CN110419562B - 可改变接入平行板面积的射频解冻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置。射频解冻装置包括给定信号源、控制器、可改变接入平行板面积的平行板电容器解冻腔体和反馈回路。加热时，负载的介电常数会发生改变，从而改变谐振电路的谐振频率，对输出功率造成影响，本发明通过反馈回路获取的信号来控制可改变接入平行板面积的平行板电容器解冻腔体中两个电极板的接入面积，从而能够稳定射频加热系统的输出功率，进而加快该物料的加热速率，缩短加热时间。

Description

可改变接入平行板面积的射频解冻装置
技术领域
本发明本发明涉及食品工业技术领域，具体涉及一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置。
背景技术
解冻是冷冻肉加工和食用前的重要工序。射频解冻技术利用食品的介电加热特性，使食品在射频电场中加热升温，从而达到解冻目的，是一种新型解冻手段。与其他解冻方法相比，射频解冻速率快、穿透深度大、加热均匀，极具应用潜力。
射频加热系统的核心部件为由上、下两平行极板组成的平行板电容器，将作为负载的物料放置在两极板之间，射频发射器产生的交变电流通过上、下两极板形成谐振电路作用于待加工的物料(即负载)，物料中极性分子发生极化运动以及水合离子的振荡迁移进而产生能量转化，将电能转化为内能，从而引起物料升温。随着物料温度的升高，物料的介电常数会发生改变，从而改变谐振电路的谐振频率，会对射频加热系统的输出功能造成影响。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，通过动态调节接入平行板的面积，补偿物料介电常数的改变，从而能够稳定射频加热系统的输出功率，进而加快该物料的加热速率，缩短加热时间。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，所述射频解冻装置包括：给定信号源、控制器、平行板电容器解冻腔体和反馈回路，所述给定信号源为所述平行板电容器解冻腔体提供射频功率，其特征在于，所述平行板电容器解冻腔体包括可改变平行板接入面积的平行板电容器，所述控制器根据所述反馈回路获取的信号来控制所述平行板电容器中平行板的接入面积，从而稳定所述射频解冻装置的输出功率。
优选地，所述平行板电容器解冻腔体还包括绝缘腔体和封装壳体，所述绝缘腔体设置于所述封装壳体的内部，所述封装壳体包括上底面和下底面，所述平行板电容器包括第一极板和第二极板；所述第一极板设置于所述上底面与所述绝缘腔体之间，所述第二极板设置于所述下底面与所述绝缘腔体之间；所述第一极板和/或第二极板为可改变接入面积的极板；所述平行板电容器通过改变所述第一极板和/或第二极板的接入面积来改变所述平行板的接入面积。
优选地，所述第一极板和/或第二极板分几部分，每一部分分别通过所述控制器控制的开关后连接所述给定信号源，通过所述开关控制所述第一极板和/或第二极板接入的面积。
优选地，所述开关为继电器，电子开关或晶体管。
优选地，所述反馈回路获取的信号为所述射频解冻装置输出的输出功率，所述控制器获取所述给定信号源输出的给定功率和所述输出功率，并根据所述输出功率和所述给定功率的误差值来对接入的平行板面积进行控制。
优选地，所述控制器中还包括用于检测负载介电常数的检测模块。
优选地，所述控制器通过所述检测模块计算所述负载的介电常数的变化速率，来判断所述负载的解冻进度。
优选地，在所述检测模块检测到所述负载的介电常数在预设的结束阈值时，则所述控制器控制解冻完成。
优选地，当所述检测模块检测到的介电常数值为预设的空载介电常数值时，则判断此时为空载状态。
优选地，所述给定信号源包括振荡器，功率放大器，传输线和阻抗匹配电路；所述振荡器为所述功率放大器提供具有稳定频率的射频信号，经所述功率放大器处理后再提供给所述平行板电容器解冻腔体；所述阻抗匹配电路用来匹配所述功率放大器和所述平行板电容器解冻腔体的阻抗来阻止功率反射。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明通过射频解冻装置反馈回路获取的信号来控制所述可改变面积的平行板电容器解冻腔体中电极板的接入面积，从而能够稳定射频加热系统的输出功率，进而在保证解冻均匀性的同时加快该物料的加热速率，缩短解冻时间。
附图说明
图1为本发明的射频解冻装置系统框图；
图2为本发明的反馈控制系统框图；
图3为不同频率下瘦肉的相对介电常数εr随温度变化曲线；
图4为第一实施例与对比例解冻温度时间曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置。
如图1所示，射频解冻装置包括给定信号源1、控制器2、可改变接入平行板面积的平行板电容器解冻腔体3和反馈回路4。控制器2中还包括用于检测负载介电常数的检测模块21。
平行板电容中，电容大小C可以表示为：
Figure BDA0002188544440000031
在式子中，ε0是真空中的介电常数，εr＝8.845×10-12F/m，εr是相对介电常数，A是电极板的面积，d是两个平行电极板之间的间距。
通过电容器的电流IC,可以表示为：
Figure BDA0002188544440000041
在式子中，ω是角频率，V是两个平行电极板之间的电势，与电场强度有关。
通过负载的电流IR，可以表示为：
Figure BDA0002188544440000042
在式子中，f是频率，δ是介质损耗角。
负载消耗的功率Q可以表示为：Q＝IRV＝2πfE2ε0εrdA。电磁场通过与介质材料的相互作用转化为热能。
所述控制器连接2于所述给定信号源1与所述平行板电容器解冻腔体3之间，所述反馈回路4设置于所述平行板电容器解冻腔体3与所述控制器2之间。解冻时，作为负载的物料的相对介电常数εr会发生改变，从而改变谐振电路的固有谐振频率，对输出功率造成影响。为了保证负载消耗功率的稳定，保证解冻的均匀性，需要使输出功率与给定功率相近。由负载消耗功率Q的表达式可以推断出，在负载消耗功率Q保持不变时，相对介电常数εr和平行板面积A成反比例关系，构成负反馈。
通过反馈回路4获取的信号来控制所述平行板电容器解冻腔体3中平行板的接入面积，从而能够稳定射频解冻装置的输出功率，进而加快该物料的加热速率，缩短加热时间。
图3示出了不同频率下瘦肉的相对介电常数εr随温度变化曲线。可以看到，在-20～-5℃的温度范围内，相对介电常数εr随温度升高都有增加，但增加的幅度很小。在温度区间-5～0℃内，相对介电常数εr有了明显的增加。在温度区间0℃以后，瘦肉的相对介电常数εr增长趋于缓慢。由于相对介电常数εr在一定的频率下与温度成单增函数，故可以利用相对介电常数εr的变化和接入平行板面积的反比关系做功率负反馈。根据图3中曲线还可以设置解冻结束时间，当检测模块21检测到负载(例如上述的瘦肉)的介电常数在预设的结束阈值时，由控制器2控制解冻完成。由介电性能曲线还可以设置空载断开，当检测模块21检测到的介电常数值为预设的空载介电常数值时，则判断此时为空载状态，完成对空载的检测。
进一步地，控制器2通过检测模块21计算待处理物的介电常数的变化速率，来判断待处理物的解冻进度。当待处理物的温度已较高(即待处理物的温度大于-7℃)时，热效应会显著衰减，因而待处理物不会被过分解冻。
具体的，可改变平行板接入面积的平行板电容器解冻腔体3，包括可改变平行板接入面积的平行板电容器、绝缘腔体和封装壳体。
所述绝缘腔体设置于所述封装壳体的内部，所述封装壳体包括上底面和下底面，所述可改变平行板接入面积的平行板电容器包括第一极板32和第二极板33。所述第一极板32设置于所述上底面与所述绝缘腔体之间，所述第二极板33设置于所述下底面与所述绝缘腔体之间。
在平行板电容器解冻腔体3中，所述第一极板32与所述上底面之间设置有绝缘层，所述第二极板33与所述下底面之间设置有绝缘层。所述第一极板32和/或第二极板33为可改变接入面积的极板。所述平行板电容器通过改变所述第一极板32和/或第二极板33的接入面积来改变所述平行板的接入面积。
在第一实施例中，初始时，第二极板33贴合于所述绝缘腔体的底面；第一极板32分几部分贴合于所述绝缘腔体的顶面，第一极板32的每一部分分别通过控制器2控制的开关31后连接给定信号源1，解冻时，随着介电常数的变化，第一极板32可以通过开关控制第一极板32接入的面积。
在第二实施例中，初始时，第一极板32贴合于所述绝缘腔体的顶面；第二极板33分几部分贴合于所述绝缘腔体的底面，第二极板33的每一部分分别通过控制器2控制的开关31后连接给定信号源1，解冻时，随着介电常数的变化，第二极板33可以通过开关控制第二极板33接入的面积。
在第三实施例中，初始时，第一极板32分几部分贴合于所述绝缘腔体的顶面，第二极板33分几部分贴合于所述绝缘腔体的底面；第一极板32和第二极板33的每一部分分别通过控制器2控制的开关31后连接给定信号源1，解冻时，随着介电常数的变化，第一极板32和第二极板33可以通过开关控制第一极板32和第二极板33接入的面积。
所述开关31可以是继电器，电子开关，晶体管或其他能够控制通断状态的元器件。
如图2示出了本发明中反馈控制系统的框图。解冻时，系统使用给定信号源1输出给定功率，反馈回路获取射频解冻装置输出的输出功率，控制器2获取给定功率和输出功率。控制器2根据输出功率和给定功率的误差值来对接入的平行板面积进行控制。控制器2根据误差值控制开关31动作，增大或者减小接入平行板面积，使输出功率值能够跟踪给定功率值。
图1中还示出了给定信号源1的具体组成。给定信号源1包括振荡器11，功率放大器12，传输线和阻抗匹配电路13。在这个系统中，振荡器11为功率放大器12提供具有稳定频率的射频信号，经功率放大器12处理后再提供给平行板电容器解冻腔体3。给定功率通过传输线转移到阻抗匹配电路13和平行板电容器解冻腔体3，阻抗匹配电路13用来匹配功率放大器12和平行板电容器解冻腔体3的阻抗来阻止功率反射。在图1所示的实施例中，传输线采用的50Ω的传输线，在另外的实施例中，也可以采用其他不同阻值的传输线。
为了进一步理解本发明，下面结合更具体的实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但本发明并不限于本实施例。
第一实施例 对比例
平行板面积 可调 不可调
分别设置上述第一实施例和对比例，射频功率源的频率均为40.68MHz，功率均为600W，第一实施例中解冻装置的平行板面积可调，对比例中解冻装置的平行板面积不可调，其余结构均相同。
对设置有第一实施例和对比例的解冻装置进行解冻效果测试。测试说明：选用500g形状规格相同的牛肉，初始温度都为-13摄氏度，分别放置于第一实施例和对比例的解冻腔内的托盘上，分别测量第一实施例和对比例的解冻时间。其中解冻时间为自解冻开始，至解冻装置判断解冻完成的时间。进一步地，本发明通过检测模块21检测负载的介电常数变化速率来判断解冻是否完成，相比于现有技术中通过感测待处理物的温度来判断解冻是否完成，判断更加准确，可进一步防止待处理物被过分解冻，且测试结果表明，解冻完成的温度一般为-4～-2℃，有效地避免了解冻时产生血水。
测试结果如图4所示，为0到6000s时间内冷冻牛肉在第一实施例和对比例中平均温度变化图，从图中可以看出第一实施例中解冻温度上升更均匀，这与解冻功率输出均匀性相关；而对比例中因为平行板面积不可调，导致功率输出不够均匀，解冻温度上升不如可调平行板面积理想。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，所述射频解冻装置包括：给定信号源、控制器、平行板电容器解冻腔体和反馈回路，所述给定信号源为所述平行板电容器解冻腔体提供射频功率，其特征在于，所述平行板电容器解冻腔体包括可改变平行板接入面积的平行板电容器，所述控制器根据所述反馈回路获取的信号来控制所述平行板电容器中平行板的接入面积，从而稳定所述射频解冻装置的输出功率；所述平行板电容器解冻腔体还包括绝缘腔体和封装壳体，所述绝缘腔体设置于所述封装壳体的内部，所述封装壳体包括上底面和下底面，所述平行板电容器包括第一极板和第二极板；所述第一极板设置于所述上底面与所述绝缘腔体之间，所述第二极板设置于所述下底面与所述绝缘腔体之间；所述第一极板和/或第二极板为可改变接入面积的极板；所述平行板电容器通过改变所述第一极板和/或第二极板的接入面积来改变所述平行板的接入面积；所述第一极板和/或第二极板分几部分，每一部分分别通过所述控制器控制的开关后连接所述给定信号源，通过所述开关控制所述第一极板和/或第二极板接入的面积。
2.根据权利要求1所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，所述开关为继电器，电子开关或晶体管。
3.根据权利要求1所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，所述反馈回路获取的信号为所述射频解冻装置输出的输出功率，所述控制器获取所述给定信号源输出的给定功率和所述输出功率，并根据所述输出功率和所述给定功率的误差值来对接入的平行板面积进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，所述控制器中还包括用于检测负载介电常数的检测模块。
5.根据权利要求4所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，所述控制器通过所述检测模块计算所述负载的介电常数的变化速率，来判断所述负载的解冻进度。
6.根据权利要求4所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，在所述检测模块检测到所述负载的介电常数在预设的结束阈值时，则所述控制器控制解冻完成。
7.根据权利要求4所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，当所述检测模块检测到的介电常数值为预设的空载介电常数值时，则判断此时为空载状态。
8.根据权利要求1所述的一种可改变接入平行板面积的射频解冻装置，其特征在于，所述给定信号源包括振荡器，功率放大器，传输线和阻抗匹配电路；所述振荡器为所述功率放大器提供具有稳定频率的射频信号，经所述功率放大器处理后再提供给所述平行板电容器解冻腔体；所述阻抗匹配电路用来匹配所述功率放大器和所述平行板电容器解冻腔体的阻抗来阻止功率反射。
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