ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ПЕЧЕЙ

 

 

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. Не зная о текущем

состоянии продукта, программа, содержащаяся в ПЗУ, не может полностью обеспечить качественного изготовления, 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 изготовления 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 изготовления. 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 сенсоров обратной связи.

Разумеется, вкус, запах и цвет у микроконтроллера никаких эмоций вызывать не будут. Более того, не существует и сенсоров реагирующих на эти параметры. Однако можно обнаружить косвенные изменения, происходящие в процессе изготовления пищи, которые могут быть преобразованы в электрические сигналы. А с ними микроконтроллер уже способен разобраться основательно. рекомендуется 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 бопьше, 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 изготовления 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 сенсоров.

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. 2.51. Измерение температуры с помощью термопары

Термопара представляет собой два проводника из специально подобранной пары металлов (к примеру, никель — железо), образующих замкнутую цепь (рис. 2.51).

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 г.редставляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление того зависит от температуры. На рис. 2.52. отображена типичная зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

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

Рис. 2.52. Зависимость сопротивления терморезисторз от температуры

Термодатчики используются для измерения температуры s 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 излучении на отображения 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, помешенного в камеру, что позволяет микроконтроллеру более точно выбрать требуемый режим изготовления пищи. Наиболее актуально использование сенсоров 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 фиэические явления. Рассмотрим два способа измерения веса, которые к настоящему времени реально воплощены в производимых печах и установках.

На рис. 2.53. отображен принцип действия емкостного датчика веса. Он выполнен из двух металлических пластин, сайтенных изолятором, причем верхняя пластина может быть днищем камеры. Пластины образуют конденсатор, емкость того измеряется специальной электронной схемой. Продукт, помещаемый б 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.

Рис. 2.53. Приндип действий емкостного датчике веса

Датчик веса на основе тензоре а истивно го эффекта отображен на рис. 2.54.

Тензорезмстивным эффектов* называется явление изменения сопротивления полупроводников при одноосной деформации (растяжении или сжатии). Деформаций кристаллической решетки полупроводника проявляется в изменении расстоянир 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 злектро про водн ости.

Рис. 2Л4. Принцип действия текзорезистмвиого дз!чика веся

Конструктивно тензорезистивный датчик представляет собой пленку, на которую в виле тонких полос нанесен полупроводниковый материал. Пленка наклеивается на деталь, подвергаемую изгибу в процессе взвешивания (рис. 2.54а). Поскольку проводимость полу про вор ни кое в значительной степени зависит от температуры, то для повышения точности и стабильности отображений тспэодатчики включаются по мостовой схеме (рис. 2.546). 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. ее противление R1 увеличивается, а нижний датчик сжимается, и, соответственно, Н2 уменьшается. Между плечами моста появляется напряжение Unux, зависящее от веса нагрузки. Поскольку темгература на оба датчика действует одинаково, то можно считать, что нагрев или охлаждение окружающей среды практически не влияет на значение Ubwx.

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 к замкнуть их с помощью проводника, то в нем возникнет электрический ток, который будет продолжаться до тех лор, пока не прекратится изменение температуры. вто явление называется пироэлектрическим эффектом. На его использовании основан датчик пара, применяемый е некоторых микроволновых печах.

Конструкция датчика отображена на рис. 2.55.

Пироэлектрический материал заключен 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 (рис. 2.56J.

Рис. 2.55. Принцип действия и внутреннее устройство датчика пара

Рис. 2.S6. Установка датчика пара в микроволновой печи

В момент на чана 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 микро-контролгером. По времени, прошедшему с момента включения магнетрона до начала парообразования, микроконтроллер вычисляет параметры загруженного продукта и определяет время и режим его дальнейшего изготовления. 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 сенсоров влажности позволяет осуществлять автоматическое приготовление пищи, без установки таймера и режима изготовления вручную.

Датчики влажности

Существуют понятия абсолютная влажность и относительная влажность. Прежде чем приступить к рассмотрению конкретных сенсоров, имеет смысл определиться, что есть что.

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 компенсации влаги и ее выпадению в вице 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 изготовления продукта, работа сенсоров влажности аналогична рассмотренному ранее датчику пара. Основные отличия состоят в лишь в механизме регистрации пара. Конструкция датчика относительной влажности отображена на рис. 2.57.

Рис. 2.57. Принцип действия датчика относительной влажности

Рис. 2.58. Датчик абсолютной влажности

Чувствительный элемент датчика изготовлен из пористого керамического полупроводника (МдСг04-ТЮг). При нагреве продукта выделяющийся пар попадает в поры данного материала и изменяет его сопротивление. Повышение точности измерений достигается за счет совместного использования сенсоров влажности и температуры. Датчик влажности расположен вблизи вытяжного отверстия, через то 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 чувственного 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 изготовления 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. 2.58.

Кроме использования сенсоров обратной связи, повышение качества изготовления 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 кварце—

вую 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. 2.59).

Рис. 2.59. 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 ICT Па). С этим хорошо знакомы жители высокогорий и альпинисты. Можно часами варить мясо в открытом котпе, 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 (к примеру, 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 той 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 вызапускаются в большом количестве, поэтому их стоимость ниже, а технические характеристики, такие, как к.п.д., долговечность, надежность и т.д., выше. Во-вторых, использова—

ние 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 рекомендуется, что при ремонте подобных установок в полной мере могут быть использованы те же методы, что и при ремонте микроволновых печей.