Способ и устройство контролируемого СВЧ-нагрева
CONTROLLED MICROWAVE HEATING METHOD AND DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области пищевой, химической и смежными с ними отраслями промышленности и может быть использовано при контролируемой обработке пищевого продукта токами сверхвысокой частоты (сверхвысокочастотным излучением).
Уровень техники
Как известно, ряд СВЧ-печей оборудуются контактным термометром для контроля нагрева продукта. Термометр помещают в середину продукта, при этом останавливая процесс, чтобы получить сигнал о достижении желаемой температуры внутри продукта. Измерение температуры без остановки процесса в этом случае невозможно, потому что происходит перегрев термометра из-за наведенных СВЧ-полем индукционных токов в его материале. При этом методе контроля нагрев поверхности часто приводит к локальному перегреву и ухудшению качества продукта. Альтернативным методом является бесконтактное измерение температуры поверхности с помощью инфракрасного (ИК) сенсора, при этом определение момента достижения желаемой температуры внутри продукта затрудняется. Это приводит к снижению равномерности нагрева, ухудшает качество получаемого продукта и повышает риски для безопасной эксплуатации оборудования.
На сегодняшний день, распространенный метод контроля температуры материала в СВЧ-камере — это использование термопары [1]. Но данный способ имеет несколько явных недостатков. Для осуществления контроля нужно непосредственное соприкосновение с обрабатываемым объектом, что имеет негативный характер для продуктов питания. Во вторых, на поверхности материала термопары происходит наведение внешней ЭДС, нагреву датчика и погрешности измерения. Как итог, данная методика измерения ограничена по спектру выполняемых задач ввиду низкой надежности и. В 2016 году был предложен и был представлен новый способ контактного контроля температуры с использованием U-образной герметичной трубки с закаченной газообразной средой [2] (Патент РФ №2607047 от 08.07.2016). Ранее [3, 4] для этих целей использовали керосиновые термометры, которые могли работать в СВЧ поле с достаточной точностью. Однако их невозможно использовать для измерения температуры внутри объекта, кроме того они инерционны. При проведении различных исследований по СВЧ обработке и сушке зерна [5, 6, 7] измерение температуры материала проводили при помощи термопар, но погружали их в продукт после прекращения действия СВЧ поля. Проведенные исследования показывают, что время нарастания температуры составляет не более 20-60 секунд. Время выравнивания температуры после прекращения действия СВЧ, в зависимости от влажности продукта может варьироваться от нескольких минут до десятков минут. При такой динамике процедура ввода термопар в исследуемый слой после прекращения действия СВЧ излучения приводит к существенным искажениям динамики и погрешностях измерения температуры при остывании объекта. Следует отметить, что упомянутые методы измерений температуры обрабатываемого продукта при СВЧ воздействии практиковались в частично заполненных СВЧ зонах (в установках резонаторного типа). В этом случае продукт занимал меньшую часть объёма СВЧ камеры. Поэтому, помещение металлических термопар в зону действия СВЧ приводило к их перегоранию.
Эти недостатки присущи контактным методам измерения.
В тоже время, есть ряд разработок в области дистанционных методов измерения температуры, такие как использование дистанционных термометров и пирометров. В 2013 году было предложено использование пирометра для контроля температуры обрабатываемого образца. Основанием для создания метода послужило несколько факторов. В первую очередь это наличие энергетической яркости (интенсивности) нагретого тела. А также возможность работы с большим спектром температур и материалов [8]. Используя такие же принципы бесконтактного измерения, что и Ткаченко А. В., свое решение представил американский изобретатель Марк Робер, который разработал СВЧ-камеру с тепловизором. Изделие достаточно интересно и возможно в будущем имеет некоторые перспективы, но его высокая стоимость делает его бесполезным для повсеместного использования на сегодняшний день [9]. В перспективе возможно использовать методы автоматической обработки термограмм тепловизора для автоматизированного принятия решений о состоянии нагрева [10-14].
Существующие бесконтактные термометры, пирометры и тепловизоры для использования в нашей изобретении обладают недостатками, а именно термометр дает усредненное значение по всей поверхности или измеряет температуру в одной локальной области, в то время как пирометры и тепловизоры обеспечивают избыточную детализацию тепловой картины поверхности объектов.
В работах [10-14] специалисты предполагали использовать методы автоматической обработки термограмм тепловизора для автоматизированного принятия решений о состоянии нагрева, полагаясь на большую детализацию о температуре нагреваемых объектов.
Раскрытие сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положена техническая задача создания простого и надежного средства для проведения процесса контролируемого СВЧ-нагрева продукта.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в равномерности нагрева продукта в СВЧ-поле.
В первом аспекте изобретения раскрыт способ контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта, в котором осуществляют СВЧ-нагрев размещенного в камере нагрева пищевого продукта, при этом при СВЧ-нагреве включают и отключают источник СВЧ-поля и измеряют значения теплового ИК-излучения с поверхности пищевого продукта измерительным модулем, отличающийся тем, что упомянутый измерительный модуль состоит из нескольких измерительных сегментов, при этом измеренные значения ИК-излучения от каждого из таких сегментов принимают на контрольном модуле, при помощи которого затем управляют включением источника СВЧ-поля так, чтобы источник СВЧ-поля был включен при условии, что при последнем  измерении все измеренные значения ИК-излучения на сегментах измерительного модуля меньше первого контролируемого значения для ИК-излучения и при условии, что разность между наибольшим и наименьшим измеренными значениями ИК-излучения на таких сегментах меньше второго контролируемого значения для ИК-излучения, и был отключен, если одно из упомянутых условий или оба условия не выполнены.
Во втором аспекте изобретения раскрыто устройство для контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта, состоящее из камеры нагрева с установленным в ней измерительным модулем, выполненным с возможностью измерения инфракрасного излучения на различных участках поверхности размещаемого внутри камеры нагрева пищевого продукта, и контрольного модуля, при этом камера нагрева снабжена источником СВЧ-поля, отличающееся тем, что измерительный модуль состоит из нескольких измерительных сегментов, контрольный модуль выполнен с возможностью приема значений от каждого из сегментов измерительного модуля и управления включением источника СВЧ-поля так, чтобы источник СВЧ-поля был включен при условии, что при последнем измерении все измеренные значения ИК-излучения на сегментах измерительного модуля меньше первого контролируемого значения для ИК-излучения и при условии, что разность между наибольшим и наименьшим измеренными значениями ИК-излучения на таких сегментах меньше второго контролируемого значения для ИК-излучения, и был отключен, если одно из упомянутых условий или оба условия не выполнены.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения проиллюстрирована с ссылкой на чертежи, на которых:
– на ФИГ.1 представлена блок-схема способа контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта;
– на ФИГ.2 представлена блок-схема устройства контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта;
– на ФИГ.3 представлен график зависимости нагрева объекта и показаний измерительного модуля от времени контролируемого СВЧ-нагрева.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Обработка материалов с помощью СВЧ демонстрирует большое количество перспективных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями нагрева, например, улучшенное качество изделия, сокращение времени процесса, экономию энергии и затрат на энергию благодаря более высокому КПД, снижение уровня загрязнения окружающей среды и расходов на содержание оборудования и повышение комфорта для пользователя СВЧ-аппарата.
В традиционном процессе нагрева источниками нагрева служат, например, нагревательные элементы, сопротивления и инфракрасные лучи. Благодаря температурному излучению и/или конвективному теплообмену их энергия передается на поверхность материала и оттуда переходит в его внутреннюю часть. Теплопроводность, адсорбция и удельная теплоемкость материала определяют при этом процесс нагрева. Чувствительные материалы при определенных обстоятельствах не допускают высокую температуру, и если материал обладает еще и плохой теплопроводностью, то в этом случае неизбежен длительный процесс и перегрев материала, поэтому при производстве определенных изделий с применением традиционных технологий нагрева устанавливают границы.
В распоряжении СВЧ-техники находятся, преимущественно, 4 частоты индуктивных статических измерительных установок (частота для промышленного применения, научно-исследовательского и медицинского радиооборудования), которые могут отличаться друг от друга в зависимости от правил конкретной страны. Самый высокий показатель частоты составляет 28000 или 30000 МГц, однако, промышленное и экономичное применение такой частоты в крупных масштабах еще не попало в поле зрения. Низкая частота в размере 915 МГц имеет определенные технические затраты, которые лишь в определенных случаях оправдывают свое применение. Бытовые СВЧ-печи, используемые во всем мире, имеют экономичную ”частоту” размером 2450 ± 50 МГц.
СВЧ-нагрев отличается от традиционных систем нагрева за счет того, что тепло напрямую генерируется в объеме материала. В печи происходит диэлектрический нагрев веществ, содержащих полярные молекулы. Электрическая компонента электромагнитных волн усиливает движение молекул, обладающих дипольным моментом, и межмолекулярное трение приводит к увеличению температуры вещества. Скоростью распространения СВЧ является скорость света в вакууме или в воздухе. Если СВЧ-источник включен, то он непосредственно присутствует в нагреваемом теле и сразу же начинает преобразование энергии. При быстром отключении процесс нагрева сразу прекращается. Не существует длительных процессов нагрева и охлаждения печи. Неполярные материалы (например, воздух, тефлон, кварцевое стекло) не могут преобразовывать энергию и, тем самым, их не нагревают. Микроволны проникают через эти материалы, но не ослабевают при этом (без преобразования энергии). В общем, нагреваемый материал, который в состоянии провести преобразовании энергии, рассматривают в качестве «нагревателей», так как материал сам по себе представляет источник нагрева.
В процессе нагрева пищевых продуктов в СВЧ-поле, продукт, на начальном этапе быстро прогревается в поверхностном слое, толщина которого зависит от свойств продукта и параметров излучения. Дальнейший прогрев по всему объему зависит от теплопроводности продукта и происходящих в нем фазовых переходов (например, плавление льда или испарение воды, или денатурация белков), или конвективных процессов тепло-массопереноса парами воды в случае сыпучих продуктов. При интенсивной СВЧ-обработке поток тепловой энергии внутрь продукта может быть недостаточен для отбора тепла от прогреваемых поверхностных слоев, и происходит перегрев поверхности. Поскольку большинство СВЧ-магнетронов имеют один уровень интенсивности излучения, процесс СВЧ-нагрева зависит только от циклограммы включения-выключения источника СВЧ-нагрева – магнетрона, без возможности снизить интенсивность нагрева.
Для целей настоящего изобретения под пищевым продуктом понимается значительная группа продуктов растительного или животного происхождения, употребляемых человеком в пищу или используемых для улучшения вкусовых и ароматических качеств продуктов питания. Такие продукты могут быть представлены зерном, крупами, мясными полуфабрикатами, специями, ягодами, фруктово-травяным сырьем, чаем, чайными листьями, полуфабрикатами чая, но не ограничиваются лишь этими примерами пищевых продуктов.
Под СВЧ-нагревом понимается процесс, в котором энергия с частотой от 300 МГц до 300 ГГц проникает в нагреваемый материал в качестве электромагнитной волны с длиной волны в диапазоне от 1 м до 1 мм, а затем преобразуется в тепло.
Блок-схема, иллюстрирующая последовательность операций в заявленном способе контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта, представлена на ФИГ.1. Способ осуществляют следующим образом.
На шаге 101 проводят измерение значений теплового ИК-излучения измерительным модулем 204 с поверхности пищевого продукта 201 (ФИГ.2). Пищевой продукт 201 может быть размещен в камере СВЧ-нагрева 202, например, на решетчатом поддоне 203 или иной пригодной для этого опорной статичной или подвижной конструкции, выполненной невосприимчивой к нагреву под воздействием СВЧ-поля. При этом размещаемый пищевой продукт 201 может характеризоваться произвольным исходным значением температуры. Например, значения ИК излучения на разных участках продукта 201 могут быть меньше или больше в сравнении с контролируемыми значениями. Также значения ИК излучения на разных участках поверхности продукта 201 могут распределяться неравномерно. В частности, размещаемый пищевой продукт 201 может быть помещен в упаковку, например, в тканевый мешок, или быть расфасованным в мелкую тару, в случае если пищевой продукт представлен чаем, то это могут быть чайные пакетики. Предпочтительно пищевой продукт 201 размещают внутри камеры нагрева так, чтобы по меньшей мере верхний слой продукта был полностью доступен для измерений измерительным модулем 204. Измерительный модуль 204 представляет собой многосегментную конструкцию, представленную инфракрасным датчиком температуры, измерительная матрица которого обладает разрешением 8*8 пикселей. Матрица 8*8 (64 элемента) выбрана, как минимально возможная для сбора информации о динамическом и топологическом распределении тепла на поверхности, исходя из положения о том, что для контроля работы магнетрона и эффективного предотвращения локальных перегревов продукта в объеме и на поверхности необходим анализ распределенной по поверхности динамики параметров скорости/ускорения нагревания-остывания Предпочтительно измерительный модуль 204 изолирован от воздействия СВЧ-поля, чтобы исключить его перегрев из-за наведенных СВЧ-полем индукционных токов в его материале. Для этого, в частности, измерительный модуль может быть размещен в изолированном от СВЧ-поля блоке, изготовленном из металлической сетки с шириной ячейки 1 мм.
На шаге 102 и шаге 103 на контрольном модуле 205 принимают измеренные значения ИК-излучения от каждого из сегментов измерительного модуля 204 и последовательно проверяют выполнение первого и второго условий, в соответствии с которыми принимают решение о необходимости приведения в действие источника СВЧ-поля для осуществления СВЧ-нагрева пищевого продукта 201. Источник СВЧ-поля может быть представлен одним или несколькими согласованно действующими магнетронами. Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких ватт до десятков киловатт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме. Микроволны поступают в камеру СВЧ-нагрева по волноводу – каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение.
На шаге 102 проверяют соблюдение следующего условия:
Tmax < Tctrl, где:
Tmax – наибольшее значение ИК излучения, измеренное на поверхности пищевого продукта каким-либо из сегментов измерительного модуля 204;
Tctrl – первое контролируемое значение.
Значение Tctrl может быть установлено пользователем. Превышение этого значения является нежелательным при нагреве пищевого продукта 201.
На шаге 103 проверяют соблюдение следующего условия:
Tmax – Tmin < ΔTctrl, где
Tmin – наименьшее значение ИК излучения, измеренное на поверхности пищевого продута каким-либо из сегментов измерительного модуля 204;
ΔTctrl – второе контролируемое значение.
Значение ΔTctrl может быть установлено пользователем. Это значение отражает наибольшую допустимую разность между значениями ИК излучения на разных участках поверхности пищевого продукта 201, т.е. наиболее приемлемую неравномерность прогрева. Превышение значения ΔTctrl также нежелательно при нагреве пищевого продукта 201.
В частности, при управлении включением источника СВЧ-поля исключают показания тех измерительных сегментов, на которых измеренные значения постоянны, т.е. не изменяются во времени. Это может происходить в том случае, если в зону, доступную для измерений измерительным модулем 204 попадает опорная поверхность, на которой размещен продукт 201, не нагреваемая под воздействием СВЧ-поля.
На шаге 104 магнетрон включают, при этом включают только в том случае, если при последовательной проверке условий на шагах 102 и 103, оба условия выполнены.
В случае, если пищевой продукт прогрет неравномерно, то при достижении значения Tctrl или ΔTctrl переходят к шагу 105, на котором магнетрон выключают, чтобы не допустить локальных перегревов, которые приводят к повреждению продукта 201 или его частей. Несмотря на то, что оба условия для контролируемых значений Tctrl и ΔTctrl могут быть невыполненными одновременно, для отключения магнетрона будет достаточно, если хотя бы одно из этих значений достигнуто при нагреве пищевого продукта 201.
При проведении СВЧ-нагрева контрольный модуль 205 принимает значения от измерительного модуля 204 с определенной периодичностью, чтобы прерывать или возобновлять процесс СВЧ-нагрева. Так, при включении магнетрона на шаге 104 или его выключении на шаге 105 весь цикл нагрева повторяется, начиная с шага 101. Взаимодействие между модулями 204 и 205 может быть обеспечено в автоматическом режиме. СВЧ-нагрев может быть остановлен полностью при достижении некоторого условия, соблюдение которого проверяется на контрольном модуле 204. Например, такое условие может заключаться в достижении определенного значения для частоты включения/выключения источника СВЧ-поля: если частота его включения снижается, то СВЧ-нагрев останавливают полностью. Помимо этого, могут быть предусмотрены и другие условия для выхода из цикла СВЧ-нагрева, например, достижение заданного времени для проведения СВЧ-нагрева.
В раскрываемом изобретении нет необходимости калибровки сенсоров ИК излучения измерительного модуля 204 к реальной температурной шкале для измерения абсолютных значений температуры на поверхности объектов. В качестве иллюстрации этого принципа на ФИГ.3 представлены графики зависимости температуры объекта от времени контролируемого СВЧ-нагрева, зафиксированные автономными термометрами (круглыми датчиками-”таблетками” без наведения ЭДС), размещенными в центре (кривая 301 на ФИГ.3) и в крайней зоне (кривая 302 на ФИГ.3) нагреваемого объекта, а также наибольшее значение Tmax среди показаний, зафиксированных сегментами измерительного модуля 204 (кривая 303 на ФИГ.3). Необходимо отметить, что показания автономных датчиков-термометров недоступны во время всего цикла СВЧ-нагрева, выгрузка данных происходит после проведения каждого технологического этапа.
СВЧ-нагрев проводили в течение 15 минут. На первой минуте нагрева температура в центре нагреваемого объекта составляла 30°С, на краю нагреваемого объекта – 25°С. За 15 минут нагрева, температура ступенчато возрастала, что видно по постоянству температуры на некоторых участках. На пятнадцатой минуте нагрева температура в центре нагреваемого объекта составляет 83°С, на краю нагреваемого объекта составляет 78°С. При этом, максимальное значение ИК излучения среди элементов многосегментного измерительного модуля 204 колебалось от 25 до 45 единиц.
Во всех случаях достаточно проведение 2-3 технологических тестов для определения контрольных значений Tctrl и ΔTctrl по каждому из типов пищевых продуктов, размещая при этом 2 автономных термометра в центре и в крайней зоне объекта для контроля реальной достигнутой температуры. В дальнейшем значения Tctrl и ΔTctrl, получаемые из показаний многосегментного измерительного модуля 204, используются в технологической карте СВЧ обработки пищевого продукта данного типа уже без использования автономных термометров, размещенных в нагреваемом объекте.
В результате было создано устройство по принципу СВЧ-печи с системой бесконтактного измерения температуры на базе ИК-датчика с матрицей 8*8, без необходимости применения сложной и дорогой системы тепловизора и алгоритмов, оперирующих комплексными параметрами по типу локализации/скорости/ускорения нагревания-остывания. Предложенные в заявленном способе контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта алгоритм анализа показаний матрицы ИК-датчика и схема управления магнетроном на основе этого алгоритма показали, что возможно создать устройство СВЧ-нагрева с высокой энергоэффективностью и повышенным контролем при термической обработке без использования технологии “инверторных СВЧ печей”. Принципиально следует отметить, что разработанный алгоритм оперирует всего двумя параметрами, вычисляемыми на основе показаний матрицы ИК-датчика – наибольшее значение и разница между наибольшим и наименьшим значениями среди элементов матрицы. Предложенные операции контроля и управления обеспечивают равномерный прогрев объекта по всему объему без локальных перегревов, что было подтверждено размещением температурных датчиков-«таблеток» в различных частях нагреваемых объектов. В результате было получено удобное устройство, которое сможет решить задачу термической обработки эффективнее в сравнении с решениями, известными из предшествующего уровня техники.
Перечень позиций на чертежах
101
Шаг измерения температурных значений на поверхности пищевого продукта
102
Шаг проверки соблюдения первого условия «Tmax < Tctrl»
103
Шаг проверки соблюдения второго условия «Tmax - Tmin < ΔTctrl»
104
Шаг включения магнетрона
105
Шаг выключения магнетрона
201
Пищевой продукт
202
Камера СВЧ-нагрева
203
Решетчатый поддон
204
Контрольный модуль
205
Измерительный модуль
206
Магнетрон
207
ИК-излучение
301
Кривая температуры в центре нагреваемого объекта
302
Кривая температуры в крайней зоне нагреваемого объекта
303
Кривая значений Tmax, зафиксированных измерительным модулем
Список источников
1. Будников Д.А. Контроль температуры зерна в СВЧ камере // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. — г. Москва, ноябрь 2012. Изд-во Буки-Веди. 2012. — С. 66-68.
2. Студенцов В.Н., Москвин Р.Ю., Пятаев И.В., Устройство для измерения температуры материала, нагреваемого в электромагнитном поле СВЧ - Патент РФ №2607047 от 08.07.2016.
3. Лыков А.В. Исследование процесса сушки в поле высокой частоты [Текст] / А.В. Лыков, Г.А. Максимов // Тепло-и массообмен в капиллярно-пористых телах. – Л., М.: Госэнергоиздат, 1957. – С. 133-142.
4. Максимов Г.А. Исследование процессов тепло- и массообмена при внутреннем источнике [Текст]: автореф. дис. д-ра техн. наук / Г.А. Максимов; МТИПП. – М., 1956. – 35 с.
5. Вендин С.В. Обработка семян электромагнитным полем [Текст]: дис. ...докт. техн. наук: 05.20.02 / С.В. Вендин. – Москва, 1994. – 463 с.
6. Бабенко А.А. Распространение электромагнитного импульса при СВЧ обработке [Текст] / А.А. Бабенко, С.В. Вендин // Моделирование и автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр. / МИИСП имени В.П. Горячкина.– М.: 1992. – С. 105-109.
7. Пахомов В.И. Оптимизация тепловой обработки фуражного зерна СВЧ-энергией [Текст] / В.И. Пахомов, В.Д. Каун // Мех. и электр. с.-х. – 2000. – №9. – С. 8-10.
8. Ткаченко А.В. Дистанционное измерение температуры в поле СВЧ // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность! — Издательство: Омский государственный технический университет (Омск), 2013.
9. Nick Lavars, Thermal vision microwave shows when your food is cooked just right. [Электронный ресурс] - адрес доступа URL: https://newatlas.com/thermal-vision-microwave/36068/. дата обращения 29.12.2017.
10. Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А. Тепловизионные методы оценки влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2016. №1 (106). С. 3-14.
11. Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А. Исследование влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры тепловизионными методами // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 6-10.
12. Гриднев В.Н., Сергеева М.Д., Чебова А.И. Линейные модели распознавания тепловизионных изображений неисправностей электронных ячеек // Контроль. Диагностика. 2014. №8. С. 57-66.
13. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. №6 (72). С. 42-49.
14. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль изделий электронной техники // Производство электроники. 2007. №3. С. 25-30.