Микроволновые печи Устройство микроволновой печи 1 — лампа

Микроволновые печи Устройство микроволновой печи: 1 - лампа освещения; 2 - вентиляционные отверстия; 3 - магнетрон; 4 - антенна; 5 - волновод; 6 - конденсатор; 7 - трансформатор; 8 - панель управления; 9 - привод; 10 – диск для вращения поддона; 11 - место для установки поддона.

По периметру дверцы вмонтирован уплотнитель из диэлектрического материала для уменьшения просачиваемой наружу СВЧ энергии. Толщина уплотнителя составляет четверть длины волны СВЧ-излучения. В итоге получается ловушка, надежно гасящая излучение.

До недавнего времени единственным видом гриля был трубчатый электронагревательный элемент - ТЭН. Простой и недорогой нагреватель. Недостаток ТЭНа – долгий разогрев и потеря тепла.

Печь с диссектором (а) и поворотным столом (б).

Два гриля: верхний - стационарный и нижний – вращающийся

Размещение узлов и блоков микроволновой печи

Магнетрон

Устройство магнетрона

Магнетрон в разрезе.

Удвоение напряжения в высоковольтном блоке питания магнетрона

Блок питания магнетрона

Заградительный LC фильтр

Датчики температуры могут быть двух типов: с использованием термопары и с использованием терморезистора. В первом случае измерения основаны на контактной разности потенциалов, возникающей при соединении разных металлов. Физическая природа этого явления состоит в том, что кинетическая энергия электронов в разных металлах различна. Поэтому при соприкосновении разнородных металлов электроны из металла с большей энергией перетекают в металл с меньшей энергией.

В результате в первом металле образуется недостаток электронов, и он заряжается положительно, во втором образуется их избыток и он заряжается отрицательно. Контактная разность потенциалов может составлять от сотых долей вольта до нескольких вольт, в зависимости от выбранной пары металлов. Термопара представляет собой два проводника из специально подобранной пары металлов (например, никель — железо), образующих замкнутую цепь (рис. 6. 1). При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Контактная разность потенциалов пропорциональна разности температур. Для точных измерений необходимо стабилизировать температуру одного из спаев, а второй приложить к измеряемому объекту.

Терморезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от температуры. На рис. 3. 2. показана типичная зависимость сопротивления терморезистора от температуры. Если терморезистор имеет хороший тепловой контакт с измеряемым объектом, то температуру можно определить, измерив сопротивление резистора. Рис. 6. 2. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Термодатчики используются для измерения температуры в камере и поддержания заданного теплового режима. Обычно они представляют собой металлическую капсулу с двумя выводами, устанавливаемую внутри камеры на одной из ее стенок, причем выводы находятся с внешней стороны камеры. Такая конструкция исключает влияние микроволнового излучения на показания датчика. Имеются термодатчики в виде щупа, втыкаемого непосредственно в приготавливаемый продукт. ДАТЧИКИ ВЕСА Датчик веса автоматически определяет вес продукта, помещенного в камеру, что позволяет микроконтроллеру более точно выбрать требуемый режим работы СВЧ печи. Емкостный датчик веса выполнен из двух металлических пластин, разделенных изолятором, причем верхняя пластина может быть днищем камеры.

Пластины образуют конденсатор, емкость которого измеряется электронной схемой. Продукт, помещаемый в камеру, прогибает ее днище и тем самым увеличивает емкость конденсатора. Программа, содержащаяся в ПЗУ микроконтроллера, позволяет по изменению емкости определить вес помещенного продукта.

Тензорезистивный датчик веса Тензорезистивным эффектом называется явление изменения сопротивления полупроводников при одноосной деформации (растяжении или сжатии). Деформация кристаллической решетки полупроводника проявляется в изменении расстояния между атомами. При этом изменяется энергия электронов, часть из них переходит на более высокий энергетический уровень, возрастает число электронов проводимости, увеличивается их подвижность в электрическом поле.

собой пленку, на которую в виде тонких полос нанесен полупроводниковый материал. Пленка наклеивается на деталь, подвергаемую изгибу в процессе взвешивания (рис. 6. 4 а). Поскольку проводимость полупроводников в значительной степени зависит от температуры, то для повышения точности и стабильности показаний тензодатчики включаются по мостовой схеме (рис. 6. 4, б). При отсутствии измеряемого веса сопротивление каждого из плеч моста одинаково, поэтому выходное напряжение равно нулю. Появление нагрузки приводит к изгибу кронштейнов, на которые наклеены датчики. В результате верхний датчик растягивается, т. е. сопротивление R 1. увеличивается, а нижний датчик сжимается, и, соответственно, R 2 уменьшается. Между плечами моста появляется напряжение Uвых, зависящее от веса нагрузки.

Поскольку температура на оба датчика действует одинаково, то можно считать, что нагрев или охлаждение окружающей среды практически не влияет на значение Uвых.

. Принцип действия и внутреннее устройство датчика пара Изменение температуры некоторых диэлектриков приводит к их поляризации. Если пластину из такого диэлектрика подвергать нагреву или охлаждению, то на ее противоположных сторонах появляются разноименные заряды.

Если на обе стороны пластины нанести электроды и замкнуть их с помощью проводника, то возникнет электрический ток, который будет продолжаться до тех пор, пока не прекратится изменение температуры. Это явление называется пироэлектрическим эффектом. На его использовании основан датчик пара, применяемый в некоторых микроволновых печах (рис. 3. 5). Пироэлектрический материал заключён между двумя электродами и одной стороной приклеен к металлическому основанию с целью повышения механической прочности. Датчик устанавливается на патрубок, через который пар удаляется из печи. В момент начала парообразования будет происходить конденсация пара на относительно холодных деталях патрубка, в результате чего температура установленного на нем датчика резко возрастет. На выводах датчика появится разность потенциалов, которая будет воспринята микроконтроллером.

По времени, прошедшему с момента включения магнетрона до начала парообразования, микроконтроллер вычисляет параметры загруженного продукта и определяет время и режим его дальнейшего приготовления. ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ Существуют понятия "абсолютная влажность" и "относительная влажность". Термин "относительная влажность" обычно применяется для обозначения уровня влажности в сообщениях о погоде. Он характеризует процентное соотношение между текущим количеством пара в воздухе и его количестве при насыщении, т. е. максимально возможном его количестве при данной температуре. При насыщении дальнейшее парообразование приводит к конденсации влаги и ее выпадению в виде осадков. Поскольку уровень насыщения зависит от температуры, то и относительная влажность меняется при ее колебаниях.

Абсолютная влажность показывает вес паров воды, содержащихся в одном кубометре воздуха. Рис. 3. 7. Принцип действия датчика относительной влажности Работа датчиков влажности аналогична рассмотренному ранее датчику пара. Конструкция датчика относительной влажности показана на рис. 3. 7.

Чувствительный элемент датчика изготовлен из пористого керамического полупроводника (Mg. Cr. CO 4 -Ti. O 2). При нагреве продукта выделяющийся пар попадает в поры данного материала и изменяет его сопротивление. На чувствительный элемент датчика могут попадать брызги пищи, масло, соль и т. п. , приводящие к снижению точности измерений. Чтобы не допустить этого, вокруг чувствительного элемента помещается нагревательная катушка, предназначенная для его обжига и очистки. Максимальная температура нагревательной катушки достигает 600°С. Катушка включается на 30 — 60 секунд перед началом и в конце приготовления пищи.

Устройство датчика абсолютной влажности отличается от предыдущей конструкции наличием нагревателя, на который помещен датчик и сетчатого колпачка, который предохраняет его от загрязнения. Внешний вид датчика абсолютной влажности представлен на рис. 3. 8. Рис. 3. 8. Датчик абсолютной влажности

Электрические схемы микроволновых печей Микроволновые печи с электромеханическим управлением обычно имеют стандартную электрическую схему. Отличия между различными моделями незначительны и не носят принципиального характера. Силовая часть печей с электронными блоками управления практически не отличается от печей с электромеханическим управлением. На принципиальной схеме эти отличия проявляются лишь в том, что вместо контактов таймера присутствуют контакты реле. Иногда вместо реле ставится симистор, однако, режим его работы фактически тот же, что и у таймера. Такая взаимозаменяемость блоков управления позволяет восстанавливать печи со сгоревшей электроникой

На электрической схеме приведены основные узлы СВЧ печи: Сетевой фильтр; мотор таймера; мотор вентилятора; высоковольтный блок с удвоением напряжения и магнетрон. В схеме также используются концевые микропереключатели, два термореле, для защиты от перегрева камеры СВЧ печи и магнетрона. Кроме того, имеется реле страховки и реле плавного включения (РПВ) для снижения пускового тока высоковольтного трансформатора. Также имеются контакты управления выходной мощностью магнетрона. Коммутация контактов производится блоком управления по заданной программе. Работа схемы. При открытой дверце камеры контакты концевых выключателей блокировки магнетрона 1 и 2 разомкнуты, а контакты микропереключателя 1 замкнуты.

Если температура рабочей камеры и магнетрона не выше допустимой, то контакты термореле камеры и магнетрона замкнуты. Закрываем дверцу камеры. При этом сначала размыкаются контакты микропереключателя МП, а затем с небольшой задержкой замыкаются контакты концевых выключателей 1 и 2 блокировки магнетрона. Контакты таймера разомкнуты. Подаем на вход сетевого фильтра напряжение питания и устанавливаем по шкале таймера нужное время. При этом контакты таймера замыкаются, напряжение поступает на обмотку реле страховки и его контакты замыкаются. Включаются моторы таймера и вентилятора и подается напряжение на обмотку реле РПВ и через резистор R на первичную обмотку высоковольтного трансформатора. Первоначальное включение трансформатора в сеть через резистор позволяет уменьшить пусковой ток.

Через несколько микросекунд срабатывает реле РПВ, его контакты замыкаются и на трансформатор поступает полное напряжение сети.

Высоковольтный блок питания магнетона

Высоковольтный блок выполнен по схеме удвоения выпрямленного напряжения. В момент времени, когда на верхнее выводе повышающей обмотки «+» , а на нижнем « -_» , диод находится в проводящем состоянии и конденсатор заряжается до амплитудного значения приложенного напряжения. На левой по схеме обкладке конденсатора будет плюс, а на правой минус. В следующий полупериод полярность напряжения на оботке изменится на обратную. Диод будет находиться в запертом состоянии, а к магнетрону будет приложено удвоенное напряжение и магнетрон буде генерировать электромагнитные СВЧ колебания. Поскольку в отрицательный полупериод напряжение на трансформаторе возрастает по синусоиде, от нуля до

амплитудного значения, магнетрон начнет генерировать мощность не сразу, а спустя некоторое время, после того как суммарное напряжение конденсатора и трансформатора достигнет некоторого значения (примерно 3. 6 к. В). В этот момент начнется генерация мощности, быстро нарастающей от нуля до максимума (при 4. 0 к. В). Работа магнетрона будет сопровождаться постепенным разрядом конденсатора. В какой-то момент суммарное напряжение начнет снижаться, выходная мощность пойдет вниз, пока генерация полностью не прекратится. В следующий полупериод опять начнется зарядка конденсатора и т. д. Регулировка СВЧ мощности осуществляется ступенчато, отключением блока питания путем замыкания и размыкания контактов управления мощностью, т. е. регулируется средняя мощность за определенный цикл.

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения. Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа. По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на ламельные с постоянными сопротивлениями; проволочные с непрерывной намоткой; с резистивным слоем. Электрическая схема потенциометрического датчика

Ламельные потенциометрические датчики используются для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков. В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям. Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок. Ламельный потенциометрический датчик Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило, их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0, 03 -0, 1 мм , низкий 0, 1 -0, 4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Преимущества потенциометрических датчиков: простота конструкции; малые габариты и вес; высокая степень линейности статических характеристик; стабильность характеристик; возможность работы на переменном и постоянном токе. Недостатки потенциометрических датчиков: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка; погрешность в работе за счет нагрузки; сравнительно небольшой коэффициент преобразования; высокий порог чувствительности; наличие шумов; подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического датчика K=U/I=tgα; α=arctg. K Рассмотрим на примере потенциометрического датчика с непрерывной намоткой. К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т. к. справедливо соотношение : Uвых=(U/R)r, где R- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки. Учитывая, что r/R=x/l, где l - общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В/м], где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика. Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке. Реверсивная схема потенциометрического датчика

Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей: 1. Зона нечувствительности. Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т. е. возникает зона, когда при малом изменении входной величины Uвых не меняется. Величина скачка напряжения определяется по формуле: Статическая характеристика DU=U/W, где W- число витков. реверсивного Порог чувствительности определяется диаметром потенциометрического датчика намоточного провода: Dx=l/W. 2. Неравномерность статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки. 3. Погрешность от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины). 4. Погрешность от трения. Зона нечувствительности потенциометрического датчика

В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением: Uвых=(Ur. Rн)/(RRн+Rr-r 2) Т. е. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>R можно показать, что Uвых=(U/R)r; при Rн приблизительно равном R зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают Rн/R=10… 100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть определена из выражения : E=4/27η, где η=Rн/R - коэффициент нагрузки. Потенциометрический датчик под нагрузкой a - Эквивалентная схема потенциометрического датчика с нагрузкой, б - Влияние нагрузки на статическую характеристику потенциометрического датчика.

Функциональные потенциометрические датчики Необходимо отметить, что в автоматике часто для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции. Их построение производится тремя способами: изменением диаметра проволоки вдоль намотки; изменением шага намотки; применением каркаса определенной конфигурации; шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины.

Многооборотный потенциометр Обычные потенциометрические датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т. е. электрический диапазон таких датчиков кратен 3600. Основным достоинством многооборотных потенциометров является высокая разрешающая способность и точность, что достигается благодаря большой длине резистивного элемента при малых общих габаритах. Фотопотенциометры Фотопотенциометр − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с фотопотенциометра управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт. Фотопотенциометры делятся по назначению на линейные и функциональные. Функциональные фотопотенциометры позволяют пространственное перемещение источника света преобразовать в электрический сигнал заданного функционального вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

Прямой пьезоэффект Обратный пьезоэффект Пьезоэлемент, вырезанный из кристалла кварца