CN101999733A - 在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室。由两根管状高压电极和管状接地电极组成两个同轴型处理腔体，两根管状高压电极中间用绝缘管隔开，并在管状接地电极两端套有绝缘保护套，形成同轴型连续式高压脉冲电场处理室。在处理室内部安装霍尔元件和一线式数字温度传感器，信号经过调理、放大、A/D转换后送入单片机中，通过液晶显示模块显示各个参数。本发明既可以保证电场分布的均匀性，又使液体物料的流动特性得以改善，使处理流量得以提高，并且避免了“死区”的出现，处理效果明显提高，并且实现了在线实时定量监测处理室内部电场强度和温度值，可以为处理系统的仿真建模提供数据支持。

Description

在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室
技术领域
本发明涉及灭菌处理装置，尤其是涉及一种在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室。
背景技术
高压脉冲电场灭菌技术作为近年来研究最多的非热加工技术之一，不但具有良好的杀菌钝酶效果，能最大限度地维持食品的新鲜度，而且处理温度低，处理时间短，不仅可以延长食品的货架期，还能节省能源，节约成本，并且对环境无污染。高压脉冲电场灭菌系统主要由二部分组成：高压脉冲发生器和灭菌处理室。处理室是用于装载被处理样品和安放电极的，样品在处理室中可以被均匀地施加电压，从而达到灭菌的目的。因此，处理室的设计对于高压脉冲电场技术来说是一个非常重要的因素，要求提供均匀的电场强度，同时尽可能减少温度升高，并且避免电极腐蚀现象的发生。目前常用的高压脉冲电场灭菌处理室主要有3类：平行平板型处理室、共场型处理室和同轴型处理室。平行平板型处理室电场分布非常均匀，但由于它是静态处理室，处理量非常小，只适用于实验室研究；共场型处理室是目前应用最为广泛的一种连续式处理室，由俄亥俄州立大学研制开发，并且被应用于工业化大规模生产，但是由于其电场方向和物料流动方向平行，杀菌效果受到一定的制约。在同轴型处理室中，物料能够光滑、均匀地流动，在工业化应用上很有吸引力。Qin等人(US Patent5662031)所描述的一种同轴型处理室，其电场强度分布非常均匀，但是由于处理室结构的制约，导致处理室的处理流量难以满足工业生产的需求；此外，在处理室内存在的“死区”，会造成被处理物料停留时间过长，引起处理室内局部温度升高过快，从而影响被处理食品的感官和营养品质。
此外，由于高压脉冲电场灭菌处理室内部空间非常狭小，传统的测量电场强度方法——小球微扰法并不适用。在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号采样后进行A/D转换，要想获得较高的测量精度，就必须解决多点测量切换以及放大电路零点漂移等因素造成的误差补偿问题。目前国内外所研制的高压脉冲电场灭菌处理室都没有直接通过仪器测量其内部的场强、温度以及液体的流动特性，通常情况下借助于计算机仿真技术来评价处理室内部处理条件的均匀性，因此其可靠性和准确性受到诸多质疑。采用现代传感技术在线实时监测处理室内部各参数的变化情况是非常有必要的，通过传感器监测到的结果，不仅可以为处理室结构的优化提供直接的数据支持，也可以验证计算机仿真结果的精确性，从而修正模型，更好地提高计算机仿真的效率。
发明内容
为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室，并通过传感器在线实时监测处理室内电场强度和处理温度的变化情况。
本发明采用的技术方案的步骤如下：
管状接地电极的一端安装在第一绝缘保护套的一端，管状接地电极的另一端安装在第二绝缘保护套的一端，第一绝缘保护套径向开有物料出口，第二绝缘保护套径向开有物料入口；同轴安装在管状接地电极内的绝缘管的一端与第一管状高压电极的一端连接，第一管状高压电极的另一端伸出第一绝缘保护套外；同轴安装在管状接地电极内的绝缘管的另一端与第二管状高压电极的另一端连接，第二管状高压电极的另一端伸出第二绝缘保护套外；第一管状高压电极与管状接地电极间和第二管状高压电极与管状接地电极间，分别形成第一处理腔和第二处理腔；在物料出口安装第一个一线式温度传感器，在物料入口安装第二个一线式温度传感器，在第一处理腔的管状接地电极内壁从上至下对称安装两个霍尔传感器和第三个、第四个一线式温度传感器，在第二处理腔的管状接地电极内壁从下至上对称安装另外两个霍尔传感器和第五个、第六个一线式温度传感器；四个霍尔传感器和六个一线式温度传感器分别与在线监测系统电路连接。
所述的在线监测系统电路包括信号调理电路、A/D转换电路、单片机和液晶显示模块；四个霍尔传感器分别采集电场强度的霍尔电位差信号，经信号调理电路、A/D转换电路接单片机，六个一线式温度传感器通过总线接单片机，单片机将参数值通过接口电路接到液晶显示模块进行电场强度和温度值的显示。
所述的六个一线式温度传感器为DS18B20芯片。
所述的两个管状高压电极和管状接地电极的材料为不锈钢316-L；所述的绝缘管和两个绝缘保护套的材料为聚四氟乙烯。
本发明具有的有益效果是：
传统的同轴型连续式高压脉冲电场灭菌处理室受到结构的制约，其处理流量难以满足工业化大规模生产的需求；而目前被广泛应用的共场型连续式处理室的电场分布并不均匀，且其场强方向与物料流动方向平行，影响了灭菌的效果。本发明将两者的优点融合，取长补短，借鉴共场型处理室的管道式连接方式，同时采用同轴型处理室结构，既可以保证电场分布的均匀性，又使处理流量得以提高，并且避免了“死区”的出现，可以使处理效果大大提高。
本发明提出的处理室内电场强度和处理温度在线监测方法，可以定量地实时检测处理过程中参数的变化情况。采用霍尔传感器测量电场强度，相对于传统的小球微扰法，更加方便、快捷。采用一线式数字温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强的特点，直接输出数字信号，避免了传统测温方法因信号放大电路零点漂移等因素造成的误差补偿问题，特别适合于在复杂环境下多点温度测控系统。该在线监测方法的提出，不仅为高压脉冲电场处理室的模型建立提供数据基础，同时也为整个高压脉冲电场处理系统监控系统的构建提供了参考价值。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明的在线监测系统电路结构框图。
图中，1、管状高压电极；2、管状高压电极；3、管状接地电极；4、绝缘保护套；5、绝缘保护套；6、绝缘管；7、物料入口；8、物料出口；9、冷却水入口；10、冷却水出口；11、第一处理腔；12、第二处理腔；13-18、一线式数字温度传感器；19-22、霍尔传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，管状接地电极3的一端安装在第一绝缘保护套4的一端，管状接地电极3的另一端安装在第二绝缘保护套5的一端，第一绝缘保护套4径向开有物料出口8，第二绝缘保护套5径向开有物料入口7；同轴安装在管状接地电极3内的绝缘管6的一端与第一管状高压电极1的一端连接，第一管状高压电极1的另一端伸出第一绝缘保护套4外；同轴安装在管状接地电极3内的绝缘管6的另一端与第二管状高压电极2的另一端连接，第二管状高压电极2的另一端伸出第二绝缘保护套5外；第一管状高压电极1与管状接地电极3间和第二管状高压电极2与管状接地电极3间，分别形成第二处理腔12和第一处理腔11；在物料出口8安装第一个一线式温度传感器14，在物料入口8安装第二个一线式温度传感器13，在第一处理腔11的管状接地电极3内壁从上至下对称安装两个霍尔传感器21、22和第三个、第四个一线式温度传感器17、18，在第二处理腔12的管状接地电极3内壁从下至上对称安装另外两个霍尔传感器19、20和第五个、第六个一线式温度传感器15、16；四个霍尔传感器和六个一线式温度传感器分别与在线监测系统电路连接。
所述的两个管状高压电极和管状接地电极的材料为不锈钢316-L，对不锈钢表面进行抛光处理；所述的绝缘管和两个绝缘保护套的材料为聚四氟乙烯。在管状高压电极和绝缘管中通入冰水用来冷却电极，9为冷却水入口，10为冷却水出口。
如图2所示，所述的在线监测系统电路包括信号调理电路、A/D转换电路、单片机和液晶显示模块；四个霍尔传感器分别采集电场强度的霍尔电位差信号，经信号调理电路、A/D转换电路接单片机，六个一线式温度传感器通过总线接单片机，单片机将参数值通过接口电路接到液晶显示模块进行电场强度和温度值的显示。信号调理电路、A/D转换电路、单片机和液晶显示模块均可按照要求在市场上选购。所述的六个一线式温度传感器为DS18B20芯片。
实施例：
本发明所涉及的同轴型连续式高压脉冲电场灭菌处理室将内径为26mm、外径为36mm的管状接地电极3的一端安装在第一绝缘保护套4的一端，管状接地电极3的另一端安装在第二绝缘保护套5的一端，第一绝缘保护套4径向开有物料出口8，第二绝缘保护套5径向开有物料入口7；同轴安装在管状接地电极3内的内径为6mm、外径为18mm的绝缘管6的一端与内径为6mm、外径为16mm的第一管状高压电极1的一端连接，第一管状高压电极1的另一端伸出第一绝缘保护套4外；同轴安装在管状接地电极3内的绝缘管6的另一端与内径为6mm、外径为16mm的第二管状高压电极2的另一端连接，第二管状高压电极2的另一端伸出第二绝缘保护套5外；第一管状高压电极1与管状接地电极3间和第二管状高压电极2与管状接地电极3间，分别形成第二处理腔12和第一处理腔11。各个空心管之间采用密封管螺纹连接，便于清洗和更换。两个绝缘保护套4、5与管状高压电极1、2之间均采用过盈配合，既起到保护作用，又起到固定接地电极的作用。在高压脉冲电场灭菌处理时，管状高压电极1、2和管状接地电极3分别与脉冲发生器的两个接线端子连接。将脉冲发生器的输出电压调为18kV，在第一处理腔11和第二处理腔12中均产生与液体物料(如牛奶、果汁等)流动方向垂直的脉冲电场，平均电场强度为36kV/cm。在管状高压电极和绝缘管中通入冰水用来冷却电极，可以将处理过程中的温度升高控制在10℃以内。整个处理室不存在“死区”，物料流动更加流畅、均匀。由于采用的是同轴型电极结构，因此，电场强度分布的均匀性也可以得到保证。
分别在两个处理腔体11、12的中间位置的内壁处安装4个霍尔传感器19-22，霍尔传感器由外部电源供电，将采集到的霍尔电位差信号，经过调理电路，消除环境中噪声的干扰，然后由模拟量信号转换成单片机可以接受的数字量信号，送入单片机中。在处理室的物料入口7、物料出口8、第二处理腔体12的出口处以及第一处理腔体11的入口处安装6个一线式温度传感器DS18B20芯片13-18，DS18B20芯片采用外部电源供电方式，输出的数字信号直接送入单片机中。通过单片机内部构建的模型算法得出处理室内各个位置的电场强度和处理温度，最后这些参数值会通过单片机外围液晶显示模块电路实时地显示。

Claims (4)

1.一种在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室，其特征在于：管状接地电极(3)的一端安装在第一绝缘保护套(4)的一端，管状接地电极(3)的另一端安装在第二绝缘保护套(5)的一端，第一绝缘保护套(4)径向开有物料出口(8)，第二绝缘保护套(5)径向开有物料入口(7)；同轴安装在管状接地电极(3)内的绝缘管(6)的一端与第一管状高压电极(1)的一端连接，第一管状高压电极(1)的另一端伸出第一绝缘保护套(4)外；同轴安装在管状接地电极(3)内的绝缘管(6)的另一端与第二管状高压电极(2)的另一端连接，第二管状高压电极(2)的另一端伸出第二绝缘保护套(5)外；第一管状高压电极(1)与管状接地电极(3)间和第二管状高压电极(2)与管状接地电极(3)间，分别形成第一处理腔(12)和第二处理腔(11)；在物料出口(8)安装第一个一线式温度传感器(14)，在物料入口(8)安装第二个一线式温度传感器(13)，在第一处理腔(12)的管状接地电极(3)内壁从上至下对称安装两个霍尔传感器(21、22)和第三个、第四个一线式温度传感器(17、18)，在第二处理腔(11)的管状接地电极(3)内壁从下至上对称安装另外两个霍尔传感器(19、20)和第五个、第六个一线式温度传感器(15、16)；四个霍尔传感器和六个一线式温度传感器分别与在线监测系统电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室，其特征在于：所述的在线监测系统电路包括信号调理电路、A/D转换电、单片机和液晶显示模块；四个霍尔传感器分别采集电场强度的霍尔电位差信号，经信号调理电路、A/D转换电路接单片机，六个一线式温度传感器通过总线接单片机，单片机将参数值通过接口电路接到液晶显示模块进行电场强度和温度值的显示。
3.根据权利要求1所述的一种可在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室，其特征在于：所述的六个一线式温度传感器为DS18B20芯片。
4.根据权利要求1所述的一种可在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室，其特征在于：所述的两个管状高压电极和管状接地电极的材料为不锈钢316-L；所述的绝缘管和两个绝缘保护套的材料为聚四氟乙烯。
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