Удосконалення процесу обробки арахісової сировини електромагнітним полем надвисокої частоти

РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АРАХИСОВОГО СЫРЬЯ
2.1. Исследование диэлектрических характеристик арахисового сырья на частоте 2450 МГц

При проектировании и разработке высокоинтенсивных процессов обработки арахисового сырья с использованием микроволновой энергии, а также при проектировании установок для реализации этих процессов необходимо исследовать диэлектрические и теплофизические характеристики обрабатываемого сырья. Основными методами определения диэлектрических характеристик являются: метод волноводной измерительной линии, метод коаксиальной измерительной линии, метод "цилиндрического стерженька", метод аналитического расчета и метод сравнения [49]. Нами принят метод волноводной измерительной линии, как наиболее простой, так и наиболее соответствующий для данного продукта.
Сущность определения диэлектрических характеристик при помощи волноводной измерительной линии заключается в том, что при наличии образца (диэлектрика) - орехов арахиса - длина волны, распространяющаяся в передающей линии, и её волновое сопротивление изменяются. При этом производится измерение параметров модуля и определение изменения фазы коэффициента отражения ЭМВ отраженной волны от границы раздела двух сред в двух режимах, короткого замыкания и согласованной нагрузки. В общем случае эти среды могут находиться, как в свободном пространстве, так и внутри передающей линии, например, волноводной или коаксиальной [83, 92 - 95]. Рассмотрим случай размещения сред в волноводе. Первой средой будем считать ту из которой выходит ЭМВ (воздух), а второй, в которую проникает ЭМВ (исследуемый гетерогенный материал).
Комплексное значение коэффициента отражения ЭМВ от исследуемого образца связано с комплексными значениями диэлектрических свойств материалов на границе раздела сред следующим соотношением [96]:

(2.1)

где - комплексная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха); - комплексная диэлектрическая проницаемость материала; - длина электромагнитной волны в вакууме, м.
Учитывая, что комплексная диэлектрическая проницаемость воздуха
= 1. Тогда из выражения (2.1) получим:
(2.2)
Здесь
, (2.3)
где - модуль диэлектрической проницаемости; - фаза диэлектрической проницаемости.
Разложим выражение (2.2) с учетом соотношения (2.3) на действительную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической проницаемости и получим расчетные соотношения для , [92]:
(2.4)
(2.5)
где - изменение фазы комплексного значения коэффициента отражения ЭМВ в режимах короткого замыкания и рабочей нагрузки.
В соответствии с выражением (2.3), модуль и фаза комплексной диэлектрической проницаемости примут вид:

(2.6)

(2.7)

Исследуя область определения зависимостей (2.6) и (2.7), видно, что область изменения амплитуды коэффициента отражения лежит в пределах от -1 до 0, в общем случае амплитуда комплексного коэффициента отражения ЭМВ изменяется в пределах от 0 до 1 [97 - 100]. Учитывая, что в основной зависимости амплитуда комплексного коэффициента отражения изменяется в пределах от -1 до 0, то, чтобы не нарушать физический смысл и логику принятого формализованного подхода, оставим знак (-) без изменения, а монотонность функций (2.4) и (2.5) нарушается при значении фазы диэлектрической проницаемости =90?. Следовательно, при вычислении по выражениям (2.4) и (2.5), появляются ложные значения действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости [101].
Для однозначного определения диэлектрических характеристик, достаточно знать значения функции как модуля коэффициента отражения от изменения фазы в режимах короткого замыкания и рабочей нагрузки, при которых не нарушается ее монотонность.
Выразим значение изменения фазы коэффициента отражения ЭМВ в режимах короткого замыкания и рабочей нагрузки через модуль коэффициента отражения и фазу диэлектрической проницаемости и из выражения (2.7) получим:

(2.8)

Таким образом, для однозначного определения диэлектрических характеристик материала при измерении параметров ЭМВ с помощью волноводной измерительной линии [99], необходимо, чтобы R и изменялись в пределах: 1 Анализ аналогов измерительных устройств [92, 93] показал, что для измерения амплитуды и фазы ЭМВ можно принять классическую схему с коаксиальной измерительной линией, а для работы в диапазоне более 1500 МГц с сыпучими материалами лучше всего остановиться на волноводных камерах. Поэтому принята наиболее простая схема с коаксиально-волноводным переходом. При этом предложено в качестве измерительной камеры использовать конечный отрезок волновода с согласованной нагрузкой. При измерении с помощью волноводной измерительной линии, образец, изготовленный в форме прямоугольного параллелепипеда, помещается в волноводе вплотную к его короткозамкнутому концу.
Экспериментально измеряемыми величинами являлись: толщина образца d, длина волны в заполненной воздухом части волновода, коэффициент бегущей волны Кб.в., расстояние от поверхности раздела образец - воздух до положения первого минимума стоячей волны в линии l.
В случае больших коэффициентов бегущей волны ( Кб.в.>0,4 ) при квадратичной характеристике детектора величина Кб.в. определялась по формуле:

, (2.9)

где Umin и Umax - показания усилителя соответственно в точках минимума и максимума стоячей волны в линии.
В случае небольших коэффициентов бегущей волны и квадратичной характеристике детектора:

, (2.10)

где - расстояние между двумя точками вдоль линии по обе стороны от минимума, в которых показания выходного прибора усилителя одинаковы и равны:

(2.11)

Для упрощения вычислений Кб.в. величина m2 (кратности уменьшения н