Capítulo 12
Aplicaciones
industriales
Además de su uso generalizado en radar y comunicaciones, las microondas
están encontrando aplicación interesante en varias otras áreas. Se identifican como aplicaciones industriales, científicas y médicas (1CN) de la energía
de microondas. Las frecuencias asignadas para aplicación ICN (en América
del Norte) son 915; 2,450; 5,800; 10,525 y 20,125 MHz. Estas aplicaciones
se pueden clasificar en tres grupos a saber:
/) Control y mediciones industriales.
¡i) Sensores del movimiento Doppler.
iii) Aplicaciones basadas en efectos térmicos de las microondas.
12.1 CONTROL Y MEDICIONES INDUSTRIALES
Las aplicaciones típicas que se pueden agrupar bajo esta clasificación son:
0 Mediciones de espesor de lámina metálica en máquinas roladoras.
¡i) Medición continua de diámetro de alambre.
iii) Monitores y mediciones de contenido de humedad.
12.1.1 Medidas técnicas
La mayoría de las mediciones para aplicaciones industriales incluye la deter-
minación de un coeficiente complejo de reflexión o transmisión en frecuencia de microondas.
El uso de las microondas se caracteriza por los siguientes aspectos:
263
Aplicaciones industriales
264
1.
En frecuencias de microondas, la profundidad de penetración en
los metales es muy pequeña, y por tanto, una superficie metálica
plana origina una reflexión total de las ondas. La profundidad de
penetración L 'está dada por
8 = l/Vít/n»
(12.1)
Las longitudes de onda son muy pequeñas y por lo tanto, las variaciones de fase son rápidas. Es por ello que un cambio pequeño
en posición (o en dimensiones) da lugar a un cambio de fase significativo que se puede detectar o medirse.
En la figura 12.1 se muestra un puente de comparación típico para
medir el coeficiente de reflexión. La señal proveniente de una fuente de
microondas se inyecta a la rama E de una T híbrida que opera como guía
de onda y se reparte equitativamente en dos ramas colineales. Una de ellas,
A, termina en un sintonizador y en una terminación acoplada, mientras que
la otra B ve hacia la reflexión desconocida. Este método es muy útil para
medir desviaciones en el coeficiente de reflexión a partir de un valor normalizado. El sintonizador conectado en A se ajusta de tal manera que la potencia reflejada en las dos ramas es igual y está en fase para la reflexión normal
en XX. Como consecuencia, no hay señal en el brazo H. Cualquier cambio en
el coeficiente de reflexión en el plano XX hace que se propague una señal en el
brazo H. Esta señal se detecta, amplifica y exhibe en un medidor calibrado.
En la figura 12.2 se muestra un arreglo para la medición del coeficiente de tranmsisión por el método de comparación. Como se ilustra ahi, la señal de microonda que procede de la fuente se inyecta al brazo E de una T
2.
Figura 12.1
•La profundidad de penetración para el cobre « de 0.066/ V/
Control y mediciones industriales
265
híbrida, que divide a la señal de dos trayectorias A y tí. El brazo H está cargado con una ccarga acoplada. La trayectoria tí es la de señal de referencia
y contiene un desplazador de fase variable y un alternador también variable.
Las señales transmitidas a través de las trayectorias A y tí alimentan a dos
brazos colineales de la segunda /'híbrida en A' y tí' respectivamente. El alternador y desplazador de fase en la trayectoria tí' se ajustan de tal manera
que para la situación de referencia en la trayectoria A a tí', las dos señales que
llegan a A' y tí' son iguales en magnitud y se encuentran en fase. Asi, no
hay potencia acoplada al brazo H y la salida del detector muestra un nulo.
Si hubiera cualquier cambio en el coeficiente de transmisión del circuito en
la trayectoria A a A', la señal de diferencia se acoplaría al brazo//de la se-
gunda T híbrida y podría exhibirse en un medidor calibrado adecuadamente.
Figura 12.3
Aplicaciones industriales
266
12.1.2 Aplicaciones
En los siguientes ejemplos se ilustran las aplicaciones de estos métodos de
mediciones industriales. Se puede hacer notar que estos métodos no impli-
can contactos y el proceso de manufactura no se necesita interrumpir para
realizar mediciones.
a) Mediciones de espesor de láminas metálicas en máquinas roladoras. En
este caso se puede utilizar la medición del coeficiente de reflexión que se estudió antes. En la figura 12.3 se muestra un posible arreglo para tal efecto.
La lámina metálica en el proceso de rolado se indica con la letra M: dos cornetas de guia'de onda se colocan una frente a otra de manera que la lámina
metálica pase a través de ellas. Las dos cornetas (1 y 2). se conectan a dos
guias de onda y éstas a los dos puertos de un circulador de 3 puertos. Existe
además un desplazador de fase conectado en una de las trayectorias de guia
de onda. La tercera parte del circulador se conecta a un elemento acoplador
C. La longitud de guia de onda junto con el circulador, el desplazador de
fase y las cornetas, que se muestran con línea punteada en la figura, constituyen una cavidad resonante. Su frecuencia de resonancia se puede variar
ajustando el desplazador de fase y se iguala a la de la fuente de señal. Esto
hace que el coeficiente de reflexión en el plano AA tenga un valor pequeño.
Cualquier cambio en el espesor de la placa metálica M modifica la longitud
de la cavidad y, por tanto, la frecuencia de resonancia. Esta variación se
puede detectar fácilmente como un cambio en el coeficiente de reflexión en
el plano A A. Asi, se puede emplear un medidor calibrado adecuadamente
para verificar el espesor. Se puede ver que el desplazamiento pequeño en la
posición de la placa metálica no altera la longitud global del resonador y, por
tanto, no afecta las mediciones de espesor.
b) Mediciones del diámetro de alambre en operaciones de estirado: La medición del coeficiente de transmisión analizada antes se puede usar también
para este propósito. En la figura 12.4 se muestra una posible distribución.
El alambre W pasa a través del espacio comprendido entre dos cornetas de
guía de onda 1 y 2, próximas. La transmisión del plano A al B se mide con el
Alambre
Figura 12.4
Control y mediciones industriales
267
arreglo mostrado en la figura 12.2. Puesto que la potencia radiada por la
cometa 1 se difracta con el alambre y alcanza a la corneta 2, un cambio en el
diámetro del alambre altera la amplitud y la fase de la señal que llega a
esta última corneta. Estos cambios en la amplitud y en la fase se pueden detectar con facilidad mediante la configuración descrita antes.
c) Medición del espesor de láminas dieléctricas: Esta medición se puede realizar mediante un arreglo de transmisión diseñado apropiadamente, muy similar al que se usó para la medición del diámetro de alambre. Como se
muestra en la figura 12.5, la hoja dieléctrica pasa a través del espacio de
entre las dos cornetas. Si el espesor de la hoja varia, la potencia transmitida
se modifica y puede detectarse. El medidor de indicación se puede asi calibrar en términos de espesor de lámina.
d) Control de contenido de humedad en papel y en la industria textil: Para
Hgura 12.6
Aplicaciones industriales
268
Figura 12.8
la medición de contenido de humedad se han usado diversos tipos de puen-
tes de microondas. La esencia de estos métodos es evaluar la atenuación y el
desplazamiento de fase en la onda electromagnética que pasa a través del
material o que se refleja por él. Las técnicas difieren poco una de otra, de
acuerdo a la estructura y forma del objeto que se prueba; por ejemplo, las
distribuciones para pruebas con materiales laminados (papel, telas, madera
laminada, etc.) difieren de las diseñadas para pruebas de material granulado
o poroso (arena, arcilla, harina, maiz o ladrillos) o bien con líquidos.
El arreglo para la medición de reflexión en material laminado, para
usarse junto con la configuración de la figura 12.1, se muestra en la figura
12.6. Este método es bastante adecuado para papel y productos textiles.
Como en otros casos, el procedimiento de calibración es un proceso clave
para esta medición. La selección adecuada del cspaciamiento entre la corneta y la hoja (así como entre la hoja y el reflector) puede aumentar la sensitividad del método.
Control y mediciones industriales
269
Se puede observar que el método anterior indica el contenido promedio de humedad del material presente dentro de la zona de medición,
mientras que los métodos convencionales determinan el contenido de humedad de muestras discretas y pequeñas.
e) Medición del contenido de humedad en líquidos: El arreglo que se
muestra en la figura 12.6 no es adecuado para líquidos. Diferentes alternativas son posibles. En una de éstas, el liquido se pasa a través de un tubo de
vidrio de poco espesor y el contenido de humedad se verifica por el cambio
que produce en la permitividad efectiva del líquido. Esto se puede realizar
haciendo el tubo, a través del cual pasa el líquido, una parte de un resonador de cavidad de microondas y midiendo la frecuencia resonante de dicha
cavidad. El diseño de cavidad se hace de tal manera que el campo E de
microondas sea máximo a lo largo del eje del tubo. Cualquier cambio en la
permitividad el fluido origina un cambio en la frecuencia de resonancia del
resonador. Este cambio se puede, no obstante, detectar mediante el arreglo
que se ilustra en la figura 12.7. En la figura 12.8 se muestran detalles de la
cavidad. Se puede ver que se usaron dos cavidades idénticas, una de las
cuales contiene el liquido de referencia sin ninguna humedad. Si el liquido
en la cavidad de prueba se encuentra libre de humedad, la frecuencia de resonancia de las dos cavidades coincidirán y el medidor de detección mostrará
un nulo. Esto se debe a que las potencias reflejadas desde los dos extremos
de las ramas colineales son iguales en este caso. Cuando la frecuencia de resonancia de una cavidad cambia, su coeficiente de reflexión se altera también y el puente se desequilibra. La salida del detector se puede calibrar en
términos de contenido de humedad. Los ejemplos se seleccionaron para
ilustrar los principios básicos de las aplicaciones de microondas en control y
mediciones industriales. Se puede diseñar gran variedad de técnicas industriales para resolver diversos problemas de mediciones y control.
Sala de
audio
Figura 12.9
Aplicaciones industriales
270
12.2 SENSORES DE MOVIMIENTO DOPPLER
Los sensores de movimiento Doppler se apoyan básicamente en el efecto de
ese nombre; a saber, en el cambio que experimentan las frecuencias de las
ondas cuando las refleja un objeto en movimiento. Cuando un objeto se
desplaza con la velocidad hacia una fuente de radiación, el cambio en la frecuencia de la onda reflejada está dado por
A///o = 2 v[cos fl/c
(12.2)
donde/, es la frecuencia de la radiación incidente, S es el ángulo entre la trayectoria del objeto en movimiento y la dirección de las ondas electromagnéticas. Cuando la dirección de la onda y la del móvil no son colineales, v cos S
es la componente de la velocidad en la dirección de onda. Este principio se
puede utilizar para detectar un movimiento, para medir la velocidad y para
realizar procesos de control industrial basados en mediciones de velocidad.
Las dos principales aplicaciones son:
i) Alarma de intrusión.
w) Monitores de velocidad de vehículos para control de tránsito.
Existen otras aplicaciones incluyendo abridores de puerta, sistemas de
prevención de choques, velocímetros automotrices, monitores de velocidad
remotos, velocímetros de ferrocarril, contadores de tránsito, controladores
de procesos, velocidad de elevadores, monitores en carrera, etc.
En la figura 12.9 se muestra el diagrama de bloques básicos de un sensor Doppler en microondas. La parte del circuito de microondas se muestra
en el bloque trazado con línea discontinua y se puede elaborar como circuito
integrado de microondas híbrido como un módulo único. La potencia radiada y la del oscilador local para el mezclador se obtiene de la misma fuente. De esta manera, cualquier corrimiento en la frecuencia de la fuente/, no
afecta la medición del corrimiento Doppler ¡V- La potencia que se requiere
para cualquier aplicación especifica se puede determinar a partir de la
ecuación del radar. Por lo general, bastan niveles de potencia de 10 a 25 mW
para la mayor parte de las aplicaciones y se pueden obtener de dispositivos
electrónicos transferidos, como los que se analizaron en el capítulo 4.
En las diversas frecuencias de la banda internacional de microondas,
la de 10.525 GHz es quizá la más adecuada para la aplicación del sensor
Doppler. En frecuencias más bajas, la dimensión de la antena se hace demasiado grande y en una frecuencia más elevada, como 22.125 GHz, las componentes y las fuentes son más difíciles de obtener. Además, en la banda de
22 GHz las frecuencias Doppler de movimiento humano quedan cerca de las
frecuencias de las lineas de alta tensión.
Aplicaciones basadas en calentamiento por microondaa
271
12.3 APLICACIONES BASADAS EN CALENTAMIENTO
POR MICROONDAS
El procesamiento y cocción de productos alimenticios es la aplicación principal del calentamiento dieléctrico en frecuencia de microondas. Además
del procedimiento de alineamientos por microondas, existen otras aplicaciones del calentamiento por microondas. Estos incluyen:
i) Aplicaciones médicas (diatermia, tratamiento del cáncer, etc.).
ii) Sellado de plástico (procesamientos de dieléctrico, etc.).
iii) Destrucción de hongos y gusanos de la madera en aserraderos.
iv) Curación y ruptura de concretos y muchos otros.
El comentario que sigue se refiere principalmente al procesamiento de alimentos. Dentro de las frecuencias de la banda internacional de microondas,
disponibles de inmediato para aplicación industrial, sólo las frecuencias de
915 y 2,450 MHz son de importancia para aplicación del calentamiento por
microondas, especialmente para el procesamiento de productos alimenticios. La generación de potencia llega a ser más costosa en frecuencias de microondas más elevadas y se dispone de poca información básica en término de
datos dieléctricos o en experimentos de calentamiento en frecuencias elevadas.
12.3.1 Principios del calentamiento por microondas
En métodos convencionales de calentamiento, el calor se transfiere a la superficie del material que va a ser calentado mediante conducción, convección y/o radiación y hacia el interior principalmente por conducción térmica.
En contraste, en el calentamiento por microondas (o calentamiento
dieléctrico o en cualquier otra frecuencia), el calor se genera directamente
dentro del material. Es posible, por tanto, obtener una elevación de temperatura más rápida que en calentamiento convencional. No obstante, la conducción de calor representa todavía un papel importante cuando se calientan
muestras gruesas ya que iguala las temperaturas cuando la generación del
calor no es uniforme.
Cuando un material se expone a radiaciones de microondas, el campo
penetra hasta una profundidad dada por la profundidad pelicular. Las pérdidas dieléctricas dan lugar a la generación de calor proporcional a e,*, parte
imaginaria de la constante dieléctrica. La potencia que se disipa en cierto
volumen V del material está dada por
=
71^1*
=- 27.8X
<71^1*^
(12.3)
Aplicaciones industriales
272
donde/= frecuencia en Hertz,
E = amplitud del campo eléctrico en volts/m,
t, = t', - t", permitividad relativa del material y.
Pt = potencia disipada en watts.
La potencia disipada en el material determina la elevación de la temperatura
en cualquier punto, según la relación
§■- 0.239^ fC/sec)
(12.4)
donde c es el calor especifico del material en calorías por gramo y p la densidad del material en gramos por cmJ.
De 12.3 se observa que la potencia disipada es proporcional a la frecuencia, asi que mientras más elevada sea la frecuencia mayor será la potencia que se disipa. Una ventaja adicional del calentamiento por microondas
proviene del comportamiento de e* com función de la frecuencia. La
mayoría de los productos alimenticios contienen agua libre y la dispersión
bipolar en el agua se presenta en frecuencias de microondas. El valor de
aumenta en virtud de la dispersión bipolar. Para agua libre a 25°C, t" es
0.36 en 10 MHz, pero se eleva de 12 a 3 GHz. Esto muestra que el aumento de
la potencia que se disipa en la frecuencia de microondas puede ser sustancial.
12.3.2
Aplicadores para calor de microondas
Un dispositivo en el cual la energía de microondas interactúa con el material
que va a calentarse se conoce como aplicador de microondas. Un buen aplicador debe garantizar la conversión de la energía de microondas entregada a
energía térmica, de la manera más efectiva.
Las diferentes configuraciones posibles con aplicadores se pueden dividir en tres grupos:
a) Tipo de cavidad en multimodo
b) Tipo de estructura en onda lenta
c) Tipo de guia de onda.
APLICADORES DE TIPO CAVIDAD EN MULTIMODO
En una cavidad multimodo la potencia disponible se distribuye de tantos
modos como sea posible dentro de un volumen cerrado. El acceso a este tipo
de sistemas se obtiene ya sea a través de puertos diseñados para operar
como trampas de onda o a través de cierto tipo especial de puertas. Este sistema es muy versátil para todos los materiales, excepto los laminados.
En el diseño de cavidad de multimodo predominan dos requerimientos.
1) El acoplamiento de fuente de cavidad tiene que permanecer constante
Aplicaciones basadas en calentamiento por microondas
273
dentro de un rango amplio de carga, cuyas propiedades dieléctricas cambian
con la temperatura. 2) La conversión de energía debe presentarse uniformemente en el material. Se reducen las pérdidas por cara utilizando un área
mínima de superficie mecánica para un volumen dado. La estabilidad y uniformidad del calentamiento dependen primordialmente de la presencia del
número de modos suficientemente grande en la cavidad bajo cualquier condición de carga.
Las frecuencias de resonancia de los modos eléctricos transversal (TE)
y magnético transversal (TM) en una cavidad de dimensiones (a X b x d)
están dadas por
(¥HW)W
(ver también la ecuación 2.92), donde m, n, p son unos números enteros que
corresponden a los modos TEM„ ó TM^ y/es la frecuencia de resonancia. El
número máximo de modos en la frecuencia máxima de excitación ocurre
para una cavidad cúbica donde a = b = d. Entonces
m» + n’+p,=4(d/A)’=g
(12.6)
donde q es un entero positivo. Cuando dos modos (correspondientes a combinaciones diferentes de m, n, p) tienen la misma frecuencia resonante, se
denominan degenerados. Puesto que ambos modos TE y TM están presentes,
el número total de modos se obtiene duplicando el número de permutaciones distintas de cada conjunto entre paréntesis (m, n, p). Las permutaciones diferentes de cada conjunto (m, n, p) corresponden a degeneraciones
del primer tipo. Nuevos valores de (m', n', p') se encuentran en términos de
cantidades sin acento, mediante intercambios dados por cualquiera de las siguientes tres ecuaciones y corresponden a las degeneraciones del segundo tipo:
(m')*=nl+p' ;
("')*-^ (/>')'--m»
(12.7a)
(P^ri-(m')'—(12.7b)
(p')*=m»+n*;
(m')l-|-(n')»=/>»
(!2-7c)
Las degeneraciones del tercer tipo surgen cuando (m',n',p') se relacionan
con la solución original (m, n, p) por la expresión
m»+nl+p,= (m')»4-(n')»-|-(/)«
La primera densidad de modo apreciable tiene lugar en el rango 49
(12 8)
q i 54.
Como ejemplo, cuando a = b = d = 43.2 cm (un cubo de 17 pulgadas de
lado) entonces para 2.4
/ s 2.5 GHz, 48 á q s 52 y el número total de
modos será 68.
De lo anterior se observa que es posible determinar dimensiones óptimas para cavidades cúbicas y rectangulares para una anchura de banda de
fuente dada.
Aplicaciones industrials
274
>/'7^—Material que va
a calentarse
Correa de
transmisión
Figura 12.10
Figura 12.11
Aplicaciones basadas en calentamiento por microondas
275
Figura 12.12
Los hornos de cavidad mullimodo se pueden modificar si se requiere un
calentamiento de materiales que fluyan continuamente. En la figura 12.10
se muestran dos ejemplos: en el primero el material se encuentra sobre una
banda de conducción, mientras que el segundo el material fluye dentro de
un tubo dieléctrico circular que pasa a través de la cavidad. Los dos arreglos
requieren ahogadores cerca de las paredes para asegurar que no haya fuga
de energía de microonda.
APL1CADORES DE TIPO DE ESTRUCTURA DE ONDA LENTA
El ejemplo más común de este tipo de aplicadores es la estructura de guia de
onda mostrada en la figura 12.11. En este diseño, una guía de onda rectangular que porta la potencia de microonda se dobla hasta adoptar la forma
de “meandro”. Los agujeros en la pared estrecha de la guia de onda permiten que la potencia de microondas se filtre. El material que se va a calentar
se coloca pobre una banda de conducción que se desplaza próximamente a la
superficie a la guia de onda doblada. La densidad de la potencia de microonda disponible en la superficie de la banda de conducción se puede contro-