотношением (5.4).

Перемешивание сыпучих материалов в процессе обработки (рис.5.4). Принцип действия аналогичен предыдущему: пространственное распределение поля практически постоянно, улучшение равномерности достигается перемещением частиц материала в различные точки камеры.

Обработка в турбулентном потоке (рис. 5.5). Принцип действия аналогичен. Отличие состоит в реализации перемешивания.

 

5.2 Расчет волноводов и их возбуждение

 

Для передачи энергии от генератора к нагрузке в СВЧ диапазоне используются волноводы. Волновод представляет собой полую, металлическую трубу, как правило, круглого или прямоугольного сечения. В нашем случае оба волновода для СВЧ и КВЧ диапазонов прямоугольного сечения.

Медный прямоугольный волновод теряет всего около 5% мощности. Может возникнуть вопрос, откуда вообще берутся потери в волноводе, если он изготовлен из меди с площадью поперечного сечения в десятки миллиметров? Ответ заключается в том, что токи текут не по всему сечению волновода, а лишь там, куда проникает электромагнитное поле по так называемому скин-слою. Глубина скин-слоя зависит от частоты и удельной проводимости металла, из которого изготовлен волновод. Она вычисляется по формуле:

 

На частоте 2.45 ГГц глубина проникновения поля составляет от 1.3 мкм для меди до 10 мкм для нержавеющей стали. Поэтому общая площадь поперечного сечения, по которому проходит ток, относительно невелика. Большое значение имеет качество внутренней поверхности волновода. Чем выше шероховатость стенок волновода, тем длиннее путь СВЧ токов и тем быстрее происходит затухание волны. Поэтому для снижения потерь волноводы иногда полируют и покрывают тонким слоем серебра, на глубину скин-слоя.

В целом конфигурация поля в волноводе может иметь очень сложную форму. К счастью, теория дает механизм, позволяющий свести сложную структуру поля к набору относительно простых типов, из которых, при желании, можно воссоздать любую конфигурацию существующих в волноводе полей. Прежде чем начать анализ типов, существующих в прямоугольном волноводе, сформулируем некоторые правила, которые вытекают из теории электромагнитных колебаний.

1. Электрические и магнитные силовые линии в электромагнитных полях взаимно перпендикулярны.
2. Магнитные силовые линии замкнуты и охватывают проводник с током или переменное электрическое поле.
3. Электрические силовые линии или идут от одного электрического заряда к другому, или подобно магнитным линиям замкнуты и охватывают
   переменное магнитное поле.
4. Изменение электромагнитного поля во времени и в пространстве, вдоль произвольного направления, в однородной среде, происходит по синусоиде или косинусоиде.
5. При нормальном отражении волны от проводящей поверхности (т.е. когда направления падающей и отраженной волн прямо противоположны) ее фаза изменяется на 180°.
6. Магнитные силовые линии у поверхности проводника всегда параллельны этой поверхности.
7. Электрические силовые линии не могут идти вдоль поверхности
   проводника, а всегда перпендикулярны этой поверхности.

Два последних свойства определяют структуру поля у поверхности проводника, т.е. на границе между проводником и областью распространения электромагнитной волны. Поэтому их называют «граничными условиями». Электромагнитное поле всегда имеет такую структуру, при которой выполняются эти условия.

При распространении волн в волноводе вдоль поперечных координат устанавливаются так называемые стоячие волны. В данном случае название говорит само за себя. Хотя структура волны в поперечном направлении может быть точной копией структуры волны в продольном направлении, между ними есть две большие разницы. В первом случае поле статично и никакого движения вдоль поперечных координат не наблюдается, меняется лишь амплитуда поля, а во втором случае картина поля все время сдвигается в сторону распространения волны со скоростью v.

Распространяемые по волноводу электромагнитные волны условно можно разделить на два основных типа. Волны, имеющие составляющую электрического поля вдоль направления распространения и не имеющие магнитной, относятся к Е-типу. И наоборот, волны, имеющие магнитную составляющую вдоль направления распространения и не имеющие электрической, относятся к Н-типу. Каждый тип волны обозначается соответствующей буквой с индексом из двух цифр, показывающим число стоячих полуволн вдоль большей и меньшей сторон поперечного сечения волновода. Таким образом, по названию волны можно определить соответствующую ей структуру поля.

Если размеры обеих поперечных координат меньше, чем длина полуволны, то через такой волновод волна распространяться не может. В этом случае говорят, что волновод является запредельным для данного типа волны.

Наибольшая длина волны, которая может распространяться по волноводу, называется критической. При фиксированных размерах волновода критическая длина волны зависит от ее типа. Формула для ее расчета:

,

Как видно из формулы, чем выше индексы т и n, тем больше должны быть поперечные размеры волновода, при которых возможно распространение данного типа. Это обстоятельство облегчает селекцию типов, поскольку на рабочей длине волны всегда можно так подобрать размеры а и b, чтобы распространялись только нужные типы волны. На практике в качестве рабочего обычно используется тип Н10, изображенный на рис. 5.5.

Для большей наглядности на рисунке также приведены графики распределения электрического и магнитного полей вдоль широкой стенки. Равенство нулю второго индекса в названии волны говорит о том, что вдоль узкой стенки поле не меняется. Обратите внимание, что отсутствует не само поле, а лишь его изменение. Таким образом, размер b не влияет ни на структуру распределения полей в волноводе, ни на его критическую частоту. Практически из этого следует, что даже очень узкая щель, шириной более 72, может рассматриваться как волновод, проводящий СВЧ энергию с минимальными потерями.

Столь тщательное рассмотрение этого типа не случайно, поскольку он является основным для прямоугольного волновода. Можно даже сказать, основным в квадрате, поскольку, во-первых, это рабочий тип волны для подавляющего большинства задач, в частности именно этот тип используется в микроволновых печах, а во-вторых, он основной по определению. Для волноводов произвольного поперечного сечения основным называется наиболее низкочастотный тип волны. Все остальные — это высшие типы, как правило, являющиеся паразитными. Основные преимущества данного типа волны состоят в следующем:

1. Наименьшие размеры волновода, при заданной длине волны.
2. Простая конфигурация поля и, как следствие, простота при его
   возбуждении и при согласовании волновода с нагрузкой или другими устройствами.
3. Относительная удаленность от других типов, что облегчает его селекцию.

Все познается в сравнении, поэтому не будет лишним вкратце рассмотреть и некоторые другие типы волн. Если постепенно увеличивать частоту, излучаемую через волновод, т.е. уменьшать длину волны, то в определенный момент вдоль широкой стенки волновода сможет уместиться две стоячие полуволны. Тогда создадутся условия для возникновения типа Н20. При дальнейшем увеличении частоты появятся типы Н01, Н11, Е11 и т.д.

Длина волны в волноводе ХВ больше длины той же самой волны в свободном пространстве. Эта разница тем ощутимее, чем ближе ХВ расположена к ХКР. Ниже приведена формула для расчета Хв, которая может быть полезна при расчете и анализе различных волноводных устройств.

При воздушном заполнении волновода em=1 и формула слегка упрощается.

Таким образом, поперечные размеры волновода для частоты 2450 МГц составляют 90´45 мм2, для КВЧ диапазона 90  5´2 мм2.

Возбуждение волноводов. Возбуждение волн в волноводе можно осуществить с помощью устройства, создающего в некотором сечении волновода переменное электрическое или магнитное поле, совпадающее по конфигурации силовых линий с полем волны требуемого вида. Возбуждение волн происходит также при создании в стенках волновода СВЧ токов, совпадающих с токами волны желаемого типа. Сразу оговоримся, что любое устройство, служащее для возбуждения волн, с таким же успехом может использоваться для их приема.

При передаче энергии от генератора к нагрузке, большое значение имеет согласование передающего тракта. Под согласованием понимается способность передающей линии обеспечить из наиболее сложных задач при проектировании микроволновых систем, особенно большой мощности. Любые неоднородности в тракте, к числу которых относятся и элементы возбуждения, и сама нагрузка, способны привести к отражению мощности обратно к генератору. Помимо того, что это снижает выходную мощность и КПД системы, отраженная энергия неблагоприятно воздействует на генератор и при большом рассогласовании может вывести его из строя.

Обычно, энергия от генератора поступает по коаксиальной линии. Подключение ее к волноводу осуществляется либо в виде магнитной петли связи, либо в виде электрического штыря (рис. 5.6).

Магнитная петля связи, как правило, располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем ее плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Подобный вид связи, в частности, используется внутри магнетрона для отбора энергии от его, колебательной системы.

Электрический штырь размещается в максимуме электрического поля, вдоль его силовых линий. Во многих случаях штырем служит продолжение внутреннего провода коаксиальной линии или вывод энергии генераторного прибора. Такой тип возбуждения используется в большинстве микроволновых печей. Обычно в них мощность от магнетрона попадает в рабочую камеру через небольшой отрезок прямоугольного волновода. Оказывается, проще согласовать магнетрон с волноводом, а затем волновод с рабочей камерой, чем непосредственно магнетрон с камерой.

Возбуждение волновода не такой простой вопрос, как может показаться на первый взгляд. Наибольшие сложности возникают при согласовании, в микроволновых печах в особенности, поскольку нагрузка в этом случае может меняться в широких пределах. Практически невозможно согласовать магнетрон с рабочей камерой таким образом, чтобы и при максимальной загрузке печи и при практически пустой камере отражаемая мощность находилась в допустимых пределах (не более 25 — 30%). Поэтому во всех руководствах к микроволновым печам оговаривается минимальная загрузка камеры (около 200 г). Аналогичные сложности возникают при попытке замены магнетрона одного типа на другой, даже если основные электрические параметры у них практически одинаковы. Если имеются отличия в геометрических размерах вывода энергии, могут возникнуть проблемы, непредвиденные для непосвященных. Для посвященных проблемы останутся, но статус их изменится. Они станут ожидаемыми и во многих случаях устранимыми. Типичная конструкция подключения магнетронного генератора к волноводу показана на рис. 5.7.

Вывод энергии магнетрона по своей сути — это антенна в виде электрического штыря, являющегося продолжением внутренней жилы коаксиального волновода. Прямоугольный волновод с одной стороны закорочен металлической стенкой, расположенной на расстоянии примерно в четверть длины волны. Размеры штыря и расстояние до короткозамыкающей стенки являются ключевыми при согласовании генератора с волноводом. Известно, что оптимальная длина антенны в свободном пространстве равна Х/4. В нашем случае это чуть более 3 см. Длина антенны в волноводе должна быть несколько ниже этого значения, поскольку электрическая емкость, образованная верхней крышкой волновода и торцом антенны, увеличивает эффективную длину последней. Другими словами, увеличение торцевой емкости антенны эквивалентно некоторому увеличению ее длины. Последний вариант менее предпочтителен, поскольку, во-первых, создает у острия антенны высокую напряженность поля, что может привести к электрическим пробоям, во-вторых, увеличивает локальный разогрев антенны и, наконец, требует большей высоты волновода. Обычно вывод магнетрона оканчивается медным колпачком шириной около 1.5 см. Это увеличивает торцевую емкость, поэтому длина антенны может быть несколько ниже, чем Х/4. Форма и размеры колпачков, а также длина антенны у разных магнетронов могут отличаться друг от друга. Это связано с тем, что каждый магнетрон рассчитан на работу с волноводом определенных размеров. Поэтому при замене магнетронов важно это учитывать и стараться подбирать замену не только в соответствии с электрическими параметрами, но и с одинаковыми выводами энергии.

Теперь рассмотрим, какое значение имеет расстояние L между торцевой стенкой волновода и выводом энергии магнетрона. Как было сказано ранее, это расстояние примерно равно Х/4. Вначале, для простоты, допустим, что вывод энергии не нарушает структуру поля в волноводе. В соответствии с граничными условиями электрическое поле распределится в волноводе по синусоиде. Штырь магнетрона будет излучать электромагнитные волны во всех направлениях. Назовем волну, движущуюся в нужном направлении, т.е. к нагрузке, — прямой волной, а волну, движущуюся в противоположном от желаемого направлении — обратной. Обратная волна после зеркального отражения от металлической стенки изменит свою фазу на 180°. Поскольку на ее движения к стенке и обратно уйдет половина периода, или еще 180°, то в тот момент, когда отраженная волна достигнет штыря, ее фаза, сделав полный оборот на 360° будет такой же, как и у прямой волны. Поэтому они сложатся и с удвоенной мощностью дружно устремятся в камеру микроволновой печи.

Теперь предположим, что расстояние L будет не Х/4, а Х/2. В этом случае отраженная от стенки волна, возвращаясь к штырю, окажется в противофазе с прямой. Эти волны взаимно уничтожатся, распространения энергии вдоль нужного направления не произойдет, микроволновая энергия отправится обратно в магнетрон и будет там вершить свои черные дела.

Мы рассмотрели два крайних случая — наилучший и наихудший. Любое другое расположение штыря даст промежуточный результат, т.е. часть энергии уйдет на нагрев семян, а часть — на нагрев магнетрона.

В наших рассуждениях мы предполагали, что штырь не изменяет структуру поля. Однако как вы, безусловно, догадываетесь, это далеко не так. Вносимая штырем емкость нарушает синусоидальную форму распределения электрического поля вблизи него. Поле будет концентрироваться в основном внутри этой емкости, и идеальная синусоида трансформируется.

Если при замене магнетрона происходит изменение емкости, из-за большей или, наоборот, меньшей длины вывода энергии, то неизбежно произойдет рассогласование, следствием которого может оказаться перегрев магнетрона и слабый нагрев в камере микроволновой печи. В принципе, в некоторых случаях это можно устранить. Например, изменив емкость или сместив магнетрон относительно торцевой стенки. Но лучше этого не делать, поскольку результат подобных действий без специального оборудования трудно отследить, а заранее вычислить необходимые корректировки практически невозможно. Самый простой и надежный способ — это подобрать новый магнетрон с такой же высотой вывода энергии, как и у старого.

 

5.3 Расчет экранирования

 

Если поперечные размеры волновода меньше критической длины волны, то такой волновод называется запредельным. Распространения энергии через него не происходит. Необходимо помнить, что термин «запредельный» всегда относителен. Всякий волновод является запредельным для одних частот и обычным для других. Поэтому, когда говорят «запредельный», всегда подразумевается рабочая частота, для которой волновод таковым является. С помощью подобного волновода можно обеспечить доступ к области, в которой сосредоточено электромагнитное поле, и в то же время избежать утечки энергии.

Несмотря на то, что распространение энергии в запредельном волноводе
отсутствует, переменные электрическое и магнитное поля существуют.
Силовые линии поля как бы втягиваются в полость волновода. Амплитуда
этих полей убывает по экспоненте по мере удаления от входа.

Количественно степень убывания поля снижается примерно в 1000 раз при удалении от входа на расстояние, равное ХКР. В свою очередь, критическая длина волны примерно вдвое превышает диаметр круглого волновода. Поэтому если, например, мы имеем отверстие диаметром 1 мм в металлической стенке толщиной 2 мм, то напряженности полей на противоположных концах этого отверстия будут отличаться, примерно, в 1000 раз. Но это еще не значит, что одна тысячная доля СВЧ мощности будет излучаться в окружающее пространство. Для того чтобы это произошло, необходимо непосредственно у отверстия иметь какой-нибудь приемник микроволнового излучения, например коаксиальный кабель с петлей связи на конце. При его отсутствии лишь очень малая часть энергии, сосредоточенной у выходного отверстия, будет излучаться наружу. Практически, для тех соотношений размеров, которые приведены в нашем примере, можно считать, что излучение отсутствует полностью.

Камера микроволновой печи содержит большое количество различных отверстий, предназначенных для освещения, конвекции воздуха, визуального наблюдения и т.д. Поэтому важно знать, при каких условиях обеспечивается достаточная экранировка камеры. Насколько правомерно считать отверстие в камере запредельным волноводом, если его продольные размеры значительно меньше ХКР? Предположим, что толщина стенки близка к нулю. Такое отверстие уже просто неприлично называть волноводом, поэтому будем называть его диафрагмой, как принято в технической литературе по СВЧ. Соответственно условие Х>Хкр уже не может быть достаточным для надежной экранировки. Расчет поля проникающего сквозь диафрагму довольно сложен, поэтому мы рассмотрим лишь некоторые факты, которые позволят как-то ориентироваться в уровне излучения сквозь отверстия в камере микроволновой печи. Практика показывает, что излучение превышающее допустимый уровень, возникает, когда диаметр круглого отверстия составляет примерно 15 – 20 мм. Поле, возбуждаемое круглой диафрагмой, пропорционально кубу ее радиуса. Поскольку излучение из нескольких отверстий примерно пропорционально их числу, то замена одного большого отверстия несколькими малыми, с той же площадью поперечного сечения, приводит к ослаблению поля в Vп  раз. Этот факт используется при проектировании окон в микроволновых печах, которые изготавливаются в виде мелкоперфорированной сетки. Попутно заметим, что уменьшение диаметра ячеек сетки положительно сказывается и на дизайне микроволновой печи.

Если диафрагма представляет собой не круглое, а щелевое отверстие, то большое значение имеет его пространственная ориентация. Узкая щель не излучает, если она располагается вдоль линий тока. Иначе говоря, излучение сквозь щель возникает только тогда, когда она прерывает линии тока на поверхности проводника. Сказанное относится к узкой щели, ширина которой значительно меньше длины волны возбуждающих колебаний.

Значительное повышение излучения сквозь диафрагму может произойти, если непосредственно вблизи отверстий расположены какие-либо провода или иной проводящий мусор. Особенно если сквозь отверстие проходит отрезок проводника. Это может быть забытый при ремонте или сборке винт, шуруп, кусок провода и т.д. В этом случае диафрагма может превратиться в отрезок коаксиального волновода, для которого не существует ограничений на диаметр, и излучаемая мощность может увеличиться в сотни раз. Отсюда вывод: чистота – залог здоровья.

Необходимо правильно выбрать форму вентиляционных отверстий и их расположение. Экранное затухание при наличии отверстий вычисляется как

(5.7)

Для круглых отверстий

,                                   (5.8)

где l0 — длина волны, м;  n — число отверстий; SОS — суммарная площадь отверстий, м2; SЭS — площадь поверхности экрана, м2; tЭ — толщина экрана, м; d — диаметр отверстия, м.

Для сетчатого экрана

,                           (5.9)

где tС — шаг сетки, м;  dC — диаметр сетки, м.

Конечно, добиться идеального экранирования проблематично, но возможно обеспечить минимально допустимое, при котором

,                                 (5.10)

где РИЗЛ — мощность излучения, Вт; R0 — коэффициент отражения от поверхности резонатора (R0 » 0,005);   SS — общая площадь камеры, м2.

Выберем диаметры отверстий в пределах 2-3 мм.

 

5.4 Расчет СВЧ-генератора

 

Источником сигнала на частоте 2450 МГц в установке используется магнетрон М-136-1, работающий в режиме, задаваемом блоком управления. При работе магнетрона выделяется мощность, которая переходит в «тепловое» СВЧ электромагнитное поле. Поскольку эмульсии подвергаются обработке по заданной программе, то возникает необходимость работы магнетрона не на полную мощность. Кроме того, существует задач подбора режима в лабораторных экспериментах. Для этого с помощью специальной программы «РЕЖИМ» выбирается необходимый уровень выходной мощности. В этом случае в пределах заданного времени магнетрон периодически включается и выключается, то есть мы получаем работу в «импульсном режиме» (рис.5.8).

Рис.5.8 – Импульсный режим работы магнетрона

 

Продолжительность включения и выключения магнетрона подбирается так, чтобы обеспечить уровень мощности заданный программой. Величина мощности связана с длительностью импульса следующим образом (рис.5.9):

Рис.5.9 – Длительность импульсов:

tи – длительность импульса; Тп – время паузы; Т – период повторения импульса

 

Римп=Т×Рср/tи.                                              (5.10)

 

Здесь Римп – мощность работающего магнетрона, Вт; Т – период повторения импульсов, сек; tи – длительность импульса (время работы магнетрона), сек; Pcp – средняя мощность (заданный программой уровень мощности), Вт.

Определим Рср:

 

Рср = Римп×tи /Т.                                             (5.11)

 

Задаваясь величиной Рср можно получить необходимое соотношение tи/Т, а затем выбрать конкретное значение tи и Т (рис.5.9).

 

Рис.5.12 – График определения режима работы магнетрона

 

 

5.5 Выбор генератора КВЧ

 

Большинство генераторов КВЧ предназначены для реализации в практической медицине безмедикаментозного способа КВЧ-терапии, заключающегося в коррекции физиологических состояний организма путем направленного локального воздействия на рецепторные поля рефлексогенной зоны и зоны акупунктуры излучением нетепловой интенсивности крайне высокочастотного КВЧ-диапазона.

Области применения: гастроэнтерология (высокоэффективное лечение язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки без образования грубого рубца); кардиология (гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца); хирургия (устранение осложнений, связанных с пониженной активностью процессов регенерации организма после оперативных вмешательств (расхождение швов, нагноение); иммунология (коррекция иммунного статуса организма); ортопедия и травматология (комбинированное лечение патологических состояний, связанных с нарушением нейротрофической функции, острых повреждений мягких тканей и суставов у детей, воспалительных и дистрофических процессов); стоматология (лечение пародонтоза).

Преимущества использования установки «ЯВЬ»-1-2М: двухлитерное исполнение позволяет использовать последовательно во времени излучение двух частот при лечении одного пациента, наличие усовершенствованного штатива с дополнительными степенями свободы обеспечивает гибкость воздействия КВЧ-энергии на биологическую ткань.

Для целей обработки суши нас будут интересовать технические характеристики генератора.

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Исполнение по длинам волн излучения двухлитерное в диапазоне

5,0-7,8 мм

Полоса частотной модуляции, МГц

±50 и ±100

Плотность потока мощности, мВт/см2, не более                                        10

Мощность, потребляемая от сети, Вт, не более

25

Габариты, мм                                                                                      330x320x160

Масса, кг, не более                                                                                               3

                     

 

 

6 Разработка внешнего вида установки

 

Двухволновая установка собрана на базе микроволновой печи Электроника СП-25 с вращающимся столиком. На верхней крышке печи закреплен генератор КВЧ диапазона «Явь-1-5,6», излучение которого вводится в рабочую камеру СВЧ-печи через волновод. Внешний вид установки показан на рис. 6.1.

Модернизации был подвергнут блок управления СВЧ-печи, которому были приданы функции управления вращением и таймер включения генератора КВЧ. Блок управления, с помощью которого осуществляется управление установкой, содержит узлы включения-выключения установки, индикации напряжения, управления источниками СВЧ- и- КВЧ мощности, контроля напряжений, перемешивания.

Характеристики установки приведены в таблице 6.1.

Табл. 6.1 — Основные технические данные и характеристики установки

для стимуляции роста семян

 

 

 

 

7 Методика обработки и анализа качества суши

 

7.1 Материалы и методы 

 

Исследование проводилось в лаборатории НИИ ПРЭФЖС.

Образцы суши и роллов были приобретены в местах общественного питания города: из суши-бара, ресторана доставки и торговой точки индивидуального предпринимателя. Пробы были собраны в стерильные контейнеры с соблюдением правил асептики и доставлены в лабораторию в течение 30 мин с момента покупки. В каждом учреждении было приобретено по одному образцу суши и роллов.

В состав исследованных образцов суши и роллов входили: рис для суши, лосось, солёная сёмга, копчёный угорь, свежие огурцы, нори, соевый соус, рисовый уксус.

Микробиологическое исследование осуществлялось бактериологическим методом согласно действующей в России нормативной документации. В работе использовали жидкие и плотные питательные среды: мясопептонный бульон (МПБ), среду Кесслера, селенитовый бульон, мясопептонный агар (МПА), Эндо, Плоскирева, висмульт-сульфитный агар (ВСА), желточно-солевой агар (ЖСА), Сабуро, щелочной агар.

За микробиологические показатели нормы, то есть количество колониеобразующих единиц в грамме продукта (КОЕ/г) или массу продукта (г), в которой не допускается присутствие тех или иных микроорганизмов, принимали данные из СанПиН 2.3.2.560-96 «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов», а также данные из «Единых санитарно-эпидемиологических и гигиенических требований к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю)».

 

 

7.2 Определение сроков годности суши и роллов

 

Для определения срока годности готового пищевого продукта нами были учтены данные СанПиН 2.3.2.1324-03 «Гигиенические требования к срокам годности и условиям хранения пищевых продуктов» , согласно которому выделяют следующие сроки годности отдельных компонентов суши: рис отварной (группа «гарниры») — 12 ч; рыба, нерыбные объекты промысла и продукты, вырабатываемые из них (принадлежат к группе «полуфабрикаты рыбные» и включают в себя: рыба всех наименований охлаждённая, филе рыбное, рыба специальной разделки, ракообразные, двустворчатые моллюски живые, охлаждённые) — 12-48 ч при -2…+2 °C.

Сроки годности сырой рыбы не учитывали, так как, согласно вышеупомянутому нормативному документу, она считается полуфабрикатом, который требует обязательной термической обработки, что неприемлемо при приготовлении суши.

Таким образом, сроки годности суши определили по минимальному сроку годности основных компонентов. В результате установлен срок годности суши, который должен составлять не более 12 ч при температуре -2…+2 °C.

Наиболее важный и распространённый тест на микробную безопасность — это определение количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ). Данный показатель применяется повсеместно для оценки качества продуктов, за исключением тех, в производстве которых ис-пользуются специальные микробные культуры. Увеличение КМАФАнМ свидетельствует о размножении микроорганизмов, в числе которых могут оказаться патогены и микроорганизмы, вызывающие порчу продукта (например, плесени). Контроль КМАФАнМ на всех технологических этапах позволяет проследить, насколько «чистое» сырьё поступает на производство, как меняется степень его «чистоты» после приготовления и не претерпевает ли продукт повторного загрязнения во время фасовки и хранения. Показатель КМАФАнМ оценивается по численности мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, выросших в виде видимых колоний при глубинном методе посева на плотную питательную среду.

Парагемолитические вибрионы (V. parahae-molyticus) — это условно-патогенные галофильные микроорганизмы, которые часто выделяют из морской воды, рыб, креветок, мидий, устриц, омаров, крабов. В малосолёной и недовяленной рыбе при температуре выше +6 °C вибрионы не только сохраняются, но и размножаются. При употреблении в пищу продуктов, в которых произошло массовое размножение парагемолитических вибрионов и накопление их токсинов, могут возникнуть острые кишечные токсикоинфекции. Поэтому определение наличия парагемолитических вибрионов в образцах суши и роллов было следующим этапом исследования.

Следующим этапом исследования было выявление наличия в готовой продукции патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, вызывающих серьёзные пищевые токсикоинфекции.

Проведенные исследования показали, что при обработке материалов и суши в комплексной установке срок годности может быть продлен в 1,5 – 2 раза и может составить 24-48 часов.

 

7.3 Выводы по разделу

 

1. Предложен комплексный подход к микробиологическому исследованию суши и роллов на основании действующей нормативной документации.
2. Предложенный комплексный подход позволил выявить, что образцы суши и роллов, взятые из разных торговых точек, не соответствовали основным микробиологическим показателям качества.
3. Сравнение обработанных материалов и необработанных, так же как и суши в предпродажной подготовке, позволило установить срок годности суши до 2 суток, в отличии от не обработанных полсуток.

Заключение

 

Достигнута основная цель исследования: разработка методики комплексного микробиологического исследования суши на основании различных методических рекомендаций по исследованию пищевых продуктов при их инактивации низкоинтенсивным воздействием энергии электромагнитных полей СВЧ- и КВЧ-диапазонов.

Выполнены задачи:

1. 1. Определить принципы инактивации микроорганизмов низкоинтенсивной энергией ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
2. Составить структурную схему и разработать установку комплекснойинактивации микроорганизмов в суши и роллах.
3. Составить схему комплексного микробиологического исследования суши и роллов.
4. На основании разработанных алгоритмов исследовать образцы суши и роллов, полученных из различных торговых точек до и после воздействия энергии ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.

В частности рассмотрены вопросы проектирования и разработки микроволновой установки для обработки суши, в которой для повышения эффективности инактивации используются частоты СВЧ и КВЧ диапазонов. Разработана структурная и функциональная схема установки. Проведен расчет рабочей микроволновой камеры, волноводов, экранирования СВЧ-генератора на 2450 МГц. Проведен выбор КВЧ генератора диапазона 53 ГГц. Разработан общий вид установки.

Таким образом, в целом ВКР выполнена в соответствии с заданием.

 

 

Conclusion

 

The main goal of the study was achieved: the development of a methodology for a comprehensive microbiological study of sushi based on various guidelines for the study of food products when they are inactivated by low-intensity exposure to the energy of electromagnetic fields of the microwave and EHF ranges.

Tasks completed:

1. Determine the principles of inactivation of microorganisms by low-intensity energy of EMF of the microwave and EHF ranges.
2. Draw up a block diagram and develop an installation for the complex inactivation of microorganisms in sushi and rolls.
3. Draw up a scheme for a comprehensive microbiological study of sushi and rolls.
4. On the basis of the developed algorithms, examine samples of sushi and rolls obtained from various points of sale before and after exposure to the energy of EMF of the microwave and EHF ranges.

In particular, the issues of design and development of a microwave installation for processing land, in which the frequencies of the microwave and EHF ranges are used to increase the efficiency of inactivation are considered.  The

structural and functional diagram of the installation has been developed.  The calculation of the working microwave chamber, waveguides, shielding of the microwave generator at 2450 MHz is carried out.  The choice of the EHF generator of the 53 GHz range is carried out.  A general view of the installation has been developed.

Thus, in general, the WRC was completed in accordance with the assignment.

 

 

 

Список использованных источников и литературы

 

1. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. “Свервысокочастотные нагревательные установки для интесификации технологических процессов”, Саратов, Издательство Саратовского университета, 1983.
2. Морозов Г.А. “Воздействие ЭМП СВЧ на материальные среды. Современные проблемы и вопросы проектирования. Тр. Международная конференция МКТТА — 95”, Украина, Харьков,Т.1,С35.
3. J. Thuery. Microwaves application in industry and medicine. Artec House, London, 1996.
4. Морозова Г.А., Седельникова Ю.Е. и др. «Низкоинтенсивные СВЧ-технологии: проблемы и решения», М.:Радиотехника, 2003.
5. ГОСТ 10444.15-94. Продукты пищевые. Методы определения количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов [Электронный ресурс]. — URL: http://standartgost. ru/g/%D0 %93 %D0 %9E%D0 %A1 %D0 %A2_10444.15-94
6. ГОСТ 10444.12-88. Продукты пищевые. Метод определения дрожжей и плесневых грибов [Электронный ресурс]. — URL: http://standartgost.ru/g/%D0 %93 %D0 %9E%D0 %A1 %D0 %A2_10444.12-88
7. ГОСТ 10444.2-94. Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества Staphylococcus aureus [Электронный ресурс]. — URL: http://www.gostedu.ru/18825.html
8. ГОСТ 26669-85. Продукты пищевые и вкусовые. Подготовка проб для микробиологических анализов. — URL: http://standartgost.ru/g/%D0 %93 %D0 %9E%D0 %A1 %D0 %A2_26669-85
9. ГОСТ 26670-91. Продукты пищевые. Методы культивирования микроорганизмов [Электронный ресурс]. — URL: http://internet-law.ru/gosts/gost/10247
10. ГОСТ 28560-90. Продукты пищевые. Метод выявления бактерий родов Proteus, Morganella, Provi- dencia [Электронный ресурс]. — URL: http://standartgost.ru/g/%D0 %93 %D0 %9E%D0 %A1 %D0 %A2_28560-90
11. ГОСТ Р 52814-2007. Продукты пищевые. Метод выявления бактерий рода Salmonella [Электронный ресурс]. — URL: http://www.internet-law.ru/gosts/gost/44294
12. ГОСТ Р 52816-2007. Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества бактерий группы кишечных палочек [Электронный ресурс]. — URL: http://internet-law.ru/gosts/gost/47577
13. ГОСТ Р 54004-2010. Продукты пищевые. Методы отбора проб для микробиологических испытаний [Электронный ресурс]. — URL: http://www.internet-law.ru/gosts/gost/50950
14. Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю) [Электронный ресурс] : в ред. решений Комиссии Таможенного союза от 17 августа 2010 г. № 341; от 18 ноября 2010 г. № 456; от 2 марта 2011 г. № 571; от 7 апреля 2011 г. № 622; от 18 октября 2011 г. № 829; от 9 декабря 2011 г. № 889; решений Евразийской экономической комиссии от 19 апреля 2012 г. № 34; от 6 ноября 2012 г. № 208; от 15 января 2013 г. № 6. — URL: http://docs.cntd.ru/document/902249109
15. Методы выявления и определения парагемолитических вибрионов в рыбе, нерыбных объектах промысла, продуктах, вырабатываемых из них, воде поверхностных водоёмов и других объектах [Электронный ресурс] : метод. указания МУК 4.2.2046-06. — URL: http://docs.cntd.ru/document/1200044188
16. Лабораторная диагностика сальмонеллёзов, обнаружение сальмонелл в пищевых продуктах и объектах окружающей среды [Электронный ресурс]: метод. указания МУ 4.2.2723-10. — URL: http:// docs.cntd.ru/document/1200083950
17. СанПиН 2.3.2.1078-01. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов [Электронный ресурс]. — URL: http://www.opengost.ru/iso/13493-sanpin-2.3.2.1078-01-gigien- icheskie-trebovaniya-bezopasnosti-i-pischevoy-cennosti-pischevyh-produktov.html
18. СанПиН 2.3.2.1324-03. Гигиенические требования к срокам годности и условиям хранения пищевых продуктов [Электронный ресурс]. — URL: http://www.opengost.ru/iso/13472-sanpin-2.3.2.1324-03-gi- gienicheskie-trebovaniya-k-srokam-godnosti-i-usloviyam-hraneniya-pischevyh-produktov.html
19. СанПиН 2.3.2.560-96. Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов [Электронный ресурс] : с изм. от 11 октября 1998 г., 21 марта 2000 г., 13 января 2001 г. — URL: http://docs.cntd.ru/document/9052436

---

1 2 3