ES2334549B2 - Filtro autoconfigurable para horno microondas de procesado en linea, proceso de filtrado autoconfigurable para hornos microondas de procesamiento en linea y horno microondas de procesamiento en linea. - Google Patents
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Abstract
Filtro autoconfigurable para horno microondas de
procesado en línea, proceso de filtrado autoconfigurable para
hornos microondas de procesamiento en línea y horno microondas de
procesamiento en línea.
Filtro autoconfigurable para hornos microondas
(1) de
procesado en línea, que comprende medios configurados para la variación automática y adaptativa de la geometría interior de dicho filtro mediante la inserción de una pluralidad de pivotes deslizantes (5) configurados para variar perpendicularmente su distancia respecto de la cavidad de guías de ondas (2) de tal manera que actúen como elementos metálicos reactivos atenuantes de los principales modos que se propagan desde el interior del horno hacia el exterior, generando discontinuidades que cortan dichos modos de campo electromagnético.
procesado en línea, que comprende medios configurados para la variación automática y adaptativa de la geometría interior de dicho filtro mediante la inserción de una pluralidad de pivotes deslizantes (5) configurados para variar perpendicularmente su distancia respecto de la cavidad de guías de ondas (2) de tal manera que actúen como elementos metálicos reactivos atenuantes de los principales modos que se propagan desde el interior del horno hacia el exterior, generando discontinuidades que cortan dichos modos de campo electromagnético.
Description
Filtro autoconfigurable para horno microondas de
procesado en línea, proceso de filtrado autoconfigurable para
hornos microondas de procesamiento en línea y horno microondas de
procesamiento en línea.
El objeto principal de la presente invención es
un dispositivo que, basado en las estructuras de filtros reactivos
conocidos, pero mediante una configuración diferente y con un
sistema de control, que le permite poder ajustar su geometría
interna de forma automática al proceso de calentamiento que se vaya
a realizar en el horno microondas al que se le acoplan dos filtros
a la entrada y a la salida del mismo. La innovación de esta
configuración reside en que el filtro que se describe permite la
optimización de su funcionamiento con independencia del proceso de
calentamiento de materiales para el que se desea atenuar las
emisiones de campo electromagnético hacia el exterior del horno de
la forma más óptima posible, con su consecuente eliminación de
riesgo ante la exposición de microondas a altas potencias.
La invención se encuadra en el sector de las
aplicaciones industriales de procesos de calentamiento por
microondas y más en concreto en el diseño y fabricación de filtros
de microondas adaptativos para hornos de microondas que operan en
continuo.
En la sociedad actual crece de una forma
exponencial el uso de las microondas en diversos sectores. Dentro
de las múltiples aplicaciones para las que se están utilizando las
microondas destaca sobre todas ellas el calentamiento de materiales
en procesos industriales continuos, mediante la utilización de
hornos de microondas emplazados en algún punto de la línea de
producción. Este tipo de hornos industriales de microondas es
considerado como una cavidad alimentada con fuentes de microondas
(magnetrones), tratándose los distintos materiales en el interior de
la cavidad. Este tipo de hornos posee dos aperturas que conforman
un puerto de entrada y otro de salida por donde se introducen y se
recuperan los materiales, normalmente a través de una cinta
transportadora de un cierto material, por lo que estos hornos van a
estar abiertos por sus puertos de manera que es posible la fuga
hacia el exterior de la radiación de microondas producida en dichos
hornos. Este hecho resulta negativo para el proceso ya que requiere
de un aumento de la potencia de alimentación para conseguir los
objetivos prefijados, además de presentar un problema de seguridad
por la exposición ante radiaciones electromagnéticas de elevadas
potencias, lo que ha motivado la aprobación de normativas y
especificaciones que limitan las radiaciones que se emiten al
exterior en procesos industriales, de forma que se garantice la
seguridad del personal que participa en estos procesos, siendo
necesario un mecanismo de control de estas fugas
electromagnéticas.
Existen diferentes tipos de mecanismos de
control de las radiaciones en procesos industriales. Estos van
desde puertos para la entrada/salida del material con guías de onda
al corte, los cuáles son muy sencillos pero tienen limitaciones
tanto de geometría como de las características del proceso de
calentamiento, hasta otros elementos que se utilizan con este fin,
como son los stubs o sintonizadores (pequeñas cavidades resonantes)
de un cuarto de onda de altura, que se utilizan en serie a la
entrada y a la salida de los hornos, ajustando la longitud de cada
stub en función del modo de propagación que se va a eliminar. El
problema de estos últimos es el estrecho ancho de banda en el que
pueden trabajar, las críticas dimensiones de la asociación y su
dependencia con la anchura del material a tratar. Adicionalmente los
stubs solamente permiten eliminar los modos transversales
eléctricos sin permitir la eliminación de los modos transversales
magnéticos. Otra tecnología utilizada es el uso de filtros reactivos
de microondas como herramientas de control, que se basan en la
teoría reactiva de filtros para atenuar el campo electromagnético
tanto en el puerto de entrada como en el de salida de este tipo de
aplicaciones, ajustándose a una geometría determinada y fija en
función de proceso que se realice en cada momento. El principal
problema de estos filtros es que sólo son efectivos para unos pocos
modos de propagación y tienen una estructura fija, lo cuál sólo
garantiza un adecuado funcionamiento para un tipo de proceso, un
tipo y tamaño de material, una velocidad de producción fijada y una
potencia del horno. Esto implica que cualquier cambio en el proceso
productivo, obliga a redefinir y volver a fabricar todas las
estructuras comentadas anteriormente.
Aunque existen algunas referencias de diseños de
filtros reactivos para hornos microondas, los autores no han
encontrado ninguna relativa a filtros reactivos
auto-configurables que constituyen la innovación
objeto de la invención para este tipo de procesos.
Para aportar una solución a este tipo de
problemas mediante el uso de filtros reactivos, se plantea esta
invención, consistente en una estructura de filtro reactivo provisto
de un sistema de elementos geométricos a modo de pivotes metálicos o
dieléctricos (sintonizadores) que se insertan en la cavidad del
filtro para modificar su geometría interna y, por tanto, su
capacidad para atenuar diferentes modos de campo electromagnético
que intentan propagarse desde el interior del horno de microondas
hacia el exterior, a través de las apertura de entrada y salida del
proceso en línea.
La novedad de este dispositivo reside en que es
adaptable de forma automática a cada proceso distinto que se lleve
a cabo en el interior del horno, bien sea por el cambio de tipo de
material a calentar, como de sus dimensiones, como de las
exigencias de producción del sistema en Kg/h, como de los parámetros
de potencia y modificaciones en la estructura del horno. Esto es
así, puesto que la disposición geométrica óptima de los pivotes
insertados en la cavidad del filtro es calculada de forma
adaptativa y en varios pasos, mediante un algoritmo de optimización
de parámetros, cuya solución es enviada a un conjunto de motores
que, a través de husillos se conectan a los pivotes del filtro,
permitiendo el desplazamiento automático de los mismos en varias
iteraciones y durante la fase de aprendizaje, hasta alcanzar la
posición óptima para cada proceso de calentamiento en el horno
microondas. Esta configuración óptima asegura la máxima atenuación
de las radiaciones electromagnéticas producidas por el horno en las
aperturas del mismo, para el proceso y para el horno con los que se
ha realizado el proceso de autoconfiguración. El funcionamiento de
este dispositivo es invariante ante cambios en el proceso, sin más
que realizar una nueva etapa de aprendizaje que permita la
autocalibración del filtro para un nuevo escenario.
Actualmente, la fabricación de filtros reactivos
para hornos microondas de procesamiento en línea se realiza
mediante estructuras fijas para el proceso de calentamiento que se
vaya a realizar, no siendo fiables para otros procesos en el mismo
horno, por cambios del tipo de material, dimensiones, etc. El filtro
objeto de la invención es independiente del proceso, sin más que
realizar un pequeño procedimiento de entrenamiento del sistema, lo
que implica una autoconfiguración del filtro. Tras este proceso de
entrenamiento el campo eléctrico emitido por el filtro será mínimo.
Esto se realiza mediante un conjunto de pivotes deslizantes hacia el
interior de la cavidad que conforma el filtro, cuyas longitudes de
penetración son estimadas en varias iteraciones por un algoritmo de
optimización. Dicho algoritmo no tiene que ser un diseño exclusivo
para cada horno o para cada filtro, sino que puede utilizarse
cualquiera de los mecanismos de optimización existentes en la
literatura técnica (Levenberg-Marquardt, Mínimos
Cuadrados, Base Radial, Gradiente Conjugado, Algoritmos Genéticos,
etc.). El mecanismo de movimiento de los pivotes es accionado
mediante cualquier sistema de tracción o giro, como motores,
actuadores neumáticos, etc, con sus correspondientes sistemas de
transmisión. Dicho accionamiento es controlado por el algoritmo de
optimización, cuya salida será un conjunto de valores
correspondientes a las longitudes que deben penetrar cada uno de los
pivotes del filtro (o un conjunto de ellos) de manera que la
variación de la geometría interior del filtro se va consiguiendo en
cada iteración, de forma que la última configuración, tras el
proceso de entrenamiento o autocalibración del filtro, corresponde a
la de atenuación máxima posible de las emisiones electromagnéticas
hacia las aperturas que conforman la entrada y salida del sistema
filtro-horno-filtro, por las que se
trasporta el material a procesar. Dicha atenuación deberá evaluarse
bien sobre cada uno de los modos de propagación existentes en el
filtro, bien sobre el campo total radiado por dicho filtro.
Debido a la estructura del filtro
autoconfigurable, también es posible la optimización cuando cambia
la estructura del horno o cuando se varía la potencia del mismo, por
razones de modificación en la velocidad de procesamiento del
material o de producción en línea. Esto implica que el filtro
objeto de la invención es adaptable a cualquier diseño de horno de
microondas de procesamiento en línea, con independencia de la
potencia a la que trabaje o del número de fuentes de campo
electromagnético que posea.
Todo este proceso se realiza de forma autónoma y
en varios pasos hasta alcanzar la configuración óptima de los
pivotes en el interior del filtro, de manera que la
autoconfiguración final del filtro sea la más adecuada para cada uno
de los procesos, siendo éste uno de los aspectos más relevantes de
la innovación descrita. Por otro lado, el mecanismo de
autoconfiguración diseñado, puede realizarse a baja potencia lo
cual evita la permanencia de personas en el habitáculo en el que se
emplaza el horno, durante el proceso de entrenamiento y, por tanto,
su exposición a emisiones nocivas de los campos electromagnéticos
de alta potencia, asegurando la radiación mínima durante el proceso
útil de trabajo del horno microondas.
El filtro podrá incorporar un sistema de medida,
o bien este sistema de medida podrá ser externo, que permita
estimar la atenuación sobre las señales que se propagan en su
interior. Para ello, se pueden usar, de forma no exclusiva,
medidores de potencia, analizadores de redes, analizadores de
espectros, etcétera. La estimación de la potencia de salida
permitirá conocer la atenuación del filtro para una configuración de
pivotes determinada y, de este modo, optimizar el diseño del
filtro. La excitación de las señales a la entrada del puerto
también podrá estar integrada en el mismo o ser independiente. Para
introducir las señales de entrada en el filtro se podrán, de forma
no limitativa, monopolos en diferentes orientaciones conectados a
generadores de señales tales como osciladores, o bien instrumentos
de medida tales como analizadores de redes, analizadores de
espectros, etcétera.
Tanto el sistema de medida a la salida del
filtro como el de generación de señal a su entrada deberán ser
capaces de medir y excitar modos transversales eléctrico o
transversales magnéticos, respectivamente.
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
Fig. 1 muestra una configuración del sistema de
filtro autoconfigurable, provisto de un sistema de pivotes que
penetran en la estructura de la guía que conforma el filtro y un
sistema de motores para cada pivote o para un conjunto de ellos que
mediante el uso de un algoritmo de optimización de parámetros y un
sistema de medida y generación de señal realiza de forma iterativa
el cálculo de la posición óptima de la distancia a la que debe
penetrar cada uno de los pivotes que conforman el filtro
reactivo.
Fig. 2 muestra un diagrama de bloques del
proceso automatizado de optimización de la configuración final del
filtro para cada proceso.
A la vista de la figura 1 puede observarse cómo
el filtro autoconfigurable para hornos microondas de procesamiento
en línea, a partir de un ejemplo de ensayo de realización, consiste
en una cavidad de guía de onda (2) de paredes metálicas, con una
determinada sección que se conecta a un horno microondas de
procesamiento continuo (1) ya existente y sobre el que se quiere
limitar la radiación de campo electromagnético hacia el exterior, a
través de las aperturas de entrada y salida del mismo, a las que se
acoplarán dos filtros como el descrito para esta invención. En la
figura 1 se ha representado para esta realización, pero con carácter
no limitativo, una sección rectangular. Dicha cavidad lleva
acoplados unos pivotes (5) que pueden deslizarse de forma
perpendicular a la cara superior de la cavidad, mediante el
accionamiento de actuadores (7), como pueden ser motores, sistemas
hidráulicos u otros sistemas que proporcionen este movimiento,
acoplados a cada uno de los pivotes o a un conjunto de ellos.
Puesto que los actuadores se sitúan en un emplazamiento fijo de la
plataforma, la transmisión del movimiento de giro o traslación de
los mismos se realizará a través de los mecanismos mecánicos
adecuados. Para el ejemplo de la figura 1 y con carácter no
limitativo, se ha incluido un husillo lineal (6). Cada uno de los
filtros de entrada y salida del horno, se acoplan de manera que el
mecanismo de transporte (4) del material a calentar (3) y que
incluye el horno microondas (1), se prolonga a lo largo de los
filtros en el interior de los mismos.
Una vez acoplados los dos filtros, es necesario
un procedimiento de autoconfiguración o calibración de los mismos,
mediante la variación automática y de forma adaptativa de la
geometría interior de cada uno de ellos mediante el proceso que, con
carácter ilustrativo y no limitativo, se describe en la figura
2.
La variación de dicha geometría se produce
mediante la inserción de los pivotes deslizantes (5), hasta
encontrar la distancia óptima para cada uno de ellos, de manera que
actúen como elementos metálicos reactivos que atenúen los
principales modos que se propagan desde el interior del horno hacia
el exterior, actuando como pequeñas discontinuidades que configuran
pequeños iris no simétricos que producen el corte de dichos modos
de campo electromagnético.
El proceso de cálculo de la longitud a la que ha
de penetrar cada pivote en la estructura del filtro se basa en la
aplicación de un algoritmo de optimización convencional
(Levenberg-Marquardt, Genéticos, Gradiente, etc.) o
diseñado para tal efecto que mediante un proceso previo de
entrenamiento, en el que se establece una función de ajuste
(matching) de la intensidad de campo electromagnético que se radia
hacia el exterior del filtro con la distribución de las distancias
que penetran en el filtro para cada uno de los pivotes, bien sea de
forma conjunta o por grupos de pivotes. El cálculo de las
longitudes óptimas se realiza de forma adaptativa -en varias
iteraciones y de forma autónoma- mediante una fase de aprendizaje
en la que se mide la atenuación producida a la entrada y salida del
filtro, para la potencia de funcionamiento del horno microondas,
hasta alcanzar una solución óptima válida que permita atenuar el
campo al mínimo nivel posible para ese proceso y que sea, al mismo
tiempo, inferior a los niveles establecidos por la legislación
actual vigente.
Tal y como se describe en el esquema de la
figura 2, partiendo de una posición inicial aleatoria, o
previamente estimada con simulaciones, de las longitudes de los
pivotes en el interior del filtro (10), se mide el campo
electromagnético a la salida del mismo (11), funcionando el horno
en las mismas condiciones y con los materiales a los que se
destinará para el proceso de calentamiento por microondas. Tanto las
longitudes de los pivotes en el interior del horno, como la
potencia medida a la salida de cada filtro se introducen en el
algoritmo de optimización (12) diseñado, de forma que obtenga como
resultado la siguiente configuración de longitudes de los pivotes en
el interior del filtro que permitan reducir el campo radiado hacia
el exterior. Si el valor de dicho campo es inferior al umbral
establecido para ese proceso (13), éste finaliza y la distribución
actual de las longitudes de los pivotes interiores al filtro será la
óptima para el proceso para el cual se ha entrenado el filtro. Si,
por el contrario, ese umbral no ha sido alcanzado, el algoritmo de
optimización calculará los nuevos valores de penetración de todos
los pivotes (5), que serán transmitidos a los actuadores para
posicionar los pivotes (5) con la nueva configuración, asegurando
una solución mejor que la anterior, en cada iteración. Este proceso
se repetirá hasta alcanzar un valor que esté por debajo del umbral
máximo permitido para el nivel de campo electromagnético radiado
hacia el exterior del conjunto
filtro-horno-filtro.
Claims (7)
1. Filtro autoconfigurable para hornos
microondas (1) de procesamiento en línea caracterizado
porque comprende medios configurados para la variación automática y
adaptativa de la geometría interior de dicho filtro mediante la
inserción de una pluralidad de pivotes deslizantes (5), en donde
dichos pivotes (5) están configurados para variar
perpendicularmente su distancia respecto de la cavidad de guías de
ondas (2), de tal forma que actúen como elementos reactivos
atenuantes de los principales modos que se propagan desde el
interior del horno (1) hacia el exterior, generando además
discontinuidades que cortan dichos modos de campo
electromagnético.
2. Filtro de acuerdo con la reivindicación 1 en
donde la variación de la distancia respecto a la cavidad de guía de
ondas (2) se produce mediante unos actuadores (7) acoplados a cada
uno de los pivotes (5) o a un conjunto de ellos.
3. Filtro de acuerdo con la reivindicación 2 en
donde los actuadores (7) transmiten su movimiento a los pivotes (5)
mediante medios de transmisión mecánica (6).
4. Filtro de acuerdo con las reivindicaciones 1
a 3 en donde la inserción de los pivotes (5) se realiza hasta
alcanzar una distancia óptima para cada pivote (5), estando dicha
distancia configurada de forma adaptativa en una o varias
iteraciones de forma autónoma, tras una fase de aprendizaje, en la
que se mide la atenuación producida a la salida y a la entrada del
filtro para la potencia del horno (1) hasta alcanzar una distancia
tal que permita atenuar de forma óptima al mínimo nivel posible
para el proceso concreto.
5. Proceso de filtrado autoconfigurable para
hornos (1) microondas de procesamiento en línea implementado con el
filtro de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado
porque comprende las siguientes etapas:
una primera etapa de medida del campo
electromagnético (11) a la salida del filtro en donde partiendo de
una posición inicial (10) de las longitudes de los pivotes (5) en
el interior del filtro, se mide el campo electromagnético a la
salida del mismo (11), funcionando el horno (1) en las mismas
condiciones y con los materiales a los que se destinará para el
proceso de calentamiento por microondas;
una segunda etapa (12) de optimización de las
longitudes de los pivotes (5) en el interior del horno (1), así
como la potencia medida a la salida de cada filtro en donde esta
segunda etapa (12) está configurada para que obtenga como resultado
la siguiente configuración de longitudes de los pivotes (5) en el
interior del filtro que permitan reducir el campo radiado hacia el
exterior;
una tercera etapa (13) donde si el valor de
dicho campo es inferior al umbral establecido para ese proceso
concreto, éste finaliza y la distribución actual de las longitudes
de los pivotes interiores al filtro será la óptima para el proceso
para el cual se ha entrenado el filtro;
una cuarta etapa (14) en donde si el umbral no
ha sido alcanzado, se calculan los nuevos valores de penetración de
todos los pivotes (5), que serán transmitidos a los actuadores para
posicionar los pivotes (5), con la nueva configuración,
repitiéndose este proceso hasta alcanzar estar por debajo del umbral
máximo permitido para el nivel de campo electromagnético radiado
hacia el exterior del conjunto
filtro-horno-filtro.
6. Proceso de filtrado de acuerdo con la
reivindicación 5 en donde la posición inicial (10) de los pivotes
(5) es aleatoria, o previamente estimada con simulaciones.
7. Horno microondas (1) para procesamiento en
línea caracterizado porque comprende al menos un filtro de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4 y/o un proceso de acuerdo
con la reivindicación 5 y 6.
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2009
- 2009-03-17 ES ES200900734A patent/ES2334549B2/es active Active
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Legal Events
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100311 Kind code of ref document: A1 |
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Ref document number: 2334549B2 Country of ref document: ES |