DE2825944C3 - Verfahren und Vorrichtung zum dielektrischen Erwärmen mittels Mikrowellenenergie - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich einer Mikrowellenhei/vorrichtung /weeks Reduzieren der von der Last reflektierten Mikrowellenenergie, die von einer Mikrowellenenergiequeile über eine im Querschnitt im wesentlichen rechteckige, einen Hohlleiter darstellende Energiezuleitung einem Behandlungsraum zugeführt wird, wobei der Abgleich über in der Energiezuleitung angeordnete, senkrecht zur Energiezuleitung verstellbare Abstimmelementc vorgenommen und die von der Last reflektierte Mikrowellenenergic absorbiert und als Spannung gemessen wird.

Es ist bekannt, daß zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades einer Mikrowellenheizvorrichtung die Anpassung der Last an den Mikrowellengenerator mit seiner Zuleitung vorgenommen werden muß, da der Mikrowellengenerator, die Energiezuleitung, der Behandlungsraum und die Last verschiedene Wellenwiderstände besitzen können. Wenn die Wellenwiderstände des Mikrowellengenerators, der Energiezuleitung und des Behandlungsraumes einerseits und der Wellenwiderstand der Last andererseits verschieden sind, muß zwischen beide ein Transformationsglied geschaltet werden, das die Aufgabe hat, den Wellenwiderstand der Last an den Wellenwiderstand des Mikrowellengenerators mit der Energiezuleitung und dem Behandlungsraum anzupassen. Eine optimale Energieausnutzung ist nur dann gewährleistet, wenn die gesamte im Mikrowellengenerator erzeugte Energie in der Last in Wärme umgesetzt wird. Das bedeutet, daß möglichst keine Reflexionen an der Last entstehen dürfen.

Um für eine reflektionsarme Anpassung der Last zu sorgen, ist es bekannt, einen oder mehrere Abstimmstifte bzw. Abstimmschrauben in die als Hohlleiterkanal ausgebildete Energiezuleitung verschiebbar hineinragend anzuordnen. Mit diesen Abstimmelementen, die als Anpassungstransformator wirken, ist es theoretisch möglich, jede beliebige Lastimpendanz an jede beliebige Generatorimpendanz anzupassen (Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau«, Heft 9/1976, S. 375 - 376).

Es hat sich herausgestellt, daß im Betrieb einer Mikrowellenheizvorrichtung der Wellenwiderstand der Last veränderlich ist. Daher reicht eine einmalige Anpassung der Last an den Mikrowellengenerator über die Abstimmelemente nicht aus. Es entsteht somit ein Bedarf für einen automatischen Abgleich der Mikrowellenheizvorrichtung während des Betriebes. Durch diesen automatischen Abgleich soll der infolge der Fehlanpassung von der Last reflektierte Mikrowellenenergieanteil auf ein Minimum reduziert werden.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zu messen und entsprechend des gemessenen Wertes die Abstimmelemente zu verstellen, um die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie auf ein Minimum zu reduzieren. Eine eindeutige Einstellanweisung kann über einen größeren Variationsbereich des Reflexionsfaktors aber nicht gegeben werden.

Bei einem bekannten Verfahren zum selbsttätigen Abstimmen eines elektrischen Netzwerkes wird eine Spannungsmessung vorgenommen (DE-PS 12 21 348), die an einem Hohlleitersystem nicht zu dem gewünschten Ergebnis führen würde. Da ein elektrisches Net/werk aus konzentrierten Schaltelementen aufgebaut ist, ist die Spannungsmessung ortsunabhängig, während die Spannungsmessung in einem Hohlleitersystem durch die stehende Welle ortsabhängig ist. Die Spannungsverteilung längs eines Hohlleiters ist von der Meßposition der Meßsonde abhängig. Durch die stehende Welle auf einem als Mikrowellenhohlleiter ausgebildeten Behandlungsraum würde man in zufälliger Weise verschiedene Amplitudenwerte je nach der Meßposition messen Mit dem bekannten Verfahren ist es also unmöglich, über die vorgeschlagene Spannungsmessung eine eindeutige Aussage über die Eigenschaften der Last im Mikrowellenhohlleiter zu machen.

Es ist ein Verfahren zur Abstimmung einer Mikrowellenheizvorrichtung bekannt (GB 14 00 895), das ein Abstimnivcrfahren auf der Basis der Messung des Reflexionsfaktors nach Betrag ' Phase vorschlägt.

Dabei wird schrittweise mit variablen Blindelementen auf die Minimalreflektion hingeführt. Das für die Abstimmung maßgebliche Signal wird vom Reflexionsfaktor abgeleitet Zur Abstimmung werden Abstimmbleche von drei Abstimmstutzen zeitlich nacheinander verstellt Die Abstimmvorrichtung zur Durchführung des offenbarten Abstimmverfahrens hat den Nachteil eines wesentlich höheren technischen Aufwandes. Pro Mikrowellengenerator sind sechs Mikrowellendetektoren erforderlich. Weiter ist für diese bekannte Abstimmvurrichtung das Anordnen von zwei Steuerkreisen notwendig, die zusammen zwölf Komparatoren bzw. Differenzverstärker enthalten. Dieser hohe technische Aufwand ist zur Aufbereitung des Steuersignals notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abgleich einer Mikrowellenheizvorrichtung zu schaffen, das sich durch einen großen Abstimmbereich und eine äußerst genaue Anpassung der Last an den Mikrowellengenerator auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Überschreiten eines bestimmten Betrages der der reflektierten Mikrowellenenergie proportionalen Spannung zwei in den Hohlleiter ragende Abstimmelemente derart verstellt werden, daß eines der Abstimmelemente eine höhere Verstellgeschwindigkeit aufweist als das andere.

Wird bei dem Messen der reflektierten Mikrowellenenergie ein Übertreten eines zulässigen Betrages festgestellt, werden die Abstimmelemente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verstellt, bis die Abstimmung der Mikrowellenanlage wieder soweit ist. daß die reflektierte Mikrowelienenergie auf das gewünschte Minimum reduziert ist. Das Messen der reflektierten Mikrowellenenergie wird als Spannungsbetragsmessung vorgenommen. Durch das kontinuierliche Abstimmverfahren wird eine Spannungsminimierung erreicht.

Vorteilhafterweise wird das eine Abstimmelement mehrmals durch den vollen Abstimmbereich verstellt, während das zweite Abstimmelement lediglich um einen Teilbereich verstellt wird. Während das zweite Abstimmelement seinen Abstimmbereich oder einen Teil davon durchläuft, kann das erste Abstimmelement seinen vollen Abstimmbereich mehrmals, beispielsweise dreißigmal, durchlaufen. Dadurch wird der Abgleichvorgang kontinuierlich auf die absolute Minimierung der reflektierten Mikrowellenenergie hingeführt. Bei Erreichen des Minimums der reflektierten Mikrov/ellenenergie wird das Verstellen der Abstimmelemente eingestellt.

Die Erfindung weist den wesentlichen Vorteil eines in jedem Lastbereich konvergierenden Abgleichvorganges auf.

Die Erfindung betrifft auch eine Mikrowelleiiheizvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Behandlungsraum, der mit einem Mikrowellengenerator über eine als im wesentlichen rechteckigen Hohlleiter ausgebildete Encgiezuleitung verbunden ist, mit in der Energiezuleitung angeordneten, senkrecht zur Energiezuleitung verschiebbaren Abstimmstiften sowie einem die von der Last reflektierte Mikrowelienenergie zum Mikrowellengenerator sperrenden, zu einer Absorptionseinrichtung leitenden Zirkulator oder Richtknppler, wobei an der Absorp- ^6S tionseinrichtung eine Spannungsmeßvorrichtung für die reflektierte Mikrowellenenergie angeordnet ist. Diese Mikrowellenheizvorrichtung ist gemäß d".r. Merkmalen des Anspruchs 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmeßvorrichtung eine den Meßwert in ein proportionales elektrisches Signa! umwandelnde Schalteinrichtung nachgeordnet ist, daß eine das elektrische Signal mit einem Sollwert vergleichende Verstärkerschaltung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal auf Stellglieder zum Beiätigen von Stellmotoren der Abstimmstifte geleitet wird, wobei die Stellmotoren unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Vorteilhafterweise sind die Stellmotoren über Kurbeltriebe mit den Abstimmstiften verbunden.

Bei Abweichen der reflektierten Mikrowelienenergie von einem vorbestimmten Minimum werden die Abstimmstifte automatisch so lange mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verschoben, bis die gemessene reflektierte Mikrowelienenergie wieder auf das Minimum zurückgeführt ist.

Es ist bekannt, daß mit einem dreiteiligen Abstimmtransformator, dessen Abstimmelemente λ/4-Abstände aufweisen, jede Fehlanpassung einer Mikrowellenanlage beseitigt werden kann (Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 1968, Seite 420). Sollte mit Hilfe zweier Abstimmelemente das vorbestimmte Minimum der reflektierten Mikrowelienenergie nichi erreicht werden, so kann das dritte Abstimmelement mn dem λ/4-entfernten anderen Abstimmelement den gleichen Abgleichvorgang vornehmen. Dabei wird das '* '2-entfernte Abstimmelement in eine Ausgangsposition zurückgefahren. Auf diese Weibe ist nach doppelter Abstimm/eit sichergestellt, daß ein Abgleich erfolgt ist.

Die erfindungsgemäße Abstimmvorrichtiing der Mikrowellenheizvorrichtung des Anmeldungsgegenstandes kommt mit nur einem Mikrowellendetektor je Mikrowellengenerator aus. Außerdem ist lediglich nur ein Steuerkreis mit nur zwei Komparatoren notwendig. Der technische Aufwand der erfindungsgemäßen Abstimmvorrichtung ist gegenüber den Lösungen des Standes der Technik wesentlich geringer.

Durch die Erfindung ist es möglich geworden, eine Anpassung eines Mikrowellensystems zu schaffen, bei der die vom Mikrowellengenerator kommende Nutzleistung auch im Betrieb der Mikrowellenanlage nahezu vollständig an den Verbraucher abgegeben wird.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachstehend näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Mikrowellenheizvorrichtung mit einer Regeleinrichtung für den Abgleich der Mikrowellenheizvorrichtung;

F i g. 2 zeigt den Spannungsverlauf der die reflektierte Mikrowelienenergie aufnehmenden Gleichrichtersonde bei einem automatischen Abgleich der Mikrowellenheizvorrichtung.

Ein Behandlungsraum der Mikrowellenheizvorrichtung ist als Mikrowellenhohlleiterkanal 3 mit annähernd quadratischem Querschnitt ausgebildet. Durch diesen Mikrowellenhohlleiterkanal 3 wird der zu erwärmende Materialstrang, z. B. aus Kautschuk, geführt.

Die Mikrowelienenergie wird an zwei Einkoppelstellen 4 und 5 in den Behandlungsraum 3 eingebracht. Jede Einkoppelstelle 4,5 ist mit einem Mikrowellengenerator 6, 7 über einen Hohlleiter 8,9 verbunden. Die Hohlleiter 8, 9 enden um 90° gegeneinander versetzt am Behandlungsraum 3. Durch die um 90° gegeneinander verdrehte Einspeisung der Mikrowelienenergie werden zwei um 90° gedrehte Hio-Wellen angeregt. Bei verschiedenen Strangprofilen des zu erwärmenden Materialstranges ist so ein günstiger Energieabsorplionswinkel zwischen Profillippe und E-Feldlinie vor-

handen.

An jedem die Energie zuführenden Hohlleiter 8, 9 ist ein Anpassungstransformator 11, 12 aus jeweils drei Abstimmstiften 13,14 und 15 angeordnet. Zwischen dem jeweiligen Anpassungstransformator 11, 12 und dem zugehörigen Mikrowellengenerator 6, 7 ist ein Zirkulator 16, 17 geschaltet, der von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zu einer Absorptionseinrichlung leitet. Dort wird die reflektierte Mikrowellenenergie aufgebraucht. Die Absorptionseinrichtung ist mit einer Meßvorrichtung aus einer Antenne und einer Gleichrichtersonde 18 versehen. Es wird so ein der reflektierten Mikrowellenenergie proportionales elektrisches Signal gewonnen, das zwei Vergleichsstufen 19 und 21 zugeführt wird. Jeder der Vergieichsstufen 19 bzw. 21 wird weiter ein Bezugssignal zugeführt. Überschreitet die von der Gleichrichtersonde 18 abgegebene Spannung die Bezugsspannung, wird über die erste Vergleichsstufe 19 ein Signal Q auf eine Steuervorrichtung 22 für die Stellmotoren M\ und M2 gegeben, die je einem Abstimmstift 15 bzw. 14 zugeordnet sind. Dabei wird der Abstimmstift 14 im Schnellauf verschoben. Der Abstimmstifl 15 wird langsam von seinem Stellmotor M\ verschoben.

Wird innerhalb einer bestimmten Zeit, die durch ein in der Vergleichsstufe 19 integriertes Zeitglied bestimmt ist, kein Abgleich der Mikrowellenanlage erreicht, so wird das Signal IJ gesetzt. Dieses Signal Q~wird der zweiten Vergleichsstufe 21 zugeführt sowie einer Rückstelleinrichtung 23 für den Motor M\ des Absiimmstiftes 15. Die zweite Vergleichsstufe 21 gibt ein Signal auf eine Steuervorrichtung 24 für die Motoren M2 und Mi für die Abstimmslifte 13 und 14. Die Abstimmstifle 13 und 14 führen den gleichen Abgleichvorgang aus, während der Abstimmslift 15 in eine Ausgangsposition zurückgesetzt ist.

Fällt die Gleichrichtersondenspannung und damit die reflektierte Mikrowellenenergie unter einen vorbestimmten Pegel, so fällt das Eingangssignal an den Vcrgleichsslufen 19 und 21 unter eine Ausschaltschwelle. Die Vergleichsslufen 19 und 21 geben kein die Stellmotoren erregendes Ausgangssignal ab. Die Mikrowellenanlage ist für den augenblicklichen Betriebszustand abgeglichen.

In Fig. 2 wird die Spannungsminimierung und damit die Minimierung der reflektierten Mikrowellenenergie in ihrem Verlauf wiedergegeben. Durch den Schnellauf des einen Abstimmsliftes ist es bei der Verwendung von Gleichstrommotoren möglich, daß dieser über das Minimum herausläuft. Die Schalteinrichtung kann dann mit einer Möglichkeit versehen sein, den Abstimmstifl in diesem Fall rückwärts zurückzustellen. Werden die Abstimmstifte über Schrittmotoren verstellt, ist ein Durchlaufen des Spannungsminimums nicht vorhanden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abgleich einer Mikrowellenheizvorrichtung zwecks Reduzieren der von der Last reflektierten Mikrowellenenergie, die von einer Mikrowellenenergiequeile über eine im Querschnitt im wesentlichen rechteckige, einen Hohlleiter darstellende Energiezuleitung einem Behandlungsraum zugeführt wird, wobei der Abgleich über in der '° Energiezuleitung angeordnete, senkrecht zur Energiezuieitung verstellbare Abstimmelemente vorgenommen und die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie absorbiert und als Spannung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei '5 Überschreiten eines bestimmten Betrages der der reflektierten Mikrowellenenergie proportionalen Spannung zwei in den Hohlleiter ragende Abstimmeiemente derart verstellt werden, daß eines der Abstirnmelemente eine höhere Verstellgeschwindigkeil aufweht ais das andere.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Abstimmelement mehrmals durch den vollen Abstimmbereich verstellt wird, während das zweite Ahstinimelement lediglich um einen Teilbereich verstellt wird.

3. Mikrowellenheizvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Behandlungsraum, der mit einem Mikrowellengenerator über eine als im wesentlichen rechteckigen Hohlleiter ausgebildete Energiezuleitung verbunden ist, mit in der Energiezuleitung angeordneten, senkrecht zur Energiezuleitung verschiebbaren Abstimmstiften sowie einem die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zum Mikrowellengenerator sperrenden, zu einer Absorptionseinnchtung leitenden Zirkulator oder Richtkoppler, wobei an der Absorptionseinrichtung eine Spannungsmeßvorrichtung für die reflektiere Mikrowellenenergie angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmeßvorrichtung eine den IVießwert in ein proportionales elektrisches Signal umwandelnde Schalteinrichtung (18) nachgeordnet ist, daß eine das elektrische Signal mit einem Sollwert vergleichende Verstärkerschaltung (19, 21) vorgesehen ist, deren ^⁵ Ausgangssignal auf Stellglieder (22, 23, 24) zum Betätigen von Stellmotoren (Mu M2, Mi) der Abstimmstifle (13, 14, 15) geleitet wird, wobei die Stellmotoren unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren über Kurbeltricbe mit den Abstimmstiften verbunden sind.

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