DE102019210264B4 - Method and device for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem- eine Objektgruppe aus mehreren Objekten in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt wird,- wobei vor der Erwärmung der Objektgruppe wenigstens eine differentielle Streuparametermessung durchgeführt wird, bei der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung bei unterschiedlicher Anzahl der Objekte der Objektgruppe in der Bestrahlungszone an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird,- aus der differentiellen Streuparametermessung Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe abgeschätzt werden,- aus den Erwärmungsmatrizen Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zu einer vorgegebenen Wärmeverteilung in der Objektgruppe führen, und- die HF-Sendekanäle anschießend zur Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation, in which - an object group of several objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via an RF transmission unit with at least two separate RF transmission channels, - with the object group being heated prior to heating At least one differential measurement of scattering parameters is carried out, in which high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected with a different number of objects in the object group in the irradiation zone at irradiation locations of the RF transmission channels, - from the differential measurement of scattering parameters, heating matrices for the objects in the object group are estimated, - from the Heating matrices Operating parameters for the RF transmission channels are determined, which lead to a predetermined heat distribution in the object group, and the RF transmission channels then for heating the object group with de n operating parameters determined from the heating matrices.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem die Objekte in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine Hochfrequenz-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten Hochfrequenz-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt werden.The present invention relates to a method and a device for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation, in which the objects are introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via a high-frequency transmission unit with at least two separate high-frequency transmission channels.
Die Erwärmung dielektrischer Objekte mithilfe hochfrequenter (HF) elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, hat eine lange Geschichte. Die Anwendung von Mikrowellen zur Erhitzung von Materialien ist dabei nicht auf Lebensmittel beschränkt, sondern hat sich in der industriellen Verarbeitung von verschiedensten Materialien verbreitet, beispielsweise in der Keramik-, Kautschuk- und Plastikindustrie und in vielen spezialisierten Verfahren der Chemieindustrie.The heating of dielectric objects with the help of high frequency (HF) electromagnetic radiation, especially microwave radiation, has a long history. The use of microwaves for heating materials is not limited to food, but has spread in the industrial processing of a wide variety of materials, for example in the ceramic, rubber and plastic industries and in many specialized processes in the chemical industry.
In sehr vielen Anwendungsfällen der Mikrowellenerhitzung befinden sich die zu erwärmenden Objekte, im Folgenden auch als Last oder Erwärmungsgut bezeichnet, in einer geschlossenen, elektromagnetisch isolierten (meistens metallischen) Kavität, die durch eine oder mehrere hochfrequente elektromagnetische Strahlungsquellen gespeist wird. Eines der Hauptprobleme in solch einer Konfiguration ist, dass sich durch die Mehrfachreflektionen der elektromagnetischen (EM) Wellen an den Wänden der Kavität und der Oberfläche des Erwärmungsguts stehende Wellenmuster bilden, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung erheblich beeinträchtigen können. Da der Energieeintrag, der in Wärme umgewandelt wird, proportional zur quadrierten Amplitude des elektrischen Feldes ist, führt die ungleichmäßige Feldverteilung direkt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung bzw. Temperaturverteilung während des Erwärmungsprozesses. Dies ist meistens unerwünscht, besonders wenn die Verteilung nichtdeterministisch bzw. nichtkontrollierbar ist, und kann die Qualität des zu bearbeitenden Materials bzw. des Erwärmungsguts erheblich beeinträchtigen. Auch in nichtisolierten Anwendungsbereichen der Mikrowellenstrahlung kann es jedoch zu Ungleichmäßigkeiten in der Leistungsverteilung kommen. Konfigurationen mit mehreren kohärenten Strahlungsquellen können bspw. auch im offenen Raum Interferenzmuster erzeugen, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung stören. Ferner können auch in offenen Szenarien geometrische Eigenschaften der Last oder ihrer Umgebung zu Streuphänomenen führen, die zu ungleichmäßiger Leistungsverteilung führen könnten.In many applications of microwave heating, the objects to be heated, also referred to below as loads or items to be heated, are located in a closed, electromagnetically insulated (mostly metallic) cavity that is fed by one or more high-frequency electromagnetic radiation sources. One of the main problems with such a configuration is that the multiple reflections of the electromagnetic (EM) waves form standing wave patterns on the walls of the cavity and the surface of the material to be heated, which can significantly affect the uniformity of the heating. Since the energy input, which is converted into heat, is proportional to the squared amplitude of the electric field, the uneven field distribution leads directly to uneven heating or temperature distribution during the heating process. This is mostly undesirable, especially if the distribution is nondeterministic or uncontrollable, and can considerably impair the quality of the material to be processed or the material to be heated. Even in non-isolated areas of application of microwave radiation, however, irregularities in the power distribution can occur. Configurations with several coherent radiation sources can, for example, also generate interference patterns in open space, which disturb the uniformity of the heating. Furthermore, even in open scenarios, geometric properties of the load or its surroundings can lead to scatter phenomena, which could lead to uneven power distribution.
Die Ungleichmäßigkeit der Erwärmung kann jedoch in einigen Anwendungsfällen auch erwünscht sein. Es wäre beispielsweise von Vorteil, wenn in der Gastronomie zwei oder mehr Lebensmittel bzw. Gerichte unterschiedlicher Art gleichzeitig in einem Gerät gegart bzw. zubereitet werden können. Wenn sich diese Lebensmittel in der Wärmeaufnahmekapazität, im erwünschten Gargrad, in der Menge usw. unterscheiden, ist es nötig, unterschiedliche elektromagnetische Leistung in unterschiedliche dielektrische Volumina einzubringen. Ein anderes Beispiel, bei dem die ungleiche Verteilung der EM-Leistung vorteilhaft sein kann, ist das mikrowellenassistierte Zerschlagen von inhomogenem Gestein durch Fokussierung der EM-Leistung. In all diesen Fällen ist es nötig, die elektromagnetische Leistung auf vordefinierte Teilbereiche der Last zu fokussieren, einige Teile der Last stärker als die restlichen zu erwärmen, oder allgemein ein erwünschtes EM-Leistungsprofil in die Last einzuprägen.However, the unevenness of the heating can also be desirable in some applications. For example, it would be advantageous if two or more foods or dishes of different types could be cooked or prepared in one appliance at the same time in gastronomy. If these foods differ in the heat absorption capacity, the desired degree of cooking, in the amount, etc., it is necessary to apply different electromagnetic power to different dielectric volumes. Another example in which the uneven distribution of the EM power can be advantageous is the microwave-assisted breaking up of inhomogeneous rock by focusing the EM power. In all these cases it is necessary to focus the electromagnetic power on predefined sub-areas of the load, to heat some parts of the load more than the rest, or generally to impress a desired EM power profile into the load.
Stand der TechnikState of the art
Für beide Probleme, sowohl der gleichmäßigen als auch der fokussierten Erwärmung, gibt es zwei Kategorien von Lösungen: deterministische und sogenannte „blinde“ Verfahren. Deterministische Verfahren basieren auf Informationen bezüglich der elektromagnetischen Feldverteilung im Inneren der Last, die durch Messungen oder Simulationen erlangt wurde.For both problems, both uniform and focused heating, there are two categories of solutions: deterministic and so-called “blind” methods. Deterministic methods are based on information regarding the electromagnetic field distribution inside the load, which has been obtained through measurements or simulations.
So beschreibt beispielsweise die
Eine weitere Unterkategorie von deterministischen Verfahren basiert auf elektromagnetischen Simulationen wie bei der
Blinde Verfahren verzichten auf derartige Informationen und verwenden entweder die gleiche Anregungsart und -weise für alle möglichen Lasten oder stützen sich auf externe Messungen.Blind methods dispense with such information and either use the same type and method of excitation for all possible loads or rely on external measurements.
Eine der wichtigsten Techniken der meisten blinden Verfahren zur Gleichmäßigkeitsoptimierung stellt die stochastische Mischung oder „Verwirbelung“ der elektromagnetischen Moden innerhalb einer Kavität dar. Dadurch wird versucht, ein über die Zeit statistisch homogenes EM-Feld zu erzeugen. Die Mischung kann durch mechanische Mittel (vgl. z.B.
Für eine Fokussierung der EM-Leistung innerhalb des Erwärmungsguts ist die Palette der bisherigen blinden Verfahren viel eingeschränkter. Der häufigste und schlichteste Ansatz besteht darin, den Anwendungsraum der EM-Leistung mit geeigneter Hardware elektromagnetisch zu isolieren, wie dies bspw. in der
Eine alternative Art und Weise, einen Teil des Erwärmungsguts elektromagnetisch hervorzuheben, besteht darin, ein Kontrastmittel in diesen Teil einzuführen, das hohen elektromagnetischen Kontrast aufweist. Durch differentielle Reflexionsmessungen vor und nach der Einführung des Kontrastmittels können dann passende Anregungsparameter für die Fokussierung ermittelt werden, wie dies in
Die
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung anzugeben, die eine Erwärmung einer Gruppe von Objekten mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung oder auch eine gleichmäßige Erwärmung eines Objektes ohne Temperaturmessungen an den Objekten oder zusätzlichen Hardwareaufwand ermöglichen.The object of the present invention is to provide a method and a device for heating dielectric objects by means of high-frequency radiation, which allow a group of objects to be heated with a predeterminable heat distribution or even an object to be heated evenly without temperature measurements on the objects or additional hardware expenditure.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit den Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden differenzielle Streuparametermessungen, d.h. S-Parametermessungen, die an unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden, an dem zu erwärmenden Objekt oder der zu erwärmenden Objektgruppe durchgeführt und aus diesen Messungen Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe oder Teilbereiche des Objekts abgeschätzt. Mit Hilfe dieser Erwärmungsmatrizen können dann Betriebs- oder Anregungsparameter (Amplitude, Phase, Frequenz) für die HF-Sendekanäle der zur Erwärmung eingesetzten HF-Sendeeinheit bestimmt werden, die zu der gewünschten Wärmeverteilung in dem bzw. den Objekten führen. Je nach Anwendung können hierbei zwei Verfahrensvarianten zum Einsatz kommen.In the proposed method, differential parameter measurements, i.e. S-parameter measurements that take place at different times, are carried out on the object or group of objects to be heated, and heating matrices for the objects of the group of objects or partial areas of the object are estimated from these measurements. With the help of these heating matrices, operating or excitation parameters (amplitude, phase, frequency) for the RF transmission channels of the RF transmission unit used for heating can then be determined, which lead to the desired heat distribution in the object or objects. Depending on the application, two process variants can be used.
Bei der ersten Verfahrensvariante wird eine Objektgruppe aus mehreren Objekten in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit mehreren getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Die HF-Sendekanäle speisen dabei jeweils eine oder mehrere Antennen, über die die Hochfrequenzstrahlung in die Bestrahlungszone eingestrahlt wird. Unter Hochfrequenzstrahlung ist hierbei ein Bereich zwischen 1 kHZ und 300 THz zu verstehen. Vorzugsweise wird Hochfrequenzstrahlung im Bereich zwischen 3 MHz und 300 GHz eingesetzt. Bei dieser ersten Verfahrensvariante wird vor der Erwärmung der Objektgruppe wenigstens eine differenzielle Streuparametermessung durchgeführt, bei der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung bei unterschiedlicher Anzahl der Objekte der Objektgruppe in der Bestrahlungszone mit einer geeigneten Messeinrichtung an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Unter einer differenziellen Streuparametermessung sind hierbei zwei getrennte Streuparametermessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu verstehen. Aus der differenziellen Streuparametermessung werden dann Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe abgeschätzt und aus den Erwärmungsmatrizen Betriebs- bzw. Anregungsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt, die zu einer vorgegebenen Wärmeverteilung in der Objektgruppe führen. Die HF-Sendekanäle werden anschließend zur Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebs- bzw. Anregungsparametern betrieben.In the first variant of the method, an object group made up of several objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via an HF transmission unit with several separate HF transmission channels. The RF transmission channels each feed one or more antennas via which the high-frequency radiation is radiated into the irradiation zone. In this context, high-frequency radiation is understood to mean a range between 1 kHZ and 300 THz. High-frequency radiation in the range between 3 MHz and 300 GHz is preferably used. In this first variant of the method, at least one differential measurement of scattering parameters is carried out before the object group is heated, in which high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected with a suitable measuring device at the irradiation locations of the RF transmission channels for a different number of objects in the object group in the irradiation zone. A differential measurement of scattering parameters should be understood to mean two separate measurements of scattering parameters at different points in time. Heating matrices for the objects in the object group are then estimated from the differential measurement of scattering parameters and operating or excitation parameters for the RF transmission channels are determined from the heating matrices, which lead to a predetermined heat distribution in the object group. The RF transmission channels are then operated to heat the object group with the operating or excitation parameters determined from the heating matrices.
Bei der zweiten Verfahrensvariante wird eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb eines dielektrischen Objekts angestrebt, wie dies beispielsweise beim Auftauen von Gefriergut erwünscht ist. Bei dieser Verfahrensvariante wird wiederum ein Objekt oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit mehreren getrennten HF-Sendekanälen über einen Erwärmungszeitraum mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Es werden wiederum eine oder mehrere differenzielle Streuparametermessungen durchgeführt, bei denen in diesem Fall aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung vor Beginn und zu einer Zeit während des Erwärmungszeitraums und/oder zu unterschiedlichen Zeiten während des Erwärmungszeitraums an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Aus jeder differenziellen Streuparametermessung werden dann Erwärmungsmatrizen für relativ zu anderen Bereichen des Objekts oder der Objektgruppe stärker erwärmte Bereiche, so genannte Hotspots, abgeschätzt. Aus den Erwärmungsmatrizen werden dann Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt, die zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem Objekt oder der Objektgruppe führen. Die HF-Sendekanäle werden anschließend, also nach jeder neuen differenziellen Streuparametermessung - zur Erwärmung oder weiteren Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben.In the second variant of the method, a uniform distribution of heat within a dielectric object is aimed for, as is desired, for example, when thawing frozen food. In this variant of the method, in turn, an object or a group of objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation over a heating period via an HF transmission unit with several separate HF transmission channels. In turn, one or more differential scatter parameter measurements are carried out in which, in this case, high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected before the start and at a time during the heating period and / or at different times during the heating period at the irradiation locations of the RF transmission channels. From each differential measurement of scattering parameters, heating matrices are then estimated for areas that are more strongly heated relative to other areas of the object or the object group, so-called hotspots. Operating parameters for the RF transmission channels are then determined from the heating matrices, which lead to a uniform distribution of heat in the object or the group of objects. The HF transmission channels are then operated, i.e. after each new differential measurement of scattering parameters, for heating or further heating of the object group with the operating parameters determined from the heating matrices.
Bei den vorgeschlagenen Verfahrensvarianten wird durch die Abschätzung der Erwärmungsmatrizen aus den differenziellen Streuparametermessungen eine Information darüber gewonnen, welche Leistungsmuster bzw. Leistungsverteilungen und damit Wärmeverteilungen bei beliebigen (innerhalb der Betriebsparametergrenzen) Anregungen der für die Bestrahlung eingesetzten HF-Sendekanäle in die Last eingeprägt werden. Bei dem Verfahren wird die Beziehung zwischen Betriebsparameter der HF-Sendekanäle und Wärme- bzw. absorbierte Leistungsverteilung durch externe Messungen abgeschätzt, d.h. durch Messungen, die weder innerhalb der Bestrahlungszone noch innerhalb des Erwärmungsguts erfolgen. Stattdessen werden die Streuparameter der Bestrahlungszone an den Einstrahlungsorten bzw. Einstrahlungstoren vor und nach der Einführung vorbestimmter Objekte bzw. Objektgruppen oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Erwärmung gemessen. Durch geeignete Auswertung dieser Messungen können die Erwärmungsmatrizen für diese Objekte bzw. Objektgruppen oder Teilbereiche der Objekte bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Erwärmungsmatrizen kann dann die elektromagnetische Leistung bestimmt werden, die für eine beliebige Anregung des Systems, also beliebige Betriebsparameter, in jedem dieser Objekte bzw. Objektgruppen oder Teilbereichen in Wärme umgewandelt wird. Die Beziehung zwischen Eingang (Anregung) und Ergebnis (verbrauchte Leistung) wird damit in der Form von Erwärmungsmatrizen quantifiziert, um diese Beziehung für die Optimierung der Gleichmäßigkeit oder einer Fokussierung der Erwärmung oder auch einer beliebigen vorgebbaren Wärmeverteilung einzusetzen.In the proposed method variants, by estimating the heating matrices from the differential scatter parameter measurements, information is obtained about which power patterns or power distributions and thus heat distributions are impressed on the load with any (within the operating parameter limits) excitations of the RF transmission channels used for the irradiation. In the method, the relationship between the operating parameters of the RF transmission channels and the heat or absorbed power distribution is estimated by external measurements, ie by measurements that take place neither within the irradiation zone nor within the material to be heated. Instead, the scattering parameters of the irradiation zone are measured at the irradiation locations or irradiation gates before and after the introduction of predetermined objects or object groups or at different times during the heating. The heating matrices for these objects or object groups or partial areas of the objects can be determined by suitable evaluation of these measurements. With the help of these heating matrices, the electromagnetic power can then be determined that is required for any excitation of the system, that is to say any operating parameters, in each of these objects or object groups or sub-areas in Heat is converted. The relationship between input (excitation) and result (consumed power) is thus quantified in the form of heating matrices in order to use this relationship for optimizing the uniformity or focusing the heating or any predeterminable heat distribution.
Entsprechend weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine HF-Sendeeinheit mit HF-Quelle und Leistungsverstärker und wenigstens zwei HF-Sendekanälen, über die in die Bestrahlungszone eingebrachte Objekte mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlbar sind, und eine Messeinrichtung auf, mit der an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle in die Bestrahlungszone komplexe Streuparameter der beladenen Bestrahlungszone gemessen werden können. Die HF-Sendekanäle können über eine oder auch über mehrere Sendeantennen pro Kanal verfügen. Für die Ansteuerung der HF-Sendeeinheit und Messeinrichtung ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorhanden, die zur Durchführung des Verfahrens entsprechend einer oder mehrerer der in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebenen Verfahrensvarianten und Ausgestaltungen ausgebildet ist.Correspondingly, the device for carrying out the method has an RF transmission unit with an RF source and power amplifier and at least two RF transmission channels, via which objects introduced into the irradiation zone can be irradiated with coherent high-frequency radiation, and a measuring device with which the RF- Transmission channels in the irradiation zone complex scattering parameters of the loaded irradiation zone can be measured. The RF transmission channels can have one or more transmission antennas per channel. A control and evaluation device is available for controlling the RF transmission unit and measuring device, which is designed to carry out the method in accordance with one or more of the method variants and configurations described in the present patent application.
Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf differentiellen Streumatrixmessungen (S), d.h. Messungen der Streuparameter (S-Parameter) an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle in die Bestrahlungszone, im Folgenden auch als EMAZ (Electromagnetic Application Zone) bezeichnet, vor und nach der Veränderung der Beladung (erste Verfahrensalternative) oder Veränderung der Temperatur der Beladung (zweite Verfahrensalternative) der Bestrahlungszone, und auf der Auswertung der entsprechenden Veränderung der S-Parameter.The proposed method is based on differential scatter matrix measurements (S), i.e. measurements of the scatter parameters (S parameters) at the irradiation locations of the RF transmission channels in the irradiation zone, also referred to below as EMAZ (Electromagnetic Application Zone), before and after the change in load (first alternative method) or change in the temperature of the load (second alternative method) of the irradiation zone, and on the evaluation of the corresponding change in the S-parameters.
Im Gegensatz zu dem in obiger Veröffentlichung von G. Bellizzi et al. beschriebenen Verfahren zur Fokussierung von Mikrowellen wird der Veränderung der S-Parameter bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine physikalische Bedeutung zugewiesen, indem aus dieser Veränderung Erwärmungsmatrizen berechnet bzw. abgeschätzt werden. Diese Erwärmungsmatrizen können anschließend nicht nur für Fokussierung benutzt werden, sondern auch für allgemeine Optimierung der Form der Leistungsverteilung (u.a. für Gleichmäßigkeitsoptimierung). Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf der Veränderung des S-Matrixprodukts Δ(SHS), und nicht auf dem Matrixprodukt ΔSHΔS der Veränderungen.In contrast to the above publication by G. Bellizzi et al. The method described for focusing microwaves is assigned a physical meaning to the change in the S parameters in the proposed method, in that heating matrices are calculated or estimated from this change. These heating matrices can then not only be used for focusing, but also for general optimization of the shape of the power distribution (among other things for optimizing uniformity). The proposed method is based on the change in the S matrix product Δ (S H S), and not on the matrix product ΔS H ΔS of the changes.
Das vorgeschlagene Verfahren setzt eine Bestrahlungszone für die hochfrequente Strahlung bzw. Energie voraus, worin sich das Erwärmungsgut befindet, und einen Leistungsverstärker mit HF-Quelle, der elektromagnetische Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich an mehreren (N ≥ 2) Kanälen bzw. Ausgängen erzeugen kann. Diese Bestrahlungszone (EMAZ) kann eine voll oder teilweise elektromagnetisch isolierte Kavität sein (bspw. eine Kavität, deren Wände aus Metall gefertigt sind), oder eine offene bzw. teilweise offene Region, innerhalb derer die meiste HF-Strahlung und Leistung konzentriert ist (z.B. die Abbildungskammer eines Magnetresonanztomographen, der Anwendungsbereich eines mikrowellenassistierten Steinbruchgeräts usw.). Die Schwingungen des Leistungsverstärkers müssen kohärent erzeugbar sein können, d.h. sie müssen dieselbe Frequenz und eine konstante Phasendifferenz haben können. Die Frequenz, Amplitude und Phase der Schwingungen muss vom Verstärker einstellbar und kontrollierbar sein. Der Verstärker speist die EMAZ, in der sich das Erwärmungsgut befindet, über die HF-Sendekanäle mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung an N Einlässen bzw. Einstrahlungsorten ein. Dementsprechend verfügt der Verstärker über N Kanäle. An jedem Einlass sind eine oder mehrere Antennen als Teil des jeweiligen HF-Sendekanals angeordnet, die in die EMAZ strahlen. Ferner ist eine Messeinrichtung vorhanden, die die Streuparameter (S-Matrix) der EMAZ an den N ≥ 2 Einstrahlungsorten innerhalb der Frequenzbandbreite des Verstärkers messen kann.The proposed method requires an irradiation zone for the high-frequency radiation or energy, in which the material to be heated is located, and a power amplifier with an HF source that can generate electromagnetic oscillations in a certain frequency range at several (N ≥ 2) channels or outputs. This radiation zone (EMAZ) can be a fully or partially electromagnetically isolated cavity (e.g. a cavity whose walls are made of metal), or an open or partially open region within which most of the RF radiation and power is concentrated (e.g. the imaging chamber of a magnetic resonance tomograph, the area of application of a microwave-assisted quarry device, etc.). The oscillations of the power amplifier must be able to be generated coherently, i.e. they must be able to have the same frequency and a constant phase difference. The frequency, amplitude and phase of the vibrations must be adjustable and controllable by the amplifier. The amplifier feeds the EMAZ, in which the material to be heated is located, via the HF transmission channels with high-frequency electromagnetic radiation at N inlets or irradiation locations. Accordingly, the amplifier has N channels. At each inlet, one or more antennas are arranged as part of the respective RF transmission channel, which radiate into the EMAZ. There is also a measuring device that can measure the scatter parameters (S matrix) of the EMAZ at the N ≥ 2 irradiation locations within the frequency bandwidth of the amplifier.
Bei der ersten Verfahrensvariante des vorgeschlagenen Verfahrens besteht das Erwärmungsgut aus L ≥ 2 trennbaren Teilen bzw. Objekten, die separat in die EMAZ eingeführt werden können. Beispielsweise kann das Erwärmungsgut auf metallischen oder andersartigen Trägern platziert werden, die separat in die EMAZ eingeführt werden können. Das Erwärmungsgut kann sich auch in getrennten Behältern befinden, die zumindest teilweise durchsichtig für die hochfrequente elektromagnetische Strahlung innerhalb des Betriebsfrequenzspektrums sind. In the first variant of the proposed method, the material to be heated consists of L ≥ 2 separable parts or objects that can be introduced separately into the EMAZ. For example, the material to be heated can be placed on metallic or other types of carriers that can be inserted separately into the EMAZ. The material to be heated can also be located in separate containers which are at least partially transparent to the high-frequency electromagnetic radiation within the operating frequency spectrum.
Diese Behälter können getrennt und unabhängig voneinander in die EMAZ eingeführt bzw. aus der EMAZ entfernt werden.These containers can be inserted into the EMAZ or removed from the EMAZ separately and independently of one another.
Die erste Verfahrensvariante lässt sich in drei Phasen zerlegen:
- (a) Abschätzung der Erwärmungsmatrizen des Erwärmungsguts.
- (b) Bestimmung der Anregungen der Kanäle des Verstärkers anhand einer Optimierung der Erwärmung.
- (c) Anwendung der obigen Anregungen zur Erwärmung der Last.
- (a) Estimation of the heating matrices of the material to be heated.
- (b) Determination of the excitations of the channels of the amplifier on the basis of an optimization of the heating.
- (c) Apply the suggestions above to heat the load.
Für die Abschätzung der Erwärmungsmatrizen des Erwärmungsguts (erste Phase) werden unterschiedliche Teilmengen bzw. Objekte des Erwärmungsguts in die EMAZ eingeführt und die S-Parameter der teilbeladenen EMAZ an den Einstrahlungsorten gemessen. Zusätzlich werden die S-Parameter der vollbeladenen EMAZ gemessen, d.h. der EMAZ, wenn das gesamte Erwärmungsgut eingeführt worden ist. Die Differenz zwischen diesen S-Parametermessungen wird anhand des nachfolgend beschriebenen mathematischen Verfahrens ausgewertet, um die Erwärmungsmatrizen der unterschiedlichen Teilmengen bzw. Objekte des Erwärmungsguts zu berechnen. Dieser Schritt kann für beliebige Teilmengen des Erwärmungsguts wiederholt werden, soweit es dessen Form, Konsistenz und die Beladungsmöglichkeiten der EMAZ erlauben, bis die Erwärmungsmatrizen aller Teilmengen bzw. Objekte, aus denen sich das Erwärmungsgut zusammensetzt, berechnet worden sind.To estimate the heating matrices of the material to be heated (first phase), different subsets or objects of the material to be heated are introduced into the EMAZ and the S parameters of the partially loaded EMAZ are measured at the irradiation locations. In addition, the S-parameters of the fully loaded EMAZ are measured, i.e. the EMAZ when all the material to be heated has been introduced. The difference between these S-parameter measurements is evaluated using the mathematical method described below in order to calculate the heating matrices of the different subsets or objects of the material to be heated. This step can be repeated for any subsets of the material to be heated, as long as its shape, consistency and the loading options of the EMAZ allow, until the heating matrices of all subsets or objects that make up the material to be heated have been calculated.
Die zweite Verfahrensvariante des vorgeschlagenen Verfahrens eignet sich für Erwärmungsgüter, die möglichst gleichmäßig erwärmt werden müssen, wobei deren dielektrische Eigenschaften vorzugsweise stark von der örtlichen Temperatur abhängen. Häufig vorkommende Anwendungsbeispiele, die unter diese Kategorie fallen, betreffen das Auftauen von gefrorenen Gütern (z.B. Lebensmittel, Fertiggerichte, tiefgefrorene Blutproben oder Transplantationsorgane usw.). Bei einer ungleichmäßigen Feldverteilung innerhalb des Erwärmungsguts (bzw. Auftauguts) gibt es „Hotspots“, d.h. lokalisierte Bereiche, deren Temperatur im Vergleich zu den anderen Bereichen überdurchschnittlich schnell steigt. Wenn die Verluste des Materials mit steigender Temperatur ebenfalls steigen, gibt es den sogenannten „Runaway Effekt“, währenddessen solche Hotspots immer mehr Leistung aufnehmen und noch schneller heißer werden, was wiederum die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ständig weiter verschlechtert. Es handelt sich hierbei also um eine positive Rückkopplungsschleife, deren unerwünschten Ergebnisse sich ständig selbst verstärken. Um diesem katastrophalen Effekt entgegenzuwirken, müssen die Anregungsparameter so nachgeregelt werden, dass so wenig Leistung wie möglich in die sich ständig bildenden Hotspots eingeführt wird. Bei der zweiten Verfahrensvariante werden wiederholt, vorzugsweise regelmäßig, S-Parametermessungen durchgeführt, um das Auftreten dieser Hotspots zu detektieren, ihre Erwärmungsmatrizen zu berechnen und ihrer weiteren Erwärmung entgegenzuwirken. Dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Erwärmung bzw. des Auftauens ständig überwacht und geregelt. Das Auftreten und die Erwärmungsmatrizen der Hotspots werden durch den Vergleich von aufeinanderfolgenden S-Parametermessungen detektiert bzw. ermittelt. Wenn sich die S-Parameter der EMAZ bei gleichgebliebener Anregung innerhalb eines zeitlichen Intervalls wesentlich geändert haben, deutet dies darauf hin, dass ein Teil des Erwärmungs- bzw. Auftauguts seine Eigenschaften wegen seiner Erwärmung verändert hat. Anhand dieser Veränderung werden gemäß der zweiten Verfahrensvariante passende Anregungen berechnet, die die betroffenen „heißen“ Bereiche am wenigsten weitererwärmen.The second method variant of the proposed method is suitable for items to be heated that have to be heated as uniformly as possible, their dielectric properties preferably depending strongly on the local temperature. Frequently occurring application examples that fall under this category relate to the thawing of frozen goods (e.g. food, ready meals, frozen blood samples or transplant organs, etc.). If the field distribution within the food to be heated (or defrosted) is uneven, there are "hotspots", i.e. localized areas whose temperature rises faster than average compared to the other areas. If the losses of the material also increase with increasing temperature, there is the so-called “runaway effect”, during which such hotspots consume more and more power and get hotter even faster, which in turn continuously worsens the uniformity of the heating. So this is a positive feedback loop, the undesirable results of which are constantly self-reinforcing. To counteract this catastrophic effect, the excitation parameters must be readjusted so that as little power as possible is introduced into the hotspots that are constantly forming. In the second variant of the method, S-parameter measurements are carried out repeatedly, preferably regularly, in order to detect the occurrence of these hotspots, to calculate their heating matrices and to counteract their further heating. As a result, the uniformity of the heating or thawing is constantly monitored and regulated. The occurrence and the heating matrices of the hotspots are detected or determined by comparing successive S-parameter measurements. If the S-parameters of the EMAZ have changed significantly within a time interval while the excitation has remained the same, this indicates that part of the food to be heated or thawed has changed its properties due to its warming. On the basis of this change, suitable suggestions are calculated according to the second variant of the method, which heat the affected “hot” areas the least.
Die zweite Verfahrensvariante kann in folgende Phasen zerlegt werden:
- (a) Messung der S-Parameter der EMAZ vor dem Start des Erwärmungsprozesses.
- (b) Auswahl eines Anregungsparametersatzes.
- (c) Anregung der EMAZ mit gewähltem Parametersatz.
- (d) Erneute Messung der S-Parameter, Abschätzung der Erwärmungsmatrizen eventueller Hotspots aus der Differenz der S-Parametermessungen und Berechnung neuer Anregungsparameter anhand der Erwärmungsmatrizen.
- (e) Falls der Erwärmungsprozess noch nicht zu beenden ist, gehe zu Schritt (c).
- (a) Measurement of the S-parameters of the EMAZ before the start of the warming process.
- (b) Selection of a set of excitation parameters.
- (c) Excitation of the EMAZ with the selected parameter set.
- (d) Renewed measurement of the S-parameters, estimation of the heating matrices of any hotspots from the difference in the S-parameter measurements and calculation of new excitation parameters based on the heating matrices.
- (e) If the heating process has not yet ended, go to step (c).
Die Abschätzung der Erwärmungsmatrizen aus der Differenz zwischen den S-Parametermessungen erfolgt wiederum anhand eines mathematischen Verfahrens, das später näher beschrieben wird. Auf diese Weise werden anhand der Veränderung der S-Parameter passende Anregungsparameter ermittelt, um die Bildung von Hotspots während des Erwärmungsprozesses zu vermeiden.The estimation of the heating matrices from the difference between the S-parameter measurements is again carried out using a mathematical method that will be described in more detail later. In this way, based on the change in the S-parameters, suitable excitation parameters are determined in order to avoid the formation of hotspots during the heating process.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden aus differenziellen Streuparametermessungen Erwärmungsmatrizen von Teilbereichen einer Last ermittelt, die mittels kohärenter elektromagnetischer Leistung erwärmt werden soll. In der ersten Verfahrensvariante sind diese Teilbereiche vom Benutzer und/oder den geometrischen bzw. physikalischen Randbedingungen bestimmt. Der Benutzer kann diese Teilbereiche in die Bestrahlungszone einführen oder daraus entfernen. Aus den gemäß dem Verfahren abgeschätzten Erwärmungsmatrizen für diese Teilbereiche kann das Profil der elektromagnetischen Leistungsverteilung, das durch die Hochfrequenzstrahlung in die Last eingeprägt wird, optimiert werden. Dementsprechend können unterschiedliche Anwendungen der kohärenten Hochfrequenzerwärmung realisiert werden, beispielsweise die gleichmäßige Erwärmung oder die Fokussierung der Leistung in einen oder in mehrere Teilbereiche. In der zweiten Verfahrensvariante geht es um die möglichst gleichmäßige und materialschonende Erwärmung von Objekten, vorzugsweise von Objekten, in denen während des Erwärmungsprozesses ein abrupter Phasenübergang stattfindet. Ein Beispiel hierfür ist Gefriergut, bei dem der Phasenübergang von fest auf flüssig möglichst homogen und gleichzeitig erfolgen sollte. Das Ziel des Verfahrens besteht darin, das Entstehen von so genannten Hotspots zu detektieren, deren Erwärmungsmatrizen zu ermitteln und der Bildung der Hotspots entgegenzuwirken. In diesem Fall sind also die Teilbereiche, deren Erwärmungsmatrizen durch das vorgeschlagene Verfahren ermittelt werden, die Hotspots.In the proposed method, heating matrices of partial areas of a load that are to be heated by means of coherent electromagnetic power are determined from differential scatter parameter measurements. In the first variant of the method, these sub-areas are determined by the user and / or the geometric or physical boundary conditions. The user can introduce these partial areas into the irradiation zone or remove them therefrom. From the estimated according to the procedure Heating matrices for these sub-areas can be used to optimize the profile of the electromagnetic power distribution, which is impressed on the load by the high-frequency radiation. Accordingly, different applications of coherent high-frequency heating can be implemented, for example uniform heating or focusing of the power in one or more sub-areas. The second variant of the method is about heating objects as uniformly and gently as possible, preferably objects in which an abrupt phase transition takes place during the heating process. An example of this is frozen food, in which the phase transition from solid to liquid should be as homogeneous as possible and at the same time. The aim of the method is to detect the formation of so-called hotspots, to determine their heating matrices and to counteract the formation of hotspots. In this case, the sub-areas whose heating matrices are determined by the proposed method are the hotspots.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren handelt es sich um ein so genanntes blindes Verfahren, bei dem keine Sensordaten über physikalische Parameter wie beispielsweise Temperatur oder elektromagnetische Feldstärke in der Last bzw. EMAZ benötigt werden. Das Verfahren basiert nur auf Messungen an den Einstrahlungsorten bzw. Einlässen der hochfrequenten Strahlung bzw. den Ausgängen der Verstärkerkanäle. Es handelt sich hierbei um Streuparametermessungen der EMAZ. Damit ist keine umständliche, teure und schwer zu wartende Sensorik erforderlich. Der Erwärmungsprozess und die Benutzerfreundlichkeit werden nicht durch das Einführen bzw. das Entfernen von Sensoren in die Last bzw. EMAZ beeinträchtigt. Bei der ersten Verfahrensvariante ermöglicht die Ermittlung der Erwärmungsmatrizen der einzelnen Objekte bzw. Teilbereiche der Last ein breites Spektrum an Erwärmungsmöglichkeiten, von homogener Erwärmung bis zu selektiver Fokussierung der elektromagnetischen Leistung. Zwischen diesen extremen Leistungsverteilungen (homogen/fokussiert) können auch beliebige andere Verteilungen in die Last eingeprägt werden. Im Falle der Gleichmäßigkeitsoptimierung werden keinerlei bewegliche Teile für die Erzeugung eines statistisch homogenen elektromagnetischen Feldes benötigt. Ebenso wenig wird ein elektronisch generiertes Modenrauschen durch zufällige Frequenz- bzw. Phasenvariationen benötigt, das hohe Ansprüche an die Umschaltgeschwindigkeit des Leistungsverstärkers stellen würde und auf die unterschiedlichen Beladungsszenarien nicht anpassbar wäre. Auch eine Nutzung von Kontrastmitteln ist bei den vorgeschlagenen Verfahren nicht erforderlich. In einer Ausgestaltung der zweiten Verfahrensvariante kann ein Phasenübergang der Last anhand der Berechnung und Überwachung der mittleren Absorptionsrate der Last schnell und zuverlässig verfolgt bzw. detektiert werden. Der Vorteil der hierzu beschriebenen Methode liegt besonders darin, dass der Durchschnitt der Absorptionsrate direkt aus den S-Parametern abgeleitet werden kann, ohne zeitaufwändige (und oft nicht ausreichende) Parameterdurchläufe durchzuführen. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung kann in Anwendungsgebieten eingesetzt werden, in denen Objekte oder Objektgruppen durch Hochfrequenzstrahlung definiert erhitzt werden sollen. Ein Beispiel ist die Anwendung in Mikrowellen- oder Kombiöfen für das Garen, Zubereiten, Auftauen von Lebensmitteln in Großküchen und der Gastronomie. Diese Öfen müssen das Erwärmungsgut gleichmäßig und effizient erwärmen, unter anderen um die hygienischen Vorschriften einzuhalten, die Eigenschaften der einzelnen Zutaten besser zu berücksichtigen, den Nahrungswert der Lebensmittel besser zu erhalten, den Garprozess zu beschleunigen. Andererseits ist es von großem Vorteil, wenn ein beliebiger Teil des Garguts stärker als der Rest erwärmt werden kann, denn dadurch lassen sich unterschiedliche Gerichte bzw. Lebensmittel gleichzeitig garen oder gleichartige Lebensmittel in unterschiedlichen Gargraden zubereiten. Ein weiteres Beispiel betrifft die Anwendung in der Industrie, insbesondere bei der Lebensmittelverarbeitung (z.B. Pasteurisierung, Trocknungsprozesse usw.), in der Chemietechnik (z.B. mikrowellenassistierte Synthese und Verarbeitung von chemischen Substanzen, Zubereitungsverfahren für pharmazeutische Produkte) oder in der Materialverarbeitung (z.B. Polymerisation, Erhitzung von Flüssig- und Festkörpern, unter anderem in der Keramik- und Stahlindustrie, Sinterung). Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht auch in der Medizintechnik, beispielsweise zur selektiven oder gleichmäßigen Erwärmung von Geweben, zum Auftauen von gefrorenen Gutvorräten oder Transplantationsorganen oder zur Optimierung der hochfrequenten elektromagnetischen Felder in der Magnetresonanztomografie.The proposed method is what is known as a blind method, in which no sensor data on physical parameters such as temperature or electromagnetic field strength in the load or EMAZ are required. The method is based only on measurements at the irradiation locations or inlets of the high-frequency radiation or the outputs of the amplifier channels. These are scatter parameter measurements by the EMAZ. This means that there is no need for cumbersome, expensive and difficult-to-maintain sensors. The heating process and usability are not affected by inserting or removing sensors in the load or EMAZ. In the first variant of the method, the determination of the heating matrices of the individual objects or partial areas of the load enables a wide range of heating options, from homogeneous heating to selective focusing of the electromagnetic power. Between these extreme power distributions (homogeneous / focused), any other distributions can also be impressed on the load. In the case of uniformity optimization, no moving parts are required to generate a statistically homogeneous electromagnetic field. Nor is electronically generated mode noise due to random frequency or phase variations required, which would place high demands on the switching speed of the power amplifier and would not be adaptable to the different loading scenarios. Use of contrast media is also not necessary with the proposed method. In one embodiment of the second variant of the method, a phase transition of the load can be tracked or detected quickly and reliably on the basis of the calculation and monitoring of the mean absorption rate of the load. The advantage of the method described for this purpose lies in the fact that the average of the absorption rate can be derived directly from the S parameters without performing time-consuming (and often insufficient) parameter runs. The proposed method and the associated device can be used in areas of application in which objects or groups of objects are to be heated in a defined manner by high-frequency radiation. One example is the use in microwave or combination ovens for cooking, preparing and defrosting food in large kitchens and restaurants. These ovens have to heat the food evenly and efficiently, among other things in order to comply with the hygienic regulations, to take better account of the properties of the individual ingredients, to better preserve the nutritional value of the food, to accelerate the cooking process. On the other hand, it is of great advantage if any part of the food can be heated more than the rest, because this allows different dishes or foods to be cooked at the same time or similar foods to be prepared in different degrees of cooking. Another example relates to the application in industry, especially in food processing (e.g. pasteurization, drying processes, etc.), in chemical engineering (e.g. microwave-assisted synthesis and processing of chemical substances, preparation processes for pharmaceutical products) or in material processing (e.g. polymerization, heating of liquids and solids, including in the ceramic and steel industry, sintering). Another possible use is in medical technology, for example for selective or uniform heating of tissues, for thawing frozen goods or transplant organs or for optimizing high-frequency electromagnetic fields in magnetic resonance tomography.
FigurenlisteFigure list
Die vorgeschlagenen Verfahrensvarianten sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Vorrichtung für die Erwärmung eines oder mehrerer Objekte; -
2 eine beispielhafte Aufteilung des Erwärmungsguts in vier Teilbereiche in der EMAZ; -
3 ein Beispiel für eine teilbeladene EMAZ, deren ursprüngliche Beladung in2 dargestellt ist; -
4 ein weiteres Beispiel für eine teilbeladene EMAZ, deren ursprüngliche Beladung in2 dargestellt ist; -
5 ein Beispiel für die Wahl der Betriebs- bzw. Anregungsparameter nach einem Zeitschlitzverfahren; und -
6 ein Beispiel für die zeitliche Entwicklung der Wärmeverteilung während der Erwärmung eines Erwärmungsguts.
-
1 a schematic representation of an example of the proposed device for heating one or more objects; -
2 an exemplary division of the material to be heated into four sub-areas in the EMAZ; -
3 an example of a partially loaded EMAZ whose original load was in2 is shown; -
4th Another example of a partially loaded EMAZ whose original load was in2 is shown; -
5 an example for the selection of the operating or excitation parameters according to a time slot method; and -
6th an example of the development over time of the heat distribution during the heating of a material to be heated.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Eine beispielhaft ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in
- • Eine elektromagnetische Bestrahlungszone (EMAZ)
1 , die in1 beispielhaft als elektromagnetisch isolierte Kammer ausgebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt. Die EMAZ kann auch offen oder halboffen ausgebildet, nichtisoliert oder nur teilweise isoliert sein. - • Einen kohärenten hochfrequenten Leistungsverstärker
4 mit HF-Quelle, der N ≥ 2 separate elektromagnetische Schwingungen auf N (also gleich vielen) Kanälen gleichzeitig generieren kann, deren Frequenzen, Amplituden und relative Phasendifferenzen durch den Nutzer oder eine selbstständige Steuerungssoftware innerhalb bekannter Toleranzen festgelegt bzw. variiert werden können. Die Frequenzen der Ausgangssignale desLeistungsverstärkers 4 müssen nicht zwangsläufig dieselbe Frequenz haben. Es muss jedoch die Möglichkeit bestehen, einige oder alle Ausgangssignale kohärent zu generieren, d.h. bei exakt derselben stabilen Frequenz und mit fester relativer Phasendifferenz zueinander. - • Zwei
oder mehr Antennen 2 , die hochfrequente elektromagnetische Strahlung in die EMAZ einspeisen können und Teil der HF-Sendekanäle der Vorrichtung sind. An jedem Kanal desLeistungsverstärkers 4 können hierzu eine oder mehrere Antennen angeschlossen sein, auch wenn in1 beispielhaft nur eine Antenne pro Kanal angezeigt wird. - •
Eine Messeinrichtung 5 , die die komplexen Streuparameter bzw. Streumatrizen der EMAZ mit vordefinierter Frequenzauflösung innerhalb der Betriebsbandbreite zu willkürlichen Zeitpunkten vor, während und nach dem Erwärmungsprozess messen kann. Die Messeinrichtung kann entweder in die oben genannte Signalquelle eingebaut oder separat davon angeordnet sein. - • Eine Steuer-
und Auswerteeinheit 9 , die an vier Datenströmen angebunden ist: einen benutzerdefinierten Eingangsdatenstrom7 ,einen Befehlsdatenstrom 8 ,einen Rückmeldungsstrom 6 aus dem Leistungsverstärker 4 und derMesseinrichtung 5 , und (optional) einen Rückmeldungsstrom10 aus derEMAZ 1 .Der Rückmeldungsstrom 6 enthält Daten der S-Parametermessungen aus derMesseinrichtung 5 .Der Eingangsdatenstrom 7 enthält Anweisungen vom Benutzer (beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Leistungspegel, Dauer der Erwärmung, Frequenzauflösung, Anzahl der Zyklen, Erwärmungsprofil usw.).Der Befehlsdatenstrom 8 beinhaltet die Anregungsparameter für die unterschiedlichen Kanäle des Verstärkers (u.a. Frequenz, Amplitude, Phasendifferenz, Dauer des Signals).Der Rückmeldungsstrom 10 kann Sensordaten aus der EMAZ und/oder dem Erwärmungsgut enthalten (z.B. Temperatur, Feuchtegrad usw.), falls solche Sensoren vorhanden sind. Die Steuer-und Auswerteeinheit 9 beinhaltet Software, die unterschiedliche mathematische Verfahren A und B zur Abschätzung der Erwärmungsmatrizen und Bestimmung der Betriebs- bzw. Anregungsparameter ausführt. Das Verfahren A schätzt anhand differentieller S-Parametermessungen (d.h. S-Parametermessungen, die an unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden) die Erwärmungsmatrizen, im Folgenden auch als Q-Matrizen bezeichnet, eines oder mehrerer Teilbereiche des Erwärmungsguts ab. Das Verfahren B bestimmt anhand der Q-Matrizen, die mit Verfahren A berechnet bzw. abgeschätzt wurden, die passenden Anregungen, um eine erwünschte Wärme- bzw. Leistungsverteilung im Erwärmungsgut zu erzeugen. Die Steuer-und Auswerteeinheit 9 ist ein zentrales Element in einer Feedbackschleife, die den Erwärmungsprozess kontinuierlich überwacht und steuert.
- • An electromagnetic radiation zone (EMAZ)
1 , in the1 is designed for example as an electromagnetically isolated chamber. However, the invention is not limited to such an embodiment. The EMAZ can also be open or semi-open, non-insulated or only partially insulated. - • A coherent high frequency power amplifier
4th with HF source that can generate N ≥ 2 separate electromagnetic oscillations on N (i.e. the same number) channels at the same time, the frequencies, amplitudes and relative phase differences of which can be defined or varied by the user or independent control software within known tolerances. The frequencies of the output signals from the power amplifier4th do not necessarily have to have the same frequency. However, it must be possible to generate some or all of the output signals coherently, ie at exactly the same stable frequency and with a fixed relative phase difference to one another. - • Two or
more antennas 2 that can feed high-frequency electromagnetic radiation into the EMAZ and are part of the device's RF transmission channels. On each channel of the power amplifier4th one or more antennas can be connected for this purpose, even if in1 for example only one antenna per channel is displayed. - • A measuring
device 5 that can measure the complex scatter parameters or scatter matrices of the EMAZ with a predefined frequency resolution within the operating bandwidth at arbitrary times before, during and after the heating process. The measuring device can either be built into the above-mentioned signal source or arranged separately from it. - • A control and
evaluation unit 9 connected to four data streams: a user-defined input data stream7th , a command stream8th , a feedback stream6th from the power amplifier4th and the measuringdevice 5 , and (optional) afeedback stream 10 from theEMAZ 1 . The feedback stream6th contains data of the S-parameter measurements from the measuringdevice 5 . The input data stream7th contains instructions from the user (for example, but not limited to, power level, duration of heating, frequency resolution, number of cycles, heating profile, etc.). The command stream8th contains the excitation parameters for the different channels of the amplifier (including frequency, amplitude, phase difference, duration of the signal). Thefeedback stream 10 can contain sensor data from the EMAZ and / or the material to be heated (e.g. temperature, degree of humidity, etc.), if such sensors are available. The control andevaluation unit 9 contains software that executes different mathematical methods A and B for estimating the heating matrices and determining the operating and excitation parameters. Method A uses differential S-parameter measurements (ie S-parameter measurements that take place at different times) to estimate the heating matrices, also referred to below as Q matrices, of one or more partial areas of the material to be heated. Method B uses the Q matrices that were calculated or estimated using method A to determine the appropriate stimuli in order to generate a desired heat or power distribution in the material to be heated. The control andevaluation unit 9 is a central element in a feedback loop that continuously monitors and controls the heating process.
In
Im Folgenden werden zwei beispielhafte Ausführungen des vorgeschlagenen Verfahrens näher erläutert, im Rahmen derer auch die mathematischen Verfahren A und B näher beschrieben werden.In the following, two exemplary embodiments of the proposed method are explained in more detail, in the context of which the mathematical methods A and B are also described in more detail.
Erste AusführungFirst execution
Die erste beispielhafte Ausführung betrifft Erwärmungsszenarien, bei denen der Benutzer das Erwärmungsgut in Teilmengen aufteilen kann und separat in die EMAZ einführen bzw. aus der EMAZ entfernen kann. Dies kann beispielsweise in einem Mikrowellenofen oder Kombiofen mit mehreren Einschüben auftreten, in dem die Gerichte bzw. Lebensmittel auf unterschiedlichen Trägern (z.B. Backblechen) platziert werden können. Man nehme also an, dass das Erwärmungsgut aus L Teilen besteht, die in den
- 1. Abschätzung der Erwärmungsmatrizen der L Teilbereiche.
- 2. Bestimmung der Anregungen der Kanäle des Verstärkers anhand von Optimierung des Leistungsmusters.
- 3. Anwendung der obigen Anregungen zur Erwärmung der Last.
- 1. Estimation of the heating matrices of the L sub-areas.
- 2. Determination of the excitations of the channels of the amplifier on the basis of optimization of the power pattern.
- 3. Applying the suggestions above to heat the load.
Phase 1 (Erkennungsphase):
- 1. Der Benutzer führt das gesamte Erwärmungsgut (G1, G2, ..., GL) in
EMAZ 1 ein und das System misst die N × N S-Matrix der EMAZ bei mehreren Frequenzen ƒ1,ƒ2, ..., ƒNƒ mithilfe derMesseinrichtung 5 . Die Daten werden als Nf komplexe Matrizen S0(ƒn),n = 1, ...,Nƒ, mittels Datenstrom6 in den Speicher von Steuer-und Auswerteeinheit 9 übertragen. In2 ist eine beispielhafte Aufteilung des Erwärmungsguts3 in vier Teilbereiche G1, G2, G3, G4 dargestellt. - 2. Für l = 1 bis L
- a. Der Benutzer entfernt den Teil Cl des Erwärmungsguts. Dabei kann entweder Gl samt seinen Träger entfernt werden (siehe z.B.
3 ) oder nur das Erwärmungsgut entfernt werden (siehe z.B.4 ). In letzterem Fall ist es in der Regel praktischer, zuerst Gl samt seinen Träger zu entfernen und danach einen anderen leeren, identischen Träger einzuführen. Wenn die Geometrie und das Material des Trägers das EM-Feld innerhalb der EMAZ stark beeinflusst, kann diese alternative Vorgehensweise Vorteile haben. - b. Das System misst die N × N S-Matrix der EMAZ bei denselben Frequenzen ƒn, n = 1, ..., Nƒ mithilfe der
Messeinheit 5 . Die Daten werden als Nƒ komplexe Matrizen Sl(ƒn), n = 1, ...,Nƒ, mittels Datenstrom6 in den Speicher von Steuer-und Auswerteeinheit 9 übertragen. - c. Steuer-
und Auswerteeinheit 9 berechnet die Q-Matrix von Teilbereich Gl mithilfe von Verfahren A. - d. Der Benutzer führt Teilmenge Gl wieder in die EMAZ ein.
- a. Der Benutzer entfernt den Teil Cl des Erwärmungsguts. Dabei kann entweder Gl samt seinen Träger entfernt werden (siehe z.B.
- 1. The user enters the entire item to be heated (G 1 , G 2 , ...,
G L) in EMAZ1 one and the system measures the N × N S matrix of the EMAZ at several frequencies ƒ 1 , ƒ 2 , ..., ƒ Nƒ using themeasuring device 5 . The data are provided as N f complex matrices S 0 (ƒ n ), n = 1, ..., N ƒ , by means of a data stream6th into the memory of the control andevaluation unit 9 transfer. In2 is an exemplary division of the material to be heated3 shown in four sub-areas G 1 , G 2 , G 3 , G 4 . - 2. For l = 1 to L
- a. The user removes the part C l of the material to be heated. Either G l and its carrier can be removed (see e.g.
3 ) or only the material to be heated must be removed (see e.g.4th ). In the latter case, it is usually more practical to first remove G 1 and its carrier and then to insert another empty, identical carrier. If the geometry and material of the carrier have a strong influence on the EM field within the EMAZ, this alternative approach can have advantages. - b. The system measures the N × N S matrix of the EMAZ at the same frequencies ƒ n , n = 1, ..., N ƒ using the
measuring unit 5 . The data are provided as N ƒ complex matrices S l (ƒ n ), n = 1, ..., N ƒ , by means of a data stream6th into the memory of the control andevaluation unit 9 transfer. - c. Control and
evaluation unit 9 calculates the Q-matrix of sub-area G l using method A. - d. The user re-introduces subset G l into the EMAZ.
- a. The user removes the part C l of the material to be heated. Either G l and its carrier can be removed (see e.g.
Im Folgenden wird die Form von Verfahren A im Falle der ersten Ausführung des Verfahrens erklärt. Das Ziel dieses Algorithmus ist, die Erwärmungsmatrix (Q-Matrix) eines Teilbereichs Gl zu ermitteln. Diese Matrix ist eine N × N komplex symmetrische Matrix Ql, wo N die Anzahl der Kanäle darstellt. Wenn die Anregung der Kanäle durch den komplexen Vektor a = [a1 a2 ... aN ] T gegeben ist (wobei |an|2 die Leistung von Kanal n und arg an seine Phase darstellen), dann ist per Definition die innerhalb von Gl in Wärme umgewandelte elektromagnetische Leistung gleich
Die Elemente einer Q-Matrix können durch folgende Formel definiert werden:
Anhand des Energieerhaltungssatzes ist die gesamte Leistung, die in der EMAZ verbraucht wird, gleich der eingespeisten Leistung ||a||2 = aHa minus der reflektierten Leistung ||S0a||2 = aHS0 HS0a. Man beachte dabei, dass die reflektierte Leistung durch die S-Matrix S0 berechnet wird, d.h. durch die Messung, die bei Vollbeladung der EMAZ durchgeführt wurde. Daher ist
Daher ergibt sich die Gleichung
Wenn die EMAZ nicht vollbeladen ist, sondern ein Teil (bspw. Gl) fehlt, kann man anhand ähnlicher Vorgehensweise folgende Gleichung ableiten:
Dabei sei zu beachten, dass in Gleichung (3) die S-Parametermessung SI der EMAZ ohne den l -ten Teil des Garguts Gl und die Q-Matrizen Qk der EMAZ unter Vollbeladung erscheinen. Eine implizite Annahme in Gleichung (3) ist, dass die Q-Matrizen aller Teilmengen des Erwärmungsguts (Qk, k ≠ l), die in der EMAZ verblieben sind, und der Wandverluste gleich wie im Fall der Vollbeladung (s. Gleichung (2)) geblieben sind. Dies ist nur eine Näherung, denn das Entfernen eines Teils des Erwärmungsguts wird die elektromagnetischen Felder innerhalb der EMAZ etwas verändern, was wiederum laut Gleichung (1) zur Veränderung der Q-Matrizen der Teilbereiche Gl führt. Daher stellt Gleichung (3) nur eine Approximation dar.It should be noted that in equation (3) the S parameter measurement S I of the EMAZ without the l -th part of the food G l and the Q matrices Q k of the EMAZ appear with a full load. An implicit assumption in equation (3) is that the Q matrices of all subsets of the material to be heated (Q k , k ≠ l) that have remained in the EMAZ and the wall losses are the same as in the case of a full load (see equation (2 )) have stayed. This is only an approximation, because removing part of the material to be heated will slightly change the electromagnetic fields within the EMAZ, which in turn leads to a change in the Q matrices of the sub-areas G l according to equation (1). Therefore equation (3) is only an approximation.
Wenn man Gleichungen (2) und (3) voneinander abzieht, erhält man folgende Schätzung für die Q-Matrix des Teils Gl des Erwärmungsguts:
Damit ist eine gute Approximation für die Erwärmungsmatrix eines Teilbereichs des Erwärmungsguts die Veränderung des S-Parameterprodukts SHS, nachdem besagter Teilbereich aus der EMAZ entfernt wurde. Dies hat folgende einfache physikalische Interpretation: die Veränderung von SHS ist gleich der Veränderung der reflektierten Leistung. Es ist klar, dass die konsumierte Leistung sinken und die reflektierte Leistung um den gleichen Betrag steigen muss, wenn ein Teil des Erwärmungsguts entfernt wird. Die Veränderung des S-Parameterprodukts Δ(SHS) muss also gleich der Leistung Ql sein, die im Teilbereich Gl konsumiert wurde.A good approximation for the heating matrix of a sub-area of the material to be heated is therefore the change in the S-parameter product S H S after said sub-area has been removed from the EMAZ. This has the following simple physical interpretation: the change in SHS is equal to the change in reflected power. It is clear that the power consumed must decrease and the reflected power increase by the same amount if part of the material to be heated is removed. The change in the S-parameter product Δ (S H S) must therefore be equal to the power Q l that was consumed in the sub-area G l.
Das Verfahren gemäß Gleichung (4) wird im Folgenden mit A0 bezeichnet. Da Umverteilungseffekte des elektromagnetischen Feldmusters bei Entfernung von Teilmengen zu Fehlern bei der Abschätzung der Q-Matrizen führen können, ist es möglich, dass die geschätzten Q-Matrizen
Es gibt eine weitere physikalische Bedingung, deren Einhaltung zur Verbesserung der Schätzung der Q-Matrizen führen könnte, nämlich der Energieerhaltungssatz, der durch Gleichung (2) verkörpert wird. Da die durch (4) geschätzten Q-Matrizen einen gewissen Grad an Ungenauigkeit enthalten, ist zu erwarten, dass Gleichung (2) von den geschätzten Matrizen Q̃l nicht eingehalten wird. Man könnte jedoch nach neuen Matrizen Q̂l suchen, die einerseits möglichst nah an den ursprünglichen Schätzungen Q̃l liegen, andererseits positiv semidefinit sind und Gleichung (2) erfüllen. Somit lässt sich folgendes Optimierungsproblem formulieren:
- Finde Matrizen Q̂l, l = 1,2, ..., L die:
- 1. Positiv semidefinit sind, d.h. Q̂l ≥ 0.
- 2. Die Gleichung
- 3. Folgende Norm minimieren:
- Find matrices Q̂ l , l = 1,2, ..., L which:
- 1. Are positive semidefinite, ie Q̂ l ≥ 0.
- 2. The equation
- 3. Minimize the following norm:
Man beachte, dass man in Schritt
Obiges Optimierungsproblem ist konvex und kann anhand entsprechender numerischer Verfahren, die durch Software auf Steuerungs- und Auswerteeinheit
Anhand des Energieerhaltungssatzes kann Phase
Den letzten Term von Gleichung (6) kann man entweder weglassen, wenn die parasitären Verluste klein sind, oder durch Messung der S-Parameter Se der leeren EMAZ, wie vorhin beschrieben, abschätzen. Für den Fall L = 2 als Beispiel, also Unterteilung des Erwärmungsguts in zwei Bereiche, kann man demnach das Verfahren von Phase
- 1. Miss die S-Parameter der leeren EMAZ Se bei Frequenzen f1, fz, ...,fN
f und berechne - 2. Führe den ersten Teil der Last G1 in die EMAZ ein und miss erneut die S-Parameter S2 der EMAZ.
- 3. Ohne den Teil G1 zu entfernen, führe den zweiten Teil der Last G2 in die EMAZ ein und miss die S-Parameter S0 der vollbeladenen EMAZ.
- 4. Berechne Q-Matrix von G2 durch
- 5. Berechne Q-Matrix von G1 durch
- 1. Measure the S parameters of the empty EMAZ S e at frequencies f 1 , f z , ..., f N
f and calculate - 2. Introduce the first part of the load G 1 into the EMAZ and measure the S-parameters S 2 of the EMAZ again.
- 3. Without removing part G 1 , introduce the second part of load G 2 into the EMAZ and measure the S-parameters S 0 of the fully loaded EMAZ.
- 4. Compute Q-matrix of G 2 by
- 5. Compute Q-matrix of G 1 by
Phase 2 (Optimierungsphase):Phase 2 (optimization phase):
In dieser Phase der ersten beispielhaften Ausführung des Verfahrens muss der Benutzer oder das System eine oder mehrere Anforderungen an die elektromagnetische Leistungsverteilung stellen und die Kanalanregungen durch ein Optimierungsverfahren so wählen, dass das erzeugte Leistungsmuster den Anforderungen genügt. Es können unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, die ein entsprechendes Optimierungsverfahren benötigen. Im Folgenden werden beispielhaft zwei der am häufigsten benutzten Anforderungen beschrieben.In this phase of the first exemplary embodiment of the method, the user or the system must place one or more requirements on the electromagnetic power distribution and use an optimization method to select the channel excitations so that the generated power pattern meets the requirements. Different requirements can be made that require a corresponding optimization process. Two of the most frequently used requirements are described below as examples.
1) Fokussierung der elektromagnetischen Leistung:1) Focusing the electromagnetic power:
Bei dieser Anforderung geht es darum, die meiste Leistung in einen Teilbereich Gl des Erwärmungsguts zu konzentrieren. Da das Volumen besagten Teilbereichs viel kleiner als das des restlichen Erwärmungsguts sein kann, ist es sinnvoller über Leistungsdichte zu reden, also über Leistung normiert durch das Volumen, in dem diese verbraucht wird. Ein Kriterium für die Qualität der Fokussierung, das häufig verwendet wird, ist der Leistungskontrast, also das Verhältnis der durchschnittlichen Leistungsdichte im fokussierten Bereich zur durchschnittlichen Leistungsdichte im restlichen Erwärmungsgut:
Wenn man den konstanten Vorfaktor in Gleichung (7) weglässt, ist es ausreichend, folgenden Quotienten zu maximieren:
Dieses Problem lässt sich als verallgemeinertes Eigenwertproblem neu darlegen. Demnach ist der gesuchte Anregungsvektor der Eigenvektor der Gleichung
Man beachte dabei, dass obiges Verfahren einen optimalen Fokussierungsvektor amax(ƒ) pro Frequenz erzeugt. Man kann deswegen alle Anregungsvektoren bei den entsprechenden Frequenzen fn, n = 1, ..., Nƒ zeitlich nacheinander anwenden. Da jede Frequenz ein anderes Potential für Fokussierung hat, ist es möglich, dass die Anwendung unterschiedlicher Frequenzen die durchschnittliche Fokussierungsqualität erhöht. Ferner kann dies zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung innerhalb der einzelnen Teilbereiche führen, da unterschiedliche Frequenzen unterschiedliche Leistungsmuster erzeugen.Note that the above method generates an optimal focusing vector a max (ƒ) per frequency. One can therefore apply all excitation vectors at the corresponding frequencies f n , n = 1, ..., N ƒ one after the other. Since each frequency has a different potential for focusing, it is possible that using different frequencies will increase the average focus quality. Furthermore, this can lead to an improvement in the uniformity of the heating within the individual sub-areas, since different frequencies generate different power patterns.
2) Optimierung der Gleichmäßigkeit:2) Optimizing the evenness:
Eine andere, sehr oft gestellte Anforderung an die elektromagnetische Erwärmung ist, dass das Erwärmungsgut möglichst gleichmäßig erwärmt wird. In diesem Zusammenhang kann die Anregung der Kanäle so optimiert werden, dass die elektromagnetische Leistung, die im Erwärmungsgut verbraucht wird, so gleichmäßig wie möglich verteilt ist. Ein Maß der Ungleichmäßigkeit ist die relative Standardabweichung der Leistungsdichtewerte der Teilbereiche des Erwärmungsguts (p1/V1,p2/V2, ...,pL/VL), d.h. deren Standardabweichung normiert durch den entsprechenden Mittelwert (sprich durchschnittliche Leistungsdichte):
Ein effektives Optimierungsverfahren, um diesen Wert zu minimieren, wird im Folgenden beschrieben. Diesem Verfahren nach gibt es eine doppelte periodische Wiederholungsschleife an Anregungsvektoren. Die innere Schleife wendet N Anregungsvektoren bei derselben Frequenz fn zeitlich nacheinander an, während die äußere Schleife derartige N-Vektorensätze bei Nf unterschiedlichen Frequenzen zeitlich nacheinander anwendet (ein sogenanntes doppeltes Zeitschlitzverfahren, siehe auch
Das Prinzip des Verfahrens beruht darauf, während des Verweilens bei einer Frequenz fn mehrere Anregungssätze bzw. -vektoren
Man nehme an, dass die Signalquelle bei einer Frequenz f = fn für eine Zeitdauer von tn Sekunden verweilt. Man unterteile diese Zeitdauer in NT Zeitintervalle, die eine jeweilige Zeitdauer von τn1, τn2, τη3, ..., τnN
Um die Beschreibung des Verfahrens zu vereinfachen, kann man den Vorfaktor τnl/tn für jedes einzelne Leistungsmuster in die Amplituden der Anregungsvektoren durch Multiplikation mit dem Faktor
Wenn die komplexe Amplitude des j -ten Kanals während des l -ten Zeitintervalls αlj ist, dann nimmt obige Formel folgende Form an:
Das Verfahren zielt im Folgenden auf die geschickte Wahl der Matrix C, um möglichst wenig abweichende Werte pk zu erzielen. Das Maß der Gleichmäßigkeit, das verwendet wird, ist die normierte Standardabweichung der Werte pk, das vorhin als RSD bezeichnet wurde, d.h.
Um σp zu minimieren, muss die Matrix C passend gewählt werden. Letztere gehört zum Raum der hermiteschen Matrizen (d.h. CH = C); dieser Raum ist N2dimensional. D.h., dass es N2 reelle Freiheitsgrade γm und Basis-„Vektoren“ (Basis-Matrizen) Cm gibt, sodass
Eine Basis mit N2 Elementen, die eine Basis des Raumes, zu dem C gehört, formt, besteht aus folgenden Matrizen:
Wenn man obige Matrizen von m = 1 bis m = N2 durchgehend nummeriert, erhält man die Basis {Cm}, m = 1,2, ...,N2.If you number the above matrices continuously from m = 1 to m = N 2 , you get the basis {C m }, m = 1,2, ..., N 2 .
Bei der Zerlegung der Matrix C in der obigen Basis
Der obigen Zerlegung nach, können die einzelnen Elemente von C wie folgt geschrieben werden:
Zerlegung (11) von Leistungsmuster pk hat als direkte Folge, dass die maximale Anzahl von Freiheitsgraden, die man durch dieses Verfahren zur Verfügung hat, um das Leistungsmuster zu formen, N2 ist, unabhängig davon, wie fein man den zeitlichen Zyklus unterteilt, d.h. egal wie groß NT ist.Decomposition (11) of performance pattern p k has the direct consequence that the maximum number of degrees of freedom that one has available through this method to shape the performance pattern is N 2 , regardless of how finely one subdivides the time cycle, ie no matter how big N T is.
Das Optimierungsziel, d.h. die Minimierung der Ungleichmäßigkeit, die durch σ̂p ausgedrückt wird, hängt nun von der Wahl der Koeffizienten γ1,γ2, ..., γm' ..., γN2 ab, die man in einen reellen Vektor γ = [γ1 γ2 ... γN 2]T zusammenfassen kann. Die analytische Abhängigkeit der Optimierungsfunktion σ̂p von γ kann anhand der Zerlegung
wobei
- • Finde einen reellen N2 -dimensionalen Vektor γ, der folgenden Bedingungen genügt:
- [i]
- [ii] Die Matrix
- [iii] Er minimiert die Funktion f (γ̂) = γ̂TPtγ̂.
- [i]
whereby
- • Find a real N 2 -dimensional vector γ that satisfies the following conditions:
- [i]
- [ii] The matrix
- [iii] It minimizes the function f (γ̂) = γ̂ T P t γ̂.
- [i]
Oben genanntes Optimierungsproblem fällt in die Kategorie der semi-definiten Programmierung (SDP) und kann u.a. anhand bekannter mathematischer Verfahren für konvexe Optimierung numerisch gelöst werden, wie dies aus Fachbüchern (z.B. Boyd, Stephen, and Lieven Vandenberghe. Convex optimization. Cambridge University Press, 2004) bekannt ist.The above-mentioned optimization problem falls into the category of semi-definite programming (SDP) and can be numerically solved using known mathematical methods for convex optimization, as found in specialist books (e.g. Boyd, Stephen, and Lieven Vandenberghe. Convex optimization. Cambridge University Press, 2004) is known.
Durch die numerische Lösung des obigen Optimierungsproblems berechnet man die optimalen Koeffizienten γk der Zerlegung von Matrix C, die die Ungleichmäßigkeit minimiert. Aus der C-Matrix, die durch Formel (10) berechnet wird, kann man die Matrix der optimalen Kanalanregungen A durch das Lösen der Matrixgleichung C = AHA finden. Diese Gleichung hat unendlich viele Lösungen, die allerdings zur selben Leistungsverteilung im Erwärmungsgut führen, weil letztere ausschließlich von der Matrix C abhängt. Die einfachste dieser Lösungen erhält man, wenn man die C-Matrix diagonalisiert. Laut dem spektralen Theorem für hermitesche Matrizen lässt sich diese Matrix wie folgt zerlegen: C = VDVH, wobei V eine unitäre Matrix mit den Eigenvektoren von C als Spalten und D eine Diagonalmatrix ist, die die Eigenwerte von C enthält. Diese Zerlegung lässt sich anhand üblicher numerischer Verfahren bestimmen. Demnach sieht eine Lösung der Gleichung C = AHA folgendermaßen aus:
Somit ist das Optimierungsproblem gelöst; d.h. für jeden Zeitabschnitt τnl, l = 1,2, ..., NT, wird die Anregung des j-ten Kanals vom komplexen Eintrag alj der A-Matrix gegeben. Durch additive Überlagerung dieser NT Muster wird das erwünschte, äquivalente Leistungsmuster pk erzeugt, das maximale Gleichmäßigkeit hat. Dabei muss man nochmals betonen, dass die minimal ausreichende Anzahl an unterschiedlichen Anregungsvektoren bzw. Zeitintervallen, um die maximale Gleichmäßigkeit zu erreichen, NT = N ist, da aus Formel (13) hervorgeht, dass A quadratisch ist. Dies bedeutet, dass genauso viele Anregungsvektoren wie Kanäle benötigt werden, um durch obiges Verfahren das Maximum an Gleichmäßigkeit zu erreichen.The optimization problem is thus solved; that is, for each time segment τ nl , l = 1, 2, ..., N T , the excitation of the jth channel is given by the complex entry a lj of the A matrix. By additive superimposition of these N T patterns, the desired, equivalent power pattern p k is generated, which has maximum uniformity. It must be emphasized again that the minimally sufficient number of different excitation vectors or time intervals to achieve maximum uniformity is N T = N, since formula (13) shows that A is quadratic. This means that as many excitation vectors as channels are required in order to achieve maximum uniformity using the above method.
Schließlich kann das Verfahren zur Optimierung der Gleichmäßigkeit wie folgt zusammenfassen:
- • Input: Ein Satz von L Erwärmungsmatrizen Q1, Q2, ..., QL, bei einer bestimmten Frequenz fn.
- • Output: Ein Satz von N Anregungsvektoren a1, a2, ..., aN, die zeitlich nacheinander für τn1, τn2, ..., τnN Sekunden als Anregungsparameter des Verstärkers während des Verweilens bei Frequenz fn angewandt werden sollen (vgl.
2 ). - • Schritte:
- 1. Berechne die Basismatrizen
- 2. Mithilfe der normierten Q-Matrizen
- 3. Normiere die Basismuster
auf Summe von 1 Watt: - 4. Berechne die Matrix
- 5. Minimiere (bspw. durch konvexe Optimierung) die Funktion f (γ̂) = γ̂TPtγ̂ unter folgenden Bedingungen:
- ■
- ■
- 6. Berechne nichtnormierte Koeffizienten durch
- 7. Berechne C-Matrix durch
- 8. Führe die Eigenwertzerlegung von C durch: C = VDVH.
- 9. Berechne die Anregungsmatrix durch A = VD1/2VH. Die optimalen Anregungsvektoren a1, a2, ..., aN sind die entsprechenden Zeilen von A, d.h. [a1j], [a2j], ..., [aNj].
- 1. Berechne die Basismatrizen
- • Input: A set of L heating matrices Q 1 , Q 2 , ..., Q L , at a certain frequency f n .
- • Output: A set of N excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N , which are used one after the other for τ n1 , τ n2 , ..., τ nN seconds as excitation parameters of the amplifier while it is at frequency f n should be (cf.
2 ). - • Steps:
- 1. Compute the basic matrices
- 2. Using the normalized Q-matrices
- 3. Normalize the basic pattern to a sum of 1 watt:
- 4. Compute the matrix
- 5. Minimize (e.g. by convex optimization) the function f (γ̂) = γ̂ T P t γ̂ under the following conditions:
- ■
- ■
- 6. Compute non-normalized coefficients by
- 7. Compute C-matrix
- 8. Perform the eigenvalue decomposition of C: C = VDV H.
- 9. Calculate the excitation matrix by A = VD 1/2 V H. The optimal excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N are the corresponding rows of A, ie [a 1j] , [a 2j] , ..., [a Nj] .
- 1. Compute the basic matrices
Das oben beschriebene Optimierungsverfahren stellt nur eine beispielhafte Ausgestaltung dar und kann auch durch ein äquivalentes Verfahren ersetzt werden, beispielsweise durch ein Verfahren wie es in der
In vorangegangenem Verfahren wurde die Gleichmäßigkeit der Erwärmung bei einer einzelnen Frequenz optimiert. Wird dieses Verfahren bei mehreren Frequenzen angewendet, erhält man eine Reihe von optimierten Leistungsverteilungen pk(fn) in Abhängigkeit von der Frequenz. Man kann diese Frequenzen mit den entsprechenden Anregungsparametern nacheinander anregen, um ein durchschnittliches Leistungsmuster zu bekommen:
Man kann jedoch diese Überlagerung der entsprechenden monofrequenten Muster auch unterschiedlich stark gewichten, entweder indem man die Anregungen bei den einzelnen Frequenzen entsprechend skaliert, oder indem man die Verweildauer bei jeder Frequenz entsprechend verlängert bzw. verkürzt. Der Endeffekt ist gleich, nämlich, dass das äquivalente Leistungsmuster, das schließlich daraus resultiert, eine gewichtete Überlagerung der monofrequenten Muster ist:
Das Maß der Ungleichmäßigkeit des resultierenden Musters ist, wie bei Verfahren B, die normierte Standardabweichung der Leistungsverteilung unter den Teilgebieten Gk (siehe Formel (9)). Man kann dieses Maß erneut als analytische Funktion der Gewichte wn ausdrücken. Zur Vereinfachung der Formel ist es sinnvoll, die Leistungsdichten bei jeder einzelnen Frequenz so zu normieren, dass deren Summe
Die normierte Standardabweichung des endgültigen Leistungsmusters p̃k ist demnach
- • Finde einen reellen Nf -dimensionalen Vektor ŵ der folgenden Bedingungen genügt:
- [i]
- [ii] ŵn ≥ 0, n = 1,2, ..., Nf.
- [iii] Er minimiert die Funktion f(ŵ) = ŵTPfŵ.
- [i]
- • Find a real N f -dimensional vector ŵ that satisfies the following conditions:
- [i]
- [ii] ŵ n ≥ 0, n = 1,2, ..., N f .
- [iii] It minimizes the function f (ŵ) = ŵ T P f ŵ.
- [i]
Obiges Optimierungsproblem ist konvex und kann unter anderem anhand bekannter mathematischer Verfahren für konvexe Optimierung numerisch gelöst werden. Nach der Bestimmung der normierten Gewichte ŵn kann man die nichtnormierten Gewichte durch folgende Formel bestimmen
Diese können wiederum auf Gesamtsumme
Schließlich kann man letzteres Verfahren wie folgt zusammenfassen:
- • Input: Ein Satz von Leistungsmustern {pk{fn), k = 1,2, ...,L} gemessen oder berechnet bei einem vorbestimmten Stichprobensatz von Frequenzen {fn,n = 1,2, ...,Nf}.
- • Output: Ein Satz von Gewichten {wn, n = 1,2, ..., Nf}, die entweder als Zeit- oder Amplitudenmodulation des Verweilens des Verstärkers bei der jeweiligen Frequenz fn angewandt werden können, um die Gleichmäßigkeit des am Ende resultierenden Musters zu optimieren.
- • Schritte:
- 1. Normiere Leistungsmuster mithilfe der Formel
- 2. Berechne Matrix
- 3. Minimiere Funktion f(ŵ) = ŴTPfŴ unter folgenden Bedingungen:
- 4. Berechne die nichtskalierten Gewichte durch
- 1. Normiere Leistungsmuster mithilfe der Formel
- • Input: A set of performance patterns {p k {f n ), k = 1,2, ..., L} measured or calculated at a predetermined sample set of frequencies {f n, n = 1,2, ..., N f }.
- • Output: A set of weights {w n , n = 1,2, ..., N f }, which can be applied either as time or amplitude modulation of the dwell of the amplifier at the respective frequency f n in order to ensure the evenness of the optimize the resulting pattern at the end.
- • Steps:
- 1. Normalize performance patterns using the formula
- 2. Compute matrix
- 3. Minimize function f (ŵ) = Ŵ T P f Ŵ under the following conditions:
- 4. Calculate the unscaled weights
- 1. Normalize performance patterns using the formula
3) Beliebige Verteilung der Leistungswerte:3) Any distribution of the performance values:
Zwischen den beiden oben erwähnten Extremfällen (Fokussierung oder gleichmäßige Verteilung) gibt es den intermediären Fall, bei dem der Nutzer eine bestimmte Verteilung der EM-Leistung unter den Teilbereichen des Erwärmungsguts anstrebt, die weder absolut auf einen Teilbereich fokussiert ist, noch ganz gleichmäßig ist. In einigen Anwendungen könnte es bspw. erwünscht sein, dass die Leistung, die in jedem Teilbereich konsumiert wird, einen bestimmten Wert innerhalb bestimmter Toleranzen hat:
Das Grundprinzip hinter diesem Algorithmus ist, dass ein Kompromiss zwischen „realisierbaren“ und „erwünschten“ Leistungsmustern gefunden wird. Als „realisierbar“ bezeichnet man alle Leistungsmuster, die durch einen beliebigen Anregungsvektor a im Erwärmungsgut hervorgerufen werden können, also alle Muster der Form pl = aHQla, l = 1,2, ..., L. Als „erwünscht“ bezeichnet man alle Muster, die vom erwünschten Leistungsmuster weniger als vordefinierte Toleranzgrenzen abweichen, also alle Muster pl die Bedingung (15) erfüllen. Im Idealfall gibt es Muster die sowohl realisierbar als auch erwünscht sind. Falls nicht, wird nach einem realisierbaren Muster gesucht, das von einem beliebigen erwünschten Muster am wenigsten abweicht.The basic principle behind this algorithm is that a compromise is found between “realizable” and “desired” performance patterns. All performance patterns that can be caused by any excitation vector a in the material to be heated are called “realizable”, i.e. all patterns of the form p l = a H Q l a, l = 1,2, ..., L. As “desirable “One denotes all the patterns that are desired by Performance patterns deviate less than predefined tolerance limits, so all patterns p l meet condition (15). Ideally, there are patterns that are both feasible and desirable. If not, a feasible pattern is sought which deviates the least from any desired pattern.
Im Rahmen dieses Algorithmus definiert man für jeden Teilbereich Gl einen N-dimensionalen komplexen Leistungsvektor
Anhand obiger Definition kann man jedem Leistungsvektorsatz {F1, F2, ..., FL} ein entsprechendes Leistungsmuster {p1,p2, ..., pL} zuordnen, wobei pl = ||Fl∥2 (jeder Leistungswert des Musters ist die quadrierte Norm des entsprechenden Leistungsvektors). Basierend darauf kann man die Definition der „erwünschten“ und „realisierbaren“ Leistungsmuster auf Leistungsvektorensätze übertragen. Ein Leistungsvektorsatz {F1, F2, ..., FL} ist realisierbar bzw. erwünscht, wenn das entsprechende Leistungsmuster auch realisierbar bzw. erwünscht ist. Demnach definiert man zwei Mengen:
- - Menge A enthält alle „realisierbaren“ Leistungsvektorensätze, d.h. alle Leistungsvektorensätze {F1, F2,..., FL}, für die ein beliebiger Anregungsvektor existiert a, sodass
- - Menge B enthält alle „erwünschten“ Leistungsvektorensätze, d.h. alle Leistungsvektorensäzte {F̃1, F2,..., F̃L}, für die Bedingung (15) erfüllt ist
- - Set A contains all “realizable” power vector sets, ie all power vector sets {F 1 , F 2 , ..., F L } for which an arbitrary excitation vector exists a, so that
- - Set B contains all “desired” service vector sets, ie all service vector sets {F̃ 1 , F 2 , ..., F̃ L }, for which condition (15) is fulfilled
Statt nach Leistungsmuster zu suchen, die sowohl erwünscht als auch realisierbar sind, kann man nach entsprechenden Leistungsvektoren suchen, was aus mathematischer Sicht einfacher ist. Ziel des Verfahrens ist also ein Element in der Schnittmenge A ∩ B zu finden, d.h. einen Leistungsvektorsatz, der sowohl erwünscht als auch realisierbar ist. Falls die Schnittmenge leer ist (A ∩ B = Ø), sucht das Verfahren nach einem realisierbaren Satz in A, der so wenig wie möglich von der erwünschten Menge B entfernt ist.Instead of looking for performance patterns that are both desirable and feasible, one can look for corresponding performance vectors, which is easier from a mathematical point of view. The aim of the procedure is to find an element in the intersection A ∩ B, i.e. a power vector set that is both desirable and realizable. If the intersection is empty (A ∩ B = Ø), the procedure searches for a feasible set in A that is as little as possible from the desired set B.
Anhand obiger Beschreibung wurde die Suche nach einem Leistungsmuster, das einer beliebigen Leistungsverteilung entspricht, in eine Suche nach einer Schnittmenge umformuliert. Ein bekanntes mathematisches Verfahren, das ein Element in der Schnittmenge zweier Mengen A und B finden kann, ist das iterative Verfahren der alternierenden Projektionen. Demnach beginnt man mit einem beliebigen Punkt x1 ∈ A und projiziert ihn auf Menge B. Dadurch erhält man einen Punkt x̃1 ∈ B. Diesen projiziert man wieder zurück auf Menge A und erhält einen Punkt x̃2 ∈ A. Dieser wird erneut auf B projiziert um einen Punkt x̃2 zu bekommen, usw. Das Verfahren wird solange wiederholt bis eins der folgenden Abbruchkriterien erfüllt werden:
- - Ein Punkt in der Schnittmenge A n B wurde gefunden.
- - Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Elementen der Folge x1, x2, ..., xn, ... wird kleiner als eine vordefinierte Schwelle ∈, d.h. ∥xn - xn+1∥ < ∈.
- - Eine maximale Anzahl an Iterationen Nmax wurde überschritten, d.h. n > Nmax
- - A point in the intersection A n B was found.
- - The distance between successive elements of the sequence x 1 , x 2 , ..., x n , ... becomes smaller than a predefined threshold ∈, ie ∥x n - x n + 1 ∥ <∈.
- - A maximum number of iterations Nmax was exceeded, ie n> N max
Wie im konkreten Fall der Mengen A und B der erwünschten bzw. realisierbaren Leistungsvektoren obiges Verfahren umgesetzt werden kann, wird demnächst beschrieben.How the above method can be implemented in the specific case of the quantities A and B of the desired or realizable power vectors will be described shortly.
Man fängt mit einem willkürlichen Startvektor a0 an (z.B. a0 = [1 1 ... 1]T). Die daraus resultierende Leistung in Teilbereich Gl wird durch die Formel
In Teilbereichen, in denen die Randbedingungen (15) vom ursprünglichen Vektor Fl erfüllt werden, wird der Vektor gleichgelassen, d.h.
Durch die vorangegangene Prozedur wird ein neuer Vektor
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können mit den obigen Algorithmen Erwärmungsmatrizen aller Teilbereiche des Erwärmungsguts berechnet bzw. abgeschätzt werden. Die Kenntnis dieser Matrizen ermöglicht dem Benutzer bzw. System, ein sehr breites Spektrum an Optimierungsproblemen bezüglich der Leistungsverteilung zu lösen. So kann anhand dieser Matrizen nicht nur die Leistung fokussiert werden, sondern auch gleichmäßig verteilt werden, oder, im allgemeinen Fall, beliebig verteilt werden. Einige Algorithmen, die dafür eingesetzt werden können, wurden beispielhaft in den vorangegangenen Einheiten beschrieben.In the proposed method, the above algorithms can be used to calculate or estimate heating matrices for all subregions of the material to be heated. The knowledge of these matrices enables the user or system to solve a very broad spectrum of optimization problems with regard to the power distribution. With the help of these matrices, not only can the power be focused, but also distributed evenly, or, in the general case, distributed arbitrarily. Some algorithms that can be used for this have been described in the previous units as examples.
Phase 3 (Erwärmung der Last):Phase 3 (heating of the load):
Nachdem in Phase 2 durch den entsprechenden Optimierungsprozess die Anregungsvektoren bestimmt wurden, die zur erwünschten Leistungsverteilung innerhalb des Erwärmungsguts führen, werden sie dem Verstärker
Es ist möglich, dass für einige spezialisierte Erwärmungsprozesse die Optimierungsziele zeitlich angepasst bzw. verändert werden müssen. Beispielsweise könnte es vorkommen, dass ein Erwärmungsprozess am Anfang gleichmäßig verlaufen soll und erst ab einer bestimmten Temperatur mit der Fokussierung anfangen soll. Dementsprechend müsste Phase 2 wiederholt werden, um die Anregungsparameter den veränderten Erwärmungszielen anzupassen.It is possible that for some specialized heating processes the optimization goals have to be adjusted or changed in terms of time. For example, it could happen that a heating process should run uniformly at the beginning and should only start focusing after a certain temperature. Accordingly,
Zweite AusführungSecond execution
Das Anwendungsszenario der zweiten beispielhaften Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens betrifft Erwärmungsgut, das nicht zwangsläufig vom Benutzer in Teilbereiche aufgeteilt werden muss oder kann, sondern, das aus Materialien besteht, deren dielektrischen Eigenschaften sich vorzugsweise relativ stark mit der Temperatur verändern. Ein wichtiges und häufig vorkommendes Beispiel solcher Szenarien ist das Auftauen von tiefgefrorenen Objekten, wie Lebensmittel, Gerichte, Blutproben, Transplantationsorgane usw. Solche Objekte enthalten einen relativ hohen Wasseranteil, und die dielektrischen Eigenschaften von Wasser verändern sich stark mit der Temperatur, besonders am Übergangspunkt vom festen zum flüssigen Aggregatszustand.The application scenario of the second exemplary embodiment of the proposed method relates to material to be heated that does not necessarily have to or cannot be divided into sub-areas by the user, but rather that consists of materials whose dielectric properties preferably change relatively strongly with temperature. An important and common example of such scenarios is the thawing of frozen objects such as food, dishes, blood samples, transplant organs, etc. Such objects contain a relatively high proportion of water, and the dielectric properties of water vary greatly with temperature, especially at the transition point from solid to liquid state of aggregation.
Wie bereits erwähnt, besteht die Herausforderung in derartigen Szenarien darin, solche Objekte möglichst gleichmäßig zu erwärmen bzw. aufzutauen. Da die Leistungsverteilung, die durch Anregung der EMAZ
Der Zweck der zweiten Ausführung des Verfahrens besteht darin, diesem Effekt entgegenzuwirken und, noch allgemeiner, Materialien mit temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften gleichmäßig zu erwärmen.The purpose of the second embodiment of the method is to counteract this effect and, more generally, to uniformly heat materials with temperature-dependent dielectric properties.
Bei der zweiten Ausführung werden hierzu die S-Parameter von zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen verglichen, um daraus die Erwärmungsmatrizen der Bereiche zu ermitteln, die während des Zeitintervalls zwischen den beiden Messungen besonders stark erwärmt wurden (Hotspots). Mithilfe dieser Matrizen werden dann neue Anregungsparameter bestimmt, die die weitere Erwärmung besagter Hotspots verhindern oder zumindest mindern.In the second embodiment, the S-parameters of successive measurements are compared in order to determine the heating matrices of the areas that were heated particularly strongly during the time interval between the two measurements (hotspots). With the help of these matrices, new excitation parameters are then determined, which prevent or at least reduce the further heating of said hotspots.
Um dies zu verdeutlichen, nehme man an, dass an Zeitpunkten tn und tn+1 > tn die S-Parameter S(f) der EMAZ innerhalb des Betriebsfrequenzspektrums f1 < f < f2 gemessen wurden. Die entsprechenden Messungen sind als Sn und Sn+1 bezeichnet. Während des Zeitintervalls [tn, tn+1] wird Anregungsvektor an angewandt und eine entsprechende Leistungsverteilung pn(r) im Erwärmungsgut erzeugt. Im linken Teil der
Man nehme zusätzlich an, dass die Verluste des Erwärmungsguts mit der Temperatur steigen. Dann ist der Gesamtverbrauch der EM-Leistung während des Zeitintervalls [tn, tn+1] gewachsen und die gesamtreflektierte Leistung entsprechend gesunken. Die Veränderung der reflektierten Leistung wird durch folgende Matrix gegeben
Nach dem Energieerhaltungssatz müssen die in der Last konsumierte Leistung und die parasitären Verluste um das Negative obigen Betrags gestiegen sein. Wenn man annimmt, dass die zusätzliche Leistung nur in den Regionen des Erwärmungsguts verbraucht wurde, wo die Temperatur wesentlich gestiegen ist (siehe Bereiche 3a in
Um die weitere Erwärmung dieser Bereiche zu vermeiden, muss man die eingetragene Leistung aHQha minimieren. Der passende Anregungsvektor wird durch den Eigenvektor vmin des Problems
Eine andere Optimierungsoption ist, die relative Leistung, die in den Hotspots verbraucht wird, im Verhältnis zum restlichen Erwärmungsgut zu minimieren. Dafür muss man folgenden Quotienten minimieren:
Der Zähler ist die Leistung, die in den Hotspots verbraucht wird, und der Nenner ist die Leistung die im restlichen Erwärmungsgut verbraucht wird (einfallende Leistung minus reflektierte minus unerwünschte Leistung). Der entsprechende optimierte Vektor ist der Eigenvektor vmin folgenden verallgemeinerten Eigenwertproblems
Obiger Algorithmus basiert auf der Annahme, dass der Anstieg des Leistungsverbrauchs während des Zeitintervalls [tn, tn+1] nur in den Hotspots verbraucht wird. Dies ist nur approximationsweise richtig, denn im Allgemeinen wird die Temperatur, und daher die verbrauchte Leistung, im gesamten Erwärmungs- bzw. Auftaugut steigen. Daher wird die Matrix -Δ(SHS) in der Realität eine Mischung aus der Q-Matrix der Hotspots und des übrigen Erwärmungsguts sein. Der stärkste Anstieg des Leistungsverbrauchs wird jedoch dort stattfinden, wo die Temperatur am stärksten gestiegen ist.The above algorithm is based on the assumption that the increase in power consumption during the time interval [t n , t n + 1] is only consumed in the hotspots. This is only correct as an approximation, because in general the temperature, and therefore the power consumed, will increase throughout the entire product being heated or thawed. Therefore the matrix -Δ (S H S) will in reality be a mixture of the Q matrix of the hotspots and the rest of the material to be heated. However, the greatest increase in power consumption will take place where the temperature has risen the most.
Um diese qualitativen Aussagen zu quantifizieren, kann man die Q-Matrix des gesamten Erwärmungsguts für t = tn in zwei Teile zerlegen, einen Teil Qh für die Bereiche Vh, in denen sich in der Zukunft (t = tn+1) die Hotspots bilden werden, und einen Teil Qc für den Rest der Last Vc:
Mithilfe des Zwischenwertsatzes kann man die obigen Integrale wie folgt umschreiben:
Zum Zeitpunkt t = tn+1 sind die Durchschnittswerte der Verluste σ̅c, σ̅h gewachsen. Per Definition sind die Verluste im Hotspot-Bereich Vh viel stärker gewachsen als im restlichen Bereich Vc. Wenn die neuen Werte
Da die Veränderung der Q-Matrix (konsumierte Leistung) das Negative der Veränderung der Reflektion ist, d.h. ΔQ = -Δ(SHS), lässt sich obige Gleichung wie folgt zusammenfassen:
Obige Gleichung zeigt, dass - wenn die elektromagnetischen Felder relativ ungestört von der Temperaturänderung bleiben - die negative Veränderung der Matrix SHS eine lineare Kombination (Mischung) aus den Q-Matrizen des „kühlen“ und des übergeheizten Bereichs approximiert. Man würde gerne das Verhältnis der Leistung im „heißen“ Bereich zur Leistung im „kühlen“ Bereich minimieren, d.h. den Quotienten
Die erste Ableitung von g ist
Obige Präsentation der physikalisch-mathematischen Prinzipien der Methode hat gezeigt, dass der Algorithmus auch dann wirkungsvoll ist, wenn die Verluste nicht nur in den Hotspots steigen, sondern allgemein im ganzen Erwärmungsgut (was physikalisch realistischer anzunehmen ist). Die einzige Annahme bzw. Vereinfachung ist, dass sich die elektromagnetischen Felder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen der S-Parameter nicht wesentlich verändern. Um diese Annahme aufrechtzuerhalten, ist es ratsam die S-Parameter oft genug zu messen, d.h. bevor große Änderungen der Verlust- und Feldverteilung im Erwärmungsgut stattgefunden haben.The above presentation of the physical-mathematical principles of the method has shown that the algorithm is also effective when the losses increase not only in the hotspots, but also generally in the entire heating material (which is to be assumed physically more realistically). The only assumption or simplification is that the electromagnetic fields do not change significantly between two successive measurements of the S-parameters. In order to maintain this assumption, it is advisable to measure the S-parameters often enough, i.e. before large changes in the loss and field distribution in the material to be heated have taken place.
Zusammenfassend kann man die zweite Ausführung des Verfahrens wie folgt in Schritte gliedern:
- 1. Am Anfang (tn = 0) wähle einen beliebigen Anregungsvektor a aus (bspw. a = [11...1]T, d.h. alle Amplituden gleich und null Phasendifferenz).
- 2. Für t = tn miss die S-Matrix der EMAZ Sn(f).
- 3. Wende Anregungsvektor a an.
- 4. Nach dem Ablauf eines vordefinierten Zeitintervalls Δt, d.h. für t = tn+1 = tn + Δt, miss erneut die S-Matrix Sn+1(f).
- 5. Berechne die Veränderung in der Matrix
- • (Optional) Falls die absolute oder relative Veränderung zu groß ist, d.h. falls ||Δ(SHS)|| oder
- • (Optional) Falls die absolute oder relative Veränderung zu groß ist, d.h. falls ||Δ(SHS)|| oder
- 6. Finde den Vektor a, der den
- • Dieser Vektor ist der Eigenvektor der Gleichung
- • Dieser Vektor ist der Eigenvektor der Gleichung
- 7. Falls der Erwärmungs- bzw. Auftauprozess noch nicht zu Ende ist, gehe zu
Schritt 3 . Sonst beende den Prozess.
- 1. At the beginning (t n = 0) select any excitation vector a (for example a = [11 ... 1] T , ie all amplitudes equal and zero phase difference).
- 2. For t = t n measure the S-matrix of the EMAZ S n (f).
- 3. Apply excitation vector a.
- 4. After a predefined time interval Δt has elapsed, ie for t = t n + 1 = t n + Δt, measure the S matrix S n + 1 (f) again.
- 5. Calculate the change in the matrix
- • (Optional) If the absolute or relative change is too large, ie if || Δ (S H S) || or
- • (Optional) If the absolute or relative change is too large, ie if || Δ (S H S) || or
- 6. Find the vector a that corresponds to the
- • This vector is the eigenvector of the equation
- • This vector is the eigenvector of the equation
- 7. If the warming or thawing process has not ended, go to
step 3 . Otherwise end the process.
Das Beendung obigen Prozesses kann anhand unterschiedlicher Kriterien entschieden werden. Bspw. kann die Temperatur des Erwärmungsguts an einem oder mehreren Punkten durch Temperatursensoren überwacht werden (s. Datenstrom
Ein Abbruchkriterium für Auftauprozesse, oder allgemein Prozesse, während derer ein Phasenwechsel des Erwärmungsguts stattfindet, kann durch Überwachung der Veränderung der S-Parameter bzw. der Leistungsaufnahmekapazität mit der Zeit erhalten werden. So wächst bspw. die Leistungsaufnahmekapazität eines Gefriergutes nach dem Auftauen nicht so stark wie während des Auftauens. Demnach könnte man die zeitliche Kurve der Leistungsaufnahmekapazität mit der Zeit überwachen und den Prozess dann abbrechen, wenn diese aufhört zu steigen, oder wenn die erste Ableitung der selbigen Kurve stark sinkt. Diese quantitativen Veränderungen würden auf einen qualitativen Phasenübergang hinweisen.A termination criterion for thawing processes, or in general processes during which a phase change of the material to be heated takes place, can be obtained by monitoring the change in the S-parameters or the power consumption capacity over time. For example, the power consumption capacity of frozen food does not grow as much after defrosting as it does during defrosting. Accordingly, one could monitor the time curve of the power consumption capacity over time and then stop the process if it stops increasing or if the first derivative of the same curve drops sharply. These quantitative changes would indicate a qualitative phase transition.
Ähnliche Vorgehensweisen sind bereits bekannt. So wurde vorgeschlagen, die Absorptionsrate (d.h. das Verhältnis absorbierter zu eingespeister Leistung) für möglichst viele Anregungsvektoren a und Frequenzen f zu überwachen. Demnach könnten einige Frequenzen und Anregungsvektoren a besser geeignet sein, den Phasenübergangsprozess zu detektieren. Es wurde auch vorgeschlagen, den Mittelwert der Absorptionsrate über alle angewandten Vektoren und Frequenzen als Indikator zu nehmen.Similar approaches are already known. It was proposed to monitor the absorption rate (i.e. the ratio of absorbed to fed-in power) for as many excitation vectors a and frequencies f as possible. Accordingly, some frequencies and excitation vectors a could be better suited to detect the phase transition process. It has also been suggested to take the mean value of the absorption rate over all applied vectors and frequencies as an indicator.
Im Folgenden werden zwei neue Methoden beschrieben, diesen Phasenübergang zu detektieren. Die erste Methode besteht darin, für jede Frequenz das Maximum der Absorptionsrate über die S-Parameter zu berechnen. Dieser Wert ist
Der Durchschnittswert der Absorptionsrate ist ebenfalls ein guter Indikator für den Zustand der Last. Die bisher zur Ermittlung dieses Durchschnittswertes genutzte Verfahrensweise ist jedoch ungenau, sehr aufwändig, und ineffizient, da die reflektierte Leistung bei möglichst vielen Anregungsparametern gemessen werden muss. Ein alternativer Weg, diesen Durchschnitt im Rahmen der zweiten Methode bei einer Frequenz zu berechnen, wird im Folgenden präsentiert.The average value of the absorption rate is also a good indicator of the state of the load. The procedure previously used to determine this average value is, however, imprecise, very complex and inefficient, since the reflected power has to be measured with as many excitation parameters as possible. An alternative way of calculating this average in the second method at a frequency is presented below.
Die Absorptionsrate für einen beliebigen, normierten Anregungsvektor a (||a|| = 1) ist
Da die Eigenwerte von SHS gleich die quadrierten Singulärwerte von S sind, hat man schließlich:
Anhand der obigen Berechnung könnte man einen Auftauprozess oder ähnlichen Erwärmungsprozess, währenddessen ein Phasenübergang der Last bzw. des Erwärmungsguts stattfindet, anhand des folgenden Algorithmus überwachen und eventuell abbrechen (s. Schritt
- a. Führe die SVD-Zerlegung der in
Schritt 4 gemessenen Streumatrix Sn+1(f) durch. - b. Aus den obigen Singulärwerten berechne die Absorptionsrate bei jeder Frequenz durch Formell
- c. Berechne den Mittelwert, den Maximalwert oder den Minimalwert der Absorptionsrate über die Frequenz:
- d. Zeichne die dadurch entstandene Kurve der zeitlichen Entwicklung dieses Werts als
- e. Berechne die zeitliche Ableitung der obigen Kurve
- a. Perform the SVD decomposition in step
4th measured scattering matrix S n + 1 (f). - b. From the singular values above, calculate the absorption rate at each frequency by Formula
- c. Calculate the mean value, the maximum value or the minimum value of the absorption rate over the frequency:
- d. Draw the resulting curve of the development of this value over time as
- e. Calculate the time derivative of the curve above
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Bestrahlungszone (EMAZ)Irradiation Zone (EMAZ)
- 22
- AntennenAntennas
- 33
- Erwärmungsgut bzw. Objekt(e)Material to be heated or object (s)
- 44th
- Leistungsverstärker mit HF-QuellePower amplifier with RF source
- 55
- Messeinrichtung für StreuparameterMeasuring device for scattering parameters
- 66th
- RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
- 77th
- EingangsdatenstromInput data stream
- 88th
- BefehlsdatenstromCommand stream
- 99
- Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
- 1010
- RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
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