Разработка процессов и аппаратов для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне

h = 0,015λ (h = 2 мм) - высота вибратора   над   экраном (толщина         

диэлектрика);

lv = 0.25λ (l = 14 мм) - длина плеча вибратора;

Ld = 0.45λ – длина директора;

d = 0.95λ (H=54мм) – расстояние от плеч активного вибратора до  кромки   экрана;

H = 0.09λ – расстояние от активного вибратора до директора;

Ε = 2.3 –  диэлектрическая проницаемость подложки;

Lэ = 0.9 λ – длина кромки экрана. 

Результаты  расчета по программе приведены  на рисунках 7 и 8. 

    Для согласования антенны был дополнительно  рассмотрен вариант использования бортов, установленных на печатной плате.   

    Расстояние  от излучателя до бортов, а также высота бортов были подобраны экспериментально на изготовленной плате в антенной лаборатории РТИ им. Минца.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 7. ДН проектируемого излучателя в Н плоскости

      
 
 
 
 
 
 

   

Рис. 8. Диаграмма направленности (ДН) излучателя в Е плоскости с учётом влияния экрана и директора 

  Общее выражение для множителя решётки имеет вид

    

                          ,  

где N =8 – число излучателей, I_n – комплексная амплитуда тока в n-ом вибраторе, 

                       ,

где - модуль амплитуды n – го тока,     y_n – фаза n – го тока.  

      Введя обобщённую угловую переменную y, представим множитель решётки в следующем виде при = 1,   ψn = 0 (n=8)  

                            
 

                                                                          ,          

 где  - угловая переменная,     dn – шаг между излучателями в решётке (в долях длины волны)

 

       В ходе реализации антенны в рамках диссертации для моделирования антенны на ПК (расчета формы и ширины диаграммы направленности и других характеристик) использовалась программа Microwave Studio v.5. Этот программный пакет имеет следующие основные возможности: создание трёхмерного макета проектируемой антенны, его анализ, расчет системы возбуждения, диаграммы направленности и других основных характеристик проектируемой антенны, например УБЛ, КСВн, КНД и др. 

      С помощью программы были рассчитаны следующие модели:

      - единичный излучатель с экраном, подложкой и директором,

      - линейка из 8 излучателей,

      - шлейф - вибратор с экраном и подложкой,

      - шлейф - вибратор с экраном, подложкой и директором,

      - зависимости ДН единичного излучателя от параметров подложки.

      С помощью программы был произведён теоретический расчёт параметров сигнала при прохождении сквозь объект с характеристиками, идентичными  исследуемым образцам.

      В результате подобного сравнения была выявлена возможность использования данных программы как достоверных и близких к экспериментальным данным.

     Результаты  расчёта и моделирования  в программе Microwave Studio диаграммы   направленности   антенной  линейки в Е – плоскости полностью согласуются с экспериментальными (рисунок 9а) в пределах ошибок экспериментов и показывают, что ширина главного лепестка по уровню половинной мощности составляет 6.9 градусов, а уровень боковых лепестков составляет  –13.2 дБ.

      В данной конфигурации использовались типоразмеры антенны аналогичные размерам смоделированного излучателя, а расстояние между ними бралось из расчёта 0.9 λ. Расстояние между излучателями помимо теоретического расчета было получено из расчетов по программе. Здесь, и далее, величина диэлектрической проницаемости бралась из расчета ε = 2.3

 

     Рис. 9 а ДН изготовленной антенной линейки: в Н  плоскости

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 9 б.  ДН изготовленной антенной линейки: в Е плоскости:  

Также в третьей главе представлен  аппарат для сушки и автоматического определения белка, влажности, температуры и определения принадлежности к ГМ продукции, который был собран и успешно испытан в процессе выполнения работы. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 10. Схема аппарата для сушки и автоматического определения белка, влажности, температуры и определения принадлежности к ГМ продукции. 

      Промежуточными выводами третьей главы можно считать возможность успешного использования профессионального ПО для прогнозирования результатов экспериментов. Эти предположения основаны на том, что в пределах ошибок экспериментов данные расчёта параметров сигнала при сканировании объектов совпали с полученными экспериментальным данными. 

       В четвертой главе приводятся основные экспериментальные данные и проводится их анализ.  

В таблице 1 приведены экспериментальные результаты, полученные при регистрации проходящего  сквозь образцы излучения на частотах 5,4 ГГц и 7,8 ГГц. В экспериментах регистрировалось уменьшение и изменение фазы. 
 

    

      Помимо частоты 5.4 ГГц, которая оказалась оптимальной, результаты также были получены на смежных частотах в 5.0, 5.2, 5.6, 5.8 ГГц. Также были получены промежуточные результаты на частотах в 1.0, 2.0, 2.4, 3.0, 4.0, ГГц.

      Данные о сигнале при работе на частоте 7.8 ГГц позволяют сделать вывод о принципиальной возможности улучшения полученных результатов с увеличением частоты сигнала.

     Анализ полученных материалов подтверждает возможность безошибочного определения типа продукта, его характеристик, соответствие норме.

       В приложении приведены варианты реализации устройства для его повседневного использования. 
 

ВЫВОДЫ

   1. Спроектирован и реализован на практике экспериментальный стенд для проведения испытаний, содержащий приёмо-передающий блок СВЧ, контейнеры и  приспособления для измерения параметров сигнала при его прохождении сквозь исследуемый образец, фазометр, измеритель КСВн антенны, транспортёр для передвижения исследуемого образца в апертуре антенны и рабочей области, измельчитель образца для нужного размера.

      2. Получены экспериментальные данные зависимости результатов анализа от диэлектрических свойств, влажности и температуры продукта путем измерения и фиксации изменений амплитудных и фазовых характеристик сигнала, проходящего через объект. Доказана принципиальная возможность использования СВЧ техники для анализа влажных продуктов, в случае совместного использования установки с измерителем влажности и температуры.

      3. Получены зависимости изменения сигнала относительно процентного содержания и консистенции белка в объекте. На основании данных выявлены зависимости изменения сигнала от консистенции белковой массы. Также доказана возможность безусловного распознавания наличия примесей генетически модифицированных продуктов (в первую очередь сои). На частоте 5.4 ГГц были получены результаты, с высокой вероятностью указывающие на наличие в общем объёме сои примеси ГМ сои в размере более 15 %.

      4. Получены на основе экспериментальных данных для разработки полностью автоматизированной системы экспресс анализа соответствия продукта требуемым нормам (ГОСТ, условия контракта и т. д.), в условиях единичного теста и большого товаропотока (например, таможенный терминал проверки грузов). 

      5. Разработанный аппарат может быть успешно использован в области контроля качества продуктов и контроля процесса их изготовления, как контролирующими органами, так и потребителем. Одним из вариантов реализации может быть полностью автономная система для контроля процесса изготовления продукции, фиксирующая добавления различных ингредиентов в процессе приготовления конечного продукта.

      6. Для усиления контроля со стороны государственных служб, например СЭС России, результаты анализа может быть доступны только сотрудникам контролирующего органа, или в случае отрицательного результата анализа продукта (ингредиента), устройство может автоматически подавать сигнал к прекращению процесса производства.

      7. Результаты, полученные в работе, также могут быть использованы в научных и производственных организациях, занимающихся разработкой электронных приборов и устройств СВЧ, а также антенных систем, в которых используются излучатели с секторными ДН. 
 
 
 

По  теме диссертации  опубликованы следующие  работы:

      1. Никонов Ф.Б. Определение качества пищевых продуктов питания с помощью СВЧ методов. // Пищевая промышленность № 5 2008. С. 27-34.

      2. Никонов Ф.Б., Черноглазов Ю.И. Перспективы автоматизации процессов сушки и контроля параметров продукции в СВЧ диапазоне // Электронный журнал Труды МАИ № 4 2008.   - 14 с.

      3. Никонов Ф.Б., Красников С. А. Разработка процессов и аппаратов для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне // Сборник докладов МГУТУ, октябрь 2008. – 3 с.

      4. Никонов Ф.Б., Терёхин О. В.  Генетически-модифицированные продукты. //.Электронный журнал Исследовано в России, май 2008. - 7 с.

      5. Никонов Ф. Б.   Монография. Процессы и аппараты для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне. 2008 - 110 с.

      6. Никонов Ф.Б., Красников С. А. Предпосылки разработки электронного устройства для контроля качества мяса// Журнал Естественные и технические науки № 5 2008. С. 125 – 130.