CN117722841B - 一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波干燥控制的技术领域，提供一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，包括：对微波加热腔的物料进行多点的温度和含水率检测；在微波加热腔的排湿口设有可调速排湿风机，并根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度；根据测温湿度点的不同位置，将每个测温湿度点附近区域的微波部件分为若干段，并根据工艺对每段的目标温度和含水率进行设置，以形成若干个温湿度PID控制段；建立温湿度PID控制模型，并根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，以调节物料受到的微波加热强度，使物料含水率、加热腔内温度及湿度处于设定范围内。本发明能提高物料干燥的均匀性。

Description

一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法

技术领域

本发明涉及微波干燥控制的技术领域，尤其涉及一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法。

背景技术

由于干燥后的农产品不仅便于运输、储藏和销售，还可以提高农产品附加值，因此，当前市场中对农产品干燥的需求得到迅速增长。现有的微波干燥技术能对物料进行快速干燥，常用于对农产品进行干燥，但现有的微波干燥过程中存在以下缺陷：（1）微波干燥过程存在温度测量不准确。在强电磁场下,当用常规温度传感器(如热电偶、热电阻等）测温时，金属材料制作的测温探头及导线在高频电磁场下会产生感应电流,由于集肤效应和涡流效应，使其自身温度升高,对温度测量造成严重干扰，使温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度测量。（2）微波干燥过程中存在干燥农业物料的色差和形变较大。温度和湿度是微波干燥过程中影响干燥品质的重要参数，温度过低或过高都会影响物料的干燥品质，同时干燥过程涉及水分吸热汽化和水蒸汽不断排除，会影响物料的干燥效果。因此，如何在微波干燥中控制物料温度和湿度的均匀性，具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，解决现有微波干燥农业物料存在温湿度的测量及控制不精准和不均匀的问题，能提高物料干燥的均匀性，增加物料的干燥效率及品质。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，包括：

在微波加热腔的入料口、出料口、排湿口和/或腔内设置多个红外温度传感器和红外水分传感器，以对微波加热腔的物料进行多点的温度和含水率检测；

在微波加热腔的排湿口设有可调速排湿风机，并根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，实现腔内物料气流干燥；

根据测温湿度点的不同位置，将每个测温湿度点附近区域的微波部件分为若干段，并根据工艺对每段的目标温度和含水率进行设置，以形成若干个温湿度PID控制段；

建立温湿度PID控制模型，并根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，以调节物料受到的微波加热强度，使物料含水率、加热腔内温度及湿度处于设定范围内。

优选的，还包括：

设置上位机，所述上位机接收采集到的物料温度、含水率和加热腔的蒸汽湿度并实时记录；

所述上位机设有人机交互操作界面以实时显示各设备运行状态。

优选的，所述根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，包括：

如果物料含水率值超出设定范围，则调节所述排湿风机转速，使加热腔内的蒸汽湿度增加或降低。

优选的，所述根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，还包括：

判断加热腔内的蒸汽湿度是否大于物料含水率设定值上限，如果是，则增加排湿风机的风机转速；判断加热腔内的蒸汽湿度是否小于含水率设定值下限，如果是，则降低排湿风机的风机转速。

优选的，所述根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，包括：

当物料温度低于或物料含水率高于对应的设定阈值时，则通过温湿度PID控制模型输出高电压到微波加热腔功率控制电路，以提高微波磁控管输出功率，从而使物料温度上升和快速脱水；

当物料温度高于或物料含水率小于对应的设定阈值时，则通过温湿度PID控制模型输出低电压到微波功率控制电路，使微波磁控管以设定功率工作，从而维持物料温度或物料含水率恒定。

优选的，还包括：

通过标定得到标准物料与温湿度变化曲线，从微波加热腔中获取物料在预设时间点对应的物料温度和物料含水率；

根据所述标准物料与温湿度变化曲线对所述预设时间点对应的物料温度或物料含水率进行比对；

如果所述预设时间点对应的物料温度和含水率均处于设定范围内，则不调整微波磁控管的输出功率。

优选的，如果所述预设时间点对应的物料温度大于设定温度范围的上限值或物料含水率小于设定含水率范围的下限值，则降低微波磁控管的输出功率；

如果所述预设时间点对应的物料温度小于所述设定温度范围的下限值或物料含水率大于设定含水率范围的上限值，则增加微波磁控管的输出功率。

优选的，还包括：

将从各个微波加热腔中含水率监测点获取的物料实时含水率值，分别与预设的含水率-时间变化曲线上标定的同一时间点所对应含水率设定值进行比较；

如果物料实时含水率值在设定值范围内，则不调整所述排湿风机转速，否则，调整所述排湿风机转速，以增加或减少微波加热腔内的排湿流速。

优选的，还包括：

如果微波加热腔为隧道式结构，则在加热腔内设置多个温湿度检测点，所述红外温度传感器和所述红外水分传感器均与物料运行方向垂直设置，并在加热腔的出入口两端设置物料含水率检测点。

优选的，还包括：

如果微波加热腔为旋转式结构时，则在加热腔的出入口两端按不同的角度设置多个温度和含水率检测点，使所述温度传感器和湿度传感器按设定角度对腔内物料进行检测，并在加热腔的出入口两端设置物料含水率检测点。

本发明提供一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，在微波加热过程中对物料进行多点实时温度和出入口含水率在线测量，通过物料温度和含水率反馈控制微波加热强度及排湿风速，从而达到对物料整体加热温度均匀性和水分精确控制要求，解决现有微波干燥农业物料存在温湿度的测量及控制不精准和不均匀的问题，能提高物料干燥的均匀性，增加物料的干燥效率及品质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法的示意图。

图2是本发明实施例提供的隧道式微波加热系统及多点温湿度测量示意图。

图3是本发明实施例提供的旋转式微波加热系统及多点温湿度测量示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

针对当前微波干燥农业物料存在温湿度测量及控制不精准和不均匀的问题，本发明提供一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法及系统，解决现有微波干燥农业物料存在温湿度的测量及控制不精准和不均匀的问题，能提高物料干燥的均匀性，增加物料的干燥效率及品质。

如图1所示，一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，包括：

S1：在微波加热腔的入料口、出料口、排湿口和/或腔内设置多个红外温度传感器和红外水分传感器，以对微波加热腔的物料进行多点的温度和含水率检测。

S2：在微波加热腔的排湿口设有可调速排湿风机，并根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，实现腔内物料气流干燥。

S3:根据测温湿度点的不同位置，将每个测温湿度点附近区域的微波部件分为若干段，并根据工艺对每段的目标温度和含水率进行设置，以形成若干个温湿度PID控制段。

S4：建立温湿度PID控制模型，并根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，以调节物料受到的微波加热强度，使物料含水率、加热腔内温度及湿度处于设定范围内。

具体地，为实现物料多点温度、含水率实时测量，本方法通过在每个微波加热腔里安装红外温度传感器、红外水分传感器，并在微波加热腔排湿口安装温湿度传感器以及可调速排湿风机，进料口和排料口分别安装红外水分传感器，再通过数据采集卡将这些传感器采集的模拟信号进行A/D数据转换后，用滤波进行初级处理，然后向PC端发送处理后的数据。PC端根据所获取的信号和预先设定的物料温度、含水率和水分参数进行分析，通过模拟量输出板的D/A转换对外围控制设备发出控制命令，调节微波磁控管输出功率和排湿风机速度，以此达到智能温湿度控制目的。在物料干燥前，根据所要加热物料的种类不同和进料口处物料含水率，对干燥过程中所需温度、湿度参数进行设置，微波加热控制系统会自动生成各个加热腔的微波磁控管输出功率和风机转速度初始值，然后操作者可以根据具体要求重新设定各参数初始值，运行过程控制系统通过不断调节加热控制参数来进行工艺优化，并使物料含水率、温度、加热腔内湿度等参数保持在一定的精度范围内变化，保证加热物料均匀性和品质稳定。

需要说明的是，PID控制模型可以是以跳步的模式控制微波磁控管的功率大小，使得加热腔内微波场是动态的，以模拟物体移动。并根据预设升温曲线和多个位置的实时温度信号和含水率信号，改变跳步频率跳步的组合，来动态调整某个或几个磁控管的功率，直至各温度点达到一致。

该方法还包括：设置上位机，所述上位机接收采集到的物料温度、含水率和加热腔的蒸汽湿度并实时记录；所述上位机设有人机交互操作界面以实时显示各设备运行状态。

进一步，所述根据采集到多点的物料含水率调节排湿风机转速来调节加热腔内的蒸汽湿度，包括：

如果物料含水率值超出设定范围，则调节所述排湿风机转速，使加热腔内的蒸汽湿度增加或降低。

进一步，所述根据采集到多点的物料含水率调节排湿风机转速来调节加热腔内的蒸汽湿度，还包括：

判断加热腔内的蒸汽湿度是否大于物料含水率设定值上限，如果是，则增加排湿风机的风机转速；判断加热腔内的蒸汽湿度是否小于含水率设定值下限，如果是，则降低排湿风机的风机转速。

在实际应用中，微波加热过程就是将物料内部的水分逐渐排出炉外的过程，物料内部的水分先蒸发到炉腔内，再由排湿风机将其带出炉外。系统通过控制风速，进而控制炉内的排湿程度，以改变加热腔内的湿度，进而得到微波加热过程物料的最终含水率。因此风速的调控类似温度调控，不需要经过功率控制电路，可直接调节风机转速即可，当预设风速大于或小于实时风速时，程序输出高电压或低电压到MFC，在线快速调节风速。整个加热过程上位机一直记录物料的温度、含水率、风速、炉内湿度等，采用调节风机转速实现风速控制，并且将各个微波加热腔中的实时物料含水率分别与预设的含水率进行比较：如果含水率在设定值范围内,则无需调节风机转速直接转到下一步；如果加热腔内的气体湿度值大于物料含水率设定值上限，则通过系统直接增加风机转速；如果物料含水率值小于含水率设定值下限，则降低风机转速。

进一步，所述根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，包括：

当物料温度低于或物料含水率高于对应的设定阈值时，则通过温湿度PID控制模型输出高电压到微波加热腔功率控制电路，以提高微波磁控管输出功率，从而使物料温度上升和快速脱水。

当物料温度高于或物料含水率小于对应的设定阈值时，则通过温湿度PID控制模型输出低电压到微波功率控制电路，使微波磁控管以设定功率工作，从而维持物料温度或物料含水率恒定。

具体地，先在上位机中根据工艺要求设置目标温度或含水率，然后启动微波，上位机在每个计算周期内（1~6秒）根据设置的目标温度或含水率与测量温度差值或含水率差值自动改变输出电压（0~5VDC）至加热腔的微波功率控制电路，以改变当前的微波输出功率，使测量温度或含水率稳定在目标范围内。在整个系统运行过程中，温度控制主要通过控制微波反应腔的加热功率实现。当物料温度低于系统设定值时，上位机根据PID算法自动输出高电压到微波反应腔功率控制电路，以提高微波加热功率，使物料温度上升。当温度高于设定值时，计算机程序自动输出低电压到微波功率控制电路，使微波反应腔以较低的加热功率工作，从而维持物料温度恒定，达到控制加热过程温度的目的。

该方法还包括：

通过标定得到标准物料与温湿度变化曲线，从微波加热腔中获取物料在预设时间点对应的物料温度和物料含水率。

根据所述标准物料与温湿度变化曲线对所述预设时间点对应的物料温度或物料含水率进行比对。

如果所述预设时间点对应的物料温度和含水率均处于设定范围内，则不调整微波磁控管的输出功率。

进一步，如果所述预设时间点对应的物料温度大于设定温度范围的上限值或物料含水率小于设定含水率范围的下限值，则降低微波磁控管的输出功率。

如果所述预设时间点对应的物料温度小于所述设定温度范围的下限值或物料含水率大于设定含水率范围的上限值，则增加微波磁控管的输出功率。

在实际应用中，将从各个微波加热腔中的红外温湿度传感器获取某时间点物料表面温度值和含水率值，分别与预设温湿度-时间变化曲线上标定的同一时间点所对应温湿度的设定值进行比较，如果该值在温度或含水率设定值范围内, 则不调整微波磁控管输出功率，直接转到下一步加热步骤中，如果物料表面温度值大于温度设定值上限或含水率趋于所述设定含水率范围的下限值，则降低磁控管输出功率；如果温度值小于温度设定值下限或含水率大于所述设定含水率范围的上限值，则增加微波磁控管输出功率。

该方法还包括：将从各个微波加热腔中含水率监测点获取的物料实时含水率值，分别与预设的含水率-时间变化曲线上标定的同一时间点所对应含水率设定值进行比较；如果物料实时含水率值在设定值范围内，则不调整所述排湿风机转速，否则，调整所述排湿风机转速，以增加或减少微波加热腔内的排湿流速。

该方法还包括：如果微波加热腔为隧道式结构，则在加热腔内设置多个温湿度检测点，所述红外温度传感器和所述红外水分传感器均与物料运行方向垂直设置，并在加热腔的出入口两端设置物料含水率检测点。

具体地，如图2所示，针对隧道式和旋转式微波加热系统的设备运行特点，其监测模式则有所不同。隧道式微波加热系统中主要是在微波加热腔中设有多个温度检测点和湿度检测点，并在物料出入口进行含水率检测，根据被加热物料特性，设定物料微波加热干燥最高温度和成品含水率数据，通过信号传送到信号集成系统，再通过信号集成系统的计算、调节、控制微波加热系统进行温度和含水率的调节，从而保证加热过程中的温度和含水率控制。

具体操作为，根据测温湿度点的不同位置，将每个测温湿度点附近区域的微波部件分为若干段，在上位机中根据工艺对每段的目标温度和含水率进行设置，以此形成若干个温湿度PID控制段；启动微波，上位机在每个计算周期内（1~6秒）根据各个段的目标温度或含水率与测量温度差值或含水率差值自动改变对应的输出电压（0~5VDC）至加热腔微波功率控制电路，以改变当前各段的微波输出功率，使各测量温度稳定在相应的目标温度和含水率。

该方法还包括：如果微波加热腔为旋转式结构时，则在加热腔的出入口两端按不同的角度设置多个温度和含水率检测点，使所述温度传感器和湿度传感器按设定角度对腔内物料进行检测，并在加热腔的出入口两端设置物料含水率检测点。

具体地，如图3所示，在旋转式微波加热系统中，由于加热腔体在加热过程中处于不断旋转状态，因此，采用红外测温，于设备出入口两端，按不同的角度增加多个红外测温点，以实现物料运行过程的温度实时动态监测，将各个测温点所测温度传送到温度监测中心统一进行显示，并通过温度控制模块进行温度的调节，从而保证加热过程中的温度控制；而含水率的测量则和隧道式一致，主要分别在进料和出料两端设置含水率监测点，也可按一定的角度增设一定数量的红外测湿点，实时对物料的含水率进行测量，再通过参数的调节来保证加热后物料含水率的控制。在各个测温点测得温度后，这些温度值和所测得的含水率信号传送到信号集成系统，再通过信号集成系统的计算、调节、控制微波加热系统进行温度和含水率的调节，从而保证加热过程中的温度和含水率控制。

具体操作为，根据测温湿点的不同位置，将每个测温湿点附近区域的微波部件分为若干段，根据工艺要求在上位机中分别设置每段的目标温湿度曲线（时间1-目标1-时间2-目标2-时间3-目标3-……-时间n-目标n），以此形成若干个温湿度PID控制段； 启动微波，上位机在每个计算周期（1~6秒）内根据预设曲线自动计算当前目标温度或含水率，并根据目标温度或含水率与测量温度差值或含水率差值自动改变对应的输出电压（0~5VDC）至加热腔微波功率控制电路，以改变当前各段的微波输出功率，使各测量温度稳定在相应的当前时间的目标温度和含水率。

可见，本发明提供一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，在微波加热过程中对物料进行多点实时温度和出入口含水率在线测量，通过物料温度和含水率反馈控制微波加热强度及排湿风速，从而达到对物料整体加热温度均匀性和水分精确控制要求，解决现有微波干燥农业物料存在温湿度的测量及控制不精准和不均匀的问题，能提高物料干燥的均匀性，增加物料的干燥效率及品质。

以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，包括：

在微波加热腔的入料口、出料口、排湿口和/或腔内设置多个红外温度传感器和红外水分传感器，以对微波加热腔的物料进行多点的温度和含水率检测；

在微波加热腔的排湿口设有可调速排湿风机，并根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，实现腔内物料气流干燥；

根据测温湿度点的不同位置，将每个测温湿度点附近区域的微波部件分为若干段，并根据工艺对每段的目标温度和含水率进行设置，以形成若干个温湿度PID控制段；

建立温湿度PID控制模型，并根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，以调节物料受到的微波加热强度，使物料含水率、加热腔内温度及湿度处于设定范围内。

2.根据权利要求1所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，还包括：

设置上位机，所述上位机接收采集到的物料温度、含水率和加热腔的蒸汽湿度并实时记录；

所述上位机设有人机交互操作界面以实时显示各设备运行状态。

3.根据权利要求2所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，所述根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，包括：

如果物料含水率值超出设定范围，则调节所述排湿风机转速，使加热腔内的蒸汽湿度增加或降低。

4.根据权利要求3所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，所述根据采集到多点的物料含水率来调节排湿风机转速，以调节加热腔内的蒸汽湿度，还包括：

判断加热腔内的蒸汽湿度是否大于物料含水率设定值上限，如果是，则增加排湿风机的风机转速；判断加热腔内的蒸汽湿度是否小于含水率设定值下限，如果是，则降低排湿风机的风机转速。

5.根据权利要求4所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，所述根据采集到多点的物料对应的温度和含水率控制微波磁控管输出功率，包括：

当物料温度低于或物料含水率高于对应的设定阈值时，则通过温湿度PID控制模型输出高电压到微波加热腔功率控制电路，以提高微波磁控管输出功率，从而使物料温度上升和快速脱水；

当物料温度高于或物料含水率小于对应的设定阈值时，则通过温湿度PID控制模型输出低电压到微波功率控制电路，使微波磁控管以设定功率工作，从而维持物料温度或物料含水率恒定。

6.根据权利要求5所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，还包括：

通过标定得到标准物料与温湿度变化曲线，从微波加热腔中获取物料在预设时间点对应的物料温度和物料含水率；

根据所述标准物料与温湿度变化曲线对所述预设时间点对应的物料温度或物料含水率进行比对；

如果所述预设时间点对应的物料温度和含水率均处于设定范围内，则不调整微波磁控管的输出功率。

7.根据权利要求6所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，还包括：

如果所述预设时间点对应的物料温度大于设定温度范围的上限值或物料含水率小于设定含水率范围的下限值，则降低微波磁控管的输出功率；

如果所述预设时间点对应的物料温度小于所述设定温度范围的下限值或物料含水率大于设定含水率范围的上限值，则增加微波磁控管的输出功率。

8.根据权利要求7所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，还包括：

将从各个微波加热腔中含水率监测点获取的物料实时含水率值，分别与预设的含水率-时间变化曲线上标定的同一时间点所对应含水率设定值进行比较；

如果物料实时含水率值在设定值范围内，则不调整所述排湿风机转速，否则，调整所述排湿风机转速，以增加或减少微波加热腔内的排湿流速。

9.根据权利要求8所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，还包括：

如果微波加热腔为隧道式结构，则在加热腔内设置多个温湿度检测点，所述红外温度传感器和所述红外水分传感器均与物料运行方向垂直设置，并在加热腔的出入口两端设置物料含水率检测点。

10.根据权利要求9所述的基于温湿度反馈微波控制的农业物料干燥方法，其特征在于，还包括：

如果微波加热腔为旋转式结构时，则在加热腔的出入口两端按不同的角度设置多个温度和含水率检测点，使所述温度传感器和湿度传感器按设定角度对腔内物料进行检测，并在加热腔的出入口两端设置物料含水率检测点。