DE102016202234B3 - Method for selective heating of objects or groups of objects by high-frequency electromagnetic waves - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Erwärmung von Objekten oder Objektgruppen aus dielektrischen Materialien, bei dem hochfrequente elektromagnetische Wellen über wenigstens zwei Antennen kohärent ausgestrahlt werden, um die Objekte selektiv zu erwärmen. Bei dem Verfahren werden zunächst mehrere Testerwärmungen durchgeführt, um den Einfluss jeder einzelnen Antenne und jeder beliebigen Kombination von Antennen auf die Erwärmung der Objekte zu bestimmen. Die aus den Testerwärmungen gewonnenen Daten werden ausgewertet, um eine Abhängigkeit zwischen den Antennenanregungen und der Verteilung des Temperaturanstieges zu ermitteln. Anschließend wird ein Optimierungsverfahren zur Bestimmung der Antennenanregungen angewendet, mit denen die gewünschte selektive Erwärmung erreicht werden kann. Die Antennen werden schließlich für die selektive Erwärmung der Objekte mit den ermittelten Anregungsparametern zur Aussendung der elektromagnetischen Wellen angeregt. Mit dem Verfahren wird ein besseres Fokussierungsvermögen der Wärmeleistung als bei nicht-kohärenten Verfahren erreicht. Das Verfahren erfordert keinerlei aufwändige Simulationen zur Ermittlung der Feldverteilungen.The present invention relates to a method of selectively heating objects or groups of objects of dielectric materials, wherein radiofrequency electromagnetic waves are coherently emitted through at least two antennas to selectively heat the objects. In the method, first several test heats are performed to determine the influence of each individual antenna and any combination of antennas on the heating of the objects. The data obtained from the test heats are evaluated to find a relationship between the antenna excitations and the distribution of the temperature rise. Subsequently, an optimization method for determining the antenna excitation is applied, with which the desired selective heating can be achieved. The antennas are finally excited for the selective heating of the objects with the determined excitation parameters for the emission of the electromagnetic waves. With the method, a better focusing power of the heat output is achieved than in non-coherent methods. The method does not require any elaborate simulations for determining the field distributions.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Erwärmung von Objekten oder Objektgruppen, die wenigstens teilweise aus verlustbehafteten dielektrischen Materialien bestehen, durch hochfrequente elektromagnetische Wellen, bei dem die elektromagnetischen Wellen über wenigstens zwei Antennen kohärent ausgestrahlt werden, so dass sich die elektromagnetischen Wellen in einem zu erwärmenden Objekt oder einer zu erwärmenden Objektgruppe kohärent überlagern.The present invention relates to a method for selectively heating objects or groups of objects consisting at least partially of lossy dielectric materials by high-frequency electromagnetic waves, in which the electromagnetic waves are emitted coherently via at least two antennas, so that the electromagnetic waves in a too Coherently overlay the heating object or a group of objects to be heated.
Die Benutzung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung zur Erwärmung von dielektrischen Materialien hat eine lange Geschichte und viele Anwendungsbereiche. So gibt es unter anderem Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, in der Keramik-, Kautschuk- und Plastikindustrie und auch in vielen spezialisierten Bereichen in der Chemieindustrie.The use of high frequency electromagnetic radiation to heat dielectric materials has a long history and many uses. There are applications in the food industry, in the ceramics, rubber and plastics industries as well as in many specialized areas in the chemical industry.
Bei vielen der oben genannten Anwendungen ist eine Einschränkung oder eine Steuerung der HF-Leistungsverteilung (HF: Hochfrequenz) beim Erwärmungsprozess erwünscht oder sogar erforderlich. So ist in einigen Fällen eine gleichmäßige Verteilung der HF-Leistung gefordert, in anderen Fällen, wie beispielsweise beim Garen verschiedener Lebensmittel im selben Garraum, ist eine gezielte Fokussierung bzw. Verteilung der HF-Leistung erwünscht.In many of the above applications, a limitation or control of the RF power distribution (RF: RF) in the heating process is desirable or even required. Thus, in some cases, a uniform distribution of RF power is required, in other cases, such as when cooking different foods in the same cooking space, a targeted focusing or distribution of RF power is desired.
Stand der TechnikState of the art
Für eine derartige selektive Erwärmung von Objekten oder Objektgruppen, beispielsweise von Lebensmitteln, bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten. Unter einer selektiven Erwärmung eines Objektes ist hierbei zu verstehen, dass ein oder mehrere Teilbereiche des Objektes oder auch einer Objektgruppe durch die elektromagnetische Strahlung erwärmt werden, während die verbleibenden Teilbereiche von der Erwärmung nicht oder möglichst wenig betroffen sind. Eine selektive Erwärmung einer Objektgruppe kann hierbei auch bedeuten, dass nur einzelne Objekte der Objektgruppe in Teilbereichen oder vollständig erwärmt werden.For such a selective heating of objects or object groups, for example of food, there are different possibilities. A selective heating of an object is to be understood here as meaning that one or more subregions of the object or of an object group are heated by the electromagnetic radiation, while the remaining subregions are not affected as little as possible by the heating. A selective heating of an object group can also mean that only individual objects of the object group are heated in partial areas or completely.
Aus der
Eine weitere Möglichkeit einer gezielten Fokussierung bzw. Verteilung der HF-Leistung besteht in der Nutzung einer kohärenten Überlagerung der Strahlung mehrerer Antennen. Eine kohärente Überlagerung erfordert eine monofrequente, phasengesteuerte Anregung der einzelnen Antennen. Für eine selektive Erwärmung ist es hierbei erforderlich, die Feldverteilungen, die durch die einzelnen Antennen im Objekt bzw. der Objektgruppe erzeugt werden, zu ermitteln. Dies erfolgt in der Regel durch Simulationen. Sobald die Feldverteilungen bekannt sind, können verschiedene Optimierungsverfahren angewendet werden, um die gewünschte Leistungsverteilung im Objekt zu erreichen. Hierzu müssen dann geeignete Amplituden und Phasen für die Anregung der einzelnen Antennen gewählt werden. Allerdings ist die genaue Ermittlung der Felder, die durch die einzelnen Antennen bzw. Strahlungsquellen in den Objekten erzeugt werden, sehr aufwändig. Die Simulation erfordert auch ein sehr detailliertes CAD-Modell der Geometrie des zu erwärmenden Objektes. Weiterhin müssen die dielektrischen Eigenschaften der Materialien, aus denen das Objekt zusammengesetzt ist, genau genug bekannt sein. Elektromagnetische Simulationen sind in diesem Zusammenhang häufig komplex und sehr zeitaufwändig.Another possibility of a focused focusing or distribution of the RF power is the use of a coherent superposition of the radiation of multiple antennas. A coherent superposition requires a monofrequent, phase-controlled excitation of the individual antennas. For a selective heating, it is necessary to determine the field distributions that are generated by the individual antennas in the object or the object group. This is usually done by simulations. Once the field distributions are known, various optimization methods can be applied to achieve the desired power distribution in the object. For this purpose, suitable amplitudes and phases for the excitation of the individual antennas must then be selected. However, the exact determination of the fields that are generated by the individual antennas or radiation sources in the objects, very complex. The simulation also requires a very detailed CAD model of the geometry of the object to be heated. Furthermore, the dielectric properties of the materials of which the object is composed must be known accurately enough. Electromagnetic simulations are often complex and time-consuming in this context.
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur selektiven Erwärmung von Objekten oder Objektgruppen, die wenigstens teilweise aus verlustbehafteten dielektrischen Materialien bestehen, anzugeben, das eine relativ genaue selektive Erwärmung von sowohl ähnlich als auch unterschiedlich zusammengesetzten Objekten ermöglicht und sich ohne den Aufwand von rechnergestützten Modellierungen bzw. Simulationen durchführen lässt. The object of the present invention is to provide a method for selective heating of objects or groups of objects consisting at least partially of lossy dielectric materials, which allows a relatively accurate selective heating of both similar and differently composed objects and without the expense of Computer-aided modeling or simulation can be performed.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung und dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine kohärente Überlagerung von elektromagnetischer Strahlung für die selektive Erwärmung gewählt, die von zwei oder mehr Antennen ausgestrahlt wird. Kohärent bedeutet hierbei, dass die Antennen bei derselben Frequenz betrieben werden und dass die Phasendifferenzen zwischen den Anregungen der einzelnen Antennen bestimmt und gesteuert werden können. Optional können auch die Amplituden der einzelnen Antennen bestimmt und gesteuert werden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden zunächst mehrere Testerwärmungen an dem zu erwärmenden Objekt oder der zu erwärmenden Objektgruppe durchgeführt, bei denen Parameter der Antennenanregung zur Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen variiert werden, um das Objekt oder die Objektgruppe jeweils bei unterschiedlichen Parametern zu erwärmen. Zu den Parametern, die bei dem vorgeschlagenen Verfahren variiert werden, zählt wenigstens eine Phasendifferenz der Anregung bei einer gleichzeitigen Anregung mehrerer der Antennen. In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden hierzu alle Antennen bei den Testerwärmungen jeweils einzeln und paarweise angeregt und die Phasendifferenz der Anregung bei der paarweisen Anregung der Antennen variiert. Unter einer paarweisen Anregung ist hierbei zu verstehen, dass – bei einigen der Testerwärmungen – jeweils nur zwei der Antennen gleichzeitig angeregt werden.In the proposed method, a coherent superposition of electromagnetic radiation is selected for the selective heating emitted by two or more antennas. Coherent here means that the antennas are operated at the same frequency and that the phase differences between the excitations of the individual antennas can be determined and controlled. Optionally, the amplitudes of the individual antennas can be determined and controlled. In the proposed method, first several test heats are performed on the object to be heated or the object group to be heated, in which parameters of the antenna excitation for the emission of the electromagnetic waves are varied to heat the object or the object group at different parameters. Among the parameters that are varied in the proposed method, at least one phase difference of the excitation counts in a simultaneous excitation of several of the antennas. In one embodiment of the method, all antennas are excited individually and in pairs during the test warm-ups, and the phase difference of the excitation in the pairwise excitation of the antennas is varied. By a pairwise excitation is to be understood here that - in some of the test warmings - only two of the antennas are excited simultaneously.
Anstelle des zu erwärmenden Objektes oder der zu erwärmenden Objektgruppe kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren für die Testerwärmungen auch ein gleichartiges Objekt oder eine gleichartige Objektgruppe herangezogen werden, die lediglich für die Testerwärmungen eingesetzt werden. Unter gleichartig ist hierbei zu verstehen, dass das Objekt oder die Objektgruppe die gleichen geometrischen Abmessungen und die gleiche Materialzusammensetzung und Materialverteilung wie das später zu erwärmende Objekt oder die später zu erwärmende Objektgruppe aufweisen.Instead of the object to be heated or the object group to be heated, a similar object or a similar object group can be used in the proposed method for the test warmings, which are used only for the test warming. By similar is meant that the object or the object group have the same geometric dimensions and the same material composition and material distribution as the object to be heated later or the object group to be heated later.
Vor und nach jeder einzelnen Testerwärmung wird die Temperatur des Objekts oder der Objektgruppe erfasst, um den durch die jeweilige Testerwärmung verursachten ortsabhängigen Temperaturanstieg im Innern und/oder an der Oberfläche zu erhalten. Die Temperaturerfassung kann je nach Anwendung bspw. mit integrierten Temperatursensoren oder auch mit berührungslosen Techniken wie der Kernspintomographie erfolgen. Vorzugsweise wird als Temperatur nur die Oberflächentemperatur des Objekts oder der Objektgruppe wenigstens von einer Seite erfasst, vorzugsweise von oben. Die aus den Testerwärmungen erhaltenen Daten, d. h. insbesondere die für jede Testerwärmung eingesetzten Parameter und den jeweils damit erhaltenen ortsabhängigen Temperaturanstieg, werden ausgewertet, um eine quadratische Abhängigkeit zwischen den Antennenanregungen und dem ortabhängigen Temperaturanstieg zu ermitteln. Anschließend wird dann ein Optimierungsverfahren eingesetzt, um auf Basis der ermittelten Abhängigkeit geeignete Parameter für die Antennenanregung zu ermitteln, mit denen eine Erwärmung des Objekts oder der Objektgruppe erreicht wird, die einer vorgegebenen selektiven Erwärmung möglichst nahekommt. Die selektive Erwärmung wird dabei in der Regel durch einen Nutzer vorgegeben, der das Objekt bzw. die Objektgruppe selektiv erwärmen möchte. Nach Ermittlung der geeigneten Parameter werden die Antennen dann zur selektiven Erwärmung des zu erwärmenden Objekts oder der zu erwärmenden Objektgruppe mit den ermittelten Parametern angeregt. Die Dauer und Amplitude der Anregung wird dabei entsprechend den gewünschten Temperaturen und der gewünschten Geschwindigkeit der Erwärmung gewählt, die wiederum vom jeweiligen Nutzer vorgegeben werden können.Before and after each individual test warming, the temperature of the object or group of objects is detected in order to obtain the temperature-dependent increase in temperature inside and / or at the surface caused by the respective test heating. Depending on the application, the temperature detection can take place, for example, with integrated temperature sensors or also with non-contact techniques such as magnetic resonance tomography. Preferably, only the surface temperature of the object or the object group is detected as temperature at least from one side, preferably from above. The data obtained from the test heats, i. H. In particular, the parameters used for each test warming and the location-dependent temperature rise thus obtained are evaluated in order to determine a quadratic dependence between the antenna excitations and the location-dependent temperature rise. Subsequently, an optimization method is then used to determine based on the determined dependence suitable parameters for the antenna excitation, with which a heating of the object or the object group is achieved, which comes as close as possible to a given selective heating. The selective heating is usually specified by a user who wants to heat the object or the object group selectively. After determining the appropriate parameters, the antennas are then excited to selectively heat the object to be heated or the object group to be heated with the determined parameters. The duration and amplitude of the excitation is chosen according to the desired temperatures and the desired rate of heating, which in turn can be specified by the user.
Das vorgeschlagene Verfahren besteht somit aus vier Schritten. Im ersten Schritt wird eine Reihe von Testerwärmungen des bzw. der zu erwärmenden Objekte – oder auch von entsprechend gleichartigen Objekten – durchgeführt, um den Einfluss sowohl jeder einzelnen Antenne als auch jeder beliebigen Antennenkombination auf die Erwärmung der Oberfläche und/oder des Inneren des bzw. der Objekte zu bestimmen. Im zweiten Schritt erfolgt die Auswertung der bei den Testerwärmungen durchgeführten Messungen durch einen Algorithmus zur Ermittlung der quadratischen Abhängigkeit zwischen den Antennenanregungen und der Verteilung des Temperaturanstiegs an der Oberfläche und/oder im Inneren des oder der Objekte. Im dritten Schritt wird ein Optimierungsverfahren zur Bestimmung der Antennenanregungen angewendet, die am besten die vom Nutzer gewünschte selektive Erwärmung erreichen können. Der letzte und vierte Schritt besteht dann in der Einspeisung der Antennen mit hochfrequenten elektromagnetischen Anregungen, deren Phasen und evtl. auch Amplituden die im vorangehenden Schritt ermittelten Verhältnisse erfüllen. Die Einspeisung erfolgt so lange, bis das erwünschte Temperaturprofil, d. h. die gewünschten Endtemperaturen, erreicht ist.The proposed method thus consists of four steps. In the first step, a series of test heats of the object (s) to be heated - or of similarly similar objects - is carried out in order to influence the influence of each individual antenna as well as any antenna combination on the heating of the surface and / or the interior of the or to determine the objects. In the second step, the measurements taken during the test heats are evaluated by an algorithm for determining the quadratic dependence between the antenna excitations and the distribution of the temperature rise at the surface and / or inside the object or objects. In the third step, an optimization method for determining the antenna excitations, which best suits the reach the user desired selective heating. The last and fourth step then consists in the feeding of the antennas with high-frequency electromagnetic excitations whose phases and possibly also amplitudes meet the conditions determined in the preceding step. The feed takes place until the desired temperature profile, ie the desired final temperatures, is reached.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich entsprechende Objekte mit höherer Genauigkeit selektiv erwärmen als dies mit der nicht-kohärenten Anregung gemäß dem Stand der Technik möglich ist. Während bei nicht-kohärenten Verfahren nur eine additive Überlagerung von Leistungsmustern stattfindet, findet beim vorgeschlagenen Verfahren eine lineare Überlagerung der Felder der Antennen statt. Damit wird ein besseres Fokussierungsvermögen der Wärmeleistung gegenüber nicht-kohärenten Verfahren erreicht. Dies führt zu mehr Flexibilität für die Definition von Erwärmungszonen und einen höheren Leistungskontrast. Insbesondere ermöglicht das Verfahren hierbei auch die selektive Erwärmung homogener Objekte aus dem gleichen Material. Das Verfahren erfordert kein CAD-Modell der Geometrie der zu erwärmenden Objekte und keinerlei komplexe Simulation der Feldverteilungen und lässt sich damit einfacher durchführen. Die Wirkung der Feldverteilungen wird vielmehr beim vorgeschlagenen Verfahren experimentell durch die Temperaturmessungen ermittelt. Dies hat den dreifachen Vorteil, dass die Geometrie und Lage des bzw. der Objekte nicht vermessen werden müssen, dass die dielektrischen Eigenschaften des oder der Objekte nicht bekannt sein müssen und dass der hohe Zeitaufwand und die Ungenauigkeiten von Simulationsverfahren vermieden werden.With the proposed method, corresponding objects can be selectively heated with higher accuracy than is possible with the non-coherent excitation according to the prior art. While in non-coherent methods only an additive superposition of performance patterns takes place, in the proposed method a linear superposition of the fields of the antennas takes place. This achieves a better focussing power of the heat output over non-coherent methods. This leads to more flexibility for the definition of heating zones and a higher power contrast. In particular, the method also allows the selective heating of homogeneous objects made of the same material. The method does not require a CAD model of the geometry of the objects to be heated and no complex simulation of the field distributions and is thus easier to perform. The effect of the field distributions is rather determined experimentally by the temperature measurements in the proposed method. This has the threefold advantage that the geometry and position of the object or objects need not be measured, that the dielectric properties of the object or objects need not be known, and that the high expenditure of time and the inaccuracies of simulation methods are avoided.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden bei einer Erfassung nur der Oberflächentemperatur die besten Ergebnisse erzielt, wenn mindestens eine der folgenden drei Bedingungen für die zu erwärmenden Objekte oder Objektgruppen zutrifft:
- (i) Das Verhältnis der Oberfläche des jeweiligen Objektes, deren Temperatur bei den Testerwärmungen erfasst wird, zum entsprechenden Objektvolumen ist relativ klein, so dass die Temperatur im Inneren der Objekte aus ihrer Oberflächentemperatur abgeleitet oder geschätzt werden kann.
- (ii) Der Hauptmechanismus der Erwärmung des Inneren des Objekts bzw. der Objekte ist die Wärmeübertragung von der Oberfläche in das Innere und die Wärmeübertragung zwischen dem zu erwärmenden und dem zu schonenden Teilbereich ist wesentlich langsamer. Dies trifft vor allem zu, wenn separate Objekte einer Objektgruppe selektiv erwärmt werden müssen.
- (iii) Das Ziel der Erwärmung betrifft nur die Oberfläche des bzw. der Objekte und die Temperatur im Inneren ist für die jeweilige Anwendung irrelevant.
- (i) The ratio of the surface of the respective object whose temperature is detected in the test heats to the corresponding object volume is relatively small, so that the temperature inside the objects can be derived or estimated from their surface temperature.
- (ii) The main mechanism of heating the interior of the object (s) is the transfer of heat from the surface to the interior, and the heat transfer between the portion to be heated and that to be protected is much slower. This is especially true when separate objects of a collection need to be selectively heated.
- (iii) The purpose of heating only affects the surface of the object (s) and the temperature inside is irrelevant to the particular application.
Zusätzlich zu mindestens einer der oben genannten Voraussetzungen sollten die dielektrischen Eigenschaften des bzw. der zur erwärmenden Objekte nicht zu stark von deren Temperatur abhängen oder vernachlässigbar sein.In addition to at least one of the above requirements, the dielectric properties of the object (s) to be heated should not be too dependent on their temperature or negligible.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden bei einer Anzahl von NA ≥ 2 Antennen wenigstens folgende NA 2 Testerwärmungen bzw. Testmessungen durchgeführt. Zum einen werden Testerwärmungen jeweils nur mit einer einzelnen Antenne durchgeführt, wobei für jede der NA Antennen eine derartige Testerwärmung bei konstanter Anregungsamplitude oder alternativ mit einem nicht konstanten Amplitudenverlauf durchgeführt, der dann jedoch aufgezeichnet wird. Zum anderen wird eine Reihe Testmessungen mit paarweiser Anregung von Antennen und einem definierten Phasenunterschied zwischen den Antennen durchgeführt. Hierbei wird jede mögliche (paarweise) Antennenkombination vermessen. Die Amplituden und Phasen der Antennen sollten hierbei jeweils konstant sein. Ist dies nicht möglich, so müssen wiederum beide aufgezeichnet werden. Die gleiche Anzahl von Testerwärmungen wird dann mit den gleichen Antennenkombinationen nochmals bei einem anderen Phasenunterschied der Antennenanregungen durchgeführt. Dies ergibt dann insgesamt die NA 2-Testerwärmungen bzw. Testmessungen, die für die anschließende Bestimmung der quadratischen Abhängigkeiten zwischen den Antennenanregungen und dem ortsabhängigen Temperaturanstieg ausreichen. Als Phasenunterschied bei der paarweisen Anregung kann beispielsweise einmal ein Phasenunterschied von 0° und einmal ein Phasenunterschied von 90° gewählt werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Auch andere Phasenunterschiede, die sich auch um weniger als 90° voneinander unterscheiden können, sind möglich.In an advantageous embodiment of the method, if there are a number of N A ≥ 2 antennas, at least the following N A 2 test warmings or test measurements are carried out. On the one hand, test warmings are carried out in each case with only one single antenna, wherein for each of the N A antennas such a test warming is carried out at a constant excitation amplitude or alternatively with a non-constant amplitude profile, which is then recorded. On the other hand, a series of test measurements is carried out with pairwise excitation of antennas and a defined phase difference between the antennas. Hereby every possible (pairwise) antenna combination is measured. The amplitudes and phases of the antennas should in each case be constant. If this is not possible, both must be recorded again. The same number of test warmings are then performed with the same antenna combinations again at a different phase difference of the antenna excitations. This then gives a total of the N A 2 -Testerwärmungen or test measurements that are sufficient for the subsequent determination of the quadratic dependencies between the antenna excitations and the location-dependent temperature increase. As a phase difference in the pairwise excitation, for example, once a phase difference of 0 ° and once a phase difference of 90 ° can be selected. However, this is not mandatory. Other phase differences, which can also differ by less than 90 °, are possible.
Die Erfassung der Oberflächentemperatur des Objekts oder der Objektgruppe erfolgt vorzugsweise mit einer oder mehreren Infrarotkameras, die eine für die Bestimmung der selektiven Erwärmung ausreichende Auflösung aufweisen. Diese Infrarotkameras können beispielsweise oberhalb des Objekts oder der Objektgruppe angebracht werden. Aus den damit erhaltenen Infrarotbildern der Oberfläche(n) kann dann der Temperaturanstieg an jeder einzelnen Stelle der erfassten Oberfläche ermittelt werden. Prinzipiell sind natürlich auch andere Techniken der Erfassung der Oberflächentemperatur des Objekts bzw. der Objekte möglich.The detection of the surface temperature of the object or the object group is preferably carried out with one or more infrared cameras having a resolution sufficient for the determination of the selective heating. For example, these infrared cameras can be mounted above the object or object group. From the infrared images of the surface (s) thus obtained, the temperature rise at each individual point of the detected surface can then be determined. In principle, of course, other techniques of detecting the surface temperature of the object or objects are possible.
Für die Ermittlung der quadratischen Abhängigkeit zwischen den Anregungen der Antennen und dem ortsabhängigen Temperaturanstieg kann die bekannte Gleichung für elektromagnetische Verluste in dielektrischen Materialien verwendet werden, in die die elektromagnetische Feldstärke E und die äquivalente elektrische Leitfähigkeit σ des dielektrischen Materials eingehen. Damit kann der Erwärmungseffekt, der durch die kohärente Kombination der Strahlung der Antennen in jedem Volumenelement des Objekts bzw. der Objektgruppe verursacht wird, quantifiziert werden. For the determination of the quadratic dependence between the excitations of the antennas and the location-dependent temperature increase, the known equation for electromagnetic losses in dielectric materials can be used, in which the electromagnetic field strength E and the equivalent electrical conductivity σ of the dielectric material are received. Thus, the heating effect caused by the coherent combination of the radiation of the antennas in each volume element of the object or group of objects can be quantified.
Zur Ermittlung der geeigneten Parameter für eine vorgegebene selektive Erwärmung können grundsätzlich unterschiedliche Optimierungsverfahren eingesetzt werden. Die selektive Erwärmung wird dabei in der Regel durch einen Nutzer vorgegeben, der die Teilbereiche des Objekts bzw. der Objektgruppe vorgibt, die erwärmt werden sollen. Die verbleibenden Bereiche des Objekts bzw. der Objekte sollen dann möglichst nicht durch die elektromagnetische Strahlung erwärmt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ermittlung der geeigneten Parameter daher ein Optimierungsverfahren eingesetzt, das das Verhältnis durchschnittlicher absorbierter Leistungsdichte der elektromagnetischen Wellen in dem oder den vorgegebenen selektiven Teilbereichen des Objekts oder der Objektgruppe zur durchschnittlichen absorbierten Leistungsdichte in den verbleibenden Teilbereichen, die nicht erwärmt werden sollen, gegebenenfalls unter Einhaltung weiterer Randbedingungen, maximiert. Weitere Randbedingungen können beispielsweise eine hohe Gleichmäßigkeit der Erwärmung in dem einen oder den mehreren selektierten Bereichen und/oder eine Vermeidung von Hotspots oder niedrige Hotspots in einem oder mehreren zu schonenden Bereichen sein. Einzelheiten zu diesem Optimierungsverfahren sind im späteren Ausführungsbeispiel angegeben.In principle, different optimization methods can be used to determine the suitable parameters for a given selective heating. As a rule, the selective heating is predetermined by a user who specifies the subareas of the object or of the object group that are to be heated. If possible, the remaining areas of the object or of the objects should not be heated by the electromagnetic radiation. In a preferred embodiment of the method, an optimization method is therefore used to determine the appropriate parameters, which does not heat the ratio of average absorbed power density of the electromagnetic waves in the given selective subregions of the object or group of objects to the average absorbed power density in the remaining subregions are to be maximized, if necessary, while adhering to other constraints. Other constraints may include, for example, high uniformity of heating in the one or more selected areas and / or avoidance of hot spots or low hot spots in one or more areas to be conserved. Details of this optimization method are given in the later embodiment.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden somit das zu erwärmende Objekt bzw. die zu erwärmenden Objekte zunächst den Testerwärmungen unterzogen und nach Ermittlung der für die selektive Erwärmung erforderlichen Parameter entsprechend selektiv erwärmt. In Anwendungsfällen, bei denen mehrfach gleichartige Objekte oder Objektgruppen nacheinander erwärmt werden sollen, ist es nicht erforderlich, jeweils neue Testmessungen bzw. Testerwärmungen an dem zu erwärmenden Objekt oder den zu erwärmenden Objekten durchzuführen. Hier ist in einer zweiten Ausführungsform dann ausreichend, die Parameter nur einmal für das bzw. die Objekte zu bestimmen, und alle weiteren gleichartigen Objekte dann mit diesen Parametern selektiv zu erwärmen. Dies erfordert selbstverständlich eine identische geometrische Anordnung des Objekts bzw. Objekte, wie sie bei industriellen Prozessen in der Regel gegeben ist.In one embodiment of the method, therefore, the object to be heated or the objects to be heated are first subjected to the test heats and selectively heated according to the parameters required for the selective heating. In applications in which multiple similar objects or groups of objects are to be heated in succession, it is not necessary to carry out new test measurements or test warmings on the object to be heated or the objects to be heated. Here, in a second embodiment, it is then sufficient to determine the parameters only once for the object or objects, and then to heat all other similar objects selectively using these parameters. Of course, this requires an identical geometric arrangement of the object or objects, as is usually the case in industrial processes.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist es in der Regel wünschenswert, eine möglichst gleichmäßige Erwärmung in den jeweils selektierten Teilbereichen zu erreichen. Dies ist durch das eingesetzte Optimierungsverfahren nicht in jedem Falle gewährleistet. Daher wird bei der selektiven Erwärmung in einer Ausgestaltung des Verfahrens die Antennenanregung jeweils periodisch unterbrochen, um durch Wärmeleitung eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in den von der selektiven Erwärmung betroffenen Teilbereichen zu erreichen.In the proposed method, it is generally desirable to achieve the most uniform possible heating in the respectively selected subregions. This is not guaranteed by the optimization method used in every case. Therefore, in the selective heating in one embodiment of the method, the antenna excitation is interrupted periodically in order to achieve a more uniform temperature distribution in the sections affected by the selective heating by heat conduction.
Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die vor der selektiven Erwärmung durchgeführten Schritte bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen – je nach Anzahl der Anregungsfrequenzen – ein oder mehrmals zu wiederholen, um die Parameter für unterschiedliche Anregungsfrequenzen zu erhalten. Dies kann vor allem bei einer Zusammensetzung des Objekts bzw. der Objektgruppe aus unterschiedlichen Materialien vorteilhaft sein, die bei unterschiedlichen Frequenzen stark unterschiedlich absorbieren. Die Nutzung unterschiedlicher Anregungsfrequenzen kann auch zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der selektiven Erwärmung führen, auch bei relativ ähnlich zusammengesetzten bzw. homogenen Objekten. Auf diese Weise kann die selektive Erwärmung dann bei den unterschiedlichen Frequenzen jeweils mit den ermittelten Parametern durchgeführt werden.Furthermore, it is also possible to repeat the steps carried out before the selective heating at different excitation frequencies - depending on the number of excitation frequencies - one or more times in order to obtain the parameters for different excitation frequencies. This can be advantageous, above all, in the case of a composition of the object or of the object group made of different materials, which absorb very differently at different frequencies. The use of different excitation frequencies can also lead to the improvement of the uniformity of the selective heating, even with relatively similar composite or homogeneous objects. In this way, the selective heating can then be carried out at the different frequencies in each case with the determined parameters.
Die Anregungsfrequenzen, die bei dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzt werden, liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 1 MHz und 100 Ghz. Besonders viele Anwendungsmöglichkeiten bieten sich hierbei im Bereich der ISM-Bänder (Frequenzen die für „Industrial, Scientific and Medical” Zwecke reserviert sind), vorzugsweise bei Frequenzbändern zentriert um 896 MHz, 915 MHz, 2450 MHz, 13,6 MHz und 27,2 MHz.The excitation frequencies used in the proposed method are preferably in the range between 1 MHz and 100 GHz. Particularly many possible applications are in the area of ISM bands (frequencies reserved for "Industrial, Scientific and Medical" purposes), preferably at frequency bands centered around 896 MHz, 915 MHz, 2450 MHz, 13.6 MHz and 27.2 MHz.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich für die selektive Erwärmung in unterschiedlichen technischen Bereichen einsetzen. Ein Beispiel hierfür sind Großküchen und die Gastronomie. So kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren beispielsweise in Mikrowellen- oder Kombiöfen das Gargut selektiv erwärmt werden, beispielsweise um die Eigenschaften der einzelnen Zutaten besser zu berücksichtigen, den Nahrungswert der Lebensmittel besser zu erhalten, den Garprozess zu beschleunigen, die gleichzeitige Zubereitung von verschiedenen Gerichten oder auch neue Zubereitungsprozesse zu ermöglichen. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Erwärmung von Objekten oder Objektgruppen in der Industrie. Beispiele sind die Lebensmittelverarbeitung, zum Beispiel Pasteurisierung oder Trocknungsprozesse, die Chemietechnik, beispielsweise mikrowellenassistierte Synthese und Verarbeitung von chemischen Substanzen oder Zubereitungsverfahren für pharmazeutische Produkte, die Materialverarbeitung, zum Beispiel Polymerisation, Erhitzung von Flüssig- und Festkörpern, unter anderem in der Keramik- und Stahlindustrie, oder Sinterung, oder auch neuartige Industrieverfahren wie beispielsweise die Erhitzung von Siliziumscheiben, HF-assistierte Bohrung von nicht leitenden Materialien durch lokale Mikrowellenerhitzung, Enteisung von Flugkörpern mit Mikrowellen, Entbinderung und Sinterung von Keramiken usw. Das Verfahren lässt sich auch in der Umwelttechnik, beispielsweise zur Sanierung und Dekontamination von Grund und Boden oder zur Abfallbehandlung einsetzen. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.The proposed method can be used for selective heating in different technical fields. An example of this are canteen kitchens and the catering industry. Thus, with the proposed method, for example, in microwave or combi ovens, the food can be selectively heated, for example, to better take into account the properties of the individual ingredients, to better maintain the food value of the food, to accelerate the cooking process, the simultaneous preparation of different dishes or to enable new preparation processes. Another area of application is the heating of objects or object groups in the industry. Examples are the Food processing, for example pasteurization or drying processes, chemical engineering, for example microwave-assisted synthesis and processing of chemical substances or preparation processes for pharmaceutical products, material processing, for example polymerization, heating of liquid and solid bodies, inter alia in the ceramics and steel industry, or sintering , or even novel industrial processes such as the heating of silicon wafers, RF-assisted drilling of non-conductive materials by local microwave heating, deicing of missiles with microwaves, debindering and sintering of ceramics, etc. The method can also be in the environmental technology, for example, for refurbishment and Use decontamination of land or soil or for waste treatment. Of course, this is not an exhaustive list.
Das Verfahren lässt sich bei Bedarf auch zusätzlich mit nicht-kohärenten Anregungen kombinieren, indem die Betriebsfrequenz oder die Antennenphasen bzw. -amplituden zeitlich variiert werden. Eine weitere Ergänzung des Verfahrens lässt sich durch die Abwechslung von Zeitabschnitten kohärenter Einstrahlung realisieren, die sich voneinander durch unterschiedliche Frequenzen und/oder Phasen- und Amplitudenbeziehungen unterscheiden.If necessary, the method can also be combined with non-coherent excitations by varying the operating frequency or the antenna phases or amplitudes over time. A further extension of the method can be realized by the alternation of periods of coherent irradiation, which differ from each other by different frequencies and / or phase and amplitude relationships.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method will be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Im Folgenden werden anhand eines Ausführungsbeispiels die einzelnen Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens beispielhaft erläutert.In the following, the individual steps of the proposed method will be explained by way of example with reference to an embodiment.
Für die Durchführung des Verfahrens sind entsprechende Hardware-Komponenten erforderlich, wie sie stark schematisiert aus den
Der erste Schritt bei dem vorgeschlagenen Verfahren stellt die Durchführung der Testerwärmungen dar. Im Folgenden wird angenommen, dass NA ≥ 2 Antennen für die Erwärmung benutzt werden. Dann müssen im vorliegenden Beispiel folgende Testerwärmungen bzw. Messungen durchgeführt werden:
- – Anregung der Antenne i (i = 1, 2, ..., NA) mit konstanter Amplitude über einen Zeitraum ti. Kann die Amplitude nicht konstant gehalten werden, so wird der Amplitudenverlauf ai(t) für 0 ≤ t ≤ ti gemessen und aufgezeichnet. Diese Messphase benötigt NA Testerwärmungen bzw. -messungen.
- - Excitation of the antenna i (i = 1, 2, ..., N A ) with a constant amplitude over a period t i . If the amplitude can not be kept constant, the amplitude curve a i (t) for 0 ≦ t ≦ t i is measured and recorded. This measurement phase requires N A tester heating or measurements.
- – Gleichzeitige Anregung von Antenne i und j (i = 1, 2, ..., NA, j = 1, 2, ..., NA, i ≠ j) mit Amplituden ai (ij) und aj (ij) und Phasenunterschied ϕ1 (z. B. ϕ1 = 0°) über einen Zeitraum t1 (ij). Wenn die Amplituden und Phasen nicht konstant oder unbekannt sind, wird deren Verlauf über diesen Zeitraum aufgezeichnet: ai (ij)(t), aj (ij)(t), ϕ1(t). Diese Messphase benötigt ½-NA(NA – 1) Messungen bzw. Testerwärmungen.
- Simultaneous excitation of antenna i and j (i = 1, 2, ..., N A , j = 1, 2, ..., N A , i ≠ j) with amplitudes a i (ij) and a j ( ij) and phase difference φ 1 (eg, φ 1 = 0 °) over a period t 1 (ij) . If the amplitudes and phases are not constant or unknown, their history is recorded over this period: a i (ij) (t), a j (ij) (t), φ 1 (t). This measurement phase requires ½-N A (N A -1) measurements or test warm-ups.
- – Gleichzeitige Anregung von Antenne i und j (i = 1, 2, ..., NA, j = 1, 2, ..., NA, i ≠ j) mit Amplituden bi (ij) und bj (ij) und Phasenunterschied ϕ2 (z. B. ϕ2 = 90°) über einen Zeitraum t2 (ij). Wenn die Amplituden und Phasen nicht konstant gehalten werden können oder unbekannt sind, muss auch hier deren Verlauf über diesen Zeitraum aufgezeichnet werden: bi (ij)(t), bj (ij)(t), ϕ2(t). Auch diese Messphase benötigt ½NA(NA – 1) Messungen.
- Simultaneous excitation of antenna i and j (i = 1, 2, ..., N A , j = 1, 2, ..., N A , i ≠ j) with amplitudes b i (ij) and b j ( ij) and phase difference φ 2 (eg, φ 2 = 90 °) over a period t 2 (ij) . If the amplitudes and phases can not be kept constant or are unknown, then their course over this period must also be recorded: b i (ij) (t), b j (ij) (t), φ 2 (t). This measurement phase also requires ½N A (N A - 1) measurements.
Insgesamt müssen damit also NA 2 Testmessungen bzw. Testerwärmungen durchgeführt werden. Vor und nach jeder einzelnen dieser Testerwärmungen wird ein Infrarotbild der bestrahlten dielektrischen Objekte aufgenommen. Mit Hilfe dieser Infrarotbilder wird der Temperaturanstieg an jedem einzelnen Punkt der sichtbaren Oberfläche der Objekte ermittelt.Overall, therefore, N A 2 test measurements or test warm-ups must be performed. Before and after each of these test heats, an infrared image of the irradiated dielectric objects is taken. With the help of these infrared images, the temperature rise at each individual point of the visible surface of the objects is determined.
Die zweidimensionale Ansicht der Objekte, die mit den Infrarotbildern erfasst wird, wird entweder automatisch oder manuell in kleinere Zonen unterteilt, im Folgenden auch als Zellen bezeichnet. Dies ist in den
Wärmeabsorption in Zelle k nach Anregung
- – der einzelnen Antenne i: Wi (k)
- – der Antennen i und j mit Phasenunterschied ϕ1: Wij (k,l)
- – der Antennen i und j mit Phasenunterschied ϕ2: Wij (k,2)
Heat absorption in cell k after stimulation
- The individual antenna i: W i (k)
- - the antennas i and j with phase difference φ 1 : W ij (k, l)
- - the antennas i and j with phase difference φ 2 : W ij (k, 2)
Die im vorangegangenen Schritt der Testerwärmungen erhaltenen Daten, das heißt die Wärmeabsorption in jeder Zelle sowie gegebenenfalls der Amplituden- und Phasenverlauf der Anregung der einzelnen Antennen, werden im nun beginnenden zweiten Schritt des Verfahrens benutzt, um den Wärmeeinfluss einer beliebigen Kombination von Antennenanregungen zu quantifizieren. Hierbei wird angenommen, dass alle Antennen gleichzeitig mit der gleichen Frequenz, aber jeweils mit einer anderen Amplitude und Phase angeregt werden, die jeweils zeitabhängig sein können. Phase ϕi und Amplitude ai der Antenne i können in eine komplexe Amplitude ci(t) = ai(t)·exp[jϕi(t)] kombiniert werden. Die Wärme, die durch die lineare Überlagerung der Felder der Antennen in Zelle k erzeugt wird, ist: The data obtained in the previous step of the test heats, that is the heat absorption in each cell and, if appropriate, the amplitude and phase response of the individual antennas, are used in the now starting second step of the method to quantify the heat impact of any combination of antenna excitations. It is assumed that all antennas are excited simultaneously with the same frequency, but each with a different amplitude and phase, which can each be time-dependent. Phase φ i and amplitude a i of the antenna i can be combined into a complex amplitude c i (t) = a i (t) · exp [jφ i (t)]. The heat generated by the linear superposition of the fields of the antennas in cell k is:
Nomenklatur:Nomenclature:
- – c(t) ist der Spaltvektor der komplexen Anregungen c1(t), c2(t), ..., cNA(t)- c (t) is the gap vector of the complex excitations c 1 (t), c 2 (t), ..., c NA (t)
- – T ist die zeitliche Dauer der Erwärmung - T is the duration of the warming
- – σ(r) ist die (äquivalente) Leitfähigkeit des dielektrischen Objekts- σ (r) is the (equivalent) conductivity of the dielectric object
- – Ej(r) ist das elektrische Feld, das die Antenne j am Beobachtungspunkt r verursacht.- E j (r) is the electric field that causes the antenna j at the observation point r.
- – (*) und (H) bedeuten komplexe Adjungierung bzw.- (*) and ( H ) mean complex adjoint or
- komplexe Transponierungcomplex transposition
- – Qk ist die komplexe Matrix mit Matrixeinträgen - Q k is the complex matrix with matrix entries
Durch die im ersten Schritt durchgeführten Messungen bei den Testerwärmungen werden die Elemente jeder Matrix Qk ermittelt. Das gelingt durch das Eintragen der gemessenen Werte des Amplituden- und Phasenverlaufs der Antenne sowie der Wärmeabsorption für die NA 2 Testmessungen in obige Formel. Dadurch entstehen NA 2 lineare Gleichungen mit NA 2 unbekannten Elementen für jede Matrix Qk, die damit bestimmt werden können.The measurements in the test heats carried out in the first step determine the elements of each matrix Q k . This is achieved by entering the measured values of the amplitude and phase profile of the antenna and the heat absorption for the N A 2 test measurements in the above formula. This results in N A 2 linear equations with N A 2 unknown elements for each matrix Q k , which can thus be determined.
Die Testerwärmungen können auch mit anderen Parametern durchgeführt werden, bspw. durch unterschiedliche Phasenkombinationen bei jeweiliger Anregung aller Antennen. Grundsätzlich können beliebige Arten von mindestens NA 2 Testerwärmungen eingesetzt werden, solange ein lösbares System für die Q-Matrix erzeugt wird. Bei einer geringeren Anzahl an Testerwärmungen kann die Q-Matrix nicht eindeutig berechnet werden, so dass dann eine Abschätzung erforderlich ist. Dies könnte bspw. durch Einsatz iterativer Verfahren erfolgen.The test heats can also be carried out with other parameters, for example by different phase combinations with respective excitation of all antennas. In principle, any types of at least N A 2 test heats may be employed as long as a solvable system for the Q-matrix is generated. With a lower number of test heats, the Q matrix can not be uniquely calculated, and then an estimate is needed. This could be done, for example, by using iterative methods.
In dem vorangegangenen zweiten Schritt wurde der Erwärmungseffekt quantifiziert, der durch die kohärente Kombination der Strahlung der Antennen verursacht wird. Im Anschluss daran wird im dritten Schritt ein Optimierungsalgorithmus angewandt, der die Antennenanregungen bestimmt, die den gewünschten selektiven Erwärmungseffekt in dem oder den Objekten hervorrufen.In the previous second step, the heating effect caused by the coherent combination of the radiation of the antennas was quantified. Following this, in the third step, an optimization algorithm is applied that determines the antenna excitations that produce the desired selective heating effect in the object (s).
Der Nutzer definiert hierzu einen oder mehrere Teilbereiche Vh des bzw. der zu erwärmenden Objekte. Die
Für die die Bestimmung der hierfür geeigneten Antennenanregungen wird im vorliegenden Beispiel ein Algorithmus eingesetzt, der das Verhältnis der durchschnittlichen Leistungsdichte im selektierten Erwärmungsbereich zur durchschnittlichen Leistungsdichte im restlichen Körper maximieren soll, das heißt der den folgenden Quotient maximieren soll: For the determination of the suitable antenna excitations for this purpose, an algorithm is used in the present example, the ratio of the average power density in the selected To maximize the heating range to the average power density in the rest of the body, that is, to maximize the following quotient:
Ih und Ic repräsentieren hierbei die Menge der Indizes der Erwärmungszellen, die den erhitzten bzw. verschonten Bereich zusammensetzen. Die einzelnen Elemente der komplexen Matrix Qk sind aus dem ersten Schritt bekannt und können eingesetzt werden. Es werden folgende Matrizen benannt: I h and I c represent the amount of indices of the heating cells that make up the heated or spared area. The individual elements of the complex matrix Q k are known from the first step and can be used. The following matrices are named:
Der gesuchte Anregungsvektor c ist derjenige Eigenvektor des Eigenwertproblems A·c = λB·c, der dem größten Eigenwert λ entspricht.The sought excitation vector c is the eigenvector of the eigenvalue problem A · c = λB · c corresponding to the largest eigenvalue λ.
Ein alternativer Optimierungsalgorithmus, der nicht nur den Kontrast, sondern auch die Gleichmäßigkeit im zu erwärmenden Bereich Vh und die unerwünschten Hotspots im zu schonenden Bereich Vc berücksichtigt, kann folgendermaßen aussehen. Für den Bereich, wo die Leistung fokussiert werden muss (Vh), wählt der Nutzer eine (skalierbare) Obergrenze (U) und Untergrenze (L) für die Leistungsdichte, die nicht überschritten bzw. unterschritten werden darf. Dadurch wird das Ziel der Gleichmäßigkeit im fokussierten Bereich vom Optimierungsalgorithmus indirekt angestrebt, denn die Leistungsdichte darf nur zwischen den Werten L und U variieren. Im zu schonenden Bereich (Vc) wählt der Nutzer eine weitere (skalierbare) Obergrenze (U') aus, die die Leistungsdichte in diesem Bereich nicht überschreiten darf. U muss größer als U' sein. Dadurch werden gleichzeitig zwei weitere Ziele für den Optimierungsalgorithmus gesetzt: der Kontrast der Leistungsdichte (der direkt mit dem Temperaturanstiegskontrast verbunden ist) muss größer als L/U' sein und die unerwünschten Hotspots im zu schonenden Bereich müssen eine Leistungsdichte kleiner als U' haben.An alternative optimization algorithm, which takes into account not only the contrast, but also the uniformity in the area to be heated V h and the undesired hotspots in the region V c to be protected, may be as follows. For the area where the power must be focused (V h ), the user selects a (scalable) upper limit (U) and lower limit (L) for the power density, which must not be exceeded or undershot. As a result, the objective of uniformity in the focused area is sought indirectly by the optimization algorithm, since the power density may vary only between the values L and U. In the area to be protected (V c ), the user selects a further (scalable) upper limit (U '), which must not exceed the power density in this range. U must be larger than U '. This sets two other goals for the optimization algorithm simultaneously: the power density contrast (which is directly related to the temperature rise contrast) must be greater than L / U ', and the unwanted hotspots in the area to be conserved must have a power density less than U'.
Im Rahmen dieses Algorithmus definiert man für jede Erwärmungszelle mit Index k einen NA-dimensionalen komplexen Vektor Fk = Qk 1/2c, wobei c den NA-dimensionalen komplexen Vektor der Antennenanregungen und Qk 1/2 die Quadratwurzel der Q-Matrix der Zelle mit Index k darstellen. Die quadrierte euklidische Norm ||Fk||2 dieses Vektors ist gleich der Leistungsdichte in dieser Zelle, wenn die Antennen mit Phasen und Amplituden, die im Vektor c enthalten sind, angeregt werden.For each heating cell with index k, this algorithm defines an N A -dimensional complex vector F k = Q k 1/2 c, where c is the N A -dimensional complex vector of the antenna excitations and Q k 1/2 is the square root of Q Matrix of the cell with index k. The squared Euclidean norm || F k || 2 of this vector is equal to the power density in this cell when the antennas are excited with phases and amplitudes contained in vector c.
Um den Vektor c zu finden, für den die Ober- und Untergrenze der Leistungsdichte erfüllt werden, kann man folgendes iteratives Verfahren anwenden. Man fängt mit einem willkürlichen Startvektor c0 an (z. B. c0 = [1 1 1 ... 1]T). Die daraus resultierende Leistungsdichte in der Zelle k wird durch die Formel ||Fk||2 = C0 HQkc0 berechnet. Falls die Norm des Vektors Fk die Quadratwurzel der Obergrenze U bzw. U' überschreitet (je nachdem ob sich die Zelle k im zu erwärmenden bzw. schonendem Bereich befindet), wird der Vektor entsprechend folgender Formel skaliert: bzw.In gleicher Weise wird in jeder Zelle des Bereichs Vh kontrolliert, ob||Fk|| < L1/2. Falls ja, muss der Vektor nach der Formelskaliert werden. In Zellen, in denen die Randbedingungen vom ursprünglichen Vektor Fk erfüllt werden, wird der Vektor gleichgelassen, d. h. F'k = Fk.To find the vector c for which the upper and lower limits of the power density are met, the following iterative method can be used. One starts with an arbitrary start vector c 0 (eg c 0 = [1 1 1 ... 1] T ). The resulting power density in cell k is given by the formula || F k || 2 = C 0 H Q k c 0 is calculated. If the norm of the vector F k exceeds the square root of the upper limit U or U '(depending on whether the cell k is in the area to be warmed up or conserved), the vector is scaled according to the following formula: respectively. Similarly, in each cell of the area V h, it is checked that || F k || <L 1/2 . If so, the vector must be according to the formula be scaled. In cells where the boundary conditions are met by the original vector F k , the vector is left equal, ie F ' k = F k .
Durch die vorangegangene Prozedur wird ein neuer Vektor Fk' erzeugt, der die Randbedingungen des Problems erfüllt. Als nächstes wird nach einem neuen Anregungsvektor c1 gesucht, der einen Vektor erzeugen kann, der den Vektor Fk' am besten approximieren kann. Das heißt, dass man den Vektor c1 sucht, der die Fehlernorm
Die im dritten Schritt ermittelten Antennenanregungen (enthalten in Vektor c) bestimmen die kohärente Einspeisung der Antennen bei der gleichen Betriebsfrequenz, um die selektive Erwärmung der vorher vom Nutzer gewählten Teilbereiche zu erreichen. Der Nutzer wählt dann im vierten Schritt nur noch die erwünschte Endtemperatur der zu erwärmenden Bereiche und die Geschwindigkeit der Erwärmung. Die Anregungen werden entsprechend automatisch skaliert und das Objekt oder die Objekte werden mit den ermittelten Parametern der Antennenanregung selektiv erwärmt.The antenna excitations (contained in vector c) determined in the third step determine the coherent feeding of the antennas at the same operating frequency in order to achieve the selective heating of the user-selected subregions. The user then selects only the desired final temperature of the areas to be heated and the speed of heating in the fourth step. The excitations are automatically scaled accordingly and the object or objects are selectively heated with the determined parameters of the antenna excitation.
Falls die Signalquelle nicht von alleine die Amplituden und Phasendifferenzen der Antennen konstant halten kann, sollte eine Steuer- oder Regeleinheit eingesetzt werden, die die gemessenen Werte den Sollwerten aus dem dritten Schritt anpasst.
Sollte die Leistungsdichte, die sich aus dem Optimierungsalgorithmus des dritten Schrittes ergibt, in den zu erwärmenden Bereichen zu ungleichmäßig verteilt sein, so kann auch eine periodische Abschaltung des Antennenbetriebs erfolgen, die dem Ausgleich der Temperaturverteilung mit Hilfe des Effekts der Wärmeübertragung im Inneren des bzw. der Objekte dient.Should the power density, which results from the optimization algorithm of the third step, be distributed too unevenly in the areas to be heated, then a periodic shutdown of the antenna operation can take place, the compensation of the temperature distribution by means of the effect of heat transfer inside the or the objects serves.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Objektobject
- 33
- Mehrkanalige kohärente Quelle elektromagnetischer SchwingungenMultichannel coherent source of electromagnetic oscillations
- 44
- Messeinrichtung zur Messung der Phasen und AmplitudenMeasuring device for measuring the phases and amplitudes
- 55
- InfrarotkameraInfrared camera
- 66
- Blickwinkel der InfrarotkameraViewing angle of the infrared camera
- 77
- zusätzliche Steuerungadditional control
- 11–1311-13
- Antennenantennas
- 21–2621-26
- Objekte einer ObjektgruppeObjects of a collection
Claims (13)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R026 | Opposition filed against patent | ||
R031 | Decision of examining division/federal patent court maintaining patent unamended now final |