CN108566696B - 一种改善微波加热温度均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善微波加热温度均匀性的方法，属于冶金工程控制技术领域。本发明提出间歇式微波加热方法，根据预先设置的温度变化率上限tanθ和期望温度变化率tanα，自适应调整加热时间和停止加热时间，直到满足整个加热时长，结束整个加热过程。本发明不但对加热物料具有适用于不容易发生热失控的物料，也适用于易发生热失控的物料同样，最终提高温度的均匀性，因此具有普适性。

Description

一种改善微波加热温度均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种改善微波加热温度均匀性的方法，属于冶金工程控制技术领域。

背景技术

微波加热作为一种快速、有效的加热方式，已经广泛应用于冶金、食品及化学等领域。然而，在微波加热过程中，有些加热的平衡温度对输入功率很敏感，输入功率的微小改变，会引起过程体系温度迅速发生很大变化，将这种变化过程的物理现象称为热失控。热失控一旦发生，会烧毁物料，损坏微波加热装置，严重时可能发生爆炸，它严重阻碍了微波加热在工业上的应用。

一般认为热失控是微波和反应体系相互作用形成的正反馈结果。在微波加热过程中，微波电磁场遵循麦克斯韦方程组，温度场遵循热传导方程，被加热物料耗散电磁能直接转化为热能使其温度升高。研究表明，加热体系的电磁特性，如电导率、介电常数、磁导率等都是温度的非线性函数。一般而言，随着温度的上升，会引起加热体系电磁特性改变，当加热体系内耗散的微波电磁能不断增加导致热通量密度增大时，形成正反馈，加热体系温度会不断上升，最终形成正反馈过程，引发热失控，这种热失控产生的空间分布性，是导致微波加热温度分布不均匀性的最主要因素。在工业上，热失控有时是有利的，如使用微波陶瓷焊接，但更多的时候是有害的，应用中需要微波加热体系有一个均匀的温度分布。为了避免热失控，使加热体系内温度分布均匀，众多学者提出了很多避免热失控的方法。美国的新泽西理工学院的Kriegsmann提出先用较大功率的微波加热，然后再用减小功率的方法来避免热失控；荷兰瓦赫宁根农学院的Vriezinga提出被加热物的厚度小于一个值后，热失控就不会发生；美国乔治梅森大学的Beal等人提出了反馈控制系统的方法；美国弗吉尼亚理工学院的Wu提出在谐振腔体中防止热失控的方法，这些讨论虽然从不同的角度分析了热失控的特性即防止热失控的方法。但是，目前实际的应用现状为，微波处理的物料种类繁多，其电磁特性也差异大，只能开发出相对专用的微波加热装置。大量研究表明，由于微波加热物料的温度变化率正比于物料损耗因子(其大小为介电常数的虚部与实部之比)，而介电常数虚部的温度特性则根据物料种类而定，其温度特性通常可分为两大类：即正温度特性和负温度特性两种。对于具有正温度特性的物料来说，随着温度的上升，物料介电常数虚部也增大，即物料介电常数虚部随温度的变化曲线的斜率为正。由于温度升高使得介电常数虚部增大，介电常数虚部的增大反过来又使温度上升，如此连续不断往复循环导致物料损坏，这就是微波加热过程中的热失控效应产生的本质原因。因此本发明紧扣这一物理机理，从实际应用出发，考虑间歇式微波加热，提出一种相对普适避免微波与物料热效应过程产生的热失控现象的方法。

发明内容

本发明提供了一种改善微波加热温度均匀性的方法，以用于解决实际加热中微波与物料热效应过程产生的热失控，提高温度均匀性和装置的通用性。

微波加热是一个涉及到物料与多个物理场方程的耦合，热失控又是一个紧密依赖具体被加热物料物理属性的问题，其控制策略的研究适用性单一。另一方面，在实际加热过程中，缺乏物料的先验信息，尤其是不清楚该物料的温升属性。考虑以上两个方面，本发明首先从数学角度阐明控制策略，再详细分析该控制策略的普适性。

本发明的技术方案是：一种改善微波加热温度均匀性的方法，根据相邻时间节点t_n-1，t_n采集得到的温度T_n-1，T_n，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率K_n，K_n＝(T_n-T_n-1)/(t_n-t_n-1)，比较K_n与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若K_n>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间t_end，结束加热。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、设定好温度采样时间间隔△t；

Step2、判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间t_end，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；若不满足，则执行步骤Step3；

Step3、对两相邻时刻(t_n-1，t_n)采集得到的温度(T_n-1，T_n)进行处理，计算当前温度变化率K_n＝(T_n-T_n-1)/△t，比较K_n与预设的温度变化率上限tanθ的大小；若K_n>tanθ，则执行步骤Step4，若不满足，执行步骤Step2，继续加热；

Step4、关闭微波电源，计算需等待停止加热时间＝(T_n-T_n-1)/tanα-t_n，判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间t_end，(t_end可以通过定时器设定)若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；否则，执行步骤Step3；

Step5、结束整个加热过程。

tanθ的取值问题，根据材料、腔体等先验知识可以实现。由于微波加热过程中，影响被加热物料温度变化的因素很多，如形状、介电常数、密度、含水量，腔体内电磁场分布等，导致tanθ的取值也会因物料种类的不同而变化。

所述温度变化率上限tanθ的计算方法为：根据公式

求tanθ；

其中，ρ为物料的密度；c_p为物料的比热容；

为物料在微波中的升温速率，即温度变化率；T为物料的加热温度，E为电场强度，ε″为介电常数虚部。

所述期望温度变化率可以取tanα＝5，即期望被加热物料温度每秒升高5℃。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种相对普适避免微波与物料热效应过程产生的热失控现象的方法，提高微波加热装置的通用性，改善微波加热的均匀性，具有很强的应用价值和现实意义；

2、本发明不但对加热物料具有适用于不容易发生热失控的物料，也适用于易发生热失控的物料同样，最终提高温度的均匀性，因此具有普适性；

3、本发明不仅解决了对热失控现象的控制，同时对任意属性物料的加热同样适用。

附图说明

图1是微波加热控制系统框图；

图2是间歇式微波加热流程图；

图3是间歇式微波加热过程中温度变化。

具体实施方式

实施例1：如图1-3所示，一种改善微波加热温度均匀性的方法，根据相邻时间节点t_n-1，t_n采集得到的温度T_n-1，T_n，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率K_n，K_n＝(T_n-T_n-1)/(t_n-t_n-1)，比较K_n与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若K_n>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间t_end，结束加热。

进一步的，所述方法的具体步骤如下：

Step1、设定好温度采样时间间隔△t；

Step2、判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间t_end，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；若不满足，则执行步骤Step3；

Step3、对两相邻时刻(t_n-1，t_n)采集得到的温度(T_n-1，T_n)进行处理，计算当前温度变化率K_n＝(T_n-T_n-1)/△t，比较K_n与预设的温度变化率上限tanθ的大小；若K_n>tanθ，则执行步骤Step4，若不满足，执行步骤Step2，继续加热；

Step4、关闭微波电源，计算需等待停止加热时间＝(T_n-T_n-1)/tanα-t_n，判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间t_end，(t_end可以通过定时器设定)若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；否则，执行步骤Step3；

Step5、结束整个加热过程。

进一步的，tanθ的取值问题，根据材料、腔体等先验知识可以实现。由于微波加热过程中，影响被加热物料温度变化的因素很多，如形状、介电常数、密度、含水量，腔体内电磁场分布等，导致tanθ的取值也会因物料种类的不同而变化。

所述温度变化率上限tanθ值和期望温度变化率tanα值的设定可以采用如下方法：

在微波加热的所有物料种类中，对于微波加热易发生热失控的物料来说，介电常数虚部ε″变化率随温度变化值。物料在微波炉中加热，同时满足热平衡方程，

式中：ρ为物料的密度；c_p为物料的比热容；

为物料在微波中的升温速率；k为综合散热系数；T为物料的加热温度；T₀为室温，设定为22℃。

谐振腔内的热损失，用物料的综合散热系数来表征，即

Q_散＝k(T-T₀) (2)

而腔体内的系统散热速率和物料降温速率关系是

由(2)、(3)得到

介质单位体积的功率由下式给出：

将(4)、(5)代入(1)式得到：

变形得到：

其中，ε₀表示：真空介电常数，ω表示微波频率。

由(7)式可看出，只要解得介质在微波中的升温速率和降温速率

及电场强度E，就可计算出物料的介电常数虚部，另温度变化率上限tanθ正比于介电常数虚部，满足如下关系式：

由上式可知，温度变化率上限值tanθ可根据仿真结果得到。因此，本发明指出tanθ的设定方法为：首先构建微波加热数值计算仿真模型，在每个时间步长内计算式(7)中介电常数虚部ε″，继而能获得整个微波加热过程中每个时间步长的温度变化率

因此温度变化率上限值tanθ最终也能随之确定下来。

tanα(单位为℃/s)取值说明：参数tanα为本发明中期望温度变化率，该参数是人为设定的，其意义为：该参数的设定一般要考虑两方面因素：①要求物料在加热过程中避免温度剧烈变化；2.在满足①的前提下，尽量减少加热时间，tanα一般取值为tanα＝5，即期望被加热物料温度每秒升高5℃，这样既能保证避免温度剧烈变化，也能较少整体加热时间。

具体的，由于物料温度变化率正比于物料的损耗因子，而介电常数虚部的温度特性则根据物料种类而定，其温度特性通常可分为两大类：即正温度特性和负温度特性两种。为说明本发明针对不同温升特性被加热物料所提控制方法的普适性和可行性，从两方面进行说明：

(1)对于具有负温度特性的被加热物料情形中，如图3所示，被加热物料在整个加热过程中，随着温度的上升，其温度变化率始终不会超过控制器所设定的温度变化率上限(tanθ)，即任意时刻，Kn<tanθ，t∈[0，t_end]。因此，在控制器作用下，微波电源始终处于接通状态，直到满足设定的加热时间，触发定时器T1中断才结束加热，这也符合工业生产实际情况。

(2)对于具有正温度特性的被加热物料情形中，如图3所示，设定加热时间为t_end(通过定时器T1是否产生中断产生)，0～t₀时间段内，温度变化率随时间在增大，温度变化很快，t₀时刻，由控制器对温度传感器采集到的温度数据进行处理后，计算得出t₀时刻温度变化率K_n>tanθ，在控制器输出控制信号作用下，停止加热；其次根据t₀时刻温度值T₀，计算这一阶段停止加热时间，计算方法为：停止时间＝(T₀-T_初始)/tanα-t₀，同时启动定时器T2，设定定时时间为停止时间，当定时器满足等待时间时，触发中断，重新开启微波电源进行加热；如此循环下去，直到满足设定加热时间(t_end)为止，(即触发定时器T1中断)，断开电源开关。定时时间通过硬件实现，减小了处理器的计算负担。当满足加热时间时，触发相应的定时器T1中断，控制器接收到中断信号后，关闭电源，结束整个加热过程。

(上述定时器T1和T2的作用分别为控制微波加热整个过程时间和控制每一个加热循环中需停止加热的时间)。

本发明的工作原理是：

针对微波加热是一个涉及到物料与多个物理场方程的耦合，热失控又是一个紧密依赖具体被加热物料物理属性的问题，其控制策略的研究适用性单一。另一方面，在实际加热过程中，缺乏物料的先验信息，尤其是不清楚该物料的温升属性。该方法从热失控产生机制出发，考虑到实际加热过程中被加热物料的热物性参数等先验信息缺乏，不仅解决了对热失控现象的控制，同时对任意属性被加热的物料同样适用。结合介电常数虚部随温度变化呈正反馈关系，提出间歇式微波加热方法，根据算法中设置的两个阈值tanθ和tanα，自适应调整加热时间和停止加热时间，直到满足整个加热时长，结束整个加热过程。其中，tanθ和tanα的取值方法也给出了相关的说明。此外，为减小处理器的计算负担，对加热时间采取定时器中断方式，避免了CPU在每个加热循环过程中对整个加热时间判断，极大提高了CPU效率。

本发明针对不易发生热失控的物料，其温度变化率不会超过控制方法中设定的温度变化率上限tanθ，所以整个加热过程不会出现停止加热过程，而是会持续加热，直到满足整个加热时间t_end，这也非常符合工业生产的实际情况。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种改善微波加热温度均匀性的方法，其特征在于：根据相邻时间节点t_n-1＝0，t_n＝t₀采集得到的温度T_n-1＝T_初始，T_n＝T₀，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率K_n，K_n＝(T₀-T_初始)/t₀，比较K_n与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若K_n>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间t_end，结束加热；

所述方法的具体步骤如下：

Step1、设定好温度采样时间间隔△t；

Step2、判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间t_end，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；若不满足，则执行步骤Step3；

Step3、对两相邻时刻(t_n-1＝0，t_n＝t₀)采集得到的温度(T_n-1＝T_初始，T_n＝T₀)进行处理，计算当前温度变化率K_n＝(T₀-T_初始)/t₀，比较K_n与预设的温度变化率上限tanθ的大小；若K_n>tanθ，则执行步骤Step4，若不满足，执行步骤Step2，继续加热；

Step4、关闭微波电源，计算

判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间t_end，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；否则，执行步骤Step3；

Step5、结束整个加热过程；

所述温度变化率上限tanθ的计算方法为：根据公式

求tanθ；

其中，ρ为物料的密度；c_p为物料的比热容；

为物料在微波中的升温速率，即温度变化率；T为物料的加热温度，E为电场强度，ε″为介电常数虚部。

2.根据权利要求1所述的改善微波加热温度均匀性的方法，其特征在于：期望温度变化率tanα＝5。

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