TECHNOLOGIA  MIKROFALOWA

PASMA  ISM

Międzynarodowe przepisy wskazują kilka zakresów częstotliwości przeznaczonych dla celów przemysłowych, naukowych i medycznych. W urządzeniach dużej mocy, używanych do suszenia, nagrzewania produktów lub innych procesów technologicznych, wykorzystywane są pasma ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical) w zakresie 915 MHz, 2,45 GHz oraz 5,8 GHz.
Pasmo 915 MHz jest przeznaczone wyłącznie dla Regionu 2 (Ameryka Południowa i Północna). Urządzenia pracujące na częstotliwościach 2,45 GHz oraz 5,8 GHz mogą być używane na wszystkich kontynentach.

PODZIAŁ MATERIAŁÓW

Fala płaska padająca na powierzchnię materiału może zostać odbita, wniknąć do wnętrza, ugiąć się lub przejść na drugą stronę. W zależności od materiału zauważyć można różne kombinacje tych możliwości. Każdy rodzaj materii można przyporządkować do określonej grupy: przewodników, izolatorów lub  dielektryków.
Do przewodników zaliczamy metale takie jak stal, aluminium, miedź, mosiądz, srebro itp. Mikrofale odbijają się od ich powierzchni, wnikając na bardzo małą głębokość.
Izolatorami jest większość tworzyw sztucznych tj. polietylen oraz gazy (np. powietrze). Mikrofale praktycznie nie odbijają się od nich i przechodzą przez nie bez start.
Dielektrykami są np. woda, większość pierwiastków i związków chemicznych, kompozyty, produkty spożywcze, materiały biologiczne itp. Mikrofale w zasadzie nie odbijają się od ich powierzchni, wnikają do wnętrza a niewielka część przenika przez dielektryk.

GŁĘBOKOŚĆ WNIKANIA

Mikrofale wnikają do wnętrza wszystkich materiałów, różna jest jedynie głębokość wnikania. Odległość pomiędzy powierzchnią a miejscem, w którym moc mikrofal jest e2 razy mniejsza nazywa się głębokością wnikania. Głębokość na jaką mikrofale wnikają do materiału jest mocno związana z częstotliwością. Mikrofale o wyższej częstotliwości będą wnikać na mniejszą głębokość.
Padając na przewodnik mikrofale o częstotliwości 2,45 GHz wnikają na 1 - 3 µm (0,001 - 0,003 mm). Ilość zaabsorbowanej przez przewodnik energii mikrofal jest znikoma. W znaczącej większości mikrofale są odbijane od przewodnika.
Przez izolatory mikrofale "przechodzą" praktycznie bez strat. Nie odbijają się od ich powierzchni. Dla izolatorów głębokość wnikania może wynosić dziesiątki metrów a nawet kilometry.
Do dielektryków mikrofale o częstotliwości 2,45 GHz wnikają (w zależności od materiału) na głębokość kilku - kilkudziesięciu cm. Większa część energii mikrofal zostaje zamieniona w ciepło, niewielka ilość mikrofal przenika przez dielektryk.

ENERGIA MIKROFAL

Wykorzystuje się zdolność mikrofal do podgrzewania materiałów równocześnie na ich powierzchni i w głębszych warstwach. W dielektrykach pole mikrofalowe powoduje rotację dipoli oraz drganie jonów. Efektem tego jest wydzielanie się ciepła i wzrost temperatury materiału. Nie do końca jest wyjaśniona rola mikrofal, które inicjują i znacznie przyspieszają reakcje chemiczne. Ciekawostką jest, że w trakcie ogrzewania wody powstają mikro bąble zawierające przegrzaną parę, podobnie jak w zjawisku kawitacji.
Efektywność działania mikrofal jest ściśle związana z głębokością wnikania. Należy tak dobrać częstotliwość mikrofal i grubość materiału aby jak największa ilość energii została zaabsorbowana.
W trakcie osuszania mikrofalami materiał nie jest intensywnie podgrzewany. Woda, która w materiale ma postać kropelek lub niewielkich jeziorek, pod wpływem mikrofal zaczyna parować. Wzrost temperatury materiału jest w znacznej części wynikiem oddawania ciepła przez powstałą parę, która wydostaje się na zewnątrz. Suszenie mikrofalami może więc przebiegać nawet przy temperaturze materiału 50 - 60 oC. Jest to istotne przy suszeniu materiałów wrażliwych na temperaturę (żywność, materiały termoplastyczne, tkaniny).

BEZPIECZEŃSTWO

Promieniowanie mikrofalowe jest niejonizujące. Nie powoduje ono trwałych zmian w strukturze materiału. Natychmiast po wyłączeniu urządzeń mikrofale znikają a w materiałach nie pozostaje żadne promieniowanie szczątkowe. Efektem działania mikrofal jest jedynie wzrost temperatury materii.
Urządzenia mikrofalowego wytwarzają pole, którego wartość określana jest jako gęstość mocy i mierzona w W/m2. Przepisy oraz normy regulują dopuszczalne wartości gęstości mocy. Wokół urządzeń wyznacza się na podstawie pomiarów tzw. strefy, w których gęstość pola mieści się w określonych przedziałach. Przyjmuje się podział na cztery strefy:

Odpowiednio zaprojektowane, zbudowane i sprawne technicznie urządzenie jest bezpieczne dla ludzi, zwierząt i roślin. Pracownicy oraz osoby postronne przebywające w pobliżu takiego urządzenia nie muszą się obawiać o swoje zdrowie.

ELEMENTY URZĄDZEŃ

MAGNETRON

W znakomitej większości urządzeń AGD, przemysłowych i laboratoryjnych źródłem mikrofal są magnetrony. Magnetron zasilany jest wysokim napięciem (ok. 4000 V), wymaga sprawnego systemu chłodzenia, trudno też regulować jego moc. Magnetrony używane w systemach przemysłowych charakteryzują się przede wszystkim dłuższym tzw. średnim czasem między awariami, określanym skrótem MTBF (ang. Mean Time Between Failures). W zaawansowanych rozwiązaniach stosowane są magnetrony chłodzone wodą.

ZASILANIE

W tradycyjnych układach magnetrony zasilane są przez transformator wysokiego napięcia MOT (ang. Microwave Oven Transformer). Jest to rozwiązanie sprawdzone i tanie. Do dużych transformatorów stosuje się układy miękkiego rozruch (ang. soft-start). Transformatory z tzw. szczeliną mocno się grzeją i wymagają intensywnego chłodzenia. Przy tym rodzaju zasilania znacznie utrudniona jest płynna regulacja mocy magnetronów.
Zasilacze impulsowe (ang. switch mode). Charakteryzują się mała masą, niewielkimi wymiarami i dobrą wydajnością. Pozwalają płynnie regulować moc magnetronu, chronią magnetron przed uszkodzeniem i wydłużają jego żywotność. Zasilacze impulsowe pozwalają zasilać magnetrony o mocy nawet 3 kW.

CHŁODZENIE

W urządzeniach przenośnych a nawet stacjonarnych najczęściej układy mikrofalowe są chłodzone powietrzem. W zależności od skali problemu oraz wymagań, używa się wydajnych wentylatorów pobierających powietrze z pomieszczenia, czerpni zasysających chłodne powietrze z zewnątrz lub kanałów wyciągowych.
Urządzenia pracujące w ramach linii technologicznych a nawet wolno stojące urządzenia stacjonarne czasami pracują w trudnych warunkach klimatycznych i środowiskowych (wysoka temperatura, zapylenie). Alternatywą dla chłodzenia powietrzem jest zastosowanie wytwornicy wody lodowej (ang. chiller). Woda chłodząca płynie w obiegu zamkniętym, więc nie jest jest konieczne podłączenie do instalacji wodociągowej. Zaletą tego rozwiązania jest cicha praca, wydajność chłodzenia niezależna od temperatury otoczenia, możliwość pracy w zapylonym pomieszczeniu, brak kanałów wentylacyjnych.

WSPOMAGANIE MIKROFAL

Ze względów technologicznych, w celu zwiększenia wydajności lub możliwości otrzymania produktu o lepszej jakości stosuje się dodatkowe technologie tj. próżnia, IR, UV, gorące powietrze. Zaletą łączenia technologi jest otrzymanie wyników, których nie da się uzyskać wykorzystując jedynie mikrofale. Takimi przykładami jest np. suszenie żywności wspomagane gorącym powietrzem, suszenie granulatów tworzyw sztucznych z wykorzystaniem próżni czy dezynfekcja  wody i ścieków we współpracy z promieniowaniem UV.

URZĄDZENIA POMIAROWE

W aplikacjach wykorzystujących technologię mikrofalową niezbędne są pomiary różnych parametrów, najczęściej wykorzystuje się pomiar:

  1. Gęstości mocy mikrofal, którego celem jest określenie dopuszczalnych wartości i ochrona przed nadmiernym promieniowaniem. Stosuje się do tego miernik stacjonarne, montowane w urządzeniu lub przenośne, przydatne dla służb BHP.
  2. Temperatury, w celu określenia wartości przy jakiej przebiega proces. Do dyspozycji są:
  3. Wilgotności, ręczne lub laboratoryjne do pomiarów okresowych lub stacjonarne do ciągłej kontroli,
  4. Mocy chwilowej i całkowitej używanej do danego procesu.

AUTOMATYKA I STEROWANIE

W zależności od potrzeb i wymagań urządzenia i systemy mikrofalowe wyposażane są w mniej lub bardziej zaawansowane systemy sterowania, automatyki, wizualizacji. Regulacji ręcznej lub automatycznej przeważnie podlega:

Dane zebrane z czujników pomiarowych oraz nastawy elementów regulacyjnych mogą być zapisywane i analizowane. Wyniki są wyświetlane w postaci cyfrowej lub prezentowane jako tabele czy wykresy.

RODZAJE URZĄDZEŃ

Urządzenia mikrofalowe można podzielić pod względem:

  1. Zastosowania:
  2. Ilości źródeł mikrofal:
  3. Konstrukcji:

Zasady dotyczące cookies.
Pliki cookies wykorzystujemy wyłącznie do celów statystycznych. Można zablokować ich zapisywanie, zmieniając ustawienia przeglądarki internetowej. Szczegóły na naszej stronie Aktualności