Главная › Новости

Перспективы развития микроволновых печей

Опубликовано: 27.08.2018

Плазмоид21 декабря 2007 г.

Автор: Г.С.  Сапунов 

Название этой страницы вводит в искушение заняться предсказаниями, причислив себя к бесчисленному отряду ясновидящих. Удобнее всего предрекать, что будет лет через сто, поскольку, к тому времени как выяснится абсурдность измышлений предсказателя, не будет ни его самого, ни тех, кто имел глупость ему внимать. Однако столь отдаленные перспективы применительно к микроволновым печам вряд ли заинтересуют читателя.

В то же время предсказание ближайшего будущего таит в себе опасность быть уличенным в шарлатанстве. Чтобы избежать подобных обвинений, автор решил сомнительных гипотез не строить, а привести некоторые разработки, которые уже реально существуют, но пока не нашли широкого распространения.

Чем вредна микроволновая печь?

Дальнейшее совершенствование микроволновых печей основано на сочетании микроволн с другими способами обработки продуктов и на более эффективном использовании микроконтроллера. В настоящее время его возможности реализуются в лучшем случае процентов на десять. Фактически микроконтроллер выполняет в основном функцию электронного таймера, с чем до этого прекрасно справлялся и механический таймер. Основное ограничение на эффективное использование микроконтроллера вызвано отсутствием обратной связи при работе печи.

Ямальская навигация 2017. Готовность номер один

Не зная о текущем состоянии продукта, программа, содержащаяся в ПЗУ, не может полностью обеспечить качественного приготовления, так как она составлена в расчете на определенный состав и вес продукта, которые не всегда точно выдерживаются. Даже температура окружающей среды в какой-то мере может требовать корректив в режиме приготовления пищи.

Хозяйка, стоящая у плиты, ориентируется не столько на время и потребляемую плитой мощность, сколько на вкус, запах и цвет. Когда мясо на сковороде начнет пригорать, умелая хозяйка снимет его с плиты, даже если по рецепту это требуется сделать только через 10 минут. Таким образом, осуществляется обратная связь в процессе приготовления.

Микроволновая печь дыма не чувствует и в аналогичной ситуации будет действовать строго по программе, т.е. до полного испепеления. При этом подразумевается, что сама программа полностью корректна. Но, как гласит один из законов Мэрфи, если бы строители так строили, как некоторые программисты пишут программы, первый же залетевший дятел разрушил бы цивилизацию. Отсюда вывод: для гарантированного качества приготовляемого продукта, требуется наличие датчиков обратной связи.

Разумеется, вкус, запах и цвет у микроконтроллера никаких эмоций вызывать не будут. Более того, не существует и датчиков реагирующих на эти параметры. Однако можно обнаружить косвенные изменения, происходящие в процессе приготовления пищи, которые могут быть преобразованы в электрические сигналы. А с ними микроконтроллер уже способен разобраться основательно. Следует подчеркнуть, что использование косвенных измерений совсем не означает получение сомнительных результатов. Иногда косвенные методы даже более объективны, чем прямые.

Вспомните полиграф, или «детектор лжи», состоящий на государственной службе в США. Если какой-нибудь чиновник Госдепартамента, утверждая, что он свою американскую Родину любит больше, чем деньги, провалится на полиграфе, его уволят. Несмотря на ясные и чистые глаза, внушающие доверие начальству. Таким образом, признается, что выводы полиграфа, основанные на измерении косвенных параметров, приближают к истине быстрее, чем анализ путаных ответов на каверзные вопросы проницательных агентов ФБР.

В настоящее время существуют датчики, которые позволяют в процессе приготовления продукта измерять следующие параметры: температуру продукта, температуру в камере, вес продукта, начало парообразования, абсолютную и относительную влажность в камере.

 Рассмотрим более подробно конструкцию, принцип действия и методы использования каждого из перечисленных датчиков.

Датчики температуры

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.

Рис. 1. Измерение температуры с помощью термопары

Термопара представляет собой два проводника из специально подобранной пары металлов (например, никель — железо), образующих замкнутую цепь (рис. 1).

При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах появится разность потенциалов, пропорциональная 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. 2. показана типичная зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

Рис. 2. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Если терморезистор имеет хороший тепловой контакт с измеряемым объектом, то температуру последнего можно определить, измерив сопротивление резистора.

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. Это позволяет более точно отслеживать температуру внутри продукта.

Датчики веса

Датчик веса автоматически определяет вес продукта, помещенного в камеру, что позволяет микроконтроллеру более точно выбрать требуемый режим приготовления пищи. Наиболее актуально использование датчиков веса в полупромышленных установках для микроволновой сушки, позволяющих точно измерить количество испаренной влаги.

Измерение веса интересовало людей всегда, поэтому со времен построения египетских пирамид и до наших дней создано большое количество соответствующих устройств, использующих разные физические явления.

Рассмотрим два способа измерения веса, которые к настоящему времени реально воплощены в производимых печах и установках.

На рис. 3. показан принцип действия емкостного датчика веса.

Рис. 3. Принцип действия емкостного датчика веса

Он выполнен из двух металлических пластин, разделенных изолятором, причем верхняя пластина может быть днищем камеры. Пластины образуют конденсатор, емкость которого измеряется специальной 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. Конструктивно иногда целесообразнее верхнюю пластину и днище камеры не делать едиными, а соединить их с помощью рычажного механизма.

Датчик веса на основе тензорезистивного эффекта показан на рис. 4.

 

Рис. 4. Принцип действия тензорезистивного датчика 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. Поскольку концентрация свободных электронов в полупроводнике относительно невелика, небольшое ее изменение, вызванное деформацией кристаллической решетки, приводит к заметному изменению электропроводности.

Конструктивно тензорезистивный датчик представляет собой пленку, на которую в виде тонких полос нанесен полупроводниковый материал. Пленка наклеивается на деталь, подвергаемую изгибу в процессе взвешивания (рис. 4а). Поскольку проводимость полупроводников в значительной степени зависит от температуры, то для повышения точности и стабильности показаний тензодатчики включаются по мостовой схеме (рис. 4б).

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 R1 увеличивается, а нижний датчик сжимается, и, соответственно, R2 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.

Датчик 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 в нем 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.

Конструкция датчика показана на рис. 5.

Рис. 5. Принцип действия и внутреннее устройство датчика пара

Пироэлектрический материал заключен между двумя электродами и одной стороной приклеен к металлическому основанию с целью повышения механической прочности. Датчик устанавли вается на патрубок, через который пар удаляется из печи (рис. 6).

Рис. 6. Установка датчика пара в микроволновой 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. С внешней стороны датчик охлаждается вентилятором, поэтому снижение парового потока приведет к быстрому остыванию датчика, что может быть использовано для корректировки режима.

Применение датчика пара или рассмотренных ниже датчиков влажности позволяет осуществпять автоматическое приготовление пищи, без установки таймера и режима приготовления вручную.

Датчики влажности

Существуют понятия «абсолютная влажность» и «относительная влажность". Прежде чем приступить к рассмотрению конкретных датчиков, имеет смысл определиться, что есть что.

Термин «относительная влажность» обычно применяется для обозначения уровня влажность 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, поэтому ее значение не зависит ни от температуры, ни от чего-либо еще.

С точки зрения приготовления продукта, работа датчиков влажности аналогична рассмотренному ранее датчику пара. Основные отличия состоят в лишь в механизме регистрации пара. Конструкция датчика относительной влажности показана на рис. 7.

Рис. 7. Принцип действия датчика относительной влажности

Чувствительный элемент датчика изготовлен из пористого керамического полупроводника (MgCrO4-TiO2). При нагреве продукта выделяющийся пар попадает в поры данного материала и изменяет его сопротивление. Повышение точности измерений достигается за счет совместного использования датчиков влажности и температуры. Датчик влажности расположен вблизи вытяжного отверстия, через которое происходит выпуск выделяемого продуктами пара вместе с циркулирующим воздухом.

Это означает, что 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 приблизительно 600°С.

Она 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. 8.

Рис. 8 . Датчик абсолютной влажности

Кроме использования датчиков обратной связи, повышение качества приготовления пищи достигается за счет сочетания микроволнового нагрева с другими способами обработки продуктов.

В настоящее время наиболее часто микроволны объединяются с грилем и конвектором. Иногда в дополнение к этому используется ультрафиолетовый излучатель, представляющий собой кварцевую лампу наподобие той, что применяется для искусственного загара. Загар в данном случае предназначен для микробов, но этот дармовой солярий здоровья им вовсе не прибавляет, а совсем даже наоборот.

Некоторые полупромышленные установки наряду с микроволновым излучением используют частичное вакуумирование. Наиболее эффективно такое сочетание действует при сушке продуктов, поэтому не исключена возможность, что в ближайшем будущем и некоторые бытовые печи будут оснащены вакуумными системами.

Принцип действия микроволновых вакуумных сушильных установок основан на зависимости температуры кипения от давления (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость температуры кипения воды от давления

При пониженном давлении вода начинает закипать при температуре менее 100°С (для справки: нормальное атмосферное давление на уровне моря примерно равно 105 Па). С этим хорошо знакомы жители высокогорий и альпинисты. Можно часами варить мясо в открытом котле, и все равно оно останется наполовину сырым. Однако при сушке такое поведение воды обладает существенными преимуществами. Для качественной сушки пищевых продуктов их температура не должна превышать 70°С. Лекарственные травы и коренья сушатся при еще более низкой температуре (примерно 40°С). При этом в продуктах сохраняется большинство витаминов, а лекарственные растения не теряют своих лечебных свойств.

Если требуется высушивать большое количество продукта, необходимо повышать интенсивность процесса сушки. Для этого существует только один способ — это дополнительный подогрев и вентиляция.

В обычных условиях мощность, затрачиваемая на эти цели, ограничивается опасностью перегрева. Однако при наличии соответствующего вакуума интенсивность сушки практически ничем не ограничена. Пока в продукте присутствует влага, его температура не превысит температуры кипения и подводимая мощность будет расходоваться не на нагрев продукта, а на испарение влаги, т.е. на сушку.

Причем из всех существующих способов подвода тепла к продукту использование микроволн наиболее эффективно. Это обусловлено несколькими причинами, главные из которых заключаются в бесконтактном способе передачи тепла, равномерном нагреве продукта со всех сторон, высоком к.п.д. и преимущественном нагреве продукта изнутри.

Последнее обстоятельство выгодно отличает микроволновый нагрев от инфракрасного, при котором в первую очередь высыхают поверхностные слои, препятствуя дальнейшей сушке.

Кроме бытовых микроволновых печей микроволновый нагрев применяется во многих отраслях промышленного производства. Наибольшее распространение получили установки, в которых микроволновая энергия используется для сушки различного рода диэлектрических материалов (например, древесины).

Некоторые промышленные и полупромышленные установки, в сущности, мало чем отличаются от обычной микроволновой печи, поскольку состоят из тех же элементов, а увеличение мощности достигается за счет модульной конструкции, при которой вместо одного генератора используется несколько. Имеются установки, в которых одновременно работает несколько десятков магнетронов того же типа, что и в микроволновой печи.

Несмотря на то что существуют генераторы СВЧ с выходной мощностью в сотни киловатт, во многих случаях вместо одного такого прибора целесообразнее использовать несколько менее мощных генераторов. Причин этому несколько.

Во-первых, это более выгодно с экономической точки зрения. Компоненты для микроволновых печей выпускаются в большом количестве, поэтому их стоимость ниже, а технические характеристики, такие, как к.п.д., долговечность, надежность и т.д., выше.

Во-вторых, использование нескольких генераторов, в общем случае, обеспечивает более равномерный нагрев.

В-третьих, снижается вероятность электрических пробоев. Имеются и другие причины, по которым модульный вариант на основе компонентов микроволновой печи оказывается более предпочтительным. Отсюда следует, что при ремонте подобных установок в полной мере могут быть использованы те же методы, что и при ремонте микроволновых печей.

Удачи в ремонте!

Всего хорошего, пишите to Elremont  © 2007