Цель работы

Ознакомление с методами и средствами измерения плотности потока энергии СВЧ излучения, установление соответствия исследуемого прибора санитарным нормам (СН № 2666-83), и приобретение навыков контроля ППЭ.

Объект исследования

Микроволновая печь…….

В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны. Как установлено медицинскими исследованиями длительное воздействие электромагнитного излучения СВЧ диапазона на организм человека оказывает вредное влияние на его здоровье. Принцип работы СВЧ-печи. Источником СВЧ энергии в микроволновой печи является магнетрон. При подаче тока на магнетрон, он начинает генерировать электромагнитную энергию, которая через специальные форсунки подается в рабочую камеру микроволновой печи. Рабочая камера печи оборудована металлическими стенками со специальным покрытием, отражающими микроволны, и вращающимся поддоном, обеспечивающим однородное распределение волн. Молекулы пищи и жидкости содержат отрицательные и положительные частицы. В отсутствие электромагнитного поля молекулы ориентированы случайным порядком. При приготовлении пищи, под воздействием переменного поля молекулы начинают вращаться. В результате трения молекул  возникает тепло, которое готовит пищу и вызывает кипение воды.

Рис.2. конструкция СВЧ-печи.

Магнетроном называется генераторный, вакуумный, двухэлектродный прибор СВЧ, в котором движение электронов происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Схематично устройство магнетрона показано на рис.3.

Рис.3. Конструкция магнетрона.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создается внешними магнитами или электромагнитом. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра. Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определенных видах колебаний.

Мощность магнетрона современных микроволновых печей составляет 700-850 Вт. Этого достаточно, чтобы за несколько минут довести до кипения воду в 200-граммовом стакане. Для охлаждения магнетрона рядом с ним имеется вентилятор, непрерывно обдувающий его воздухом.

Порожденные магнетроном микроволны поступают в полость печи по волноводу - каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение. Очень важным элементом микроволновой печи является дверца. Она должна дать возможность  видеть, что происходит в полости, и при этом исключить выход микроволн наружу. Дверца представляет собой многослойный пирог из стеклянных или пластмассовых пластин. , между пластинами обязательно есть сетка из перфорированного металлического листа. Металл отражает микроволны назад, в полость печи, а отверстия перфорации, которые делают его прозрачным для обзора, имеют диаметр не более 3 мм. По периметру дверцы вмонтирован уплотнитель из диэлектрического материала. Он плотно прилегает к переднему торцу корпуса СВЧ-печи при закрытии дверцы.

Уровень излучения от СВЧ печи для обеспечения безопасности при использовании их в быту регламентируется в России санитарнымие нормами, ограничива­ющие предельную величину утечки СВЧ-излучения микро­волновой печи. Называются они «Предельно допустимые уровни плотности потока энергии, создаваемой микроволно­выми печами» и имеют обозначение СН № 2666-83. Соглас­но этим санитарным нормам, величина плотности потока энергии электромагнитного излучения не должна превы­шать 10 мкВт/см² на расстоянии 50 см от любой точки кор­пуса печи при нагреве 1 литра воды (рис.4).

Рис. 4. Уровень безопасной плотности излучения от микроволновой печи.

Кроме СВЧ-излучения работу микроволновой печи со­провождает интенсивное магнитное поле, создаваемое то­ком промышленной частоты 50 Гц, протекающим в системе электропитания печи. Микроволновая печь является од­ним из наиболее мощных источников магнитного поля в квартире. Для населения уровень магнитного поля про­мышленной частоты в нашей стране до сих пор не ограни­чен несмотря на его существенное действие на организм че­ловека при продолжительном облучении. В бытовых усло­виях однократное кратковременное включение (на несколько минут) не окажет существенного влияния на здоровье человека. Однако часто бытовая микроволновая печь используется для разогрева пищи в кафе и в сходных других производственных условиях. При этом работающий с ней человек попадает в ситуацию хронического облуче­ния магнитным полем промышленной частоты. В таком случае на рабочем месте необходим обязательный контроль магнитного поля промышленной частоты и СВЧ-излуче­ния.

Используемое оборудование - широкополосный измеритель плотности потока энергии (ППЭ) электромагнитного поля марки П3-18 (производитель – завод РИАП).

Описание прибора

Основные элементы измерителя ППЭ:

• антенна-преобразователь (АП-ППЭ-1);

• индикатор Я6П-110;

• сетевой (встроенный) и аккумуляторный блоки питания.

Работа измерителя ППЭ ЭМП основана на приеме и преобразовании СВЧ сигналов в постоянный ток антенной–преобразователем и отсчета значения постоянного тока, пропорционального интенсивности ЭМП, цифровым индикатором. Отсчет измеряемой величины производится в децибелах (дБ).

Рис. 5. Структурная схема измерителя ППЭ П3-18

Антенна-преобразователь АП-ППЭ-1

Антенна-преобразователь (АП) выполнена на основе системы последовательно соединенных тонкопленочных термопар (многослойная термопара), размещенных на конической поверхности. При измерениях, АП помещается в измеряемое ЭМП, под воздействием которого, за счет различной плотности поглощенной энергии ЭМП, между приближенными к источнику и удаленными от него спаями возникает разница температур (градиент температур). Измерение градиента температур осуществляется путем изменения термоЭДС, возникающей на термопарах, которая пропорциональна величине ППЭ.

Суммарная термоЭДС по резистивной линии связи (ЛС) передается к измерителю температуры, который состоит из линейного усилителя постоянного тока (УПТ), размещенного в ручке АП и индикатора, вход которого соединен с выходом УПТ.

Антенны-преобразователи (АП) предназначены для приема и преобразования ЭМП в напряжение постоянного или квазипостоянного тока. Общий вид и развертка конической поверхности АП представлены на рис. 3.

Рис. 6. Развертка конической поверхности.

Резистивные пленки, выполненные в виде девяти (1-9) последовательно соединенных тонкопленочных термопар, располагаются на диэлектрическом основании конической формы (10), угол при вершине которой составляет 109,5 ± 10˚. С целью уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости конической поверхности основание имеет ажурную конструкцию. Для предохранения от механических повреждений термопарные преобразователи закрыты кожухом (16), а резиновые проводники линии связи (11) размещены внутри ручки (17). Кожух (16) и ручка (17) выполнены из полистирола. УПТ, предназначенный для усиления сигналов, снимаемых с термопарных элементов, размещен на конце ручки. УПТ имеет регулируемый коэффициент усиления, что обеспечивает приведение коэффициента преобразования АП к уровню, необходимому при калибровке измерителей ППЭ.

Индикатор Я6П-110

Индикатор Я6П-110 предназначен для преобразования аналогового сигнала, поступаемого с АП, в цифровой сигнал и отсчета значения плотности потока энергии поля в относительных единицах – дБ.

Принцип действия индикатора Я6П-110 поясняется структурной схемой, приведенной на рис. 4.

Рис. 7. Структурная схема Я6П-110

Сигнал с АП передается через фильтр нижних частот (ФНЧ) на вход усилителя логарифмического (УЛ), где происходит сжатие динамического диапазона и формирование сигнала для отсчета измеряемой ППЭ в «дБ» относительно нижнего предела измерения АП.

Усиленный в логарифмическом усилителе сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), где он пре­образуется в цифровую форму и затем поступает через счетчик электрической величины на цифровое табло индикатора. Управление работой АЦП осуществляется устройством управления, входящим в состав индикатора.

В индикаторе Я6П-110 предусмотрен контроль и автоматическое отключение светодиодных индикаторов при разряде ак­кумуляторных батарей. Напряжение питания поступает с уст­ройства управления на индикатор, где осуществляется сравнение с опорным уровнем напряжений источников питания. Опорный уровень поступает на индикатор с усилителя логарифмического.

Питание индикатора осуществляется от аккумуляторной батареи. Для повышения напряжения питания от низковольтной аккумуляторной батареи используется преобразователь напря­жения.

В индикаторе предусмотрена возможность питания от сети переменного тока через «Блок питания сетевой».

Подготовка к работе измерителя П3-18:

1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации измерителя, расположением и назначением органов управления и контроля индикатора.

2. Поместить измеритель в месте, защищенном от воздейст­вия ЭМП.

3. Подсоединить к индикатору Я6П-110 антенну-преобразо­ватель АП-ППЭ-1.

4. Тумблер блока питания сетевого установить в положение «Питание».

5. Тумблер включения питания индикатора (на лицевой па­нели) установить в нижнее положение «О».

6. Подключить к сети питания 220 В штепсельную вилку из­мерителя.

7. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели уста­новить в правое положение (значок ►).

Подготовка к проведению измерений:

1. Тумблер включения питания на лицевой панели индикато­ра установить в верхнее положение. При этом на табло загорается одна запятая.

2. Выдержать включённым измеритель в течение 60 мин для стабилизации саморазогрева.

3. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели пере­вести в левое положение (значок со стрелкой).

4. Разместить антенну измерителя таким образом, чтобы она не оказалась в зоне действия измеряемого ЭМП для его калиб­ровки (два следующих пункта).

5. Переключатель «Род работы» установить в положение «1» и регулировкой ручки «1» установить показание индика­тора, соответствующее 23 дБ.

6. Переключатель «Род работы» перевести в положение «▼2» и плавной регулировкой ручки «▼2» установить показание индикатора в пределах 4 ... 8 дБ.

Повторить калибровку по пп. 5 и 6.

Примечание. При нестабильности калибровки «▼2» в указанных выше пределах погрешность измерений (случайная составляющая) возрастает примерно на ±0,5 дБ.

7. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели пере­вести в правое положение (значок ►).

8. Переключатель «Род работы» перевести в положение 0 (0) или 10 дБ (10dB) в зависимости от предполагаемого уровня ППЭ. При неизвестном уровне ППЭ следует начать с по­ложения тумблера 10 дБ.

9. Расположите антенну-измеритель в положение, перпенди­кулярное предполагаемому направлению ЭМП от исследуемого источника.

Проведение измерений:

1. Перед внесением антенны в измеряемое ЭМП, верхний ле­вый тумблер режимов на лицевой панели индикатора перевести в левое положение (значок со стрелкой). При этом на табло инди­катора появятся показания, соответствующие уровню измеряемо­го поля. Правильность работы индикатора контролировать уста­новкой переключателя «Род работы» в положения 0 и 10 дБ. Раз­ница показаний должна быть, равна 10.

Нижний предел измерения определяют по формуле П_Н=10^-(Kf/10) , мкВт/см², а верхний П_в=10/(К_зап- 10^(Kf/10)) мВт/см². Для антенны АП-ППЭ-1 К_зап = 0,9 + 10,5ехр(-1,565·10^(Kf/10) ) Значение K_f, при частоте излучения СВЧ-печи, равен 2,3.

Если при измерениях показания прибора превышают 30 дБ, необходимо перевести переключатель «Род работы» в положение «10dB».

Внимание! Превышение уровня измеряемого ЭМП значения верхнего предела измерений более чем в три раза может при­вести к повреждению антенны- преобразователя.

2. Произвести отсчёт показаний прибора при ориентации ан­тенны на максимум показаний.

В диапазоне частот 0,3... 25,86 ГГц можно не производить ориентацию на максимум приема, но при этом следует иметь в виду, что величина погрешности измерения в этом случае ма­жет достигать ±2,5 дБ.

Окончание измерений:

1. Удалить антенну из зоны действия измеряемого ЭМП.

2. Верхний левый тумблер режимов на лицевой панели перевести в правое положение (значок ►).

3. Выключить питание индикатора Я6П-110, для чего тумб­лер включения питания индикатора (на лицевой панели) установить в нижнее положение «0».

4. Отсоединить штепсельную вилку индикатора от сети электропитания.

Внимание! Запрещается выдергивать вилку за шнур питания!

5. Отсоединить антенну от индикатора, для чего выкрутить гайку крепления разъёма и аккуратно отсоединить его кабельную часть от приборной части.

6. Сдать прибор преподавателю.

К выполнению лабораторной работы приступают толь­ко после собеседования и устного разрешения преподава­теля!

Лабораторная работа, как правило, выполняется брига­дой. Старший в бригаде получает под свою ответствен­ность от преподавателя необходимые материалы и оборудова­ние.

Порядок выполнения ЛР:

1. Произвести измерение ЭМИ в помещении в отсутствии источника излучения не менее пяти раз. Результаты измерений А_0i занести в табл. 1.

Примечание. Если уровень ЭМП в помещении, где проводится лабораторная работа, меньше предела чувствительности антенны-преобразователя (примерно 1 мкВт/см²), то показания на табло индикатора будут нулевыми «00,0».

2. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации микровол­новой печи. Соблюдая инструкцию и требования техники безо­пасности при работе с электроприборами подключить печь к сети электропитания.

3. Составить карту измерений ЭМП в направлениях, нормаль­ных к передней, боковым и верхней стенкам микроволновой печи(в каждом направлении взять точки находящиеся: вплотную к панели, на расстоянии 5 см, 10 см, 20 см и 50 см от панели).

4. Поместить поочерёдно в позиции измерений антенну при­бора ПЗ-18 и произвести измерения А_иij (не менее 5 измерений в каждой точке). Результаты занести в табл. 1.

Таблица 1

Точка измерений j= 1..m	А0, дБ			Аи, дБ			Пj, мкВт/см2	SПj, мкВт/см2
	А0i i=1..n	A0 cp	SA0 cp	Аиij	Aиj cp	SAиj cp

5. По окончании измерений выключить микроволновую печь и прибор ПЗ-18 согласно инструкции по эксплуатации. Убрать рабочее место. Сообщить об окончании измерений преподавате­лю. Сдать оборудование и приборы.

При оформлении отчёта о лабораторной работе обработка результатов исследований проводится каждым студентом са­мостоятельно.

6. Вычислить средние значения показаний в каждой j-й точке измерений A_{0 cp} и А_иij. Результаты занести в табл. 1.

7. Вычислить СКО среднего для каждой точки измерений по формуле

, дБ

8. Интенсивность излучения от источника для каждой точки измерений вычислить как разницу показаний ∆A_{j cp} = (A_{иj cp} — A_{0 cp}), дБ (при наличии измеряемого фона в помещении), где A_{иj cp} - показания индикатора, дБ; A_{0 cp} – значение фоновой интенсивности ЭМП (без источника ЭМИ).

9. Полагая, что в измерениях без и с источником коэффици­ент К_f одинаков, вычислить показания прибора ∆А_Пj, характери­зующие ЭМП источника, как разницу ∆А_Пj≈∆A_{иj cp} (если в изме­рениях без и с источником не переключался тумблер «Род рабо­ты»). При нулевом фоне в помещении ∆А_Пj следует вычислять с учётом коэффициента К_f для измеряемой частоты ЭМП (К_f ≈2,3).

10. Вычислить абсолютное значение ППЭ в точке измерения

по формуле , мкВт/см², где K_f - поправочный коэффици­ент частотной зависимости коэффициента преобразования антен­ны; К_ДА - коэффициент ослабления сигнала на входе индикатора, равный 0 дБ в положении переключателя «Род работы» «О» или 10 дБ - в положении «10dB».

11. Вычислить суммарное СКО показания прибора как гео­метрическую сумму составляющих: СКО среднего измерений без источника (если показания не равны нулю), СКО среднего изме­рений с источником (табл. 1), СКО погрешности коэффициента преобразования антенны и СКО индикатора Я6П-110 (данные из табл. 2, уменьшенные в раз).

Примечание. При нестабильности калибровки прибора ПЗ-18 в сумму погрешностей следует включить составляющую нестабильности калибровки, равную ±0,5 дБ.

Таблица 2

Составляющая погрешности	Коэффициента преобразовании антенны	Индикатора Я6П-110	От поворота оси антенны в линейно ориентированном поле	От изменения ориентации антенны на ±90˚
Значение, дБ	±0,5	±0,3	±0,8	±1,8

12. Перевести СКО из дБ в мкВт/см².

13. Занести в табл. 1 результаты определения значений ППЭ (П_J) и СКО _Пj.

Контрольные вопросы

1. Каков диапазон частот ЭМИ микроволновой печи?

2. Каким образом нормируется ЭМИ микроволновой печи?

3. Какими методами и средствами определяется плотность потока ЭМИ?

4. Какими средствами производится контроль ЭМП в лабо­раторной работе?

5. Каково устройство и характеристики прибора П3-18?

6. Какова последовательность измерений в лабораторной работе?

7. В каких пространственных точках вы будете проводить измерения?

8. Как вы будете вычислять погрешности измерений?

Лабораторная работа №4