CN116193659A - 微波条件加热效果评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波条件加热效果评价方法，属于微波加热技术领域，首先，构建驻波型微波谐振腔模型，微波谐振腔模型包括微波谐振腔、波导和待加热物，所述待加热物放置在微波谐振腔内，并在微波谐振腔的侧壁上交错安装波导；然后计算微波谐振腔内物理场的驻波比，通过驻波比的大小即可得到微波谐振腔的微波加热效果。本发明通过引入微波射频领域参数，采用射频参数电压驻波比对微波在微波谐振腔内的传播损耗情况进行直观化反映，通过微波在传输过程中的损耗情况快速对比评价微波在不同工艺或操作条件下对材料的加热效果情况，节省了大量的评价分析时间，也节省了多种检测的方法的支出。

Description

微波条件加热效果评价方法
技术领域
本发明属于微波加热技术领域，尤其涉及一种微波条件加热效果评价方法。
背景技术
近年来，微波加热技术逐渐从家用微波炉食品加热发展到工业微波加热领域，例如在微波干燥，微波材料烧结，微波土壤修复等方面。
微波器件适配描述了微波在各组器件之间的传播损耗情况，即微波发生单元、传输单元、微波谐振腔内部三者的特性是否适合匹配，若匹配效果越好，则微波在三者之间的损耗较少，微波的能量利用率更高。因此针对微波器件选优的过程就是减少微波在传输过程的损耗。而传输损耗可通过微波射频领域当中部分参数进行反映，而在微波加热领域，只能根据加热结束后得到的材料温度变化、温度均匀性或者微波电磁场强分布结果来判断该微波条件加热的效果，这种判断方式大大增加了时间和能量成本，且在数据筛查处理过程繁琐复杂，容易出现差错，影响对微波条件加热效果的评价结果。在实际微波装置实验加热过程中，对于需要对比考虑在不同工艺以及操作条件下微波对材料加热效果评价时，并不能随时准确检测到加热效果如何，以及加热后仍需要对所有结果进行数据筛选统计后再对比分析，过程复杂繁琐，不能快速对比得到微波装置加热效果的最优条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波条件加热效果评价方法，旨在解决上述现有技术中通过加热结束后的材料温度或电磁场来判断微波条件加热效果优劣情况存在耗时长、过程繁琐、易出错的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种微波条件加热效果评价方法，包括以下步骤：
S100：构建驻波型微波谐振腔模型：所述微波谐振腔模型包括微波谐振腔、波导和待加热物，所述待加热物放置在微波谐振腔内，并在微波谐振腔的侧壁上交错安装波导；
S200：计算微波谐振腔内物理场的驻波比，通过驻波比的大小即可得到微波谐振腔的微波加热效果。
优选的，在步骤S200中，微波谐振腔内电压驻波比、回波损耗以及反射系数的关系推导过程如下：
Figure SMS_1
（1）
Figure SMS_2
（2）
Figure SMS_3
（3）/>
Figure SMS_4
（4）
Figure SMS_5
（5）
其中，VSWR为电压驻波比；RL（dB）为回波损耗；W发与W回分别为入射微波的发射微波功率和经由谐振腔以及波导内壁反射回的反射微波功率；U发与U回分别为入射微波的发射微波电压和经由谐振腔以及波导内壁反射回的反射微波电压；
Figure SMS_6
为反射系数；
微波谐振腔内可用微波能量采用电压表示为：U可用=U发-U回 （6）
由公式（5）及公式（6）得出驻波比与微波谐振腔内可用微波能量的关系式如下：
Figure SMS_7
（7）
Figure SMS_8
（8）
Figure SMS_9
（9）
将公式（9）代入公式（8）可得
Figure SMS_10
（10）
其中，E可用为微波谐振腔内可用的电场强度，单位 为V/m；d为微波谐振腔的高度，为固定值，单位为m；
根据以上公式得知微波谐振腔内电场强度与U可用之间呈正相关，驻波比与E可用之间呈负相关。
优选的，待加热物的材料对微波的吸收功率关系式如下：
Figure SMS_11
（11）
其中 ，
Figure SMS_12
为真空中的介电常数，单位为F/m；/>
Figure SMS_13
为材料相对介电常数，单位为F/m；f为微波工作时的频率，单位为GHz；E为材料所处位置电场强度有效值，单位为V/m；tanδ为材料的损耗角正切值，能够反映材料吸收微波能的程度；
得出微波谐振腔内待加热物材料对微波的吸收功率与驻波比之间呈负相关的结论。
优选的，所述待加热物为SiC圆棒，所述SiC圆棒设置于微波谐振腔底部的底座上。
优选的，所述波导与固态微波源相连，在实际微波装置中采用固态微波源方便检测VSWR值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过引入微波射频领域参数，采用射频参数电压驻波比（VSWR）对微波在微波谐振腔内的传播损耗情况进行直观化反映，通过微波在传输过程中的损耗情况快速评价微波对材料的加热效果情况。通过对射频参数的检测，即可直接判断评价微波对材料整体加热效果，相对传统需要多种方法并通过反复检测后在数据处理分析方可评价微波加热材料的效果，节省了大量的评价分析时间，也节省了多种检测的方法的支出。本发明提供了快速对比评价微波加热效果的方法，在多组材料应用于微波装置加热，或者在多种微波加热工艺与操作条件下进行微波加热时，通过检测出VSWR值的大小，可以快速得到该微波装置的条件加热效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中微波谐振腔模型的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的具体评价步骤；
图3是实施例中模型计算结果后处理得到驻波比与微波频率调整条件下加热效果关系图；
图4是实施例中模型计算结果后处理得到驻波比与SiC圆棒厚度条件调整下微波加热效果关系图；
图中：1-微波谐振腔，2-波导，3-待加热物，4-底座。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种微波条件加热效果评价方法，包括以下步骤：
S100：构建驻波型微波谐振腔模型：如图1所示，所述微波谐振腔模型包括微波谐振腔1、波导2和待加热物3，所述待加热物3放置在微波谐振腔1内，并在微波谐振腔1的侧壁上交错安装波导2。在实际微波装置中，波导2与固态微波源相连，固态微波源可以通过检测反射波程度的方式实时检测VSWR值；待加热物3为SiC圆棒，所述SiC圆棒设置于微波谐振腔1底部的底座4上。
依托计算机理论仿真技术，在计算机平台上构建出驻波型微波谐振腔多物理场理论模型做为应用计算实例的基础，通过调入电磁波麦克斯韦方程组以及传热方程等理论构建出完整的理论计算模型，将理论模型进行迭代运算，以驻波比（VSWR）作为对微波加热材料的适配选优条件，得出理论结果，用于指导推动实际装置的具体实施。
S200：计算微波谐振腔内物理场的驻波比，通过驻波比的大小即可得到微波谐振腔的微波加热效果。
微波谐振腔内电压驻波比、回波损耗以及反射系数的关系推导过程如下：
Figure SMS_14
（1）
Figure SMS_15
（2）
Figure SMS_16
（3）
Figure SMS_17
（4）
Figure SMS_18
（5）
其中，RL（dB）为回波损耗；W发与W回分别为入射微波的发射微波功率和经由微波谐振腔以及波导内壁反射回的反射微波功率；U发与U回分别为入射微波的发射微波电压和经由微波谐振腔波导内壁反射回的反射微波电压；
Figure SMS_19
为反射系数；通过回波损耗与反射系数方程代换，得出反射系数与VSWR联系。
由以上公式可得，VSWR与U回与U发之间的联系式，而微波谐振腔内可用微波能量采用电压表示为：U可用=U发-U回 （6）
由公式（5）及公式（6）得出驻波比与微波谐振腔内可用微波能量的关系式如下：
Figure SMS_20
（7）
Figure SMS_21
（8）
又
Figure SMS_22
（9）
由此可见，微波谐振腔内电场强度与U可用之间呈正相关。
将公式（9）代入公式（8）可得
Figure SMS_23
（10）
其中，E可用为微波谐振腔内可用的电场强度，单位为V/m；d为微波谐振腔的高度，为固定值，单位为m。因此，可知驻波比与E可用之间呈负相关。
待加热物的材料对微波的吸收功率关系式如下：
Figure SMS_24
（11）
其中 ，
Figure SMS_25
为真空中的介电常数，单位为F/m；/>
Figure SMS_26
为材料相对介电常数，单位为F/m，一般为材料复介电常数的实部部分；在一定程度上反映物体吸收微波的能力；f为微波工作时的频率，单位为GHz；E为材料所处位置电场强度有效值，单位为V/m；tanδ为材料的损耗角正切值，能够反映材料吸收微波能的程度。
根据公式（11）得到：微波谐振腔内待加热材料对微波的吸收功率与VSWR之间呈负相关的结论。因此VSWR值越低时，在微波谐振腔内待加热物越能得到更好的加热效果。
具体实施时，在计算机平台搭建理论计算模型，在计算过程中在模型中通过特定探针检测方式，检测理论模型的传输单元，即波导端，入射端口两部分，检测理论模型中的谐振腔单元，即谐振腔尺寸，谐振腔内部器件，以及谐振腔壁与馈入端口连接处部分，检测微波加热材料单元，即加热材料构型，托盘构型部分，得出其VSWR结果。在微波射频模块，VSWR越低，说明微波器件适配性越佳，微波传输效果越佳，损耗越低，加热材料吸收微波能量越佳，从理论计算中得到VSWR不仅可以衡量微波传播效益、损耗情况，以及评价微波入射效果等情况，同时也可直接评价微波对加热材料的加热均匀性情况。
在本发明所给出的一个具体实施例中，经由计算机仿真平台构建微波加热SiC模型进行解算，其中包括了方形微波谐振腔以及两个矩形波导端口不对称地放置在不同的两侧，以及放置于模型中央的SiC圆棒。图3、图4分别对该模型进行微波调整频率条件后的加热效果以及调整SiC厚度条件后微波加热效果，与前面方程推导相对应的是，VSWR的波谷值正好是微波条件加热效果最佳的位置，而VSWR的波峰值正好是微波条件加热最差的位置。
本发明提出将微波射频传播参数电压驻波比(VSWR)作为一种可快速针对整体微波加热装置进行加热效果评价的方法。微波激励源激发的微波经由波导传输线传播到谐振腔内，而波导和谐振腔内壁往往是低介电特性的金属材料，入射微波会在内壁上发生反射，反射波与入射波在波导传输线，谐振腔内接触会发生相互作用（叠加或削减），其结果会在波导和谐振腔内形成多个波腹与波谷，而波腹电压（Umax）与波谷电压（Umin）的比值即是VSWR。
如果谐振腔负载与波导传输线完全适配，则反射系数为0，电压驻波比为1，但是实际上是不可能实现的，微波在传输过程中不可能不会出现损耗，因此只能通过对微波器件之间适配情况进行优化，以尽可能的减少传播损耗量，而VSWR值就是衡量了微波的反射波对入射波造成的影响程度，这种程度越低，入射效果越佳，则微波在传输过程中损耗越小，微波入射条件越佳，则材料在微波谐振腔内的加热效果越好。
综上所述，本发明的有益效果如下：
A、本发明提供的微波条件加热效果评价方法，从微波射频领域进行延展，只需通过对射频参数的检测，即可直接判断评价微波对材料整体加热效果，加热效果包括温度结果，均匀性结果，升温速率等结果，传统需要多种方法通过反复检测分析，才能评价微波加热材料的效果，本发明节省了大量的评价分析时间，也节省了多种检测的方法的支出。
B、本发明提供的微波条件加热效果评价方法主要为对比微波装置在多种工艺与操作条件下的加热效果提供了快速判断的方法，在多组材料应用于微波装置加热，或者在多种微波加热工艺和操作条件下进行微波加热时，通过VSWR值的大小，可以快速对比得到微波装置的加热效果。
C、本发明提供的微波条件加热效果评价方法尤其为以固态微波源作为微波激励源的微波加热装置提供了便捷，固态微波源在工作过程中可以实时计算反射微波量，同时检测出实时VSWR值，因此将固态微波源作为激励源时就可以根据固态微波源所计算出的VSWR值直接评价条件加热效果。
在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (6)

1.一种微波条件加热效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：构建驻波型微波谐振腔模型：所述微波谐振腔模型包括微波谐振腔、波导和待加热物，所述待加热物放置在微波谐振腔内，并在微波谐振腔的侧壁上交错安装波导；
S200：计算微波谐振腔内物理场的驻波比，通过驻波比的大小即可得到微波谐振腔的微波加热效果。
2.根据权利要求1所述的微波条件加热效果评价方法，其特征在于：在步骤S200中，微波谐振腔内电压驻波比由如下公式得到：
Figure QLYQS_1
其中，VSWR为电压驻波比；W发与W回分别为入射微波的发射微波功率和经由谐振腔以及波导内壁反射回的反射微波功率；U发与U回分别为入射微波的发射微波电压和经由谐振腔以及波导内壁反射回的反射微波电压。
3.根据权利要求2所述的微波条件加热效果评价方法，其特征在于：
微波谐振腔内可用微波能量为：U可用=U发-U回
驻波比与微波谐振腔内可用微波能量的关系式如下：
Figure QLYQS_2
其中，E可用为微波谐振腔内可用的电场强度，单位 V/m；d为微波谐振腔的高度，为固定值，单位为m；
根据以上公式得知微波谐振腔内电场强度与U可用之间呈正相关，驻波比与E可用之间呈负相关。
4.根据权利要求3所述的微波条件加热效果评价方法，其特征在于：
待加热物的材料对微波的吸收功率关系式如下：
Figure QLYQS_3
其中 , />
Figure QLYQS_4
为真空中的介电常数，单位为F/m；/>
Figure QLYQS_5
为材料相对介电常数，单位为F/m；f为微波工作时的频率，单位为GHz；E为材料所处位置电场强度有效值，单位为V/m；tanδ为材料的损耗角正切值，能够反映材料吸收微波能的程度；
得出微波谐振腔内待加热物材料对微波的吸收功率与驻波比之间呈负相关的结论。
5.根据权利要求1所述的微波条件加热效果评价方法，其特征在于：所述待加热物为SiC圆棒，所述SiC圆棒设置于微波谐振腔底部的底座上。
6.根据权利要求1所述的微波条件加热效果评价方法，其特征在于：所述波导与固态微波源相连。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04184890A (ja) * 1990-11-19 1992-07-01 Power Reactor & Nuclear Fuel Dev Corp マイクロ波加熱装置
RU2329618C1 (ru) * 2007-01-09 2008-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) Лабораторная камера микроволнового нагрева
US20130334216A1 (en) * 2012-06-18 2013-12-19 Whirlpool Corporation Microwave heating apparatus
CN107794067A (zh) * 2016-09-05 2018-03-13 中国石油化工股份有限公司 一种微波反应装置
CN112272424A (zh) * 2020-05-13 2021-01-26 电子科技大学 一种高效率微波加热设备及其工作方法
CN115734413A (zh) * 2022-11-10 2023-03-03 北京航空航天大学 一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04184890A (ja) * 1990-11-19 1992-07-01 Power Reactor & Nuclear Fuel Dev Corp マイクロ波加熱装置
RU2329618C1 (ru) * 2007-01-09 2008-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) Лабораторная камера микроволнового нагрева
US20130334216A1 (en) * 2012-06-18 2013-12-19 Whirlpool Corporation Microwave heating apparatus
CN107794067A (zh) * 2016-09-05 2018-03-13 中国石油化工股份有限公司 一种微波反应装置
CN112272424A (zh) * 2020-05-13 2021-01-26 电子科技大学 一种高效率微波加热设备及其工作方法
CN115734413A (zh) * 2022-11-10 2023-03-03 北京航空航天大学 一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
纵伟: "《常规兵器电磁兼容性试验》", 东北林业大学出版社, pages: 29 - 34 *

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