CN107727683A - 以食品未冻结水分判断冻结点的方法、控制器和制冷设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷控制领域，特别涉及以食品未冻结水分判断冻结点的方法、控制器和制冷设备。本发明利用食品在不同温度下的未冻结水分含量不同而判断食品是否进入冻结状态。将未冻结水分与温度控制结合控制食品温度一直处于合理范围。若食品进入冻结状态，可立即进入回温模式阻止食品内部水继续形成冰晶的过程使食品不冻结，当食品温度达到某一值时立刻降温，重复多次，食品温度大部分时间或一直保持在0℃～冻结点温度，而冻结点温度处于‑10～0℃。利用食品未冻结水百分含量变化率有效判断食品的冻结点，将食品中未冻结水分变化与温度控制有效结合，合理控制食品温度达到不冻结且新鲜的临界状态，保证食品不冻新鲜，延长保鲜周期。

Description

以食品未冻结水分判断冻结点的方法、控制器和制冷设备

技术领域

本发明涉及制冷控制领域，特别是涉及以食品未冻结水分判断冻结点的方法、控制器和制冷设备。

背景技术

为了延长食品保质期，冷冻技术一直是最常见有效的方法，如-18℃冻肉储存，一般能存放6～12个月，但是存在一个最严重的问题就是解冻不便，而且解冻后的食品品质和口感明显下降。

目前主要是靠获取食品温度值来判断食品是否进入冻结状态，获取温度的方法主要有：

1、非接触式温度传感器，如红外传感器：精度1℃的红外传感器无法获取食品的准确温度值，从而无法准确判断食品是否进入冻结状态；而精度0.1℃的红外传感器则价格昂贵(上千元)可应用性差。

2、接触式温度传感器，如探针式温度传感器，由于其直接插入食品内部，破坏了食品结构，存在卫生方面风险，可操作性差，不被大部分用户接受。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供基于食品未冻结水分判断冻结点的方法、控制器及制冷设备，解决食品进入冻结状态的时间点不容易控制，食品易发生冻结；且发生冻结后，解冻不便，食品品质下降的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其包括：

第一检测步骤，检测刚放入食品的初始水分W0；

降温步骤，在环境温度为第一预设值的情况下进行食品降温；

第二检测步骤，在降温过程中，按照第一预设方式检测食品的实时未冻结水分W，并得出食品中非冻结水分含量百分比P，P＝W/W0×100％；

第一判断步骤，当食品中非冻结水分含量百分比P满足：P≤P0时，则停止降温；

升温步骤，将环境温度更新至第二预设值，进行升温；

第三检测步骤，在升温过程中，按照第二预设方式检测食品的实时未冻结水分W，并得出食品中非冻结水分含量百分比P；

第二判断步骤：当食品中非冻结水分含量百分比P满足：P≥P1时，则停止升温，并返回所述降温步骤。

在一些实施例中，优选为，所述P0的取值范围为60％～95％，和/或，所述P1的取值范围为95％以上。

在一些实施例中，优选为，所述第一预设值小于冻结点温度；所述第二预设值大于冻结点温度。

在一些实施例中，优选为，所述第一预设方式包括：间隔第一设定时间检测一次；所述第二预设方式包括：间隔第二设定时间检测一次；所述第一设定时间等于所述第二设定时间。

在一些实施例中，优选为，检测食品的初始水分或实时未冻结水分的方式包括：红外光谱装置、中子探测装置、声学检测装置、核磁共振检测装置、高频阻抗检测装置、介电损失角检测装置、或电容检测装置。

本发明还提供了一种执行所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法的控制器，其包括：计算模块、设置模块、比较模块、判断模块；其中，

所述设置模块，用于根据制冷设备的降温阶段或升温阶段设置环境温度；

所述计算模块，用于根据监测的食品实时未冻结水分，计算食品中非冻结水分含量百分比P；

所述比较模块，用于根据食品中非冻结水分含量百分比P与存储的比较值进行比较确定降温或升温；

所述判断模块，根据比较结果判断升温或降温。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如所述控制方法的步骤。

本发明还提供了一种制冷设备，其包括主体结构、控制器、一个以上的环境温度检测装置和一个以上的食品水分检测装置；

所述环境温度检测装置、所述食品水分检测装置均与所述控制器连接。

在一些实施例中，优选为，所述环境温度检测装置包括：有线传感器、红外传感器、或无线传感器。

在一些实施例中，优选为，所述检测食品的初始水分或实时未冻结水分的方式包括：红外光谱装置、中子探测装置、声学检测装置、核磁共振检测装置、高频阻抗检测装置、介电损失角检测装置、或电容检测装置。

(三)有益效果

本发明提供的技术方案利用食品在不同温度下的未冻结水分含量不同而判断食品是否进入冻结状态。将未冻结水分与温度控制结合控制食品温度一直处于合理范围。若食品进入冻结状态，可立即进入回温模式阻止食品内部水继续形成冰晶的过程使食品不冻结，当食品温度达到某一值时立刻降温，如此重复多次，食品温度大部分时间或一直保持在0℃～冻结点温度，而冻结点温度处于-10～0℃。利用食品未冻结水百分含量变化率有效判断食品的冻结点，将食品中未冻结水分变化与温度控制有效结合，合理控制食品温度达到不冻结且新鲜的临界状态，保证食品不冻新鲜，有效延长保鲜周期，保持食品营养美味。

附图说明

图1为本发明一个实施例中基于食品未冻结水分判断冻结点的方法流程示意图；

图2为本发明应用到肉类时基于食品未冻结水分判断冻结点的方法流程示意图；

图3为无过冷状态下食品正常冻结曲线；

图4为无过冷状态下食品不冻保鲜曲线；

图5为食品冻结过程中温度与冻结水分的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。

基于食品进入冻结状态的时间点不容易控制，食品易发生冻结；且发生冻结后，解冻不便，食品品质下降的问题，本发明给出了基于食品未冻结水分判断冻结点的方法、控制器和制冷设备。

下面将通过基础设计、扩展设计及替换设计对产品、方法等进行详细描述。

在本技术中以食品的未冻结水的百分含量变化来判断冻结点，主要考虑到食品冻结与食品的未冻结水百分含量变化之间存在直接关系。食品冻结是指将食品中大部分水转化为冰的过程，由于食品中的水分分为结合水和自由水，而结合水与蛋白质、碳水化合物等胶体物质结合在一起，因此，在冻结过程中结合水不会转变成冰结晶，为不冻结水。同时，食品中的自由水并非纯水，而是溶有溶质的稀溶液，由于稀溶液中溶质的作用造成溶液的蒸汽压下降，使得食品开始结冰的冰点温度比水的冰点0℃要低，根据拉乌尔定律第二法则，溶液冰点降低与溶质浓度成正比，每增加1mol浓度冰点下降1.86℃。

食品中开始出现冰晶的温度称为食品的冻结点，由于食品的种类、死后环境条件和肌浆浓度等不同，各种食品的冻结点也是不同的(如表1所示)。

表1 几种常见食品的冻结点和含水率

图3示出了食品正常冻结曲线，图4给出了无过冷状态下食品不冻保鲜的曲线。正常的食品冻结过程主要分为三个阶段：1、冷却阶段：食品温度快速下降至0℃以下，冻结点以上；2、最大冰晶生成阶段：从冻结点到-5℃，食品中约70％～80％的水形成冰的过程；3、速冻过程：食品中剩余的水快速形成冰的过程。

图5示出了食品冻结过程中温度与冻结水分的关系曲线，由图5可知，食品中的非冻结水含量百分比与温度值在食品温度到达冻结点以后呈现正比关系，及随着温度的降低，食品中的非冻结水含量逐渐变少。如食品在冻结点时，内部水分刚开始形成冰晶，此时的非冻结水含量百分比为100％；当食品温度达到-3℃～-2℃时，此时的非冻结水含量百分比为70％～80％；当食品温度达到-4℃时，此时的非冻结水含量百分比为60％；当食品温度达到-5℃时，此时的非冻结水含量百分比为20％,(也称为“最大冰晶生成带”，食品中80％的水分会转变成冰的状态；当食品温度达到-9℃时，此时的非冻结水含量百分比为16％；当食品温度达到-18℃时，此时的非冻结水含量百分比为6％；当食品温度达到-40℃时，此时的非冻结水含量百分比为1％；因此，可根据食品中非冻结水含量百分比来准确判断食品是否进入冻结状态。

基于上述理论分析和研究，发明人提出基于食品未冻结水分判断冻结点的方法：

如图1所示，该方法主要包括：

第一检测步骤，检测刚放入食品的初始水分含量W0；

降温步骤，在环境温度为第一预设值的情况下进行食品降温；

第二检测步骤，在降温过程中，按照第一预设方式检测食品的实时未冻结水分含量W，并得出食品中非冻结水分含量百分比P，P＝W/W0×100％；

第一判断步骤，当食品中非冻结水分含量百分比P满足：P≤P0时，则停止降温；

升温步骤，将环境温度更新至第二预设值，进行升温；

第三检测步骤，在升温过程中，按照第二预设方式检测食品的实时未冻结水分含量W，并得出食品中非冻结水分含量百分比P；

第二判断步骤：当食品中非冻结水分含量百分比P满足：P≥P1时，则停止升温，并返回降温步骤。

当食品放入制冷设备(比如冰箱)中，立即用水分含量无损检测装置对食品进行初始水分W0的检测，此阶段环境温度为第一预设值，较低，可设定为T1，低于冻结点温度。在该环境温度下进行降温，将食品温度降至较低的温度T0，该温度处于冻结点附近，降温的目的是将食品的温度下降到冻结点以下，促使微生物等没有办法进行生命活动、生物化学反应速度也随之减慢，有利于延长食品的保鲜期。此处温度

T0是以食品非冻结水分含量备份比变化率P≤P0来判定的。

食品非冻结水分含量备份比变化率P≤P0的比较和判定主要在第二检测步骤中。食品由于不断吸收冷量，其中的水分逐渐形成冰晶体并逐步冻结，随着冻结时间延长，冰晶量逐渐增多，小冰晶聚集成大冰晶，开始破坏食品的细胞阻滞，导致食品的汁液和营养流失，直接影响食品入口的味道和口感。因此，为了检测该冻结状态的来临，需要在降温过程中每隔t1时间(0～600min)测量一次食品实时未冻结水分含量W，并计算食品中非冻结水分含量百分比P，若P＞P0(食品温度达到冻结点以下时，食品中非冻结水分含量百分比P，一般为60％～95％)，说明此时食品中大部分水处于未冻结的状态，则需要继续降温，环境温度继续设置为T1(低于食品冻结点的温度)；若P≤P0，为了不让食品继续吸收冷量而发生冻结，必须要马上停止降温过程，则停止降温阶段。

停止降温后，食品会进行升温，在该升温中可以维持或提高环境温度以防止食品发生冻结。自然回温或环境温度设置为高于食品冻结点的第二预设值T2(不宜过高，否则会缩短食品保鲜期，大于冻结点温度)，升温过程中每隔t2时间(0～600min)测量一次食品实时未冻结水分含量W，并计算食品中非冻结水分含量百分比P；当检测到中非冻结水分含量备份比≥P1(食品温度达到冻结点T0+Δt时，食品中非冻结水分含量百分比P，Δt可在0～10℃范围内取值；P1理论上应该为100％，但由于测量误差的存在，可设定5％的测量偏差，取值范围为95％以上)时，返回降温的步骤。以此重复降温过程和升温过程，反复循环，保持食品温度一直处于冻结点附近，延长食品保鲜期。

冻结点温度的范围为-10℃～0℃。

在一些实施例中，第一设定时间t1和第二设定时间t2可相等。

基于上述的各种方案，检测食品的初始水分或实时未冻结水分的方式包括：红外光谱装置、中子探测装置、声学检测装置、核磁共振检测装置、高频阻抗检测装置、介电损失角检测装置、或电容检测装置。

电容检测装置进行水分检测的原理：

电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其它成分的介电常数，水分含量的变化势必引起电容量变化的原理，通过测量与食品中水分变化相对应的电容变化即可知食品的水分含量。

介电损失角检测装置进行水分检测的原理：

介电损失角法：食品含水率不同，介电损失角也不同，并且呈单值分段线性关系。

高频阻抗检测装置进行水分检测的原理：

高频阻抗法是依据在敏感频带(100k～250kHz)施以外加电场的情况下食品水分与其交流阻抗呈现对数关系这一理论来测量其水分的。

声学检测装置进行水分检测的原理：

食品的弹性和振动特性取决于食品水分，不同水分的食品所产生的声压不同。

核磁共振检测装置进行水分检测的原理：

核磁共振法是在一定条件下原子核自旋重新取向，从而使食品在某一确定的频率上吸收电磁场的能量，吸收能量的多少与食品中所含的核子数目成正相关比例。

红外光谱装置进行水分检测的原理：

近红外光谱法是由于不同的分子对不同波长的近红外光具有不同特征的吸收，当用近红外光(波长为1940nm)照射样品时，漫反射光的强度与样品的成分含量有关，服从朗伯—比尔定律。

中子探测装置进行水分检测的原理：

中子测定法是基于中子对水分中的H元素敏感，H元素可以使中子发生慢化，而其它物质则是几乎没有这一过程。

本方法利用无损水分检测装置检测食品的初始水分含量，在降温过程中不断计算食品中非冻结水含量百分比，同时将食品温度降至冻结点附近；其次，利用食品中非冻结水含量百分比判断食品是否进入冻结状态；再次，停止降温或小幅度升温过程阻止食品中水分继续形成冰晶，保持食品处于不冻结的状态，如此重复多次，食品温度大部分时间或一直保持在0℃～冻结点温度(-10℃～0℃)，有效延长食品保鲜周期。

接下来，以以冰箱中肉类保鲜为例，对食品不冻长鲜控制规则进行说明：使用温度控制和无损水分检测装置来实现食品不冻长鲜功能。

冰箱有一个独立控温间室用于肉类保鲜，此间室具有1个环境温度检测传感器(记为1#传感器)和1个肉类水分检测装置。

由上可知，P0的取值范围为60％～95％；P1的取值范围为≥95％。

下面以包括1个传感器和1个水分无损检测装置的联合控制为实施例介绍具体的控制过程：

如图2所示，T1＝-18℃，T2＝0℃，t1＝t2＝5min，P0＝80％，P1＝95％。

首先，冰箱通电后，在间室内放入肉类，1#传感器按设定-18℃降温，同时，利用水分无损检测装置检测肉类初始水分含量W0，降温过程中每隔5min测量一次食品实时未冻结水分值W，并计算食品中非冻结水分含量百分比P,若P＞80％，说明此时食品中大部分水处于未冻结的状态，则需要继续降温，环境温度继续设置为-18℃；若P≤80％，则停止降温阶段。此时肉已进入冻结状态，需要立即进度升温模式，即1#传感器按设定0℃控制温度，保证肉类不冻结；进入升温阶段后，水分无损检测装置需要每隔5min检测一次食品实时未冻结水分含量W，并计算食品中非冻结水分含量百分比P；直到计算得出的食品中非冻结水分含量百分比P≥95％时，此时肉类温度为高于冻结点Δt℃，此时需要再次进入降温阶段，反复循环保证肉类处于新鲜不冻结状态。

另外，升温的控制方式不局限于温度设定值的调整，也可以通过自然回温和加热的方式来回温。

此种控制方法利用食品中非冻结水含量百分比判断食品冻结点与温度控制方法有效结合，可实现肉类一直处于一个低温环境条件，且不会发生冻结而导致营养流失，显著延长肉类保鲜期，营养美味。

本发明还提供了一种执行上述基于食品未冻结水分判断冻结点的方法的控制器，其包括：计算模块、设置模块、比较模块、判断模块；其中，设置模块，用于根据制冷设备的降温阶段或升温阶段设置环境温度；计算模块，用于根据监测的食品实时未冻结水分，计算食品中非冻结水分含量百分比P；比较模块，用于根据食品中非冻结水分含量百分比P与存储的比较值进行比较确定降温或升温；判断模块，根据比较结果判断升温或降温。

其中计算模块、设置模块、比较模块、判断模块可以拆分或合并，在控制器硬件或处理程序中依从设计需要而设置。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述控制方法的步骤。

本发明还提供了一种制冷设备，其包括主体结构、控制器、一个以上的环境温度检测装置和一个以上的食品水分检测装置；环境温度检测装置、食品水分检测装置均与控制器连接。

在某一特定空间内可实现对存放食品独立控温，在制冷设备上设置1个或多个环境温度检测装置，内部设置1个或多个食品水分无损检测装置。温度检测装置包括接触式温度设备和非接触式温度设备，如有线传感器、红外传感器和无线传感器等；食品水分检测装置包括但不局限于红外光谱装置、中子探测装置、声学检测装置、核磁共振检测装置、高频阻抗检测装置、介电损失角检测装置、或电容检测装置等，这些检测装置都不会对食品产生破坏，属于无损检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其特征在于，包括：

第一检测步骤，检测刚放入食品的初始水分含量W0；

降温步骤，在环境温度为第一预设值的情况下进行食品降温；

第二检测步骤，在降温过程中，按照第一预设方式检测食品的实时未冻结水分W，并得出食品中非冻结水分含量百分比P，P＝W/W0×100％；

第一判断步骤，当食品中非冻结水分含量百分比P满足：P≤P0时，则停止降温；

升温步骤，将环境温度更新至第二预设值，进行升温；

第三检测步骤，在升温过程中，按照第二预设方式检测食品的实时未冻结水分W，并得出食品中非冻结水分含量百分比P；

第二判断步骤：当食品中非冻结水分含量百分比P满足：P≥P1时，则停止升温，并返回所述降温步骤。

2.如权利要求1所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其特征在于，所述P0的取值范围为60％～95％，和/或，所述P1的取值范围为95％以上。

3.如权利要求1所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其特征在于，所述第一预设值小于冻结点温度；所述第二预设值大于冻结点温度。

4.如权利要求3所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其特征在于，所述冻结点温度的范围为-10℃～0℃。

5.如权利要求1所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其特征在于，

所述第一预设方式包括：间隔第一设定时间检测一次；

所述第二预设方式包括：间隔第二设定时间检测一次；

所述第一设定时间等于所述第二设定时间，取值范围为0～600分钟。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法，其特征在于，检测食品的初始水分或实时未冻结水分的方式包括：红外光谱装置、中子探测装置、声学检测装置、核磁共振检测装置、高频阻抗检测装置、介电损失角检测装置、或电容检测装置。

7.一种执行权利要求1-6任一项所述的基于食品未冻结水分判断冻结点的方法的控制器，其特征在于，包括：计算模块、设置模块、比较模块、判断模块；其中，

所述设置模块，用于根据制冷设备的降温阶段或升温阶段设置环境温度；

所述计算模块，用于根据监测的食品实时未冻结水分，计算食品中非冻结水分含量百分比P；

所述比较模块，用于根据食品中非冻结水分含量百分比P与存储的比较值进行比较确定降温或升温；

所述判断模块，根据比较结果判断升温或降温。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。

9.一种制冷设备，其特征在于，包括主体结构、控制器、一个以上的环境温度检测装置和一个以上的食品水分检测装置；

所述环境温度检测装置、所述食品水分检测装置均与所述控制器连接。

10.如权利要求9所述的制冷设备，其特征在于，所述环境温度检测装置包括：有线传感器、红外传感器、或无线传感器；和/或，

所述食品水分检测装置包括：红外光谱装置、中子探测装置、声学检测装置、核磁共振检测装置、高频阻抗检测装置、介电损失角检测装置、或电容检测装置。