DE102019210266A1 - Method and device for the uniform heating of dielectric objects by means of high-frequency radiation - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zur gleichmäßigen Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung werden die Objekte über N ≥ 2 HF-Sendekanäle mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Vor Beginn des Erwärmungsprozesses werden entweder Reflexionsmessungen oder wenigstens eine Streuparametermessung durchgeführt, bei denen aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Aus den Messungen werden Erwärmungsmatrizen für N unterschiedliche Teilbereiche des Objekts oder der Objektgruppe abgeschätzt. Aus den Erwärmungsmatrizen werden dann Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt, die zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem Objekt oder der Objektgruppe führen, und die HF-Sendekanäle anschließend mit diesen Betriebsparametern zur Erwärmung des Objektes oder der Objektgruppe betrieben. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen eine Optimierung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung ohne aufwändige und teure Hardware.In a method for uniform heating of dielectric objects by means of high-frequency radiation, the objects are irradiated with coherent high-frequency radiation via N ≥ 2 RF transmission channels. Before the start of the heating process, either reflection measurements or at least one scattering parameter measurement are carried out, in which high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected at irradiation locations of the RF transmission channels. Heating matrices for N different sub-areas of the object or the object group are estimated from the measurements. Operating parameters for the RF transmission channels are then determined from the heating matrices, which lead to a uniform heat distribution in the object or the object group, and the RF transmission channels are then operated with these operating parameters to heat the object or the object group. The method and the associated device make it possible to optimize the uniformity of the heating without complex and expensive hardware.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer gleichmäßigen Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei denen 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 uniform 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.In many applications of microwave heating, the objects to be heated, hereinafter also referred to as loads or items to be heated, are located in a closed, electromagnetically isolated (mostly metallic) cavity that is fed by one or more high-frequency electromagnetic radiation sources. One of the main problems in 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.
Stand der TechnikState of the art
Für eine gleichmäßige Erwärmung einer oder mehrerer Objekte in einer Bestrahlungszone, insbesondere einer metallischen, elektromagnetisch isolierten Kavität, sind bisher unterschiedliche Techniken bekannt, von denen im Folgenden einige kurz angeführt werden.Various techniques have hitherto been known for uniform heating of one or more objects in an irradiation zone, in particular a metallic, electromagnetically insulated cavity, some of which are briefly listed below.
So wird für eine bessere Gleichmäßigkeit der Erwärmung eine Bewegung der Last innerhalb der Kavität, z.B. durch Platzierung auf eine rotierende Platte, eine Nutzung von mechanischen Modenmischern oder auch von beweglichen Antennen vorgeschlagen. Eine der wichtigsten Techniken 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.
Weiterhin ist die deterministische Berechnung der Moden oder realisierbaren Felder in der beladenen Kavität bekannt, durch deren Überlagerung die Gleichmäßigkeit des daraus resultierenden Feldmusters optimiert werden kann. So beschreibt beispielsweise die
Schließlich können einige dieser Verfahren nur die Oberflächentemperatur als Maß des EM-Leistungsverbrauchs erfassen, was nicht immer aussagekräftig für voluminöse Objekte ist.Finally, some of these methods can only capture surface temperature as a measure of EM power consumption, which is not always meaningful for bulky objects.
Obige Techniken können zwar zur Verbesserung der Erwärmungsgleichmäßigkeit in einer Mikrowellenkavität führen, haben aber jeweils einige Nachteile bzw. Einschränkungen. Hierzu gehören bspw. das Erfordernis mechanisch beweglicher Teile, die häufig teuer herzustellen und aufwändig zu warten sind oder wegen mechanischen Verschleißes evtl. oft ausgetauscht werden müssen, das Erfordernis aufwändiger Messtechnik für eine deterministische Berechnung, hohe Anforderungen an die Steuerungshardware und den Leistungsverstärker bei Erzeugung einer stochastischen Mischung oder eine nicht optimale Gleichmäßigkeit der Erwärmung.Although the above techniques can improve the heating uniformity in a microwave cavity, they each have some disadvantages or limitations. These include, for example, the need for mechanically moving parts, which are often expensive to manufacture and complex to maintain or may have to be replaced due to mechanical wear, the need for complex measurement technology for a deterministic calculation, high demands on the control hardware and the power amplifier Generation of a stochastic mixture or a sub-optimal uniformity of heating.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung anzugeben, mit denen die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand optimiert werden kann.The object of the present invention is to provide a method and a device for heating dielectric objects by means of high-frequency radiation, with which the uniformity of the heating can be optimized without additional hardware expenditure.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens 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 wird ein Objekt oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone, bspw. in eine metallische, elektromagnetisch isolierte Kavität, eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit N ≥ 2 getrennten HF-Sendekanälen bei einer oder mehreren Frequenzen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Die HF-Sendekanäle umfassen 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. Vor Beginn des Erwärmungsprozesses werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren entweder Reflexionsmessungen oder es wird wenigstens eine Streuparametermessung durchgeführt, bei denen bzw. der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung mit einer geeigneten Messeinrichtung an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Bei einer Reflexionsmessung werden dabei die reflektierten Leistungen gemessen, die aus der Bestrahlungszone bzw. Kavität an den Einstrahlungstoren zurückreflektiert werden. Bei einer Streuparametermessung werden nicht nur die reflektierte Leistung sondern auch die Phase der zurückgestreuten Hochfrequenzstrahlung und somit die komplexen Streuparameter (S-Parameter) der beladenen Bestrahlungszone gemessen. Diese Messungen können bei niedriger HF-Sendeleistung durchgeführt werden. Aus der wenigstens einen Streuparametermessung bzw. den Reflexionsmessungen werden dann Erwärmungsmatrizen für N unterschiedliche Teilbereiche des Objekts oder der Objektgruppe abgeschätzt, von denen jeder Teilbereich einem der N HF-Sendekanäle zugeordnet ist. Das Verfahren basiert auf der Annahme, dass jede Antenne oder Antennengruppe, die durch einen HF-Sendekanal gespeist wird, hauptsächlich einen anderen Teilbereich des Erwärmungsguts, d. h. des Objekts oder der Objektgruppe, erwärmt als alle anderen von den verbleibenden HF-Sendekanälen gespeisten Antennen und dass die aufgenommene Leistung in diesem Teilbereich mit der reflektierten Leistung an dem jeweiligen HF-Kanal korreliert ist. Durch diese Annahmen lassen sich Erwärmungsmatrizen, auch als Q-Matrizen bezeichnet, für die einzelnen Teilbereiche des Erwärmungsguts aus den durchgeführten Testmessungen, d. h. den Reflexionsmessungen oder der Streuparametermessung, bestimmen. Die Bestimmung dieser Erwärmungsmatrizen setzt eine größere Anzahl von Reflexionsmessungen bei unterschiedlicher Anregung der einzelnen HF-Sendekanäle voraus, wie dies bspw. aus der der
Vorzugsweise werden für jede der ausgewählten Frequenzen auf Basis der Erwärmungsmatrizen mehrere Anregungsparametersätze bzw. Anregungsvektoren bestimmt, die während des Erwärmungsprozesses zeitlich nacheinander verwendet werden, um ein Modenmischen durchzuführen. Die Anregung der HF-Sendekanäle mit diesen unterschiedlichen Anregungsvektoren erfolgt dann vorzugsweise in der Form eines periodischen Zeitschlitzverfahrens, bei dem für jeden Zeitschlitz andere Anregungsparameter verwendet werden. Dies wird im Rahmen der Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.A plurality of sets of excitation parameters or excitation vectors are preferably determined for each of the selected frequencies on the basis of the heating matrices, which are used one after the other during the heating process in order to carry out mode mixing. The excitation of the RF transmission channels with these different excitation vectors then preferably takes place in the form of a periodic time slot method in which different excitation parameters are used for each time slot. This is explained in more detail in the context of the exemplary embodiments.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Verbesserung bzw. Optimierung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung eines verlustbehafteten dielektrischen Erwärmungsguts mittels Einstrahlung von Hochfrequenzstrahlung. Um die Umgebung vor unerwünschter elektromagnetischer Strahlung zu schützen und die elektromagnetische Leistung effizient auf die Erwärmungslast zu konzentrieren, findet der Erwärmungsprozess häufig in einer geschlossenen elektromagnetisch isolierten Kavität statt. Dadurch können sich jedoch stehende Wellen innerhalb der Kavität und der Last bilden, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung stören. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich dennoch eine hohe Gleichmäßigkeit der Erwärmung realisieren. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung benötigen keine mechanisch beweglichen Teile, die in der Regel teuer herzustellen sind, aufwändig zu warten sind oder auch häufig ausgetauscht werden müssen. Das Verfahren benötigt kein stochastisches Modenrauschen, so dass der in der HF-Sendeeinheit einzusetzende Hochleistungsverstärker nicht so oft zwischen unterschiedlichen Anregungsparametern schalten muss. Das Verfahren erfordert keinerlei Messungen des physikalischen Zustands der Last oder des Inneren der Kavität bzw. der Bestrahlungszone, da die für das Verfahren benötigten physikalischen Größen (reflektierte Leistungen oder S-Parameter) an den Einlässen der Bestrahlungszone, an denen die Hochfrequenzleistung eingespeist wird, gemessen werden können. Somit erübrigt sich der Einsatz teurer, aufwändiger und komplizierter Sensorik im Inneren der Bestrahlungszone.The proposed method enables an improvement or optimization of the uniformity of the heating of a lossy dielectric material to be heated by means of irradiation with high-frequency radiation. In order to protect the environment from unwanted electromagnetic radiation and to concentrate the electromagnetic power efficiently on the heating load, the heating process often takes place in a closed, electromagnetically isolated cavity. However, this can cause standing waves to form within the cavity and the load, which disrupt the uniformity of heating. With the proposed method, however, a high Realize uniformity of heating. The proposed method and the associated device do not require any mechanically moving parts, which are usually expensive to manufacture, are complex to maintain or also have to be replaced frequently. The method does not require any stochastic mode noise, so that the high-power amplifier to be used in the RF transmission unit does not have to switch between different excitation parameters as often. The process does not require any measurements of the physical state of the load or the interior of the cavity or the irradiation zone, since the physical quantities required for the process (reflected powers or S-parameters) are measured at the inlets of the irradiation zone at which the high-frequency power is fed can be. This means that there is no need to use expensive, time-consuming and complicated sensors inside the irradiation zone.
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 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. 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 Bestrahlungszone, 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 Bestrahlungszone strahlen. Ferner ist entweder eine Messeinrichtung vorhanden, die die reflektierte Leistung der mit dem Erwärmungsgut beladenen Bestrahlungszone an den N ≥ 2 Einstrahlungsorten innerhalb der Frequenzbandbreite des Verstärkers messen kann, oder eine Messeinrichtung, die die Streuparameter (S-Matrix) der mit dem Erwärmungsgut beladenen Bestrahlungszone 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 irradiation zone can be a fully or partially electromagnetically insulated cavity (for example 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. 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 irradiation zone 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 irradiation zone. Furthermore, there is either a measuring device that can measure the reflected power of the irradiation zone loaded with the material to be heated at the N ≥ 2 irradiation locations within the frequency bandwidth of the amplifier, or a measuring device that displays the scatter parameters (S matrix) of the irradiation zone loaded with the material to be heated can measure the N ≥ 2 irradiation locations within the frequency bandwidth of the amplifier.
Entsprechend weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine HF-Sendeeinheit mit HF-Quelle und Leistungsverstärker und wenigstens zwei HF-Sendekanälen auf, über die in die Bestrahlungszone eingebrachte Objekte mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlbar sind. Die Vorrichtung verfügt auch über eine Messeinrichtung, mit der an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle in die Bestrahlungszone entweder Reflexionsmessungen von aus der beladenen Bestrahlungszone rückgestreuter Hochfrequenzstrahlung oder eine Messung der komplexen Streuparameter der beladenen Bestrahlungszone durchgeführt werden können. Die HF-Sendekanäle können über eine oder auch über mehrere Sendeantennen verfügen. Die Ansteuerung der HF-Sendeeinheit und der Messeinrichtung erfolgt über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens entsprechend einer oder mehrerer, der in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebenen Verfahrensausgestaltungen 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. The device also has a measuring device with which either reflection measurements of high-frequency radiation backscattered from the loaded irradiation zone or a measurement of the complex scatter parameters of the loaded irradiation zone can be carried out at the irradiation locations of the RF transmission channels in the irradiation zone. The RF transmission channels can have one or more transmission antennas. The control of the RF transmission unit and the measuring device takes place via a control and evaluation device which is designed to carry out the method in accordance with one or more of the method configurations described in the present patent application.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Erwärmung mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung in zeitlicher Abfolge bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Hochfrequenzstrahlung, wobei dieser Zyklus der sequenziellen Frequenzanregung auch beliebig oft wiederholt werden kann. In diesem Fall werden auch die Reflexionsmessungen bzw. die Streuparametermessung bei jeder dieser unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt. Dadurch werden die Erwärmungsmatrizen ebenfalls für die unterschiedlichen Frequenzen innerhalb des Betriebsspektrums der Signalquelle bzw. des Leistungsverstärkers der Vorrichtung ermittelt. Die Optimierung der Gleichmäßigkeit kann somit bei mehreren Frequenzen erfolgen. Die Anregung der HF-Sendekanäle kann bei allen genutzten Frequenzen dann mit den jeweils optimierten Anregungsparametern, bei mehreren Anregungsparametersätzen jeweils zeitlich nacheinander, erfolgen. Es ist zusätzlich möglich, die Anregung(en) bei jeder einzelnen Frequenz separat zu gewichten, entweder durch unterschiedliche Leistungseinträge oder durch unterschiedliche Verweildauer bei der jeweiligen Frequenz. Durch diese Gewichtung kann die Gleichmäßigkeit der Erwärmung weiter verbessert werden. Die Gewichtung wird dabei vorzugsweise ebenfalls durch ein geeignetes Optimierungsverfahren ermittelt.In an advantageous embodiment of the method, the heating is carried out with coherent high-frequency radiation in a time sequence at several different frequencies of the high-frequency radiation, with this cycle of the sequential frequency excitation also being able to be repeated as often as desired. In this case, the reflection measurements or the scattering parameter measurement are also carried out at each of these different frequencies. As a result, the heating matrices are also determined for the different frequencies within the operating spectrum of the signal source or the power amplifier of the device. The optimization of the uniformity can thus take place at several frequencies. The excitation of the RF transmission channels can then take place at all frequencies used with the respectively optimized excitation parameters, in the case of several sets of excitation parameters in each case one after the other. It is also possible to weight the excitation (s) separately for each individual frequency, either through different power inputs or through different dwell times at the respective frequency. This weighting can further improve the uniformity of the heating. The weighting is preferably also determined by a suitable optimization method.
Nachdem alle Frequenzen abgearbeitet wurden, kann sich der Zyklus der Anregung bei unterschiedlichen Frequenzen beliebig oft wiederholen. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann während des Erwärmungsprozesses die Bestimmung der Erwärmungsmatrizen durch erneute Reflexionsmessungen oder Streuparametermessung ein- oder mehrmals wiederholt werden, um die Anregungsparameter jeweils an die zeitlich variablen Bestrahlungszonen- und Lastparameter - und potentiell auch an die Bedürfnisse des zeitlichen Erwärmungsprofils - anzupassen.After all frequencies have been processed, the cycle of excitation can be repeated as often as desired at different frequencies. In one embodiment of the method, the determination of the heating matrices by renewed reflection measurements or scatter parameter measurements can be repeated one or more times during the heating process in order to adapt the excitation parameters to the time-variable irradiation zone and load parameters - and potentially also to the needs of the time-based heating profile.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können in Anwendungsgebieten eingesetzt werden, in denen Objekte oder Objektgruppen durch Hochfrequenzstrahlung gleichmäßig 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. 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 gleichmäßigen Erwärmung von Geweben, zum Auftauen von gefrorenen Blutvorräten oder Transplantationsorganen.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 uniformly 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 hygienic regulations, to better take into account the properties of the individual ingredients, to better preserve the nutritional value of the food, to accelerate the cooking process. 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 uniform heating of tissues, for thawing frozen blood supplies or transplant organs.
FigurenlisteFigure list
Das vorgeschlagene Verfahren 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 ein Beispiel für die periodische Anwendung der Betriebsparameter bzw. Anregungsvektoren bei unterschiedlichen Frequenzen gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; und -
3 eine beispielhafte Unterteilung eines dielektrischen Objekts in drei fiktive Bereiche, je nach Einfluss der Antennen der in diesem Fall drei HF-Sendekanäle.
-
1 a schematic representation of an example of the proposed device for heating one or more objects; -
2 an example of the periodic application of the operating parameters or excitation vectors at different frequencies according to the proposed method; and -
3 an exemplary subdivision of a dielectric object into three fictitious areas, depending on the influence of the antennas of the three RF transmission channels in this case.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Eine beispielhaft ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in
- • Eine Bestrahlungszone in Form einer elektromagnetisch isolierten Kavität
1 . - • 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 indie Kavität 1 einspeisen können und durch die HF-Sendekanäle der Vorrichtung gespeist werden. An jedem Kanal desLeistungsverstärkers 4 können hierzu eine oder mehrere Antennen angeschlossen sein, auch wenn in1 beispielhaft nur eine Antenne pro Kanal angezeigt wird. - •
Einer Messeinrichtung 5 , die entweder- - die komplexen Streuparameter bzw. Streumatrizen mit vordefinierter Frequenzauflösung innerhalb der Betriebsbandbreite zu willkürlichen Zeitpunkten vor und/oder während dem Erwärmungsprozess messen kann, oder
- - die reflektierte Leistung, die an jedem Verstärkerkanal ankommt, mit vordefinierter Frequenzauflösung innerhalb der Betriebsbandbreite zu willkürlichen Zeitpunkten vor oder während dem Erwärmungsprozess messen kann. Diese Messeinrichtung kann entweder in die oben genannte Signalquelle eingebaut oder separat davon angeordnet sein.
- • Einer elektronischen Steuer-
und Auswerteeinrichtung 9 die an vier Datenströmen angebunden ist: einen benutzerdefinierten Eingangsdatenstrom7 ,einen Befehlsdatenstrom 8 , einen Rückmeldungsstrom6 aus dem Hochleistungsverstärker 4 und (optional) einen Rückmeldungsstrom10 aus derKavität 1 . Datenstrom6 kann unter anderem Daten entweder der S-Parametermessungen oder der Leistungsreflexionsmessungen aus Messeinrichtung5 enthalten. Datenstrom7 enthält Anweisungen vom Benutzer (beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Leistungspegel, Dauer der Erwärmung, Frequenzauflösung, Anzahl der Zyklen, Erwärmungsprofil usw.). Datenstrom8 der Steuer- und Auswerteeinheit beinhaltet die Anregungsparameter für die unterschiedlichen Kanäle des Verstärkers (u.a. Frequenz, Amplitude, Phasendifferenz, Dauer des Signals). Datenstrom10 kann Sensordaten aus der Kavität1 und/oder dem Erwärmungsgut enthalten (z.B. Temperatur, Feuchtegrad usw.), falls solche Sensoren vorhanden sind. Die Steuer-und Auswerteeinrichtung 9 beinhaltet Software, die unterschiedliche mathematische Verfahren A und B zur Bestimmung der Erwärmungsmatrizen und Bestimmung der Betriebs- bzw. Anregungsparameter ausführt. Das Verfahren A bestimmt anhand der S-Parametermessung oder der Messung der reflektierten Leistungen die Erwärmungsmatrizen, im Folgenden auch als Q-Matrizen bezeichnet, für eine Anzahl von Teilbereichen des Erwärmungsguts, die gleich der Anzahl der Kanäle des Systems ist. Das Verfahren B bestimmt anhand der Q-Matrizen, die mit Verfahren A berechnet wurden, für jede Frequenz innerhalb der Betriebsbandbreite der HF-Quelle einen Satz von Antennenanregungsparametern bzw. Betriebsparametern, der die konsumierten Leistungen der genannten Teilbereiche des Erwärmungsguts ausgleicht. Optional kann die Software auch ein weiteres mathematisches Verfahren C ausführen, das anhand der Ergebnisse von Verfahren B die passenden Gewichte für jede Frequenz bestimmen kann, um die Gleichmäßigkeit der Erwärmung des Erwärmungsguts weiterhin zu verbessern. Die Steuer-und Auswerteeinheit 9 ist ein zentrales Element in einer Feedbackschleife, die den Erwärmungsprozess kontinuierlich überwacht und steuert.
- • An irradiation zone in the form of an electromagnetically
isolated cavity 1 . - • 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 , the high-frequency electromagnetic radiation into thecavity 1 can feed and are fed through the RF transmission channels of the device. 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 either- - can measure the complex scatter parameters or scatter matrices with a predefined frequency resolution within the operating bandwidth at arbitrary times before and / or during the heating process, or
- - can measure the reflected power arriving at each amplifier channel with a predefined frequency resolution within the operating bandwidth at arbitrary points in time before or during the heating process. This measuring device can either be built into the above-mentioned signal source or arranged separately from it.
- • An electronic control and
evaluation device 9 which is connected to four data streams: a user-defined input data stream7th , a command stream8th , a feedback stream6th from the high-performance amplifier4th and (optionally) afeedback stream 10 out of thecavity 1 . Data stream6th can include data from either the S parameter measurements or the power reflection measurements from the measuringdevice 5 contain. 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.). Data stream8th the control and evaluation unit contains the excitation parameters for the different channels of the amplifier (including frequency, amplitude, phase difference, duration of the signal).Data stream 10 can take sensor data from thecavity 1 and / or the material to be heated (e.g. temperature, humidity level, etc.), if such sensors are present. The tax andEvaluation device 9 contains software that executes different mathematical processes A and B for determining the heating matrices and determining the operating and excitation parameters. Method A uses the S parameter measurement or the measurement of the reflected powers to determine the heating matrices, also referred to as Q matrices in the following, for a number of partial areas of the material to be heated, which is equal to the number of channels in the system. Method B uses the Q matrices that were calculated with method A to determine a set of antenna excitation parameters or operating parameters for each frequency within the operating bandwidth of the RF source, which compensates for the consumed power of the named sub-areas of the material to be heated. Optionally, the software can also execute a further mathematical method C, which can use the results of method B to determine the appropriate weights for each frequency in order to further improve the uniformity of the heating of 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 wird eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zur gleichmäßigen Erwärmung eines oder mehrerer Objekte innerhalb der Kavität näher beschrieben. Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte:
- 1. Bestimmung der Erwärmungsmatrizen für N Teilbereiche des Erwärmungsguts mithilfe eines semi-empirischen Verfahrens A, wobei N der Anzahl der Sendekanäle entspricht.
- 2. Bestimmung der Anregungsparameter der Kanäle (Amplituden und Phasen), auch als Anregungsvektoren bezeichnet, bei jeder einzelnen der Frequenzen fn, n = 1,2, ..., Nf, die vom Benutzer oder vom System innerhalb der Betriebsbandbreite ausgewählt wurden, mithilfe eines mathematischen Verfahrens B.
- 3. (Optional) Bestimmung von Gewichten, mit denen die Anregungsparameter und/oder Bestrahlungszeitdauern der oben ausgewählten Frequenzen gewichtet werden müssen, mithilfe eines mathematischen Verfahrens C.
- 4. Anwendung der Anregungsparameter, die in
Schritten 2 und 3 bestimmt wurden, und Wiederholung der Anwendung für eine Anzahl von Erwärmungszyklen, die vom Benutzer oder automatisch vom System bestimmt werden kann. Das System (die Steuer- und Auswerteeinheit9 ) kann diese Anzahl entweder einmal am Anfang des Erwärmungsprozesses bestimmen, oder adaptiv, je nach Zustand des Erwärmungsgutes, anpassen. - 5. (Optional)
Wiederholung der Schritte 1bis 4, um die Anregungsparameter an potentiell veränderte Bedingungen der Last3 anzupassen.
- 1. Determination of the heating matrices for N sub-areas of the material to be heated using a semi-empirical method A, where N corresponds to the number of transmission channels.
- 2. Determination of the excitation parameters of the channels (amplitudes and phases), also known as excitation vectors, at each of the frequencies f n , n = 1, 2, ..., N f selected by the user or the system within the operating bandwidth , using a mathematical procedure B.
- 3. (Optional) Determination of weights with which the excitation parameters and / or irradiation times of the frequencies selected above must be weighted, using a mathematical method C.
- 4. Apply the stimulus parameters determined in
2 and 3 and repeat the application for a number of heating cycles that can be determined by the user or automatically by the system. The system (the control and evaluation unitsteps 9 ) can either determine this number once at the beginning of the heating process, or adapt it adaptively, depending on the condition of the material to be heated. - 5. (Optional) Repeat steps 1 to 4 to adjust the excitation parameters to potentially changed conditions of the
load 3 adapt.
Schritte 1 bis 3 stellen einen Testprozess dar (Erkennungsphase), bei dem das System durch gezielte Messungen und numerische Berechnungen die Kopplung der EM-Leistung mit dem Erwärmungsgut erkundet und die Anregungsparameter an diese Kopplung optimal anpasst. Deswegen können diese Schritte bei einer niedrigen Eingangsleistung stattfinden. Schritt 4 stellt den eigentlichen Erwärmungsprozess dar, bei dem der Pegel der HF Leistung den Bedürfnissen der vom Benutzer gestellten Anforderungen an die Erwärmung des Erwärmungsguts angepasst wird. Dieser Schritt erfolgt vorzugsweise in der Form eines periodischen Zeitschlitzverfahrens, bei dem für jeden Zeitschlitz andere Anregungsparameter verwendet werden. Das Zeitschlitzverfahren wird schematisch und beispielhaft in
- 1. Für n = 1 bis Nf
- a. Verweile bei Frequenz fn für tn Sekunden.
- b. Für j = 1 bis N
- i.
Betreibe Leistungsverstärker 4 kohärent mit Anregungsvektor - ii. Gehe zu Schritt b.
- i.
- c. Gehe zu Schritt a.
- 2.
Wiederhole Schritt 1 bis der Erwärmungsprozess beendet ist.
- 1. For n = 1 to N f
- a. Dwell at frequency f n for t n seconds.
- b. For j = 1 to N
- i. Operate power amplifiers
4th coherent with excitation vector - ii. Go to step b.
- i. Operate power amplifiers
- c. Go to step a.
- 2.
Repeat step 1 until the heating process is finished.
Im Folgenden werden die drei Verfahren (A, B und C) beschrieben, mithilfe derer die Anregungsparameter der HF-Sendekanäle bestimmt werden.The following describes the three methods (A, B and C) that are used to determine the excitation parameters of the RF transmission channels.
Bei dem Verfahren A handelt es sich um ein semi-empirisches Verfahren, das auf demselben Prinzip wie das Verfahren der
Wenn jeder Kanal einzeln angeregt wird, erzeugt die Ausstrahlung der Antenne bzw. Antennen, die daran angeschlossen sind, ein Leistungsmuster innerhalb des Erwärmungsguts. Das Leistungsmuster, das von Kanal k alleine angeregt wird, ist
Diese Bereiche Bk bilden eine natürliche Unterteilung des Erwärmungsgutes in N separate, sich nicht überschneidende Ortsmengen, wobei N der Anzahl der Kanäle entspricht. Eine derartige Unterteilung ist beispielhaft für den Fall N = 3 in
Die Gesamtleistung im Bereich Bk, wenn alle Antennen (oder ein Teil davon) angeregt werden, ist durch folgende Formel gegeben:
Ziel des Verfahrens A ist, die Q-Matrizen jedes Teilbereichs Bk zu finden. Dies kann durch „Befragung“ des Systems über gezielte Anregungen geschehen. Da es sich bei Qk um eine N × N hermitsche Matrix handelt, gibt es N2 reelle Unbekannte, die bestimmt werden müssen. Deswegen muss das System N2 Mal „befragt“ werden, d.h. es müssen N2 unterschiedliche Anregungen auf die Kanäle angewandt werden und die entsprechenden Leistungen innerhalb der Teilbereiche Bk gemessen oder abgeschätzt werden. Dann kann anhand der Gleichung pk = aHQka ein N2 × N2 lineares Gleichungssystem aufgestellt werden, dessen Lösung die Elemente der Matrix Qk ist. Die erforderlichen Anregungen werden beispielsweise ausführlich in der
Jetzt wird eine Methode beschrieben, anhand derer man die Leistung pk im Teilbereich Bk für eine beliebige Anregung der Kanäle abschätzen kann. Der Kern des Konzepts ist, die konsumierte Leistung im Teilbereich Bk mit der Leistung rk, die an den k-ten Kanal zurückreflektiert wird, zu korrelieren. Diese reflektierte Leistung kann entweder direkt durch die Messeinrichtung
Die einfallende Leistung auf einen Teilbereich Bk sei ek. Wenn die Gesamtleistung, die in alle Kanäle eingespeist wird, auf 1 Watt normiert ist, folgt Σkek = 1. Die reflektierte Leistung, die vom Bereich Bk an einen Kanal zurückkehrt, ist proportional zur einfallenden Leistung auf diesen Bereich. Daher ist rk = cek, wobei c ein positiver Reflexionskoeffizient ist. Diese Gleichung beinhaltet die zwei einzigen Vereinfachungen bzw. Annahmen des Verfahrens, dass
- (a) der Reflexionskoeffizient für alle Teilbereiche gleich ist
- (b) die reflektierte Leistung am k-ten Kanal nur aus Teilbereich Bk hervorgeht.
- (a) the reflection coefficient is the same for all sub-areas
- (b) the reflected power on the k-th channel can only be derived from sub-area B k .
Annahme (a) ignoriert die möglichen materiellen Unterschiede zwischen den Teilbereichen und den Einfallsrichtungen der Strahlung auf die jeweiligen Teilbereiche (beides beeinflusst in der Praxis den Reflexionskoeffizienten). Annahme (b) ignoriert die Tatsache, dass die reflektierte Leistung am k-ten Kanal die Überlagerung der Reflexionen aus allen Teilbereichen ist. Stattdessen wird angenommen, dass die Reflexion aus dem Teilbereich Bk den Hauptanteil der reflektierten Leistung am k -ten Kanal ausmacht und dass die Reflexionsbeiträge aus den restlichen Teilbereichen vernachlässigbar sind.Assumption (a) ignores the possible material differences between the sub-areas and the directions of incidence of the radiation on the respective sub-areas (both influence the reflection coefficient in practice). Assumption (b) ignores the fact that the reflected power on the kth channel is the superposition of the reflections from all partial areas. Instead, it is assumed that the reflection from sub-area B k makes up the main part of the reflected power on the k th channel and that the reflection contributions from the remaining sub-areas are negligible.
Addiert man alle Gleichungen der Form rk = cek auf, dann erhält man eine Formel für den Reflexionskoeffizienten c, denn
Die konsumierte Leistung im k -ten Teilbereich ist die Differenz zwischen der einfallenden und der reflektierten Leistung, d.h.
Durch obige Formel lassen sich die konsumierten Leistungen für jeden Teilbereich Bk und beliebige Anregungen durch die Messung (direkt oder indirekt) der reflektierten Leistungen an allen Kanälen abschätzen.The above formula can be used to estimate the consumed power for each sub-area B k and any stimuli by measuring (directly or indirectly) the reflected power on all channels.
Verfahren A stellt eine Testphase bzw. Lern- oder Erkennungsphase dar, während derer das System die Kopplung zwischen der Anregung der Kanäle des Verstärkers und der Erwärmung der unterschiedlichen Teilbereiche des Erwärmungsgutes erkennt bzw. erlernt. Dabei müssen entweder N2 Testmessungen pro Anregungsfrequenz in Echtzeit durchgeführt werden, während derer die einfallenden und reflektierten Leistungen an jedem Kanal gemessen werden, oder es muss die komplexe Streumatrix der Kavität bei jeder Anregungsfrequenz bestimmt werden, und mithilfe derer die reflektierten Leistungen an jedem Kanal für N2 virtuelle Anregungen berechnet werden. Letztere Anregungen werden als „virtuell“ bezeichnet, weil sie nicht im realen System stattfinden, sondern deren Effekt von der Steuerungssoftware mithilfe der gemessenen Streumatrizen emuliert wird.Method A represents a test phase or learning or recognition phase, during which the system recognizes or learns the coupling between the excitation of the channels of the amplifier and the heating of the different partial areas of the material to be heated. Either N 2 test measurements per excitation frequency must be carried out in real time, during which the incident and reflected powers are measured on each channel, or the complex scatter matrix of the cavity must be determined at each excitation frequency, and with the help of which the reflected powers on each channel for N 2 virtual excitations are calculated. The latter stimuli are referred to as “virtual” because they do not take place in the real system, but their effect is emulated by the control software with the help of the measured scatter matrices.
Zusammenfassend kann man Verfahren A in folgende Schritte zerlegen:
- • Erste Ausführungsvariante
- 1. Wähle Nf Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite aus: f1, f2, ...,fN
f . - 2. Für n = 1 bis Nf
- a. Für i = 1 bis N
- i. Rege Kanal i an.
- ii. Miss reflektierte Leistung an allen Kanälen rk (k = 1,2, ... N), und berechne Gesamtreflektion
- iii. Berechne konsumierte Leistung in Bk aus
- iv. Für j = i + 1 bis N
- (a) Rege Kanäle i und j mit Phasendifferenz φ1, an.
- (b) Miss reflektierte Leistung an allen Kanälen, rk (k = 1,2, ...N), und berechne Gesamtreflektion
- (c) Berechne konsumierte Leistung in Bk aus
- (d) Wiederhole (a) bis (c) für Phasendifferenz (φ2.
- b. Aus den vorangegangenen Messungen berechne Qk bei fn.
- a. Für i = 1 bis N
- 1. Wähle Nf Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite aus: f1, f2, ...,fN
- • Zweite Ausführungsvariante
- 1. Wähle Nf Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite aus: f1, f2, ...fN
f . - 2. Für n = 1 bis Nf
- a. Miss S-Parametermatrix S(fn)
- b. Für i = 1 bis N
- i. Berechne reflektierte Leistung an allen Kanälen, wenn nur Kanal i aktiv ist, durch rk = |Ski|2.
- ii. Berechne konsumierte Leistung in Bk aus
- iii. Für j = i + 1 bis N
- (a) Berechne reflektierte Leistung an allen Kanälen k, wenn Kanäle i und j gleiche Phase haben, aus rk = |Skj + Ski|2.
- (b) Berechne konsumierte Leistung in Bk aus
- (c) Berechne reflektierte Leistung an allen Kanälen k, wenn Kanäle i und j eine Phasendifferenz (φ, bspw. von 90°, haben, aus rk = |Skjeiφ + Ski|2.
- (d) Berechne konsumierte Leistung in Bk aus
- c. Aus den vorangegangenen Berechnungen berechne Qk bei fn.
- 1. Wähle Nf Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite aus: f1, f2, ...fN
- • First variant
- 1. Select N f frequencies within the operating bandwidth: f 1 , f 2 , ..., f N
f . - 2. For n = 1 to N f
- a. For i = 1 to N
- i. Stimulate channel i.
- ii. Miss reflected power on all channels r k (k = 1,2, ... N), and calculate total reflection
- iii. Calculate the consumed power in B k
- iv. For j = i + 1 to N
- (a) Active channels i and j with phase difference φ 1 , on.
- (b) Miss reflected power on all channels, r k (k = 1,2, ... N), and calculate total reflection
- (c) Calculate the power consumed in B k
- (d) Repeat (a) to (c) for phase difference (φ 2 .
- b. From the previous measurements calculate Q k at f n .
- a. For i = 1 to N
- 1. Select N f frequencies within the operating bandwidth: f 1 , f 2 , ..., f N
- • Second variant
- 1. Select N f frequencies within the operating bandwidth: f 1 , f 2 , ... f N
f . - 2. For n = 1 to N f
- a. Miss S parameter matrix S (f n )
- b. For i = 1 to N
- i. Compute reflected power on all channels, if only channel i is active, by r k = | S ki | 2 .
- ii. Calculate the consumed power in B k
- iii. For j = i + 1 to N
- (a) Compute reflected power on all channels k, if channels i and j have the same phase, from r k = | S kj + S ki | 2 .
- (b) Calculate the power consumed in B k
- (c) Calculate reflected power on all channels k, if channels i and j have a phase difference (φ, e.g. of 90 °, from r k = | S kj e iφ + S ki | 2 .
- (d) Calculate the power consumed in B k
- c. From the previous calculations compute Q k at f n .
- 1. Select N f frequencies within the operating bandwidth: f 1 , f 2 , ... f N
Nach der Bestimmung der Erwärmungsmatrizen Qk jedes Teilbereichs Bk ist es möglich, die konsumierte EM-Leistung in allen Teilbereichen für beliebige Antennenanregungen a durch Formel pk = aHQka zu bestimmen. Eine sehr häufig gestellte Anforderung an den Erwärmungsprozess ist, dass die Leistungswerte p1, p2,...pk,...,pN so wenig voneinander abweichen wie möglich (gleichmäßige Erwärmung des Erwärmungsguts). Ziel des Verfahrens B besteht darin, die passenden Anregungen a für die Kanäle zu finden, die zu einer möglichst gleichmäßigen Erwärmung führen, d.h. zu Werten p1,p2,...,pN die eine kleine Standardabweichung haben.After determining the heating matrices Q k of each sub-area B k , it is possible to determine the EM power consumed in all sub-areas for any antenna excitations a using the formula p k = a H Q k a. A very frequently asked requirement for the heating process is that the power values p 1 , p 2 , ... p k , ..., p N deviate from one another as little as possible (uniform heating of the material to be heated). The aim of method B is to find the appropriate excitations a for the channels that lead to the most uniform possible heating, ie to values p 1 , p 2 ,..., P N which have a small standard deviation.
Das Prinzip von Verfahren B 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, τn3,..., 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 alj ist, dann nimmt obige Formel folgende Form an:
Das Verfahren B 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, d.h.
Um σ̂p zu minimieren, muss die Matrix C passend gewählt werden. Letztere gehört zum Raum der hermiteschen Matrizen (d.h. CH = C); dieser Raum ist N2-dimensional. D.h., dass es N2 reelle Freiheitsgrade γm und Basis-„Vektoren“ (Basis-Matrizen) Cm gibt, sodass
Eine Basis mit N2 Elementen, die eine Basis der Raumes, zu dem C gehört, formt, besteht aus folgenden Matrizen:
- • {Ek},k = 1,2,..., N
- • {Fkl + Ek + El} k = 1,2,..., N, l= k + 1,2,..., N
- • {Gkl + Ek + El}, k = 1,2, ..., N, l= k + 1,2, ..., N
- • {E k }, k = 1,2, ..., N
- • {F kl + E k + E l } k = 1,2, ..., N, l = k + 1,2, ..., N
- • {G kl + E k + E l }, k = 1,2, ..., N, l = k + 1,2, ..., N
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 (4) 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 (4) 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,...γN
- • Finde einen reellen N2 -dimensionalen Vektor γ, der folgenden Bedingungen genügt:
- [i]
- [ii] Die Matrix
- [iii] Er minimiert die Funktion f(γ̂) = γ̂TPtγ̂.
- [i]
- • 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 der 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 (3) 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 (6) 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 j-th channel is given by the complex entry a lj of the A matrix. By additive superposition 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 minimum sufficient number of different excitation vectors or time intervals to achieve maximum uniformity is N T = N, since formula (6) shows that A is square. This means that as many excitation vectors as channels are required in order to achieve maximum uniformity using the above method.
Schließlich kann man Verfahren B wie folgt zusammenfassen:
- • Input: Ein Satz von N Erwärmungsmatrizen Q1, Q2, ..., QN, 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 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:
- ▪
- ▪ Die Matrix
- ▪
- 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 N heating matrices Q 1 , Q 2 , ..., Q N , at a certain frequency f n .
- • Output: A set of N excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N , which are applied successively in time for τ n1 , τ n2 , ... τ nN seconds as excitation parameters of the amplifier while it is at frequency f n should (cf.
2 ). - • Steps:
- 1. Compute the basic matrices
- 2. Using the 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:
- ▪
- ▪ The matrix
- ▪
- 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 Verfahren B 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.However, this superposition of the corresponding monofrequency patterns can also be weighted differently, either by scaling the excitations at the individual frequencies accordingly, or by lengthening or shortening the dwell time at each frequency accordingly.
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 Bk (siehe Formel (2)). Man kann dieses Maß erneut als analytische Funktion der Gewichte wn ausdrücken. Zur Vereinfachung der Formel ist es sinnvoll, die Leistungsmuster bei jeder einzelnen Frequenz so zu normieren, dass deren Summe 1 Watt beträgt. Dementsprechend müssen auch die variablen Gewichte skaliert werden:
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) = ŵTPtŵ.
- [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 t ŵ.
- [i]
Obiges Optimierungsproblem ist konvex und kann unter anderem wie bereits bei Verfahren B 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 1 normiert werden, d.h.
Schließlich kann man Verfahren C wie folgt zusammenfassen:
- • Input: Ein Satz von Leistungsmustern {pk(fn), k = 1,2, ...,N} 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:
- ■
- ■ ŵn ≥ 0, n = 1,2, ..., Nf
- ■
- 4. Berechne die nichtskalierten Gewichte durch
- 5. (Optional) Normiere
die Gewichte auf 1 durch
- 1. Normiere Leistungsmuster mithilfe der Formel
- • Input: A set of performance patterns {p k (f n ), k = 1,2, ..., N} 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 in 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:
- ■
- ■ ŵ n ≥ 0, n = 1,2, ..., N f
- ■
- 4. Calculate the unscaled weights
- 5. (Optional) Normalize the weights to 1
- 1. Normalize performance patterns using the formula
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Kavitätcavity
- 22
- AntennenAntennas
- 33
- Erwärmungsgut/Last bzw. ObjekteGoods / load or objects to be heated
- 44th
- Leistungsverstärker mit HF-QuellePower amplifier with RF source
- 55
- MesseinrichtungMeasuring device
- 66th
- RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
- 77th
- EingangsdatenstromInput data stream
- 88th
- BefehlsdatenstromCommand stream
- 99
- Steuer- und AuswerteeinrichtungControl and evaluation device
- 1010
- RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
- B1-B3B1-B3
- fiktive Bereichefictional areas
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 7030347 B2 [0005]US 7030347 B2 [0005]
- US 5961871 A [0005]US 5961871 A [0005]
- US 2013/0186887 A1 [0006]US 2013/0186887 A1 [0006]
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