CC BY
19
05.20.02
УДК 635.21:631.573
DOI: 10.24411/2227-9407-2020-10118
Разработка и обоснование параметров СВЧ-установки с газоразрядной
лампой в резонаторе для предпосадочной обработки лука-севка
Галина Владимировна Новикова, Ольга Валентиновна Михайлова, Марьяна Валентиновна Белова, Александр Иванович Котин
Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Введение: в статье описаны разработанные установки, обеспечивающие комплексное воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ионизированного воздуха на лук-севок. Проанализировано изменение концентрации отрицательных ионов при размещении электрогазоразрядной лампы, запитанной от источника килогерцовой частоты в электромагнитное поле сверхвысокой частоты.
Материалы и методы: предпосадочная обработка лука-севка комплексным воздействием ЭМПСВЧ и коронного разряда, обеспечивающего ионизацию воздуха; анализ влияния электрогазоразрядных ламп, расположенных в ЭМПСВЧ, на собственную частоту и собственную добротность тороидального резонатора; изготовление лабораторного образца СВЧ-установки со сферическим резонатором для исследования динамики нагрева лука-севка с помощью измерителя температуры «FLUKE 62 Mini IR TNHERMOMETER» и концентрации аэроионов в нем с помощью счетчика легких ионов МАС-01.
Результаты и обсуждение: разработаны СВЧ-установки со сферическими резонаторами, обладающими высокой собственной добротностью, а также установка с тороидальным резонатором, обеспечивающим высокую напряженность электрического поля для обеззараживания сырья. В объемных резонаторах размещены электрогазоразрядные лампы, подключенные к источнику килогерцовой частоты. Установка со сферическими резонаторами содержит фторопластовый диск, имеющий на периферии выгрузочное отверстие. В углублениях фторопластовых дисков расположены электрогазоразрядные лампы, запитанные от источников килогерцовой частоты. Над каждым диском радиально установлена вращающаяся щетка 6 с диэлектрической основой и электропроводящими ворсинками. С наружной стороны резонаторов расположены магнетроны 5. Во второй СВЧ-установке для предпосадочной обработки лука-севка в непрерывном режиме электрогазоразрядная лампа размещена в конденсаторной части тороидального резонатора, где напряженность электрического поля достаточно высокая.
Заключение: приведенная методика расчета резонансной частоты и изменения собственной добротности при введении в тороидальный резонатор газоразрядной лампы, подключенной от источника килогерцовой частоты, позволяет приблизительно оценить электродинамические параметры системы «СВЧ-генератор - объемный резонатор - коронный разряд».
Ключевые слова: газоразрядная лампа, емкость конденсатора, ионизированный воздух, комплексное воздействие, лук-севок, предпосадочная обработка, сверхвысокочастотная установка, собственная добротность, сферический резонатор, тороидальный резонатор, физические факторы, электромагнитное поле.
Для цитирования: Новикова Г. В., Михайлова О. В., Белова М. В., Котин А. И. Разработка и обоснование параметров СВЧ-установки с газоразрядной лампой в резонаторе для предпосадочной обработки лука-севка. // Вестник НГИЭИ. 2020. № 12 (115). С. 38-48. DOI: 10.24411/2227-9407-2020-10118
Аннотация
© Новикова Г. В., Михайлова О. В., Белова М. В., Котин А. И., 2020
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Development and justification of microwave installation parameters with a gas-discharge lamp in the resonator for pre-planting processing of onion-sowing
Galina Vladimirovna Novikova, Olga Valentinovna Mikhailova, Maryana Valentinovna Belova, Alexander Ivanovich Kotin
Nizhny Novgorod state University of engineering and Economics, Knyaginino (Russia)
Abstract
Introduction: the article describes the developed installations that provide a complex effect of the electro-magnetic field of ultrahigh frequency and ionized air on onion-sowing. The change in the concentration of negative ions when placing an electro-gas discharge lamp powered from a kilohertz frequency source in an ultrahigh frequency electromagnetic field is analyzed.
Materials and methods: pre-treatment pearl onion complex effect of MPSVC and corona discharge, which provides ionization of air; analysis of the impact electric and gas discharge lamps located in MPSVC on its own frequency and its own q-factor toroidal cavity; manufacturer of laboratory sample microwave installation with a spherical resonator for studies of the dynamics of heating of the onion sets by using the temperature meter «FLUKE 62 Mini IR TNHER-MOMETER» and the concentration of ions in it by using light ions counter MAS-01.
Results and discussions: microwave installations with spherical resonators with high intrinsic q-factor have been Developed, as well as installations with a toroidal resonator that provides a high electric field strength for decontamination of raw materials. The volume resonators are equipped with electro-gas discharge lamps connected to a kilohertz frequency source. The installation with spherical resonators contains a fluoroplastic disk that has a discharge opening on the periphery. In the recesses of the fluoroplastic disks, electric gas discharge lamps are located, powered by kilohertz frequency sources. A rotating brush 6 with a dielectric base and electrically conductive villi is installed radially above each disc. Magnetrons 5 are located on the outside of the resonators. In the second microwave installation for pre-planting onions in non-discontinuous mode, the electric gas discharge lamp is placed in the condenser part of the toroidal resonator, where the electric voltage is high enough.
Conclusion: the given method for calculating the resonant frequency and changing the intrinsic soundness when a gas-discharge lamp connected from a kilo-Hertz frequency source is inserted into a toroidal resonator allows us to estimate approximately the electrodynamic parameters of the «microwave generator-volume resonator-corona discharge» system.
Keywords: gas discharge lamp, ionized air, onion-sowing, ultra-high-frequency installation, electromagnetic field, presetting treatment, complex impact, physical factors, spherical resonator, toroidal resonator, intrinsic q-factor, capacitor capacity.
For citation: Novikova G. V., Mikhailova O. V., Belova M. V., Kotin A. I. Development and justification of parameters of a microwave installation with a gas-discharge lamp in a resonator for pre-setting processing of onion-sowing // Bulletin NGIEI. 2020. № 12 (115). P. 38-48. (In Russ.). DOI: 10.24411/2227-9407-2020-10118
Введение
Известно, что от состояния лука-севка зависят его посевные и продуктивные качества. Чтобы получить хороший урожай, необходимо за 20-25 дней до высадки в грунт подготовить луковицы севка к активному росту. Перед посадкой лук-севок следует калибровать, прогревать, обрабатывать стимуляторами и продезинфицировать.
Высаживают в первую очередь крупные луковицы, диаметром 20-40 мм, далее средние, размером 14-20 мм, и в последнюю очередь мелкие луковицы, размером до 15 мм [1]. Для активизации процесса роста и исключения стрелкования в фермер-
ских хозяйствах семена выдерживают 3 недели при температуре 20 оС, а далее за 10-12 часов до высадки увеличивают температуру до 40 оС. Такое сухое прогревание лука-севка с соблюдением температурного режима активирует выработку веществ, препятствующих образованию почек, началу стрелкования. Для обеззараживания лук-севок выдерживают в течение 1,5-2 ч в растворе фитоспорина.
Существует большое количество приемов предпосадочной обработки семян различными электрофизическими факторами: постоянными и переменными электрическими полями; ультрафиолетовыми, инфракрасными и лазерными лучами; ультра-
звуком. Доказано, что все эти факторы могут повышать посевные качества семян и урожайность, если выработать оптимальную дозу их воздействия в конкретных условиях для повышения технологической и экономической целесообразности.
Известно, что действие отрицательных ионов кислорода сводится к их усвоению коллоидами растительной клетки, ее белками и ферментами. Отрицательные ионы кислорода ускоряют внутриклеточные процессы, изменяют скорость физико-химических реакций и тем самым стимулируют жизнедеятельность растительных клеток [2, с. 202; 3, с. 333]. Нами разработаны СВЧ-установки с разными конструкционными исполнениями рабочих камер для термообработки сельскохозяйственного сырья [4; 5; 6], в том числе установки, обеспечивающие комплексное воздействие ЭМПСВЧ и ионизированного воздуха на лук-севок [7]. В этой связи предпосадочная обработка калиброванного лука-севка комплексным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) и ионизированного воздуха имеет следующие преимущества: малая продолжительность воздействия, что позволяет обеспечивать достаточно высокую производительность СВЧ-установки; низкие энергетические затраты; простота конструкции рабочих камер, совмещающих процессы тепловой обработки в ионизированном воздухе и обеззараживания. Поэтому проанализировано изменение концентрации отрицательных ионов при размещении электрогазоразрядной лампы, запитанной от источника кило-герцовой частоты (110 кГц) в ЭМПСВЧ.
Материалы и методы
Научные исследования проведены в следующей последовательности. Разрабатывали конструкционные исполнения СВЧ-установок с резонаторами, где размещены электрогазоразрядные лампы, обеспечивающие коронный разряд. Анализировали, как влияет введение электрогазоразрядных ламп, запитанных от источников килогерцовой частоты, в ЭМПСВЧ на собственную частоту и собственную добротность тороидального резонатора. Изготавливали лабораторный образец СВЧ-установки со сферическим резонатором для исследования динамики нагрева с помощью измерителя поверхностной температуры «FLUKE 62 Mini IR TNHERMOMETER» и концентрации аэроионов в нем с помощью счетчика легких ионов МАС-01. Проводили предпосадочную обработку лука-севка комплексным воздействием ЭМПСВЧ и коронного разряда, обеспечивающего ионизацию воздуха. Сырьем служил лук-севок трех фракций. Источником килогерцовой частоты служил Дарсонваль «АМД-Искра-4» [8].
Результаты и обсуждение
Применение СВЧ-установок с объемными резонаторами в технологических процессах с.-х. дает возможность концентрации большой электромагнитной энергии в малых объемах и в нужном месте. Предлагается обрабатывать лук-севок комплексным воздействием электрофизических факторов, таких как: электромагнитное поле сверхвысокой частоты и коронный разряд, обеспечивающий ионизацию воздуха и озонирование. Для реализации данного способа в непрерывном режиме разработаны сверхвысокочастотные установки со сферическими резонаторами, обладающими высокой собственной добротностью, а также установка с тороидальным резонатором, обеспечивающим высокую напряженность электрического поля для обеззараживания сырья. В объемных резонаторах размещены электрогазоразрядные лампы (заполненные аргоном или неоном), подключенные к источнику килогерцовой частоты.
Разработана многогенераторная установка непрерывного режима работы со сферическими резонаторами, обеспечивающими возбуждение электромагнитного поля сверхвысокой частоты, содержащими электрогазоразрядные лампы, подключенные к источнику килогерцовой частоты и позволяющие ионизировать и озонировать воздух за счет коронного разряда (рис. 1). Установка обеспечивает комплексное воздействие ЭМПСВЧ, бактерицидного потока УФ-лучей и ионизированного воздуха на сырье. Она содержит приемную емкость 1 с отверстиями 2 и поворотными заслонками 3. Под приемной емкостью находятся сферические резонаторы 4, имеющие отверстия, состыкованные с соответствующим отверстием приемной емкости. Внутри каждого резонатора по горизонтальной оси жестко установлен фторопластовый диск 7, имеющий на периферии выгрузочное отверстие 9 в виде сектора. К выгрузному отверстию с тыльной стороны диска прикреплен один конец гофрированного диэлектрического рукава 10, другой конец рукава соединен с запредельным волноводом 11, расположенным с наружной стороны резонатора. В углублениях фторопластовых дисков расположены электрогазоразрядные лампы 8, запитанные от источников кило-герцовой частоты 12, прикрепленных с наружной стороны сферических резонаторов 4. Над каждым жестко закрепленным фторопластовым диском ра-диально установлена вращающаяся от электродвигателя 13 щетка 6 с диэлектрической основой и электропроводящими ворсинками. С наружной стороны сферических резонаторов 4 расположены магнетроны 5 с излучателями, направленными
внутрь. Магнетроны охлаждаются с помощью вентилятора. Открытые концы запредельных волноводов направлены внутрь цилиндрической тары 14. В каждом отверстии 2 имеется заслонка, позволяющая дозированно подавать сырье в сферический резонатор 4.
Технологический процесс термообработки и обеззараживания сырья происходит следующим образом. Закрыть отверстия 2 с помощью поворот-
ных заслонок 3 в приемной емкости. Закрыть выгрузное отверстие 9 в виде сектора на фторопластовом диске 7 с помощью заслонки. Засыпать сырье в приемную емкость. Включить электродвигатель для вращения щеток 6. Открыть отверстия 2 с помощью поворотных заслонок 3 в приемной емкости 1. Сырье через отверстия дозированно попадает в соответствующие сферические резонаторы 4, где рассыпается на фторопластовых дисках 7.
а / a б / b
Рис. 1. Установка со сферическими резонаторами для предпосадочной обработки лука-севка комплексным воздействием электрофизических факторов: а) пространственное изображение; б) схематическое изображение; 1 - приемная емкость; 2 - отверстия; 3 - поворотные заслонки; 4 - сферические резонаторы; 5 - магнетроны; 6 - щетки; 7 - фторопластовые диски; 8 - электрогазоразрядные лампы; 9 - выгрузные отверстия в виде сектора с заслонками; 10 - гофрированные диэлектрические рукава; 11 - запредельные волноводы для выгрузки сырья; 12 - источники килогерцовой частоты; 13 - электродвигатель привода щеток; 14 - тара для приема обработанного сырья; 15 - перемешивающий механизм;
16 - крышка; 17 - запредельный волновод Fig. 1. Installation with spherical resonators for preplant onion sets complex effect of electrophysical factors: a) spatial image; b) schematic image; 1 - reception capacity; 2 - hole; 3 - rotary valve; 4 - spherical resonators; 5 - magnetron; 6 - brush; 7 - PTFE disks; 8 - electrogenerated bulb; 9 - discharge aperture in the form
of a sector with flaps; 10 - corrugated dielectric sleeve; 11 - beyond the waveguides for discharge of raw materials; 12 - sources kalogerou frequency; 13 - motor brush; 14 - container for the reception of the processed raw materials; 15 - mixing mechanism; 16 - cover; 17 - beyond waveguide
Включить СВЧ-генераторы и источники кило-герцовой частоты 12 (22 кГц или 110 кГц). В сферических резонаторах 4 возбуждается ЭМПСВЧ (2450 МГц) и загораются электрогазоразрядные лампы 8, возникает коронный разряд, обеспечивающий процессы ионизации и озонирования воздуха и излучение бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей. Мощность потока излучений электрогазоразрядных ламп 8 в электромагнитном поле усиливается. Сырье подвергается комплексному воздействию электрофизических факторов, эндогенно нагревается и обеззараживается. Открыть заслонки под выгрузными отверстиями (не закрывать до окончания обра-
ботки всего объема сырья в приемной емкости). Обработанное сырье с помощью щетки 6 передвигается к выгрузному отверстию в виде сектора. Далее через диэлектрический гофрированный рукав 10 и нижний запредельный волновод 11 выгружается в тару 14. Продолжительность воздействия комплекса электрофизических факторов регулируется частотой вращения радиально расположенной щетки 6, способствующей при соприкосновении к электрогазоразрядной лампе 8 усилению коронного разряда. За один оборот щетки над фторопластовым диском сырье подвергается комплексному воздействию электрофизических факторов, нагревается и обеззараживается.
Во второй СВЧ-установке (рис. 2) для предпосадочной обработки лука-севка в непрерывном режиме кольцевая электрогазоразрядная лампа, запи-танная от источника килогерцовой частоты, размещена в конденсаторной части 3 тороидального резонатора 1, где напряженность электрического поля достаточно высокая. В конденсаторной части расстояние между стенками меньше, чем по краям, и не менее четверти длины волны. Здесь имеется дозатор 5 с диэлектрическими скребками. Скребки расположены радиально по нижнему основанию тороидального резонатора, где имеется выгрузное отверстие 6 в виде сектора, соединенное с запредельным волноводом. Излучатели от магнетронов 4 направлены в конденсаторную часть резонатора. Магнетроны рас-
положены на боковой поверхности резонатора со сдвигом на 120 градусов, с наружной стороны.
Ниже проанализируем изменение электродинамических параметров системы «СВЧ-генератор -объемный резонатор - электрогазоразрядная лампа с источником килогерцовой частоты». Основными параметрами резонатора являются его собственная частота, добротность. Собственная частота определяется только геометрическими размерами. Обычно полые резонаторы изготовляются так, что в них возбуждается только один тип колебаний. Каждый тип имеет свое распределение поля и свою картину токораспределения на внутренних стенках. При прохождении тока через стенки на них расходуется определенная энергия.
а / a б / b
Рис. 2. СВЧ-установка для предпосадочной обработки овощных культур в непрерывном режиме: а) пространственное изображение; б) схематическое изображение; 1 - тороидальный резонатор; 2 - диэлектрический цилиндр для подачи сырья; 3 - конденсаторная часть резонатора; 4 - магнетроны с излучателями; 5 - дозатор с радиально расположенными диэлектрическими скребками; 6 - выгрузное отверстие с запредельным волноводом в виде правильной треугольной призмы; 7 - вал электропривода скребкового дозатора; 8 - сырье; 9 - лампа кольцевая электрогазоразрядная; 10 - источник килогерцовой частоты; 11 - диэлектрический воздухоотвод; 12 - резьбовой регулятор высоты подъема внутреннего цилиндра; 13 - запредельный волновод круглого сечения Fig. 2. Microwave installation for pre-treatment of vegetable crops in continuous mode: a) spatial image; b) schematic image;1 - toroidal cavity; 2 - dielectric cylinder for supplying raw material; 3 - condenser part of the resonator; 4 - magnetron with emitters; 5 - dispenser with radially arranged dielectric scrapers; 6 - unloading the hole with the exorbitant waveguide in the form of a right triangular prism; 7 - a shaft of the electric drive of the scraper spout; 8 - raw material; 9 - ring lamp elektropanorama; 10 - source of kilo-Hz processing frequency; 11 - dielectric vent; 12 - threaded height regulator for lifting the inner cylinder; 13 - beyond the limit of the circular waveguide
Это является причиной затухания колебаний в резонаторе. Величина затухания зависит от плотности тока, от сопротивления стенок резонатора. Для меди проводимость о = 5,8-107 См/м, ц = 1 [9, с. 15]. В случае помещения электрогазоразрядной лампы в ЭМПСВЧ следует определить коэффициент прохождения плоской волны (по потоку мощности) че-
рез тонкую ^ < 0,01 кварцевую трубку электрогазоразрядной лампы при нормальном падении. При этом следует учесть диэлектрические характеристики кварца. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь кварца на частоте 2450 МГц соответственно равны £ = 3,8, tgS = 10-4 [10, с. 102].
Влияние коронного разряда на резонансную частоту и собственную добротность объемного резонатора определяем по методике Левитского С. М. [11, с. 103]. В конденсаторную часть квазистационарного тороидального резонатора (рис. 1) с прямоугольным сечением введена кольцевая электрогазоразрядная лампа диаметром d, возбуждаемая в парах ртути. Лампа запитана от источника килогерцо-вой частоты, генерирующего высокочастотный электрический ток малой силы при высоком напряжении. При этом возникает коронный разряд между лампой (высокопотенциальным электродом) и низкопотенциальным электродом. Этот промежуток заполняется плазмой (ионизированным газом).
В отсутствии коронного разряда эквивалентная емкость тороидального резонатора без сырья составляет Со = 58,9-10"12 Ф, частота ЭМП f = 2450 МГц и собственная добротность Q = 3000-6000. Давление паров ртути соответствует температуре 50 оС. Вычислим емкость тороидального резонатора с сырьем как емкость цилиндрического конденсатора, имеющего две соос-ные неферромагнитные цилиндрические поверхности по формуле 1 [12, с. 254]:
C =
2-n-s-s ■ l
ln
V Ri У
(1)
где £ - диэлектрическая проницаемость сырья; £о -абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха (8,85-10-12 Ф/м); I - высота цилиндров, м; Я], Я2 -радиусы цилиндров, м.
Если принять Я! = 12,24 см, Я2 = 24,48 см, I = 73,44 см, то емкость пустого резонатора составляет
(2)
C = 2-3,14-1-8;85-10-'2-0,7344 = ^и ф.
ln
0,2448
0,1224
Емкость тороидального резонатора с сырьем (луком-севком) при диэлектрической проницаемости £ = 50-55 составляет:
C =
2 ■ 3,14 ■ 50 ■ 8,85 ■ 10 ■ 0,7344
ln
0,2448 0,1224
= 29,43 JO10 Ф.
При анализе СВЧ-установок можно заменить объемный резонатор эквивалентным колебательным контуром. При этом взаимосвязь параметров резонатора (резонансная частота собственная добротность Qо и сопротивление Яо, которое вносит потери в контур) представляется формулой [13, с. 69]:
( п \
С =
а
2 ■ n f R
Jo о
(3)
Введение электрогазоразрядной лампы в тороидальный резонатор приводит к изменению собственной частоты, так как диэлектрическая проницаемость газоразрядной плазмы не равна единице.
Радиальное распределение концентрации зарядов вычисляется по формуле [14, с. 85]:
. f 2.405
П (r) = neo-Ja'r
(4)
где Jо - плотность тока, А/мм2; пео - концентрация электронов на оси электрогазоразрядной лампы (пео = 1,5-1015 м-3), м-3; г - радиус до исследуемой точки, м; Я — внутренний радиус электрогазоразрядной лампы, м.
Определим среднее значение концентрации электронов по сечению электрогазоразрядной лампы радиусом Я = 10-10-3 м [14, с. 103]:
n„ = -
n R
1 fR
Jo n (r)
2 ■ n ■ r^dr =
1 r j 2.405 . „
■ J neoJo ■r )-2-П r^dr =
n R
R
^l1 J neoJo-r 2
R
ne = 6-1016 м-3.
(5)
Изменение емкости пустого резонатора происходит за счет изменения диэлектрической проницаемости газоразрядной плазмы:
As -sn ■S
AC =--—
d
e ■n nR2
m^(2^n■ f) ■d
(1.6O24O—^^lO16 ■ЗЛ4■(2■1O—2)2
940 ■ (6.28■ 2450406)2 ■O.l = —9 ■ 1O14 Ф,
(6)
где е = 1,602-10 Дж - мощность (электронвольт);
т = 940-31кг - масса электрона.
Определим изменение резонансной частоты
ах 0/ 1 АС А/ « — • АС = -да - • /--=
ас 2 0 с
2450 -106 -940-14
=---тт = 1.87 МГц. (7)
2 58.940
Вычисляем добротность тороидального резонатора при заполнении его газоразрядной плазмой. Известно, что
ш• С
Q = ■
g
где g - активная проводимость параллельного контура при резонансе; g = go + gп.л. - активная прово-
o
димость ^о), образующаяся за счет потерь в резонаторе, не заполненном газоразрядной плазмой:
go =
a0-C _ 2-п-2450-106 • 58,9-10"
60
10-103
= 0,91 • 10-6 См. (8)
Проводимость g,.,., создаваемая газоразрядной плазмой:
gn.,.
п-R2 _ п-R2 e1 -v-n,
--G = ■
d m-a
3,14 - 4 -10"4 2,56 -10"38 -1,7 -1010 -1,27 -10"2 - 6 -1014
109-10"31 (6,28 - 2450-106 )
3,14-4-10"4 2,56-10"38 -1,7-1010-1,27-10"2 -6-1014
10-10- 9,10-31 .(б,28 • 24 50 -106)
= 1,8 • 10-8 См, (9)
где V — частота столкновений электронов.
В резонаторе установим несколько электрогазоразрядных ламп, тогда проводимость составит 1,8 • 10-6 См.
g =
( 0,91-106 +1,8-10"6 ) = 2,71-106 См;.
Проверяем условие выполнения неравенства
о2 >> V2:
a2 = 23,67 -1019 1/ с;
v2 = (1,27 -10 2 -1,7 -1010)2 = 4,62 -1016.
Неравенство удовлетворяется.
При создании поля коронного разряда от электрогазоразрядной лампы, частотой 110 кГц в ЭМПСВЧ, происходит усиленная ионизация и озонирование воздуха, а следовательно, и обеззараживание семян лука-севка, что положительно должно влиять на посевные и продуктивные показатели данной культуры, такие как всхожесть и энергия роста.
Определим параметры СВЧ-генератора при нахождении электрогазоразрядной лампы, запитан-ной от источника килогерцовой частоты, в объемном резонаторе по методике А. Н. Диденко [14, с. 210-219]. В лампе образуется газоразрядная плазма. Обоснуем диаметр колбы D, длину свободного пробега l и амплитуду колебаний электронов. Если амплитуда колебаний электронов А намного меньше половины диаметра колбы D, то разряд в парах ртути возможен и ионизация будет интенсивной. Известно, что если электрон движется в электромагнитном поле сверхвысокой частоты напряженностью Ео и частота столкновений электронов намного больше частоты ЭМП (v<< о), то амплитуду колебаний электронов можно определить по формуле, например при напряженности электрического поля сверхвысокой частоты Е0 = 200 В/см:
a=
m - a
2 - е - Е0 m-a-v - D
2 -1,602 -10"19 - 20000
9-10-31 • 2-ж-2450-10б-1,7-1010-1,27-10-22-102
= 10-5 < 1. (10) При частоте 2450 МГц глубина проникновения электрического поля в плазму равна 1 см, электропроводность газоразрядной плазмы составляет ( Ш^Ю10) См/с [ 140. с. 214].
Согласуем мощность СВЧ-генератора с частотой ЭМП 2450 МГц, необходимой для ионизации среды и поддержания разряда в плазме электрогазоразрядной лампы, заполненной аргоном, с минимальной пробивной напряженностью электрического поля 0,2-0,3 кВ/см по формуле:
Р = -Е—, Вт, (11)
100-0
где Q — добротность резонатора.
Разработан лабораторный образец с учетом требований, предъявляемых к конструированию СВЧ-установок [15, с. 11; 16, с. 9-14; 17; 18, с. 228; 19, с. 246] и технологического оборудования [20, с. 535-536]. Проведены предварительные исследования динамики нагрева лука-севка с помощью лабораторного образца СВЧ-установки (рис. 3) со сферическим резонатором при разных удельных мощностях.
Рис. 3. Лабораторный образец СВЧ-установки со сферическим резонатором : 1 - сферический резонатор; 2 - магнетрон; 3 - вентилятор для охлаждения магнетрона; 4 - дозатор;
5 — шкаф управления Fig. 3. Laboratory sample of microwave unit with spherical resonator: 1 - spherical resonator; 2 - magnetron; 3 - is a fan for cooling the magnetron; 4 - batcher; 5 - control cabinet
d
На основе предварительных расчетов и проведенных экспериментальных исследований изготовлен лабораторный образец СВЧ-установки со сферическим резонатором, обладающим большей собственной добротностью, чем тороидальный резонатор при равных их объемах. В образце установки предусмотрена дозированная загрузка сырья в резонатор, регулирование мощности СВЧ-генерато-ра и источника килогерцовой частоты. Электронный блок и элементы контроля и сигнализации расположены в шкафу управления.
Заключение Для разработки научной основы процесса взаимодействия электромагнитных излучений с
сырьем необходимо знание его электрофизических свойств в широком диапазоне температур и влажности. Это позволит правильно конструировать установки с автоматическим контролем технологического процесса комплексного воздействия ЭМПСВЧ и коронного разряда на сырье и определить эффективные режимы работы.
Приведенная методика расчета резонансной частоты и изменения собственной добротности при введении в тороидальный резонатор газоразрядной лампы, запитанной от источника килогерцовой частоты, позволяет приблизительно оценить электродинамические параметры системы «СВЧ-генератор - объемный резонатор - коронный разряд».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 30088-93 Лук-севок и лук-выборок. Посевные качества. Общие технические условия.
2. Басов А. И., Быков В. Г., Лаптев А. В, Фаин В. Б. Электротехнология. М. : Колос, 1970. 255 с.
3. Электрооборудование животноводческих предприятий и автоматизация производственных процессов в животноводстве / Под ред. И. Ф. Кудрявцева. М. : Колос, 1979. 368 с.
4. Григорьева Т. М., Поручиков Д. В. Обоснование пропускной способности рабочей камеры СВЧ-установки для термообработки мясного фарша // Знания молодых: наука, практика и инновации Ч. 2. Технические и экономические науки. Киров : Вятская ГСХА, 2013. С. 19-22.
5. Поручиков Д. В., Ершова И. Г. Сверхвысокочастотная установка для термообработки мясного сырья // Продовольственная безопасность и устойчивое развитие АПК. Чебоксары : ЧГСХА, 2015. С. 600-604.
6. Жданкин Г. В., Зайцев П. В., Сторчевой В. Ф. Разработка и обоснование параметров микроволновой установки для термообработки сырья в процессе измельчения // Научная жизнь. М. : ЗАО «Алкор», 2017. № 11. С. 25-36.
7. Котин А. И., Новикова Г. В., Шамин Е. А., Михайлова О. В., БеловаМ. В. Патент № 2703062 РФ, МПК АО1С1/08. Установки для предпосадочной обработки клубней картофеля воздействием электрофизических факторов; заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2018117070; заявл. 07.05.2018. Бюл. № 29 от 15.10.2019. 11 с.
8. Ультратон - современный физиотерапевтический аппарат для электротерапии / Phisioterapia.ru [Электронный ресурс]. Режим доступа: phisioterapia.ru>pribory/ultraton... apparat/
9. Пчельников Ю. Н. Электроника сверхвысоких частот. М. : Радио и связь. 1981.96 с.
10. Рогов И. А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.
11. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны. М. : РИОР: ИНФРА-М, 2014.
375 с.
12. Левитский С. М. Сборник задач и расчетов по физической электронике. Киев : Киевский университет, 1974. 210 с.
13. ВоскобойникМ. Ф., Черников А. И. Техника и приборы СВЧ. М. : Радио и связь, 1982. 208 с.
14. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика. М. : Наука, 2003. 446 с.
15. ИльченкоМ. Е., Взятышев В. Ф. и др. Диэлектрические резонаторы. М. : Радио и связь. 1989. 320 с.
16. Азаров Б. М. Технологическое оборудование пищевых производств. М. : Агропромиздат, 1988.
467 с.
17. Василенко В. Н., Фролова Л. Н., Драган И. В., Михайлова Н. А., Щепкина А. А., Воропаева Д. В. Эк-сергетический анализ технологии осциллирующей сушки семян масличных культур // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2018. Т. 80. № 1. С. 81-89. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-1-81-89
18. Гинзбург А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М. : Аг-ропромиздат, 1985. 336 с.
19. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В. И. Вольмана. М. : Радио и связь, 1982. 382 с.
20. Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве / Под ред. П. Н. Листова. М. : Колос, 1974. 623 с.
Дата поступления статьи в редакцию 2.09.2020, принята к публикации 5.10.2020.
Информация об авторах: НОВИКОВА ГАЛИНА ВЛАДИМИРОВНА,
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: [email protected] Spin-код 3317-5336
МИХАЙЛОВА ОЛЬГА ВАЛЕНТИНОВНА,
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: [email protected] Spin-код 9437-0417
БЕЛОВА МАРЬЯНА ВАЛЕНТИНОВНА,
доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация»
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия,
Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а
E-mail: [email protected]
Spin-код 5642-4560
КОТИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ,
ст. преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация»
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: [email protected] Spin-код 7046-7880
Заявленный вклад авторов:
Новикова Галина Владимировна: общее руководство проектом, теоретическое обоснование взаимодействия газоразрядной плазмы с электромагнитным полем сверхвысокой частоты, формулирование выводов. Михайлова Ольга Валентиновна: подготовка текста статьи, разработка конструкционного исполнения установок с тороидальным и сферическими резонаторами.
Белова Марьяна Валентиновна: сбор и обработка материалов, проведение экспериментальных исследований, проведение патентно-информационного поиска.
Котин Александр Иванович: анализ научной литературы, изготовление экспериментальной установки. Все авторы прочитали, одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. GOST 30088-93 Luk-sevok i luk-vyborok. Posevnye kachestva. Obshchie tekhnicheskie usloviya [Onion sets and onion samples. Seed quality. General specifications].
2. Basov A. I., Bykov V. G., Laptev A. V, Fain V. B. Elektrotekhnologiya [Electrotechnology], Moscow: Publ. Kolos, 1970. 255 p.
3. Elektrooborudovanie zhivotnovodcheskih predpriyatij i avtomatizaciya proizvodstvennyh processov v zhivotnovodstve [Electrical equipment of livestock enterprises and automation of production processes in animal husbandry], In I. F. Kudryavceva ed., Moscow: Publ. Kolos, 1979. 368 p.
4. Grigor'eva T. M., Poruchikov D. V. Obosnovanie propusknoj sposobnosti rabochej kamery SVCH usta-novki dlya termoobrabotki myasnogo farsha [Justification of the throughput capacity of the working chamber of the
microwave installation for heat treatment of minced meat], Znaniya molodyh: nauka, praktika i innovacii Ch. 2. Tekhnicheskie i ekonomicheskie nauki [Knowledge of young people: science, practice and innovation. Part 2. Technical and economic sciences], Kirov : Vyatskaya GSKHA, 2013, pp. 19-22.
5. Poruchikov D. V., Ershova I. G. Sverhvysokochastotnaya ustanovka dlya termoobrabotki myasnogo syr'ya [Ultra-high-frequency heat treatment plant for meat raw materials], Prodovol'stvennaya bezopasnost' i ustojchivoe razvitie APK [Food security and sustainable agribusiness development], CHeboksary: CHGSKHA, 2015,pp.600-604.
6. Zhdankin G. V., Zajcev P. V., Storchevoj V. F. Razrabotka i obosnovanie parametrov mikrovolnovoj ustanovki dlya termoobrabotki syr'ya v processe izmel'cheniya [Development and justification of parameters of a microwave installation for heat treatment of raw materials in the grinding process], Nauchnaya zhizn' [Scientific life], Moscow: ZAO «Alkor», 2017, No. 11, pp. 25-36.
7. Kotin A. I., Novikova G. V., Shamin E. A., Mihajlova O. V., Belova M. V. Patent No. 2703062 RF, MPK A01S1/08. Ustanovki dlya predposadochnoj obrabotki klubnej kartofelya vozdejstviem elektrofizicheskih faktorov [Installations for pre-planting processing of potato tubers under the influence of electrophysical factors], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2018117070; zayavl. 07.05.2018. Byul. No. 29 ot 15.10.2019. 11 p.
8. Ul'traton - sovremennyj fizioterapevticheskij apparat dlya elektroterapii [Ultrathon - a modern physiotherapy device for electrotherapy], Phisioterapia.ru [Electronic resource]. Access mode: phisiotera-pia.ru>pribory/ultraton.. .apparat/
9. Pchel'nikov Yu. N. Elektronika sverhvysokih chastot [Ultra-high frequency electronics], Moscow: Publ. Radio svyaz'. 1981. 96 p.
10. Rogov I. A. Elektrofizicheskie, opticheskie i akusticheskie harakteristiki pishchevyh produktov [Electro-physical, optical and acoustic characteristics of food products], Moscow: Publ. Legkaya i pishchevaya promyshlen-nost', 1981, 288 p.
11. Strekalov A. V. Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Moscow: Publ. RIOR: INFRA-M, 2014, 375 p.
12. Levitskij S. M. Sbornik zadach i raschetov po fizicheskoj elektronike [Collection of problems and calculations on physical electronics], Kiev : Publ. Kievskij universitet, 1974, 210 p.
13. Voskobojnik M. F., Chernikov A. I. Tekhnika i pribory SVCH [Technique and microwave devices], Moscow: Publ. Radio i svyaz', 1982. 208 p.
14. Didenko A. N. SVCH-energetika: Teoriya i praktika [Microwave energy: Theory and practice], Moscow: Publ. Nauka, 2003. 446 p.
15. Il'chenko M. E., Vzyatyshev V. F. i dr. Dielektricheskie rezonatory [Dielectric resonators], Moscow: Publ. Radio svyaz'. 1989. 320 p.
16. Azarov B. M. Tekhnologicheskoe oborudovanie pishchevyh proizvodstv [Technological equipment for food production], Moscow: Publ. Agropromizdat, 1988. 467 p.
17. Vasilenko V. N., Frolova L. N., Dragan I. V., Mikhailova N. A., Shhepkina A. A., Voropaeva D. V. Eksergeticheskij analiz tekhnologii oscilliruyushchej sushki semyan maslichnyh kul'tur [Exergy analysis of the technology of oscillating drying of oilseeds], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2018, Vol. 80, No. 1, pp. 81-89. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-1-81-89
18. Ginzburg A. S. Raschet i proektirovanie sushil'nyh ustanovok pishchevoj promyshlennosti [Calculation and design of drying installations of the food industry], Moscow: Publ. Agropromizdat, 1985. 336 p.
19. Spravochnik po raschetu i konstruirovaniyu SVCH poloskovyh ustrojstv [Guide to calculation and design of microwave stripline devices], In V. I. Vol'mana ed., Moscow: Publ. Radio svyaz', 1982. 382 p.
20. Primenenie elektricheskoj energii v sel'skohozyajstvennom proizvodstve [Application of electric energy in agricultural production], In P. N. Listova ed., Moscow: Publ. Kolos, 1974. 623 p.
The article was submitted 2.09.2020, accept for publication 5.10.2020.
Information about the authors: NOVIKOVA GALINA VLADIMIROVNA, Dr. Sci. (Engineering), Professor, chief researcher
Address: Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, 606340, Russia, Nizhny Novgorod region, Knyaginino, st. Oktyabrskaya, 22a E-mail: [email protected] Spin code 3317-5336
MIKHAILOVA OLGA VALENTINOVNA, Dr. Sci. (Engineering), associate Professor,
Professor of the Department «Infocommunication technologies and communication systems»
Address: Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, 606340, Russia, Nizhny Novgorod region,
Knyaginino, st. Oktyabrskaya, 22a
E-mail: [email protected]
Spin-Kog 9437-0417
BELOVA MARIANA VALENTINOVNA,
Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Department «Electrification and automation»
Address: Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, 606340, Russia, Nizhny Novgorod region,
Knyaginino, st. Oktyabrskaya, 22a
E-mail: [email protected]
Spin code 5642-4560
KOTIN ALEXANDER IVANOVICH,
senior lecturer of the Department «Electrification and automation»
Address: Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, 606340, Russia, Nizhny Novgorod region, Knyaginino, st. Oktyabrskaya, 22a E-mail: [email protected] Spin-Kog 7046-7880
Contribution of the authors:
Galina V. Novikova: general project management, theoretical justification of the interaction of gas-discharge plasma with an ultrahigh frequency electromagnetic field, and formulation of conclusions.
Olga V. Mikhailova: preparation of the text of the article, development of structural design of installations with toroidal and spherical resonators
Mariana V. Belova: collecting and processing materials, conducting experimental research, conducting patent information search.
Alexander I. Kotin: analysis of scientific literature, production of an experimental device All authors read and approved the final version of the manuscript.
