微波理论（共6篇）
微波理论 篇1
电磁场理论与微波技术课程是通信工程、电子信息工程及电子科学技术类专业学生的一门重要的基础课程。该课程的概念抽象,理论性强,涉及的知识面较宽,是一门公认的难教和难学课程[1,2,3,4]。当前无线通信技术高速发展,社会对掌握微波、电磁场技术人才需求日益迫切。为了激发学生对本课程的学习热情,提高教学质量,我们对电磁场理论与微波技术课程的教学方法和考核手段进行了系列探索和改革实践。课题组教师经过多年的不懈努力,在本课程建设和教学实践方面取得了初步成效,2009年经学校评审成为校级精品课程,2010年被增选为浙江省精品课程,课程的教学水平也得到进一步提升和认可。充分激发了学生对本课程的学习兴趣和学习动力,取得了较满意的教学效果。
1 教材内容创新
传统教材只强调电磁场经典理论和传输原理以及单纯公式推导,知识过于枯燥,形式上也较为单一,缺乏应用背景和紧密跟踪最新前沿发展的内容,这样不但导致理论与实际应用脱节,也很难激发学生的学习热情。针对教学中出现的情况,任课教师花费大量的时间准备本门课程多媒体课件,把电磁场用图片、动画、声音形象地描述出来,使抽象概念完全图形化、可视化,让学生能比较容易地理解抽象复杂的内容,充分激发了学生的学习兴趣,提高了学习效率。
针对学生的猎奇心理特点,教学过程中任课教师把与电磁场、微波技术相关的国内外事物在本课程教学中穿插,做到与所讲内容密切联系与交叉。从古籍《论衡》中曾有关于静电的记载,到古代“司南”照片,都展示了我国古代人民对电磁科学的贡献。美国科学家富兰克林著名的风筝“捕捉天电”实验,1800年著名“伏打电池”,英国物理学家法拉第对电磁学研究,以及19世纪麦克斯韦方程,到赫兹的“电火花”,都展现了国外科学家对电磁场发展贡献。这些知识学生十分感兴趣,通过这些事物还能使学生联想到上课的内容起到加强记忆的作用。
对于电磁场在当今现实生活中的应用,我们展示的应用实例为电视机、移动电话、微波炉,隐形飞机、微波武器和我国神舟飞船导航等,用于帮助学生认识微波与射频技术在当代的发展状况和应用前景。在课堂教学中我们还穿插当前热点研究和任课教师自己的最新科研成果,如手机对人脑辐射、3G和4G手机通信应用的电磁频谱、隐形衣、电磁黑帐等,并且配以大量相关图片和动画,使学生十分直观地看到本门课程的应用前景。
2 教学方法改进
为了培养学生理论联系实际,解决具体工程问题的能力,使学生加深对理论知识的理解与应用。我们在教学方法上增加电磁场理论与微波技术的应用实例,以提高学生的工程实践素质。本课程采用以下两种教学方法的结合,取得了较满意的教学效果。
2.1 把现场实践教学方法应用于本课程教学中
利用任课教师与相关电磁场微波器件厂家(主要制作微波无线通信发射,传输和接收器件)多年的产学研结合优势,在教学中安排多个课时把学生带到工厂,由厂方技术主管进行现场教学,让学生直接体会到所学知识如何用到企业产品研发中。在工厂里学生不仅能看到各种微波器件如天线、传输波导、功分器等,而且还可以现场看到工厂研究人员如何进行微波器件设计并使之成为产品的过程,通过学生亲眼所见和亲身体会,给他们很大的冲击,让学生了解学习本课程的重要意义,学生的学习兴趣高涨,教学效果提升明显。
2.2 充分利用学院Ansoft-HFSS软件仿真设计实验室开展实践教学
采用小班教学(即自然班)授课方式,在讲授到微波器件(传输波导、滤波器、功分器、天线)内容时,让学生到实验室上课,每人一台计算机,学生一边学习一边对微波器件进行建模、仿真与设计。通过仿真设计获得性能优越的微波器件几何尺寸参数。应用部分教学经费让学生开发产品进行并加工与测试,让学生在进行理论知识学习的同时进行实践锻炼。这样的教学方式已经不再是单纯的照本宣科,而是让学生与同学和教师进行探讨交流,通过设计一些新型微波与射频器件,消化课堂知识,激发了学生参与研究的渴望,培养了学生的自学能力、研究创新能力,达到真正提高学生综合素质的目的。图1和图2分别为学生仿真计算的波导结构和制作的微波器件实物照片。
3 考试方法改革
在学生成绩评价上,实现了从“一张试卷定高下”到按照学生在整个课程中的实际表现和能力来综合评定成绩的转变,本门课程采用三种方法对学生进行考核,即器件设计+回答提问、提交研究报告+答辩、考试。学生可以根据自己的具体情况在课程中期进行选择。学生对本课程测评满意度达到99.99%以上。
3.1 器件设计+回答提问
学生在实践课程中通过自己阅读资料,采用一种新型结构实现一种微波功能器件,完成器件的仿真、设计、制作和测试,分析所设计器件的性能和影响因素,完成一份总结报告。课程组教师安排提交总结报告的学生在课程结束后一周内到实验室现场调试,并回答教师提出的相关问题。对于能条理清晰交流微波器件设计心得的学生,本课程期末成绩评定为优秀或良好。对能够回答教师提问,但是部分概念还不够清晰的,成绩评定为中。如果发现有模仿别人已设计的微波器件结构行为,生本门课程的成绩将被取消。
3.2 提交研究报告+答辩
任课教师设置30~40个与电磁场理论及微波技术课程相关的研究小课题,每个题目设定研究目标。学生可以根据自己的能力和兴趣选择课题,每个课题要求2名学生组成一个小组进行研究。学生通过查阅文献,按照课题设定目标完成研究后在课程结束前一周提交一份报告,教师安排这些研究小组进行讲解并接受提问,最后根据每名学生的表现给出小组成绩。
3.3 改进式的期末考试
把平时课堂上讨论、提问、随堂测验等各种考核成绩以50%~60%比例计入总评成绩。同时建立由30余套试卷组成的试题库,学校教务处随机抽取试题作为期末考试试卷,促进学生考核更加公平和公正。
随着无线通信技术高速发展,国内外对掌握微波射频技术人才需求日益迫切。通过合理运用现场实践教学与实验室教学相结合的教学手段,改变了以往电磁场理论与微波技术课程教学中存在的枯燥、繁杂等问题,解除了学生对本课程的畏惧心理,让学生了解学习本课程的重要意义,激发学生对本课程的学习兴趣,充分发挥学生的积极性、主动性和创造性,提高了教学质量,达到了预期教学目的。
参考文献
[1]林相波,刘军民.电磁场与电磁波课程教学中的几点思考[J].电气电子教学学报,2009,31(2):95-96.
[2]张会芝,刘艳芳.通信工程专业电磁场理论课程教学探索[J].中国现代教育装备,2009,8:107-108.
[3]袁明辉.电磁场理论教学研究[J].科技创新导报,2010,5:184.
[4]苏艳.电磁场与电磁波教学方法探讨[J].科技信息,2010,21:107.
微波理论 篇2
关键词：微波光子链路,相位噪声,相对强度噪声
1 引言
微波光子学是一门融合了微波技术和光纤通信技术的新兴交叉学科, 主要研究的是微波与光信号之间的相互作用, 微波光子学融合了微波通信和光纤通信的优点并克服了两者之间的部分缺陷;但随着近些年来微波光子学的发展, 对微波光链路的传输性能提出了更高的要求, 本论文基于直调微波光子链路对光链路产生的附加相位噪声进行了研究, 建立了附加相位噪声的模型。
2 微波光子链路相位噪声模型研究
所研究的光链路是一个点对点链路, 他有激光器和一个PIN光电探测器组成, 如图1所示。然后在链路输出端通过光电二极管再次转换成电信号。
分析光链路相位噪声的恶化首先要考虑的因素是光能的波动。因为在光链路中光电探测的线性度比激光器要好, 所以相位噪声的恶化主要来源于激光器。在光链路中, 一个半导体激光器的相对强度噪声 (RIN) 一个主要的噪声源, 尤其是在低频段, 他与频率呈现倒数关系 (1/f) 。
通过微波信号的调制, 激光器的RIN谱被改变。由于激光器的非线性效应, 低频噪声的上变频在相位和幅度上接近微波信号频率, 如图2所示。
因此, 附加相位噪声可以恶化微波信号的质量。
为了得到光链路输出的整个相位噪声能量, 应该把所有的噪声源考虑在内。假设热噪声、散弹噪声和激光的RIN, 在调制频率F处的相位和幅度是相同的。则在光链路的输出端, 整个相位噪声能量P (F) 可以被表示为如下表达式:
其中, R是光电探测器的负载阻抗, Iph是探测光电流, k是玻尔兹曼常数, T是热力学温度, RIN (F) 是激光器在调制频率时的RIN。RIN (f) 是激光器的低频RIN, bdet是电压/弧度的一个比例常数, ɑ为低频转换因子。可以得出相位噪声的谱纯度表达式:
Ps为信号功率。我们常用分贝表示单边带相位噪声
从表达式中可以看出激光器的低频噪声在相位噪声当中是另一个噪声源。它随着频率的增加而减小, 呈现1/f特性, 它使得L (F) 随着频偏的增加而减小, 其他噪声决定最终的相位噪声层。
3 结语
直调微波光子链路链路的单边带相位噪声, 在低频端主要是受RIN的低频噪声的影响, 并且与频率呈现1/f关系, 而高频端的单边带相位噪声主要是由于RIN、散弹噪声和热噪声决定。
参考文献
[1]Michel Sotom and Benoit Benazet:‘Microwave Photonic Technologies for Flexible Satellite Telecom Payloads’Thales Alenia Space, 26, avenue J-F Champollion-BP 1187, 31037 Toulouse, France 20-24 September, 2009.
[2]Wei Zhang, Zhenyu Xu, Michel Lours, Rodolphe Boudot:‘Advanced Noise Reduction Techniques for Ultra-Low Phase Noise Opticalto-Microwave Division With Femtosecond Fiber Combs’IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol.58, no.5, 2011 May.
[3]G.P.Agrawal and N.K.Dutta, Long Wavelength Semiconductors Lasers.New York:Van Nostrand, 1986, p.259.
微波理论 篇3
1 对象与方法
1.1 对象
选择了本省微波通信系统、铁路的通信系统、电力通信系统、广播电视传输系统的部分发射机前、机房、发射天线下等作业场所以及作业人员经常活动的场所进行布点测量的微波泄漏剂量。
1.2 方法
在同一机房不同机型、不同频率的发射机前分别进行强度测量,对不同系统作业环境的微波泄漏强度分别进行统计分析。测试设备使用美国NARDA公司生产的8718型宽频谱射频测量仪和国产RCQ-1A微波漏能测试仪。
2 结 果
本次共调查了51个机房、共85台发射机,测得1 206个点次数。其中主要有美国、挪威、瑞典、瑞士、加拿大、日本、意大力等国的发射机以及我国西安、北京生产和组装的发射机。移动通讯的使用频率主要在0.85～1.80 G,电力、铁路、电信通讯、广播电视的使用频率主要在1～13 G的频率范围。微波机前测得微波泄漏最大值为300 μW/cm2,机房测得最大值为101 μW/cm2,天线下测得最大值为160 μW/cm2,从总的测量结果上看,超过微波作业场所的卫生标准容许值(50 μW/cm2)的有7个机房,占总机房数的13.7%;机前超标台数7台,占总台机数的8.4%。其余机前、机房的微波泄漏均在卫生标准容许值以下。
2.1 移动通讯系统作业场所的微波泄漏测试结果
见表1。对移动通讯系统作业场所的6个单位进行了调查,共测量了17个机站,结果发现,微波发射机前、机房的微波泄漏剂量都比较低,大部分的测点均未检出有微波的泄漏。但在天线下的测点中有2个机站的部分测点超过了有关的卫生标准容许值,提示工作人员在检查、维修的巡检中可能有较大剂量的微波暴露。
2.2 铁路微波通讯发射设备的微波泄漏测量结果
见表2。对铁路通讯的11个机房作了调查测量,共对23台微波发射机的机前、操作位、休息间等作业场所及活动场所进行了微波的泄漏测量,结果发现铁路局广本站、深北、羊站和佛山站共5个测点有微波泄漏,超过了有关作业场所50 μW/cm2的卫生标准容许值。提示作业人员在这样的环境中工作,可能会受到瞬间的较大剂量的微波辐射。其余7个机房的机前、机房工作位和活动场所的各测点的微波泄漏均在标准容许值以下。
(μW/cm2)
2.3 微波电信通讯和电力通讯不同作业场所的微波泄露测量结果
见表3。本次对微波电信通讯和电力通讯不同作业场所的16个单位共45台微波通讯发射机的机前、机房操作位、发射机天线下等作业场所及活动场所进行了测量,测得机前微波泄漏最大值为300 μW/cm2,机房为23 μW/cm2,天线下为100 μW/cm2,其中有5台发射机前的微波泄漏超过了50 μW/cm2的作业卫生标准容许值。所有的微波机房其测量结果均未超过该卫生标准容许值。从微波机前的测量调查结果上看,泄漏较大的微波机主要是西安生产的微波发射机和日本产的旧微波发射机,其余进口新的微波发射机则微波泄漏较少。
2.4 各通讯系统微波发射机、机房和天线下的总测量结果
见表4。本次对3个微波通讯系统的85台发射机、51个机房、49座发射天线下的作业和活动场所的微波泄漏进行了测试,共测得1 206个数据,测得微波泄漏最大值的是电信通讯系统为300 μW/cm2,平均为58.7 μW/cm2;其余系统的最大值虽然都超过了50 μW/cm2的卫生标准容许值,但其平均值均在标准容许值以下。
(μW/cm2)
(μW/cm2)
3 讨 论
连续微波全身辐射卫生限值8 h平均功率密度不超过50 μW/cm2,日剂量(8 h)不超过400 μW/cm2。有学者调查发现作业人员暴露于较高微波剂量(毫瓦级)辐射时,对人体产生有害影响,可引起外周血淋巴细胞染色体畸变率的增高[2,3]。也有学者报道长期暴露于较低剂量(几十微瓦)微波的微波通讯和电视转播的工作人员,也发现微波接触人员外周血淋巴细胞染色体畸变率明显高于对照组[4]。从目前的大部分研究结果来看,微波对机体产生影响主要取决于作用的剂量和接触时间。
唐国汉等[4]调查了9个微波站,发现暴露于5～40 μW/cm2的116名作业人员也出现了心电图异常、眼睛晶状体的混浊异常等改变;对微波通讯收发机系统的微波泄漏及接触人员进行了调查发现,作业人员暴露于75～175 μW/cm2微波辐射时出现了血压、心电图异常、血红蛋白和红细胞、尿香草扁桃酸等的异常改变[2]。也有学者对接触0～25、0～100 μW/cm2 电力调度和气象观测的技术人员进行了调查,发现作业者的眼晶状体混浊,免疫球蛋白IgG低的发生率明显增高[3]。陈壁锋等[5]曾对暴露于100～1 030 μW/cm2微波的实验室技术人员调查发现,接触者除了有心电图、免疫球蛋白异常以外,其外周血淋巴细胞染色体的畸变率也明显增高。周从容等[6]对接触35～50 μW/cm2的微波通讯和电视转播的工作人员进行了调查,发现其外周血淋巴细胞染色体的畸变率也明显的高于对照组。
从本次34个机房以及81台微波发射机的测量结果上看,虽然部分国产机和进口旧机的微波泄漏较大,进口的新机的微波泄漏较少,但是工作人员的部分作业场所仍然存在微波的辐射,其主要的接触场所是机器的维修和天线的调试,虽然大部分的工作人员的微波暴露量不大,但是部分作业人员在作业期间会受到不同程度的微波辐射,少数作业人员有时会受到瞬间较大剂量的微波辐射。说明微波通讯系统的作业人员存在一定的微波暴露。在这样的暴露剂量环境下,是否对作业者产生有害的影响,是否对作业者的后代也产生不良的影响,有待对微波作业者作进一步调查研究。从本次的测量调查结果发现,移动通讯、铁路和电力调度通讯、电信微波通讯等系统的作业者实际暴露情况是间断、短暂和低剂量的接触,因此对这些作业者应作较长期的观察。
参考文献
[1]姚成灿,姚平,唐国汉,等.射频电磁波与环境温度对单个活态红细胞膜力学性质的影响[J].中国职业医学.2005,32(3):11-13.
[2]唐国汉,杨爱初,黎世林,等.中短波作业人群心血管变化的八年动态研究[J].中华劳动卫生职业病杂志,2002,20(1):49-50.
[3]王焱,曹兆进.手机辐射与健康[J].卫生研究.2006,35(4):520-523.
[4]唐国汉,黎世林.手持移动电话在信号不同强度环境下微波辐射的调查[J].中国公共卫生,2001,17(5):43-44.
[5]陈壁锋,梁丽燕,郑巧玲,等.微波对职业人群外周血淋巴细胞微核的影响[J].中国辐射卫生1997,6(4):254.
微波理论 篇4
众所周知, 提取物是中药制剂、保健品、食品饮料添加剂、化妆品等产品的生产原料, 产品的生产加工应符合国家药品管理法和食品安全法的规定, 其生产过程应该在GMP要求下进行, 产品质量必须符合《中国药典》、食品化妆品的行业质量标准。
由科学技术部等16部委制定的《国家中医药创新发展规划纲要》提出, 中药新产品的开发以高效、优质、安全、稳定为基本要求, 对中成药产品要以达到“三效” (高效、速效、长效) 、“三小” (剂量小、毒性小、副作用小) 、“三方便” (储存、携带、服用方便) 为目标。也就是说, 中药的剂型要改变, 剂量要缩减, 疗效要提高。《国家中医药创新发展规划纲要》同时提出, 要开展中药提取、分离、浓缩、干燥、制剂、辅料生产技术集成创新的研究, 借鉴现代制造技术、信息技术和质量控制技术, 加强符合中成药生产特点的新工艺、新技术、新装备的研究开发, 提高中药制造业的现代化水平。但是, 目前我国采用的传统提取纯化工艺存在诸多弊端, 导致能耗高、物耗大、污染重、产量低、质量差, 成本居高不下, 严重影响了植物提取产业的发展, 妨碍了相关行业的现代化发展进程。因此, 引入现代技术, 加速对传统工艺中不合理的生产方法进行技术改造迫在眉睫。
此外, 我们急需将无数实验室科研成果转化为生产力, 否则国家投入的巨额科研费用将打水漂, 这对装备开发者来说任重道远。但是, 要将原本以克为单位的科研试验仪器转变成能够获得成吨产品的生产设备, 需要有模拟放大的试验过程。设备的技术参数则是通过反复试验 (或正交试验) , 将所得提取物经分析检验确认所得有效成分是目标组分, 其含量或纯度研究可达到事半功倍的目的。因此, 我们需要对试验所获得的数据进行汇总整理、分析对比, 对试验条件进行优化组合, 确认不同质地的药材或单、复方品种的最佳技术参数, 并将其参数输入程控系统。我们通常利用小型连续提取设备 (专利号:CN101020126A) 进行大量实验, 并以此为孵化器逐步改进, 通过试验获得对药材浸泡、流量控制、微波能调节及材料选择的大量数据, 利用PLC进行筛选获得不同组分相应的控制参数, 使其为工业化生产创造条件。
当前植物提取物的提取纯化新工艺、新技术繁多, 萃取方面主要有超临界、超声波、半仿生、纤维酶、微波等;浓缩方面主要有真空浓缩 (膜蒸发、多效蒸发) 、常温膜分离 (反渗透或超滤) 浓缩;分离纯化方面主要有沉降、过滤、离心 (三足式+蝶式) 、透析、膜分离、大孔径树脂、色谱、升华等;干燥方面主要有喷雾、冷冻及微波真空等。为保护有效组分不被分解, 最好采用低温操作。笔者推荐微波提取→压滤+蝶式→膜浓缩+膜分离→刮板式浓缩器 (直接喷雾干燥) →真空微波干燥这条绝对节能、低耗、低成本的生产线。
本文将对微波提取技术及其装备进行研究, 以餐读者。
1 微波提取原理及其特性
微波即波长在1mm~1m、频率在300~300 000MHz的电磁波, 它介于红外线和无线电波之间。
1.1微波植物提取原理
极性分子接受微波辐射能量后, 通过分子偶极以每秒24.5亿次的频率旋转碰撞而产生热效应。在萃取时, 微波透过透明的萃取剂到达植物内部, 因其维管束和腺胞系统含水量高, 故吸收微波快速升温, 使细胞内压增大。当内压超过细胞壁承受能力时, 细胞壁破裂, 其内部的有效成分自动流出, 进入的萃取剂被溶解, 去渣存液, 达到提取目的。
利用微波 (频率2 450 MHz、波长12.2 cm、穿透深度≤4 cm的连续波) 在传输过程中遇到不同的物质, 以其不同性质产生反射、穿透、吸收的三大特性, 采用不同相关材料组合, 加工制造提取、浓缩、污水处理、干燥、灭菌设备。
1.2微波连续提取的特点
1.2.1 节能效果显著
微波连续提取 (简称为MAE, 下同) , 因微波使极性物质产生很强的内热效应, 热扩散与分子扩散运动方向一致, 产生的热量在传递过程中无热阻, 加热时间短、速度快, 其加热速度比常规加热方式快10~100倍, 溶质与溶剂互相渗透, 萃取时间一般只需30 s至2~3 min, 提取温度60~70 ℃。而传统提取 (索氏) 法提取时需100 ℃回流, 分2~3次提取, 共需8~16 h。此外, MAE法提取的固液比只有传统提取的40%~50%, 以可循环使用的热水取代一次性的蒸汽为加热源, 不需要使用冷却水, 所以能耗只有原来的20%~30%。
1.2.2 提取率及目标组分含量高
由于MAE法的提取温度低、时间短, 细胞破壁流出细胞液, 使有效成分提取更彻底。根据对药渣在电子显微镜下的观察, 传统提取法的植物细胞完整无损, 而MAE法提取的植物细胞则是破碎的。此外, MAE法提取温度低、时间短, 更有利于保护有效成分不被分解, 药材提取更彻底, 利用率更高。因此, MAE法的提取率和有效成分含量可提高15%以上, 可进一步提高药物疗效和食品的营养价值。
1.2.3 周期短、效率高
由于MAE法提取的浸泡升温及保温时间短、温差小, 不需要热回流, 微波辐射 (即提取) 是以秒为单位, 且其控制手段实现了自动化和操作连续化, 整个生产周期很短。而传统提取法整个提取周期需要提取3次, 需要12~18 h, 其操作方式属于间歇式。对每批提取等量药材所需的生产周期, MAE法提取只有索氏提取法提取的1/10~1/7, 设备利用率和生产效率大大提高。
1.2.4 降低物耗, 提高药材利用率
MAE法提取所获提取物的增加是因细胞破壁和通过降低提取温度和缩短提取时间而有效降低药用 (营养) 成分的分解, 使药材的利用率大幅度提高, 通过定量分析证明, 有效成分含量比传统提取法增加了15%~20%。也就是说, MAE法提取的生产单位产品较传统提取法降低了15%~20%的药材消耗量。此外, MAE法提取比传统提取法的固液比降低了50%~60%, 即溶媒消耗量降低同等数量级。
1.2.5生产区污染物排放显著降低, 周围环境明显改善
因生产周期和加热时间的缩短及加热方式的改变, 在提取过程中不需要或极少量使用蒸汽。据统计, 产生1 t蒸汽需消耗标准煤108.57 kg, 而1 t标准煤燃烧时产生CO262 t、SO28.5 kg、氮氧化物7.4 kg和煤渣250 kg。若以一套微波功率48 k W的连续提取机组计算, 据粗略计算可获得1 t粉状提取物。若按传统提取浓缩法而言, 仅两道工序就将消耗220 t蒸汽 (也就是消耗23.25 t标准煤) , 产生CO260.9 t、SO2197.6 kg、氮氧化物172 kg、煤灰渣5 813 kg。据悉, 我国大概年产提取物为60 000 t, 由此可见其能耗相当大, 污染相当惊人。
1.2.6 电与微波的易控性便于实现生产过程的智能化
微波是交变高频电磁波, 其作用随电流的存在而产生, 瞬间即生、瞬间即逝, 而其功率密度可调、可控。因此, 温度、时间、功率、流量、压力、液位、转速等参数可通过传感器、变频器、编程器和触摸屏显示器进行调节控制, 利于操作过程实现自动化、连续化。
1.2.7 微波提取安全可靠
微波辐射装置不仅是全封闭, 而且凡是可能产生微波泄漏的接点都采取了安全屏蔽措施, 所以经国家检测单位实测, 微波泄漏量为0.1~0.2 m W/cm2 (国际安全标准5 m W/cm2) 。其次, 2.45 GHz的微波光子产生的微波能量远不足以断开分子中的共价键, 并且低于布朗运动所需的能量, 所以药物结构不会受到破坏。
此外, 若用有机溶剂进行提取, 由于系统是全封闭, 电器系统也完全按防爆要求设计, 生产环境有所需的排风系统, 因此生产环境的安全得到了充分保障。
1.2.8 技术先进、机组性价比高
微波连续提取机组的自动化程度高, 可实现连续化生产, 与传统热回流机组比较, 其能耗可节省70%以上, 物耗可减少20%左右, 直接污染物排放至少减少30%, 间接大量减少了工厂的CO2、SO2、氮氧化物、煤灰渣等污染物的排放。产品成本可降低40%左右, 可以为企业创造可观的经济效益。
1.2.9 减少占地面积, 节约投资
由于微波提取可实现连续化操作, 生产周期缩短, 极大地提高了设备的利用率, 一套微波连续提取装置的日产能相当于9~12套传统热回流提取装置, 不仅减少了设备, 还大大缩小了提取工序占用的空间面积, 这尤其适合于实现规模化生产。
2 国内微波提取设备现状
目前微波提取设备主要有两大类, 一类是间歇式, 另一类是连续式。
间歇式微波提取设备主要有釜罐式, 它是微波辐射与浸泡在同一台设备, 配有聚四氟乙烯搅拌器, 浸泡加热、辐射提取同时进行 (或前段利用内置蒸汽加热管加热) 。
连续式微波提取设备有带有连续带式螺旋推进器的管道式逆流 (以连续槽式渗漉器改进, 原夹层加热改为微波辐射加热, 带式推进器的材质为塑料) , 药材和溶剂在浸出容器中沿相反方向运动, 利用浓度差和水流自然压力相结合的方法来完成提取过程。高效连续动态逆流提取机的提取原理:利用微波穿透力强的加热方式, 使药材和溶媒能保持相对运动, 使料液浓度扩散更新, 持续作用, 进而保证料液浸出速度快。药材颗粒的输送方向与极性溶剂流向相反, 可连续出渣。另一种是管道式动态连续提取, 在此不再赘述。
上述提取设备均可用于水或醇类等极性溶剂的提取。
2.1微波多功能动态提取罐
以天水华圆的HWC1000-3000型微波多功能动态提取装置为例, 其具有以下特点:
(1) 设备的设计总体考虑到安全、稳定、可靠、卫生、便于操作和维修的要求, 微波加热箱及相关组件均采用不锈钢制作, 提供了完善的控制功能和测试功能, 设置了热电偶测温, 严格监控物料的升温情况, 超温会报警提醒, 采用PLC人机界面控制。
(2) 机组动态提取, 带搅拌、强制回流系统, 下部夹层可通蒸汽, 启动微波可同时升温至沸腾, 关闭蒸汽后用微波恒温煎煮, 时间短, 药汁有效成分高。
(3) 微波结构采用多点微波馈入, 利于物料加热均匀性。设备使用先进的微波工程CAD软件包设计, 冷测采用2M210专用模拟天线逐个进行馈入调度, 使得整机效率高。多个微波管同腔工作, 需用微波阵列天线技术确定磁控阵列多元组合方案, 消除微波之间的相互电子对抗。该技术可以提高磁控管的工作稳定性, 延后磁控失效期。
(4) 采用物料传感器, 将物料进入微波加热腔状态传入PLC处理。“傻瓜型”操作方式, 电控智能化, 具有随机故障锁定功能, 降低维修难度。
(5) 组合式结构, 将微波萃取罐分成微波主体腔、进料仓、出料门和微波源4个组件, 有利于生产制作、运输和现场安装。
(6) 防爆、隔爆处理。微波磁控管工作时, 带有几千伏高压, 并有热量排出, 故设备的防爆、隔爆设计有一定难度。所有电器箱可靠密封, 用气液热交换器维持腔内环境温度。设有电缆选用防爆级专用部件连接, 外露电器全部采用防爆级产品。
2.2微波逆流提取设备
以天水华圆的微波逆流提取设备为例, 其具有以下特点:
(1) 微波逆流提取设备有机地将微波和传统逆流提取设备结合起来, 能长时间连续安全运行, 易于维修维护。同时, 微波逆流提取设备又解决了传统逆流提取设备存在的物料无法搅拌、提取不均匀、密封性能差、内部机械部件磨损等问题。
(2) 提取物纯度高、质量好, 可有效地保护食品、药品、天然产品以及其他物料中的功能成分。
(3) 由于微波可以穿透式加热, 使提取时间大大缩短, 可节省50%~80%的时间, 效率高、产量大。
(4) 超强的提取能力, 同样的原料以常规的方法需要两三次才能提净, 在微波场下可一次提净, 大大简化了工艺流程。
(5) 微波提取没有热惯性, 易控制, 所有参数均可数据化, 方便与中药现代化相接轨, 溶剂使用广泛, 可水提、醇提、脂提, 溶剂用量少 (可较常规方法少50%~80%) 。
(6) 微波提取是用电设备, 不需要配备锅炉, 无污染, 安全, 属于绿色工程。
(7) 生产组成简单, 设备占用空间少, 节省投资, 运行成本低。
2.3管道式多功能动态微波连续提取装置
2.3.1 管道式多功能动态微波连续提取装置的工艺流程与主要结构
2.3.1.1 工艺流程
管道式多功能动态微波连续提取的工艺流程如图1所示。
药材经过按其硬实度粉碎成相应粒度, 称取规定数量分别投入浸泡罐, 加入相对固液比的溶剂, 设置加热温度、时间, 并启动已设置转速值的搅拌装置。夹层通进可循环已加热的饱和食盐水加热。随后, 设置转子泵转速、微波辐射腔进出口温度及微波功率。达到浸泡温度及时间即启动转子泵, 并开启出料阀、微波辐射器进出口阀门及过滤器阀门 (多数产品辐射一次, 个别需要辐射两次者则开启中间罐阀门, 关闭过滤器阀门) , 滤液进入中间储液罐。如果用有机溶媒者, 则浸泡加热时需打开冷凝器、冷却器及储液罐阀门。
2.3.1.2 主要结构
管道式多功能动态微波连续提取的设备外形如图2所示。
2.3.1.2.1 浸泡罐
出于提高传热速率及耐饱和热盐水腐蚀的需求考虑, 浸泡罐的材质为316L外加热盘管;搅拌为复合式, 为适应不同药材颗粒重度, 可选择不同搅拌速度;温度控制通过传感器由PLC控制;罐底采用下锥体, 配有不锈钢顶底阀, 通过调节执行装置控制启闭。
2.3.1.2.2 输送泵
输送泵的材质为不锈钢, 可用气动泵或转子泵, 由可调频电机控制浸泡液输送流量。
2.3.1.2.3 微波辐射器
根据微波穿透、吸收、反射三大功能设计, 为防止或减少微波能的损失, 我们对接受微波辐射的盛装浸泡液容器材料进行对比选择, 其中PTFE对微波穿透能力最强, 吸收量最少, 同时它具有耐腐蚀的特点, 对大多数化学药品和溶剂表现出惰性, 能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。PTFE材质特点: (1) 耐温变, 有塑料中最长的老化寿命; (2) 高润滑, 固体材料中摩擦系数最低者; (3) 不粘附, 有固体材料中最小的表面张力, 不粘附任何物质; (4) 无毒害, 具有生理惰性, 对生物无毒, 韧性好。故选择PTFE制作辐射腔内的盘管。由于PTFE波纹管可制作成盘管, 管内浸泡液流动时处于湍流状态, 而且PTFE管管径在7 cm以下, 完全在微波穿透深度范围内, 微波能被充分利用。
磁控管是微波发射元件, 为便于对微波能的控制, 选择小功率进行分组布局, 以适应不同物料对微波能吸收大小不同的调节需求, 它既可保证提取物质量, 又可避免能源的浪费。
辐射腔材料采用不锈钢制作, 它既是微波的防护装置, 也因其反射微波能, 可使尚未吸收的微波能经反复反射被吸收, 得到充分利用。
这些是管道式动态微波提取装置较其他形式微波提取装置具有的更大优势。
2.3.1.2.4 控制系统
将上述技术与温度、流量、压力、液位、电功率等传感技术相结合用于本装备系统, 使工作人员操作更加方便、直观, 避免操作参数失误, 使生产过程更轻松、安全。同时, 微波辐射集中于控制柜内, 防止微波泄漏对生产环境产生威胁, 整个控制柜5 cm周围范围内的微波泄漏量在1 m W/cm2 (国家及国际标准泄漏量为5 m W/cm2) 。此外, 各个控制参数及管道系统还设置了故障报警、超标安全报警等装置。
2.3.2 管道式多功能动态微波连续提取装置的技术要点
依据微波反射、穿透、吸收的特性进行微波谐振腔设计, 由于微波遇到金属进行反射, 所以利用不锈钢板制作可密闭的谐振腔, 使磁控管发射的未被吸收的微波在腔内不断反射、反复吸收、逐渐衰减。同时, 因金属的屏蔽使微波隔离在谐振腔内, 起到安全屏蔽的作用。
腔内物料对微波能的吸收与微波的辐射深度有关, 在透明的极性流体中微波的穿透深度通常为4 cm, 若超过此范围, 微波则辐射不到。
为充分利用微波能, 接受微波辐射, 提取液层的厚度需要不断更新, 以便充分利用微波能, 也便于提取液辐射温度的均匀控制, 为防止局部温度聚升, 被提取物料最好处于流动状态。鉴于此, 选择管径8 cm的PTFE波纹管道最为合适。
考虑到不同植物有效组分对微波能吸收的差异, 采用磁控管分组控制可以满足控制管道进出口温度调节的要求, 这也符合节能原则。为了证实其优点, 该设备经历过小型试验、中型放大、设备材料、结构的改进和动力装置的更新, 通过反复试验而获得可适用于规模化、产业化的微波辐射参数。
2.3.3管道式多功能动态微波连续提取与釜罐式微波提取的比较
管道式多功能动态微波连续提取所接受的微波辐射是在其波长范围之内, 所接受微波能不存在衰减影响。釜罐式微波提取罐是浸泡与微波辐射同一罐体, 釜罐式微波发射管是沿罐的周边布置, 罐体直径一般在1 m以上, 浸泡液接受微波能是通过搅拌将其驱赶至罐边, 仅是瞬间贴近罐壁4 cm的物料接受微波能, 超过此范围的物料则需等待搅拌动力将其驱赶到罐边, 而上次已经辐射过的物料又有可能再次一起被送到罐边再被辐射, 这难免导致辐射不均匀, 对微波能接受不完全。因此, 釜罐式微波提取的能耗比管道式多功能动态微波连续提取高, 提取率也不如管道式多功能动态微波连续提取高。
此外, 釜罐式微波提取的操作方式仍然是间歇式, 浸泡液的加热方式依然离不开蒸汽, 输送微波能的磁控管沿着提取罐的周边分层排列, 罐外需要设置屏蔽板, 如果磁控管需要检修或更换会带来诸多不便。管道式多功能动态微波连续提取则是浸泡与微波辐射分设, 其工作过程是浸泡液在罐内浸泡预热到一定温度, 经转子泵定量打入微波辐射腔, 通常经1 min左右辐射后即进入固液分离。辐射腔在控制柜内, 安全屏蔽可靠, 检修更换方便。管道式多功能动态微波连续提取因始终处于微波辐射深度范围内, 故提取率相对釜罐式微波提取要高, 其辐射功率调节控制方便, 更加节能。管道式多功能动态微波连续提取与釜罐式微波提取的比较如表1所示。
3 微波连续提取与传统提取的综合比较
温州神华轻工机械有限公司与温州某中药厂对神华公司生产的小型微波管道式连续提取装置进行了单方与复方小生产试验。同时, 将所得的干浸膏分别采用定性、定量、仪器 (显微观察、吸光度、薄层色谱、高效液相色谱等) 进行分析, 所得数据及图谱与样品相应数据及图谱进行对比, 而后得出相应的结论。为了验证效果, 他们按照2000版《中国药典》单方与复方的处方药材、处方量, 将益母草、甘草、板蓝根、山楂 (单方) 、苦参、黄芩、大黄、黄连、黄芪、槐米、绿茶、红茶、鸡蛋花、芦柑皮、竹叶、红景天等一定量 (2~3 kg) 的药材分别粉碎至要求的细度, 先加一定量冷水 (或乙醇、甲醇) 浸泡至规定时间, 然后加规定量的热水继续保持一定温度浸泡至规定时间。早期是采用气动泵来控制量程与频率, 现在则是启用调频转子泵以控制流量及浸泡液在微波辐射箱的内置塑料管 (长32 m、壁厚0.3 mm的聚四氟乙烯软盘管) 的微波功率从3 k W (循环辐射) 到48 k W可调, 以调节辐射时间及功率密度, 并控制提取温度 (辐射时间与温度取决于药材的理化性质) 以考察其提取效果。该试验应邀企业共同研究, 利用医药或食品企业的分析仪器、分析技术以及熟练的分析人员共同协作, 对粉碎后的药材、提取物和药渣中所含有效组分进行分析、对比, 根据分析结果打出分析报告, 根据分析报告及投料数据再计算得出提取率, 同时根据水、电、汽的消耗记录及查阅该产品生产中的水、电、汽等动力消耗指标, 得出技术参数对比并汇总成表。
6年多来, 我们用微波连续提取装备先后进行了300余次试验, 应用水、纯水、甲醇、乙醇等作为溶剂, 所涉及的有效成分有黄酮类、有机酸类、苷类、生物碱类、多酚类的28个单方成分和5个复方成分, 绝大多数都取得了满意的结果, 现将部分数据摘录如表2~表5所示。
4 有关微波提取安全问题的讨论
20 世纪60 年代初期, 微波已在西方工业、农业、化学、生物医学得到广泛应用, 如用于食品的干燥、灭菌, 农副产品的杀虫、杀菌、灭酶等。我国有关微波的研究应用始于20世纪70年代初, 首先被应用于生物医学, 其次被应用于电子工业及军事方面, 植物提取的应用在20世纪七八十年代就有人进行了试验研究并获得成果。近十年来, 微波干燥已在食品、药品、中药饮片等生产中得到普遍应用。2003年, 国家食品药品管理局编制的《中药验证指南》将微波提取编入了验证内容。该指南指出, 微波提取的原理是微波对药材的组织细胞迅速、均匀加热, 使药材细胞的液体迅速气化并使细胞壁破裂, 从而让有效成分快速释放。同时, 该指南还肯定了微波提取的优点:与传统提取方法比较, 微波提取省时、节能、收率高、选择性好。当微波提取被选择为生产工艺时, 药监局的有些部门领导、某些主管审批的人员及一些老专家, 对微波、超声波、膜分离等新技术的应用提出了一些安全问题, 甚至有些人对微波持有偏见, 阻碍中药生产的改革与创新。
为此, 笔者为微波研究人员、微波提取设备企业和中药提取物生产企业说几句公道话。
4.1微波技术的应用
我们日常生活中接触微波辐射比比皆是, 如遥感、通讯、探测、手机、微波炉、电视、电脑、微波紫外灯、日光灯管等;在医学治疗方面, 如微波理疗、微波热疗、微波组织凝固、微波手术刀、微波CT诊疗、微波针灸、共振法微波诊疗、毫米波治疗等;微波技术在警戒区的报警、自动门控制、车船速度探测、金属厚度测量等;在分析化学方面, 微波等离子体光谱分析、微波快速尿液分析、亚稳态能量转移光谱分析、微波耦合空心阴极发射光谱分析、微波等离子体色谱检测等;在工业方面, 微波炼钢、微波陶瓷烧结、微波消解、橡胶的微波硫化预热及再生脱硫等;在加热浓缩干燥及污水处理等方面微波也得到普遍应用。
现在许多食品、药品都有可能是通过微波干燥生产出来的, 只不过有的是直接, 有的是间接的, 现代科学技术已经渗透到我们生活的各个领域。任何事情都有个度, 药品是用来治病救人的, 但长期超剂量用药却会害命。中科院生物物理所研究员、辐射生物学专家曹恩华认为:微波炉的发明是20世纪的重大发明之一, 加工的食物是否对人体有害, 目前还缺乏有说服力的证据, 在严格的科学试验之前就妄言“微波食品对人体有害”显然是不负责任的。国家有关部门官员也表示, 目前尚未接到过任何有关微波食品对人体有害的报告。相反, 据食品卫生监督部门检测分析, 卷心菜经微波炉烹饪, 维生素C的损耗率为4.76%, 而传统烹饪方法导致的损耗率为19.04%。另外, 微波炉烹饪后, 食品中的矿物质、氨基酸的存有率也比其他烹饪方法要高得多, 如用微波炉烹饪蹄膀, 8种必需氨基酸为微波加热前的98.6%。腌肉、腊肉等食品在加工过程中会产生亚硝胺, 亚硝酸盐作为防腐剂与食品发生化学反应也会生成亚硝胺, 而亚硝胺能引起细胞癌变。美国药理学家研究发现, 将腌肉放在微波炉内烤45 min, 取出来时既香又脆、味美可口, 而且用化学方法分析, 找不到一点亚硝胺的痕迹。
4.2以维护百姓生命安全为己任开发新产品
我国一再鼓励改革创新、应用新技术、新装备, 但国家食药局的某些规定却不合时宜。据说, 中药产品的提取工艺必须完全符合药典标准, 不得随意改动。凡改变生产工艺的产品, 必须经过临床鉴定, 按照新药程序报批。如果确真如此, 那么任何一个药品投放市场前都按新药要求经过必要的化学、生物质量检测、临床试验、新药鉴定等专业专家和药政部门审查通过, 这是一个费力、费财、费时的漫长过程。如果企业为提高质量降低成本采用新技术、改革旧工艺, 但要按新产品重新进行费时、费财的临床鉴定, 那么多数企业必会望而却步, 导致中药企业推广应用新技术、新工艺困难重重。
笔者认为, 产品符合药典质量标准这是无可非议的, 药品是用来治病救人的特殊商品, 其质量关系到人民的生命安危。但是, 希望药典、食品标准应根据政策、技术等不断修改, 以适应产品质量提高和改革创新的需要。
4.3微波食品药品是否安全
目前, 微波干燥在医药、食品行业的应用越来越普遍, 尚未见受微波辐射的中药、药材、食品成分发生改变的报导。国家没有经微波辐射的药品、食品的产品不许进入市场的相关规定, 说明微波药品食品安全没有出现问题。2 450 MHz频率的微波其微波量子的能量为1.99×l0-25~1.99×10-21J。微波的量子能量还不够大, 不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键 (部分物质除外, 如微波可对废弃橡胶进行再生, 就是通过微波改变废弃橡胶的分子键) , 尚未达到布朗运动的能量级, 故对物质结构是安全的。相对比较, 微波提取温度绝大多数是在低温下进行, 最高温度不会超过70 ℃, 比微波真空干燥温度还要低, 且药材颗粒周围是溶剂, 不会导致局部过热, 有效组分不可能产生分解。
4.4质量标准与工艺路线的关系
对关系到百姓健康的食药安全监管是必要的, 遵守药典规定, 尤其是质量标准不能降低, 但工艺不是一成不变的, 工艺需要随技术进步而经常修订。化学合成药物可以有多条合成路线, 但最终的成品只有一个, 产品质量标准也只有一个, 对此大家没有分歧。但是, 对中药产品, 药典除质量标准外还规定了热回流的提取条件, 如固液比、粒度、温度、时间等。如果死守药典工艺不变, 那必然障碍工艺技术的革新, 许多节能、低碳、降耗的新技术、新工艺就难以应用。因此, 新工艺是否适用的关键是其对质量是否有明显提高之功效。鉴定提取物的质量标准离不开《中国药典》等, 检测方法离不开定性、定量、生物检测等手段, 临床鉴定通常应用于新药。国家食药局除规定不能改变工艺条件外, 还规定凡是企业自己生产的提取物并分装不同剂型的产品, 如果改变了提取物生产条件, 即使提取物质量符合《中国药典》规定, 也必须重新进行临床鉴定。而自己不生产提取物的企业则购进提取物的质量标准和相应的制剂产品的质量标准均以《中国药典》为准。据说, 对药材与食品制品、提取物浸膏的干燥方式没有规定, 前者现在许多企业通常采用微波隧道式干燥箱, 后者则普遍采用真空微波干燥箱。如果确实是如此规定, 真是令人费解。建议国家食药局的有关部门深入中药生产企业和科研单位, 了解他们的呼声, 了解新技术、新工艺的好处, 推动中药企业的改革创新。
4.5微波应用于生产的安全防护
客观上微波确实会对人体产生危害, 因为人是生物体, 微波既然可杀菌, 也就会对人体细胞产生影响。因此, 了解其危害加强防护, 切不可违反操作规程, 尤其是未停机前绝对不能打开谐振腔箱门, 箱门必须严密, 经常用微波泄漏仪检测微波泄漏量, 超过安全值必须立即停机。操作人员应该熟悉微波及其防护知识, 管理人员应该向操作人员普及安全操作规程, 检查安全措施是否到位。尽管微波辐射范围属于安全的低辐射范围, 但微波也有积累效应, 所以建议在营养上多增加含维生素B的食品。
5 结语
从上述技术分析与数据说明可知, 管道式微波连续提取可实现连续操作, 产量大、提取率及有效组分含量高、操作周期短、生产效率高, 符合国家提出的节能、低耗、减排可持续发展经济的建设方针, 具有产业化、规模化的基本特点, 在工业推广应用上有较高的价值。值得指出的是, 我国有关科研单位已经公布的微波植物有效成分提取的科研成果数以百计, 每年陆续还有几十个成果涌现, 但绝大多数成果仍然停留在试验阶段, 尚未实现产业化。这些成果急需转化为生产力, 为国家经济建设、减轻老百姓医疗健康的经济负担作出应有的贡献。
此外, 我国传统的热回流提取和渗漉提取技术急需技术改造, 以改变其能耗高、污染大、收率低、含量少、物耗多、成本居高不下及劳动强度大、生产环境差等落后状态。多功能微波连续提取可以在科研成果转化及技术改造中发挥其潜力, 为植物提取业的现代化发展作出应有的贡献。
摘要：从微波提取的原理及特性入手, 阐述了国内微波提取设备的现状, 着重对管道式多功能动态微波连续提取设备进行了研究性探讨, 并对微波连续提取与传统提取进行了综合性对比, 最后就有关微波提取的安全问题进行了讨论。研究发现, 管道式微波连续提取可实现连续操作, 具有产量大、提取率及有效组分含量高、操作周期短、生产效率高的特点, 符合国家提出的节能、低耗、减排的可持续发展经济建设方针, 在工业推广应用上有较高的价值。
微波理论 篇5
1 微波源的防泄漏
由磁控管和波导管构成了微波发生源路径系统, 磁控管是微波发生器, 是产生微波的源头。通常磁控管的泄漏可能发生在灯丝 (阴极) 插头和天线处。灯丝插头处都装有LC滤波器, 对微波和谐波进行抑制, 但串心电容质量差会影响抑制效果, 要求磁控管结构的设计上满足防泄漏要求。波导口与磁控管的弹性铜丝编织网接触不良, 将引起严重的微波泄漏。可以在磁控管安装板的微波能馈入口的结构设计上采取外翘的措施。安装时只需将微波馈入口翘边和垫圈压紧, 由于金属对微波具有反射作用, 这样就防止微波从缝隙处泄漏出去。组装时要求波导管的安装平面平整, 确保无间隙装配。
2 炉腔接合部缝合、焊接、开口部的密封性能
利用金属对微波具有屏蔽和反射作用的特性, 炉腔由多片金属缝合、焊接而成, 形成产生微波谐振。如果密封性能不合格, 将会引起严重的微波泄漏。
2.1 炉腔接合部缝合、焊接的密封性能
炉腔由三块金属板组成, 其中一块u形板构成腔的下、右、左面, 另外两块构成上盖板和后盖板, 微波泄漏出现在各块板的连接处。要防止泄漏只要做到连接处配合严密, 通常采用点焊和铆接的方法使三块板严密结合成为一体, 需要保证炉腔对微波的密封。设计时使翻边部的点焊间距在 λ/2 以内, 可以提高衰减量。波导管、腔体翻边通过点焊接合时因间距及翻边宽度接合部的泄漏量也会变化。
2.2 炉腔冲孔、开口部的密封性能
整个炉腔与炉门合成一个整体, 炉腔内的微波可以从吸排气口、灯泡照明部或门E上的冲孔部往机体内外泄漏, 冲孔处的微波泄漏量与孔径、孔间距 (开孔率) 、数量成正比、与板厚成反比、而且频率高的 (波长 (λ) 短) 微波泄漏量增加。通常频率变高, 板厚 (t或翻边高度) 也变大。经验值表明通风孔不应超4mm直径, 过大也会产生泄漏;小孔对微波的截止作用与孔径和钢板厚度有关, 开孔比不应超过35%。
3 炉门的密封设计
微波炉的最大微波泄漏通常在炉门四周, 密封微波是炉门设计中必须解决的问题。设计师需要从结构设计上采取遮蔽措施, 使炉门四周一圈的微波相抵消, 阻止微波通过微小的缝隙处漏到外面。抗流槽结构是从微波辐射的原理上得到的防止微波泄漏的稳定可靠的方法。
3.1 炉门的扼流构造设计
在考虑防止泄漏时, 必须同时考虑降低产生附加热量, 因此防泄漏元件应尽可能是无耗的电抗系统。依据传输线终端短路阻抗变换原理, 在微波炉的金属门E四周设有抗流槽结构, 抗流槽是在门内设置的一条异型槽结构, 并使其槽口 (炉门外开口) 到槽内短路面的距离为 λ/4 (约31mm, λ 是微波的波长) , 它具有引导微波反转相位的作用;在抗流槽入口处, 微波会被它逆向的反射波抵消, 炉门口处呈很高的阻抗, 炉腔内的微波被阻挡, 不能从门缝处逸出。
3.1.1 基本扼流 (λ/4 扼流)
基本扼流为使阻抗反转, λ/4 的距离是必须的。将与炉腔前板相对的炉门处设计为扼流槽, 形成一个短路波导。通常, 扼流槽深d=30mm, 宽g2=20mm, 炉门与炉腔前板间隙g1<1mm。扼流槽近炉腔前板侧短路, 致使此壁电流通路的炉门接触面也具有良好的短路性能。扼流槽远前板侧是高阻抗低电流的, 可以在此采用一个电容间隙, 允许高频电流通过, 也可以在此用一个低阻抗二次扼流系统。扼流槽深度与泄漏量的关系:槽深偏离 λ/4 (约31mm) 后, 泄漏明显增加。扼流槽外侧的微波功率密度与炉门、炉腔间的缝隙g1 和槽宽g2的比值平方成正比, 与扼流槽内侧的功率密度成正比。因此, 减小炉门缝隙, 增大槽宽及降低扼流槽内侧的功率密度都有助于降低微波泄漏量。
3.1.2 小型扼流齿 (不满 λ/4 的扼流)
如果产品的可视窗增大、机体缩小将推进小型扼流齿的开发, 将小型导波扼流圈商品化, 就需要采用小型扼流构造来防止微波泄漏。可以采用板金翻折, 设置两层的扼流槽, 板金用点焊固定。各种微波炉扼流槽的位置、形状和尺寸不尽相同, 但基本原理是一样的。扼流槽横向开周期性微缝, 可抑制高次谐波, 减少对高频信号的干扰。
3.2 吸收微波能量材料的使用
实际上, 通过门臂座用弹簧将门拉紧而使门在关闭时能完全紧贴炉子前板是非常困难的。因为门与前板的间隙处的微波状态比较复杂, 即使有扼流构造也不能完全遮蔽, 还有微量的微波泄漏, 因此需要采取额外的遮蔽措施。可以在狭缝处装上含Ni-Cu-Zn系带有磁性的、铁氧体含量不超过50%的铁氧体橡胶 (薄片状) 制作门封条来吸收高频。
3.3 炉门的制造工艺和装配工艺
首先, 制造工艺不良表现为微波炉炉门的平整度差, 其密封面的不平整有时可达1~2mm以上, 且平面多处扭曲。可以采取的补救措施是对焊好的门板进行整形后再安装。其次, 炉门装配时不能歪斜, 避免门密封面与前板的有效接触面减小, 门缝隙大及炉门平面扭曲等。避免炉门与前板拉得过紧, 如果在微波炉上扳撬、敲打门密封面, 将使炉门损坏增大, 在炉腔内造成异常驻波, 使空载时微波泄漏更大。使用新开发的硅系特殊耐热涂料涂装在门E上, 可以避免黑色搪瓷处理把透视窗网孔堵住的缺陷。该涂料具有高达300℃的耐热性, 并以良好的密着强度耐受开关门时的机械振动。试验表明, 对炉门进行15 万次门开关耐久试验后, 仍能保持原有的防泄漏水平。
3.4 通过炉门双重联锁开关的设计防止微波泄漏
不设计使门在不经意间被打开的门钩构造。设计时在炉门的活动边, 上下分别安装两个门钩, 电路中由两个常开微动开关和一个双向微动开关组成炉门双重联锁开关。当炉门关闭时, 两碰钩分别触动三个微动开关, 使电路接通, 再选定烹调时问使定时器接触开关闭合, 整个电路才处于待命状态。炉门只要没有紧闭, 电路总是开路, 切断电源, 停止磁控管工作。
4 结束语
通过以上对微波泄漏相关的微波炉构造的功能分析, 并且对结构进行优化设计, 对微波源的设计安装、腔体的焊接密封、炉门的制造工艺和装配工艺提出要求, 为有效防止微波炉的泄漏指出方向, 能在实际的生产活动中起到借鉴作用。
摘要：文章根据微波炉的防泄漏设计原理从磁控管的设计安装, 腔体的密封性, 炉门的扼流槽的设计和装配工艺, 双重连锁开关的设计等方面提出了结构优化的设计方案, 有利于从设计的源头来有效控制微波泄漏, 在微波炉产品开发的过程中有实际的指导意义。
关键词：微波泄漏,腔体的密封性,扼流槽的设计
参考文献
[1]刘岐山.微波能应用[M].电子工业出版社, 1999.
[2]松下产品安全标准[S].2009.
[3]鲍家善.微波原理[M].高等教育出版社, 1985
[4]陈秉钧.微波原理与技术[M].吉林大学出版社, 1995
[5]孟庆鼐.微波技术[D].合肥工业大学出版社, 2004.
[6]陈国璋.家用微波炉防止泄露问题探讨[J].家用电器科, 1998, 4.
[7]金友华.家用微波炉防微波泄漏创新研究[J].日用电器, 2013 (8) .
微波理论 篇6
微波炉节的创意产生以后, 应该采用什么样的定位、容纳哪些内容引起了广泛的争论。最终微波炉节被定义为消费者的节日, 原因在于消费者对微波炉的错误认知是造成一切问题的根源。
从1996年起, 格兰仕发起的数轮价格战使其市场占有率迅速飙升, 它的成功鼓舞了微波炉行业所有企业, 价格战随之成为这个行业竞争的不二法门, 同时给消费者留下了太过深刻的印象。与此相对应的是, 消费者对微波炉的认知停仅留在“加热工具”这个层面上, 多数消费者仅仅将微波炉用来热牛奶、热剩菜、剩饭。事实上, 加热功能是所有高中低档微波炉所共有的功能, 但在市场上, 这一共有功能却被几乎视为微波炉的唯一功能。
格兰仕所做的市场调研表明, 微波炉功能的使用率只有5%, 95%以上的功能都没有被消费者认知。要破解微波炉行业的这一难题, 首先要解决消费者对微波炉的认知, 要让消费者认识到, 微波炉不仅仅是加热工具, 更是烹炒煎炸、蒸煮煲炖的厨房好帮手。为此, 格兰仕微波炉节孕育而生。
>项目策划
传播目标
提升消费者对微波炉各项功能的认知, 扭转消费者“微波炉=加热工具”的思维定式;
推广格兰仕战略转型的具体成果;
提升格兰仕品牌的公众美誉度。
传播策略
微波炉节同时承载着两个任务, 同时这两个目标既独立又相互作用。基于上述原因, 我们制定了下列传播策略。
媒体严格区分原则:在传播时对财经媒体和都市类媒体严格界定, 专业财经类媒体侧重于对微波炉行业问题的探讨;而都市类媒体则侧重于微波炉产品本身的传播。
持续热点原则:由于微波炉节持续时间较长, 所以根据不同的阶段制定出了不同的报道策略。在初期, 主要围绕轰动性、吸引眼球做文章;中期则围绕老百姓喜闻乐见的各种话题, 紧紧贴近老百姓的日常生活;后期国美介入以后, 则围绕国美做文章, 全面提升微波炉在厨房中的地位。
总体策略
2007年是美国人斯本塞发明微波炉的60周年纪念日, 这一纪念日对格兰仕而言是一次天赐良机, 可以对微波炉的发展进行一次断代——将微波炉前60年的发展划为第一代微波炉, 将此后的微波炉定义为新一代微波炉。
微波炉节的推广将以此为基调, 通过对微波炉进行划时代推广, 强化消费者对微波炉历史发展的认知。同时, 通过“强化微波炉不同发展历史阶段”, 让消费者意识到自己的消费者意识停留在60年前的水平, 要想跟上时代潮流, 必须改变观念。
创意策略
在纪念微波炉发明6 0周年的核心创意被确认后, 需要有一种新产品为微波炉的发展进行断代。为此, 格兰仕整合中国、韩国、美国三地的科研力量, 研发出一款顶级蒸汽光波微波炉, 成为整个微波炉节的神来之笔。
这款微波炉最终被命名为“60经典”, 它集合了微波炉发明60年来的使用功能。在传播推广方面其意义在于, 一方面通过“60经典”让消费者意识到微波炉具有多种功能, 而不仅仅是用来加热的;另一方面清楚地告诉消费者“60经典”代表了发明以来的最高水平, 自“60经典”之后, 微波炉行业将进入一个新时代。
此外, 微波炉节还构建了一系列与消费者沟通的平台。首先, 携手CCTV打造“美食美客三人餐桌”栏目, 并开通了多条热线, 与格兰仕形成人员、信息等多方面的互动;其次, 联合全国各地主要卖场举办“微波改变生活”大型图文展, 这些作品部分是由消费者自己创作的, 还专门设有热线、投稿等多种形式与消费者进行沟通;最后, 面向全国启动“我与微波炉的难忘记忆”大型有奖征文活动。
>项目实施
该项目历时一年 (2007年4月-2008年4月) , 分为三个阶段。截至目前, 每一个阶段均取得了较理想的效果。
爆破阶段 (2007年4月22日-2007年5月底) :没有过多的铺垫预热, 在精心筹备后格兰仕首届微波炉节于2007年4月22日在北京隆重举行, 同时在重庆设有分会场。与大多数新闻发布会选择在酒店举行不同的是, 格兰仕将微波炉节的仪式地址选在国美安贞店的户外。各种大红色彩的运用、中国传统做寿的各类小饰品、以及张灯结彩的欢乐气氛, 使得所有进入会场的消费者都沉浸在浓烈的节日气氛中, 活动从一开始就进入了高潮。
开幕式现场采用了开放式的会场, 任何消费者都可以自由进入。同时, 格兰仕在开幕式现场布置了各类关于微波炉的发展历史、奇闻轶事、发展方向的大型展览。许多消费者对微波炉文化表现出浓厚的兴趣。开幕式吸引了中国家电协会、中央电视台以及全国上百家媒体的参与和报道。尤其值得注意的是, 多家媒体是在获知消息后自发来到会议现场进行报道的。记者们对于国美、苏宁这类家电连锁卖场组织的节日已经习以为常, 但是由企业组织的节日并不多见。
微波炉节走进区域 (2007年6月-2007年12月) :微波炉节在北京启动后, 迅速在上海、广州、深圳、武汉、重庆等一线城市普及开来, 消费者热情空前高涨, 按照原定计划, 微波炉节开始走向全国上百个二三线市场。
在二三级市场, 格兰仕充分利用自建的格兰仕家电生活馆, 将微波炉节直接推向消费者。当地所有的格兰仕家电生活馆经过精心准备, 迎接市民前来参观、品鉴和购物。格兰仕把生活馆作为定点展示舞台, 把老百姓喜闻乐见的“大篷车”活动方式作为户外展示舞台, 举行一系列丰富多彩的活动, 通过趣味互动、欢乐共享的方式, 让大家更好地了解和应用微波炉。微波炉节期间, 全国各地大卖场、家电商场等格兰仕专柜, 准备了关于微波炉的各类有奖趣味问答、现场微波炉美食展示、赠送美味光碟等系列活动。如果消费者在微波烹饪上拥有绝活, 还可以上台展示出色厨艺, 与大家分享微波美食心得。
国美参加微波炉节 (2007年12月-2008年4月) :在经过一段时间的推广后, 格兰仕决定继CCTV之后, 再度引进强势渠道国美电器作为战略合作伙伴。国美在介入微波炉节之后与格兰仕一起形成“微波炉节”的双核, 共同致力于推进微波炉行业的升级换代, 促进微波炉在中国厨房中的地位转变和提升。针对微波炉节, 国美电器在包括卖场网络资源、销售人员文化培训等方面做了充分的准备和部署, 开发了一批优势资源予以支持。
>项目评估
独特的活动创意、强烈的历史氛围、大气的整体规划、准确的消费心理预测, 将一个企业发起的微波炉节打造成了全行业的节日。2007年10、11月连续两个月, 格兰仕微波炉的国内销量同比增长超过了30%。
本次活动总共举行了两次新闻发布会, 第一次新闻发布会 (4月22日) 全国获得了近120家媒体的报道;第二次新闻发布会 (12月15日) 全国有88家媒体进行了报道。此外, 包括人民网、中国家电网等4家家电行业最具影响力的网络媒体对两次新闻发布会均进行了网络直播。新浪、搜狐、TOM等众多知名门户网站都进行长篇幅报道, 并刊登在显著的位置。
从传播内容上看, “微波炉功能使用率只有5%”的观点被广泛传播。由于这一点具有很强的新闻性, 很多媒体在传播上优先选用这一点作为文章的新闻点, 尤其是《北京晚报》刊发的文章, 引起了强烈的社会反响。
通过精确的传播角度使活动的传播区域覆盖了从北京、上海等一线城市到江苏无锡、河南信阳、四川雅安等全国上百个二三线城市。同时专业媒体和都市类媒体并进, 使得消费者对微波炉各种新功能的认知度有了大幅度提升, 为格兰仕的战略转型和微波炉行业升级奠定了坚实的基础。鉴于微波炉节取得的良好效果, 格兰仕集团已经决定在2008年举办第二届微波炉节。