RU2720127C1 - Controlled microwave heating method and device - Google Patents
Controlled microwave heating method and device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2720127C1 RU2720127C1 RU2019133301A RU2019133301A RU2720127C1 RU 2720127 C1 RU2720127 C1 RU 2720127C1 RU 2019133301 A RU2019133301 A RU 2019133301A RU 2019133301 A RU2019133301 A RU 2019133301A RU 2720127 C1 RU2720127 C1 RU 2720127C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- heating
- food product
- infrared radiation
- segments
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/64—Heating using microwaves
- H05B6/66—Circuits
- H05B6/68—Circuits for monitoring or control
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к области пищевой, химической и смежными с ними отраслями промышленности и может быть использовано при контролируемой обработке пищевого продукта токами сверхвысокой частоты (сверхвысокочастотным излучением).The present invention relates to the field of food, chemical and related industries and can be used in the controlled processing of a food product by microwave currents (microwave radiation).
Уровень техникиState of the art
Как известно, ряд СВЧ-печей оборудуются контактным термометром для контроля нагрева продукта. Термометр помещают в середину продукта, при этом останавливая процесс, чтобы получить сигнал о достижении желаемой температуры внутри продукта. Измерение температуры без остановки процесса в этом случае невозможно, потому что происходит перегрев термометра из-за наведенных СВЧ-полем индукционных токов в его материале. При этом методе контроля нагрев поверхности часто приводит к локальному перегреву и ухудшению качества продукта. Альтернативным методом является бесконтактное измерение температуры поверхности с помощью инфракрасного (ИК) сенсора, при этом определение момента достижения желаемой температуры внутри продукта затрудняется. Это приводит к снижению равномерности нагрева, ухудшает качество получаемого продукта и повышает риски для безопасной эксплуатации оборудования. As you know, a number of microwave ovens are equipped with a contact thermometer to control the heating of the product. A thermometer is placed in the middle of the product, while stopping the process to get a signal that the desired temperature inside the product has been reached. Temperature measurement without stopping the process in this case is impossible, because the thermometer overheats due to induction currents induced by the microwave field in its material. With this control method, surface heating often leads to local overheating and poor product quality. An alternative method is the non-contact measurement of surface temperature using an infrared (IR) sensor, and it is difficult to determine when the desired temperature inside the product is reached. This leads to a decrease in the uniformity of heating, worsens the quality of the resulting product and increases the risks for the safe operation of the equipment.
На сегодняшний день, распространенный метод контроля температуры материала в СВЧ-камере — это использование термопары [1]. Но данный способ имеет несколько явных недостатков. Для осуществления контроля нужно непосредственное соприкосновение с обрабатываемым объектом, что имеет негативный характер для продуктов питания. Во вторых, на поверхности материала термопары происходит наведение внешней ЭДС, нагреву датчика и погрешности измерения. Как итог, данная методика измерения ограничена по спектру выполняемых задач ввиду низкой надежности и. В 2016 году был предложен и был представлен новый способ контактного контроля температуры с использованием U-образной герметичной трубки с закаченной газообразной средой [2] (Патент РФ №2607047 от 08.07.2016). Ранее [3, 4] для этих целей использовали керосиновые термометры, которые могли работать в СВЧ поле с достаточной точностью. Однако их невозможно использовать для измерения температуры внутри объекта, кроме того они инерционны. При проведении различных исследований по СВЧ обработке и сушке зерна [5, 6, 7] измерение температуры материала проводили при помощи термопар, но погружали их в продукт после прекращения действия СВЧ поля. Проведенные исследования показывают, что время нарастания температуры составляет не более 20-60 секунд. Время выравнивания температуры после прекращения действия СВЧ, в зависимости от влажности продукта может варьироваться от нескольких минут до десятков минут. При такой динамике процедура ввода термопар в исследуемый слой после прекращения действия СВЧ излучения приводит к существенным искажениям динамики и погрешностях измерения температуры при остывании объекта. Следует отметить, что упомянутые методы измерений температуры обрабатываемого продукта при СВЧ воздействии практиковались в частично заполненных СВЧ зонах (в установках резонаторного типа). В этом случае продукт занимал меньшую часть объёма СВЧ камеры. Поэтому, помещение металлических термопар в зону действия СВЧ приводило к их перегоранию.To date, a common method for controlling the temperature of a material in a microwave chamber is the use of a thermocouple [1]. But this method has several obvious disadvantages. To carry out control, direct contact with the processed object is necessary, which is negative for food products. Secondly, the external EMF is induced on the surface of the thermocouple material, the sensor heats up and the measurement error. As a result, this measurement technique is limited in the range of tasks due to the low reliability and. In 2016, a new method of contact temperature control was proposed and introduced using a U-shaped sealed tube with an injected gaseous medium [2] (RF Patent No. 2607047 of 08/08/2016). Earlier [3, 4], kerosene thermometers were used for these purposes, which could operate in the microwave field with sufficient accuracy. However, they cannot be used to measure the temperature inside the object, in addition, they are inertial. When conducting various studies on microwave processing and drying of grain [5, 6, 7], the temperature of the material was measured using thermocouples, but they were immersed in the product after the termination of the microwave field. Studies show that the rise time of the temperature is not more than 20-60 seconds. The time for temperature equalization after the termination of the microwave, depending on the moisture content of the product, can vary from several minutes to tens of minutes. With such dynamics, the procedure for introducing thermocouples into the studied layer after the termination of the microwave radiation leads to significant distortion of the dynamics and errors of temperature measurement during cooling of the object. It should be noted that the mentioned methods for measuring the temperature of the processed product under microwave exposure were practiced in partially filled microwave zones (in resonator-type installations). In this case, the product occupied a smaller part of the volume of the microwave camera. Therefore, the placement of metal thermocouples in the microwave range led to their burnout.
Эти недостатки присущи контактным методам измерения.These disadvantages are inherent in contact measurement methods.
В тоже время, есть ряд разработок в области дистанционных методов измерения температуры, такие как использование дистанционных термометров и пирометров. В 2013 году было предложено использование пирометра для контроля температуры обрабатываемого образца. Основанием для создания метода послужило несколько факторов. В первую очередь это наличие энергетической яркости (интенсивности) нагретого тела. А также возможность работы с большим спектром температур и материалов [8]. Используя такие же принципы бесконтактного измерения, что и Ткаченко А. В., свое решение представил американский изобретатель Марк Робер, который разработал СВЧ-камеру с тепловизором. Изделие достаточно интересно и возможно в будущем имеет некоторые перспективы, но его высокая стоимость делает его бесполезным для повсеместного использования на сегодняшний день [9]. В перспективе возможно использовать методы автоматической обработки термограмм тепловизора для автоматизированного принятия решений о состоянии нагрева [10-14].At the same time, there are a number of developments in the field of remote temperature measurement methods, such as the use of remote thermometers and pyrometers. In 2013, it was proposed to use a pyrometer to control the temperature of the processed sample. The basis for the creation of the method was several factors. First of all, it is the presence of energy brightness (intensity) of a heated body. As well as the ability to work with a wide range of temperatures and materials [8]. Using the same principles of non-contact measurement as A. Tkachenko, American inventor Mark Robert, who developed a microwave camera with a thermal imager, presented its solution. The product is quite interesting and may have some prospects in the future, but its high cost makes it useless for widespread use today [9]. In the future, it is possible to use methods of automatic processing of thermograms of a thermal imager for automated decision-making on the state of heating [10-14].
Существующие бесконтактные термометры, пирометры и тепловизоры для использования в нашей изобретении обладают недостатками, а именно термометр дает усредненное значение по всей поверхности или измеряет температуру в одной локальной области, в то время как пирометры и тепловизоры обеспечивают избыточную детализацию тепловой картины поверхности объектов.Existing non-contact thermometers, pyrometers, and thermal imagers for use in our invention have disadvantages, namely, a thermometer gives an average value over the entire surface or measures temperature in one local area, while pyrometers and thermal imagers provide excessive detail of the thermal picture of the surface of objects.
В работах [10-14] специалисты предполагали использовать методы автоматической обработки термограмм тепловизора для автоматизированного принятия решений о состоянии нагрева, полагаясь на большую детализацию о температуре нагреваемых объектов.In [10–14], experts suggested using methods of automatic processing of thermograms of a thermal imager for automated decision-making about the state of heating, relying on greater detail about the temperature of the heated objects.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
В основу настоящего изобретения положена техническая задача создания простого и надежного средства для проведения процесса контролируемого СВЧ-нагрева продукта.The present invention is based on the technical task of creating a simple and reliable means for carrying out the process of controlled microwave heating of the product.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в равномерности нагрева продукта в СВЧ-поле.The technical result achieved by the implementation of the present invention is the uniformity of heating of the product in the microwave field.
В первом аспекте изобретения раскрыт способ контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта, в котором осуществляют СВЧ-нагрев размещенного в камере нагрева пищевого продукта, при этом при СВЧ-нагреве включают и отключают источник СВЧ-поля и измеряют значения теплового ИК-излучения с поверхности пищевого продукта измерительным модулем, отличающийся тем, что упомянутый измерительный модуль состоит из нескольких измерительных сегментов, при этом измеренные значения ИК-излучения от каждого из таких сегментов принимают на контрольном модуле, при помощи которого затем управляют включением источника СВЧ-поля так, чтобы источник СВЧ-поля был включен при условии, что при последнем измерении все измеренные значения ИК-излучения на сегментах измерительного модуля меньше первого контролируемого значения для ИК-излучения и при условии, что разность между наибольшим и наименьшим измеренными значениями ИК-излучения на таких сегментах меньше второго контролируемого значения для ИК-излучения, и был отключен, если одно из упомянутых условий или оба условия не выполнены.In a first aspect of the invention, there is disclosed a method for controlled microwave heating of a food product, in which microwave heating of a food product placed in a heating chamber is carried out, wherein, when microwave heating, the microwave field source is turned on and off and the values of thermal IR radiation from the surface of the food product are measured measuring module, characterized in that the said measuring module consists of several measuring segments, while the measured values of infrared radiation from each of these segments are taken on the control mode the means by which the inclusion of the microwave field source is then controlled so that the microwave field source is turned on, provided that during the last measurement, all measured values of infrared radiation on the segments of the measuring module are less than the first controlled value for infrared radiation and provided that the difference between the largest and smallest measured values of IR radiation in such segments is less than the second controlled value for IR radiation, and was turned off if one of the above conditions or both conditions are not met.
Во втором аспекте изобретения раскрыто устройство для контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта, состоящее из камеры нагрева с установленным в ней измерительным модулем, выполненным с возможностью измерения инфракрасного излучения на различных участках поверхности размещаемого внутри камеры нагрева пищевого продукта, и контрольного модуля, при этом камера нагрева снабжена источником СВЧ-поля, отличающееся тем, что измерительный модуль состоит из нескольких измерительных сегментов, контрольный модуль выполнен с возможностью приема значений от каждого из сегментов измерительного модуля и управления включением источника СВЧ-поля так, чтобы источник СВЧ-поля был включен при условии, что при последнем измерении все измеренные значения ИК-излучения на сегментах измерительного модуля меньше первого контролируемого значения для ИК-излучения и при условии, что разность между наибольшим и наименьшим измеренными значениями ИК-излучения на таких сегментах меньше второго контролируемого значения для ИК-излучения, и был отключен, если одно из упомянутых условий или оба условия не выполнены.In a second aspect of the invention, there is disclosed a device for controlled microwave heating of a food product, consisting of a heating chamber with a measuring module installed therein, configured to measure infrared radiation at various parts of the surface of the food product placed inside the heating chamber, and a control module, wherein the heating chamber equipped with a microwave field source, characterized in that the measuring module consists of several measuring segments, the control module is configured to receiving values from each of the segments of the measuring module and controlling the switching on of the microwave source so that the microwave source is turned on, provided that during the last measurement all the measured values of infrared radiation on the segments of the measuring module are less than the first controlled value for infrared radiation and provided that the difference between the largest and smallest measured values of IR radiation in such segments is less than the second controlled value for IR radiation, and was disabled if one of the above conditions or both conditions are not met.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность настоящего изобретения проиллюстрирована с ссылкой на чертежи, на которых: The essence of the present invention is illustrated with reference to the drawings, in which:
– на ФИГ.1 представлена блок-схема способа контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта;- figure 1 presents a flowchart of a method of controlled microwave heating of a food product;
– на ФИГ.2 представлена блок-схема устройства контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта;- figure 2 presents a block diagram of a device controlled microwave heating of a food product;
– на ФИГ.3 представлен график зависимости нагрева объекта и показаний измерительного модуля от времени контролируемого СВЧ-нагрева.- figure 3 presents a graph of the dependence of the heating of the object and the readings of the measuring module from the time of the controlled microwave heating.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретенияDescription of preferred embodiments of the invention
Обработка материалов с помощью СВЧ демонстрирует большое количество перспективных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями нагрева, например, улучшенное качество изделия, сокращение времени процесса, экономию энергии и затрат на энергию благодаря более высокому КПД, снижение уровня загрязнения окружающей среды и расходов на содержание оборудования и повышение комфорта для пользователя СВЧ-аппарата.Microwave processing of materials demonstrates a large number of promising advantages compared to traditional heating technologies, for example, improved product quality, reduced process time, energy and energy costs due to higher efficiency, reduced environmental pollution and equipment maintenance costs and increased comfort for the user of the microwave device.
В традиционном процессе нагрева источниками нагрева служат, например, нагревательные элементы, сопротивления и инфракрасные лучи. Благодаря температурному излучению и/или конвективному теплообмену их энергия передается на поверхность материала и оттуда переходит в его внутреннюю часть. Теплопроводность, адсорбция и удельная теплоемкость материала определяют при этом процесс нагрева. Чувствительные материалы при определенных обстоятельствах не допускают высокую температуру, и если материал обладает еще и плохой теплопроводностью, то в этом случае неизбежен длительный процесс и перегрев материала, поэтому при производстве определенных изделий с применением традиционных технологий нагрева устанавливают границы.In a traditional heating process, heating sources are, for example, heating elements, resistances and infrared rays. Due to temperature radiation and / or convective heat transfer, their energy is transferred to the surface of the material and from there passes into its inner part. The thermal conductivity, adsorption and specific heat of the material determine the heating process. Sensitive materials under certain circumstances do not allow high temperature, and if the material also has poor thermal conductivity, then a long process and overheating of the material are inevitable, therefore, when producing certain products using traditional heating technologies, boundaries are set.
В распоряжении СВЧ-техники находятся, преимущественно, 4 частоты индуктивных статических измерительных установок (частота для промышленного применения, научно-исследовательского и медицинского радиооборудования), которые могут отличаться друг от друга в зависимости от правил конкретной страны. Самый высокий показатель частоты составляет 28000 или 30000 МГц, однако, промышленное и экономичное применение такой частоты в крупных масштабах еще не попало в поле зрения. Низкая частота в размере 915 МГц имеет определенные технические затраты, которые лишь в определенных случаях оправдывают свое применение. Бытовые СВЧ-печи, используемые во всем мире, имеют экономичную ”частоту” размером 2450 ± 50 МГц.At the disposal of microwave technology, there are mainly 4 frequencies of inductive static measuring systems (frequency for industrial applications, research and medical radio equipment), which may differ from each other depending on the rules of a particular country. The highest frequency indicator is 28,000 or 30,000 MHz, however, the industrial and economical use of such a frequency on a large scale has not yet come into view. The low frequency of 915 MHz has certain technical costs, which only in certain cases justify their application. Household microwave ovens used around the world have an economical “frequency” of 2450 ± 50 MHz.
СВЧ-нагрев отличается от традиционных систем нагрева за счет того, что тепло напрямую генерируется в объеме материала. В печи происходит диэлектрический нагрев веществ, содержащих полярные молекулы. Электрическая компонента электромагнитных волн усиливает движение молекул, обладающих дипольным моментом, и межмолекулярное трение приводит к увеличению температуры вещества. Скоростью распространения СВЧ является скорость света в вакууме или в воздухе. Если СВЧ-источник включен, то он непосредственно присутствует в нагреваемом теле и сразу же начинает преобразование энергии. При быстром отключении процесс нагрева сразу прекращается. Не существует длительных процессов нагрева и охлаждения печи. Неполярные материалы (например, воздух, тефлон, кварцевое стекло) не могут преобразовывать энергию и, тем самым, их не нагревают. Микроволны проникают через эти материалы, но не ослабевают при этом (без преобразования энергии). В общем, нагреваемый материал, который в состоянии провести преобразовании энергии, рассматривают в качестве «нагревателей», так как материал сам по себе представляет источник нагрева.Microwave heating differs from traditional heating systems due to the fact that heat is directly generated in the volume of the material. In the furnace, dielectric heating of substances containing polar molecules occurs. The electrical component of electromagnetic waves enhances the movement of molecules with a dipole moment, and intermolecular friction leads to an increase in the temperature of the substance. Microwave propagation speed is the speed of light in vacuum or in air. If the microwave source is turned on, it is directly present in the heated body and immediately begins the conversion of energy. With a quick shutdown, the heating process immediately stops. There are no long processes of heating and cooling the furnace. Non-polar materials (for example, air, Teflon, quartz glass) cannot convert energy and, therefore, they do not heat up. Microwaves penetrate these materials, but do not weaken at the same time (without energy conversion). In general, a heated material that is able to carry out energy conversion is considered as “heaters,” since the material itself is a heat source.
В процессе нагрева пищевых продуктов в СВЧ-поле, продукт, на начальном этапе быстро прогревается в поверхностном слое, толщина которого зависит от свойств продукта и параметров излучения. Дальнейший прогрев по всему объему зависит от теплопроводности продукта и происходящих в нем фазовых переходов (например, плавление льда или испарение воды, или денатурация белков), или конвективных процессов тепло-массопереноса парами воды в случае сыпучих продуктов. При интенсивной СВЧ-обработке поток тепловой энергии внутрь продукта может быть недостаточен для отбора тепла от прогреваемых поверхностных слоев, и происходит перегрев поверхности. Поскольку большинство СВЧ-магнетронов имеют один уровень интенсивности излучения, процесс СВЧ-нагрева зависит только от циклограммы включения-выключения источника СВЧ-нагрева – магнетрона, без возможности снизить интенсивность нагрева.In the process of heating food products in a microwave field, the product, at the initial stage, quickly warms up in the surface layer, the thickness of which depends on the properties of the product and radiation parameters. Further heating throughout the volume depends on the thermal conductivity of the product and the phase transitions occurring in it (for example, ice melting or water evaporation, or protein denaturation), or convective heat and mass transfer by water vapor in the case of bulk products. With intense microwave processing, the flow of thermal energy into the product may not be sufficient to remove heat from the heated surface layers, and the surface will overheat. Since most microwave magnetrons have one level of radiation intensity, the microwave heating process depends only on the on-off cyclogram of the microwave heating source - the magnetron, without the possibility of reducing the heating intensity.
Для целей настоящего изобретения под пищевым продуктом понимается значительная группа продуктов растительного или животного происхождения, употребляемых человеком в пищу или используемых для улучшения вкусовых и ароматических качеств продуктов питания. Такие продукты могут быть представлены зерном, крупами, мясными полуфабрикатами, специями, ягодами, фруктово-травяным сырьем, чаем, чайными листьями, полуфабрикатами чая, но не ограничиваются лишь этими примерами пищевых продуктов.For the purposes of the present invention, a food product is understood to mean a significant group of products of plant or animal origin, used by humans for food or used to improve the taste and aromatic qualities of food products. Such products may be presented by grain, cereals, meat semi-finished products, spices, berries, fruit and herbal raw materials, tea, tea leaves, tea semi-finished products, but are not limited to these examples of food products.
Под СВЧ-нагревом понимается процесс, в котором энергия с частотой от 300 МГц до 300 ГГц проникает в нагреваемый материал в качестве электромагнитной волны с длиной волны в диапазоне от 1 м до 1 мм, а затем преобразуется в тепло.Microwave heating refers to a process in which energy with a frequency from 300 MHz to 300 GHz penetrates into the heated material as an electromagnetic wave with a wavelength in the range from 1 m to 1 mm, and then is converted into heat.
Блок-схема, иллюстрирующая последовательность операций в заявленном способе контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта, представлена на ФИГ.1. Способ осуществляют следующим образом.A flowchart illustrating the sequence of operations in the claimed method of controlled microwave heating of a food product is shown in FIG. 1. The method is as follows.
На шаге 101 проводят измерение значений теплового ИК-излучения измерительным модулем 204 с поверхности пищевого продукта 201 (ФИГ.2). Пищевой продукт 201 может быть размещен в камере СВЧ-нагрева 202, например, на решетчатом поддоне 203 или иной пригодной для этого опорной статичной или подвижной конструкции, выполненной невосприимчивой к нагреву под воздействием СВЧ-поля. При этом размещаемый пищевой продукт 201 может характеризоваться произвольным исходным значением температуры. Например, значения ИК излучения на разных участках продукта 201 могут быть меньше или больше в сравнении с контролируемыми значениями. Также значения ИК излучения на разных участках поверхности продукта 201 могут распределяться неравномерно. В частности, размещаемый пищевой продукт 201 может быть помещен в упаковку, например, в тканевый мешок, или быть расфасованным в мелкую тару, в случае если пищевой продукт представлен чаем, то это могут быть чайные пакетики. Предпочтительно пищевой продукт 201 размещают внутри камеры нагрева так, чтобы по меньшей мере верхний слой продукта был полностью доступен для измерений измерительным модулем 204. Измерительный модуль 204 представляет собой многосегментную конструкцию, представленную инфракрасным датчиком температуры, измерительная матрица которого обладает разрешением 8*8 пикселей. Матрица 8*8 (64 элемента) выбрана, как минимально возможная для сбора информации о динамическом и топологическом распределении тепла на поверхности, исходя из положения о том, что для контроля работы магнетрона и эффективного предотвращения локальных перегревов продукта в объеме и на поверхности необходим анализ распределенной по поверхности динамики параметров скорости/ускорения нагревания-остывания Предпочтительно измерительный модуль 204 изолирован от воздействия СВЧ-поля, чтобы исключить его перегрев из-за наведенных СВЧ-полем индукционных токов в его материале. Для этого, в частности, измерительный модуль может быть размещен в изолированном от СВЧ-поля блоке, изготовленном из металлической сетки с шириной ячейки 1 мм.At
На шаге 102 и шаге 103 на контрольном модуле 205 принимают измеренные значения ИК-излучения от каждого из сегментов измерительного модуля 204 и последовательно проверяют выполнение первого и второго условий, в соответствии с которыми принимают решение о необходимости приведения в действие источника СВЧ-поля для осуществления СВЧ-нагрева пищевого продукта 201. Источник СВЧ-поля может быть представлен одним или несколькими согласованно действующими магнетронами. Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких ватт до десятков киловатт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме. Микроволны поступают в камеру СВЧ-нагрева по волноводу – каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение. At
На шаге 102 проверяют соблюдение следующего условия:At
Tmax < Tctrl, где:Tmax <Tctrl, where:
Tmax – наибольшее значение ИК излучения, измеренное на поверхности пищевого продукта каким-либо из сегментов измерительного модуля 204;Tmax is the largest value of IR radiation measured on the surface of the food product by any of the segments of the
Tctrl – первое контролируемое значение.Tctrl is the first monitored value.
Значение Tctrl может быть установлено пользователем. Превышение этого значения является нежелательным при нагреве пищевого продукта 201.The value of Tctrl can be set by the user. Exceeding this value is undesirable when heating
На шаге 103 проверяют соблюдение следующего условия:At
Tmax – Tmin < ΔTctrl, гдеTmax - Tmin <ΔTctrl, where
Tmin – наименьшее значение ИК излучения, измеренное на поверхности пищевого продута каким-либо из сегментов измерительного модуля 204;Tmin is the smallest value of IR radiation measured on the surface of the food product by any of the segments of the
ΔTctrl – второе контролируемое значение.ΔTctrl is the second monitored value.
Значение ΔTctrl может быть установлено пользователем. Это значение отражает наибольшую допустимую разность между значениями ИК излучения на разных участках поверхности пищевого продукта 201, т.е. наиболее приемлемую неравномерность прогрева. Превышение значения ΔTctrl также нежелательно при нагреве пищевого продукта 201.The ΔTctrl value can be set by the user. This value reflects the largest allowable difference between the values of IR radiation in different parts of the surface of the
В частности, при управлении включением источника СВЧ-поля исключают показания тех измерительных сегментов, на которых измеренные значения постоянны, т.е. не изменяются во времени. Это может происходить в том случае, если в зону, доступную для измерений измерительным модулем 204 попадает опорная поверхность, на которой размещен продукт 201, не нагреваемая под воздействием СВЧ-поля.In particular, when controlling the switching on of the microwave source, the readings of those measuring segments on which the measured values are constant, i.e. do not change over time. This may occur if the supporting surface on which the
На шаге 104 магнетрон включают, при этом включают только в том случае, если при последовательной проверке условий на шагах 102 и 103, оба условия выполнены.At
В случае, если пищевой продукт прогрет неравномерно, то при достижении значения Tctrl или ΔTctrl переходят к шагу 105, на котором магнетрон выключают, чтобы не допустить локальных перегревов, которые приводят к повреждению продукта 201 или его частей. Несмотря на то, что оба условия для контролируемых значений Tctrl и ΔTctrl могут быть невыполненными одновременно, для отключения магнетрона будет достаточно, если хотя бы одно из этих значений достигнуто при нагреве пищевого продукта 201.If the food product is heated unevenly, then when the Tctrl or ΔTctrl value is reached, go to step 105, where the magnetron is turned off to prevent local overheating, which will damage the
При проведении СВЧ-нагрева контрольный модуль 205 принимает значения от измерительного модуля 204 с определенной периодичностью, чтобы прерывать или возобновлять процесс СВЧ-нагрева. Так, при включении магнетрона на шаге 104 или его выключении на шаге 105 весь цикл нагрева повторяется, начиная с шага 101. Взаимодействие между модулями 204 и 205 может быть обеспечено в автоматическом режиме. СВЧ-нагрев может быть остановлен полностью при достижении некоторого условия, соблюдение которого проверяется на контрольном модуле 204. Например, такое условие может заключаться в достижении определенного значения для частоты включения/выключения источника СВЧ-поля: если частота его включения снижается, то СВЧ-нагрев останавливают полностью. Помимо этого, могут быть предусмотрены и другие условия для выхода из цикла СВЧ-нагрева, например, достижение заданного времени для проведения СВЧ-нагрева.When conducting microwave heating, the
В раскрываемом изобретении нет необходимости калибровки сенсоров ИК излучения измерительного модуля 204 к реальной температурной шкале для измерения абсолютных значений температуры на поверхности объектов. В качестве иллюстрации этого принципа на ФИГ.3 представлены графики зависимости температуры объекта от времени контролируемого СВЧ-нагрева, зафиксированные автономными термометрами (круглыми датчиками-”таблетками” без наведения ЭДС), размещенными в центре (кривая 301 на ФИГ.3) и в крайней зоне (кривая 302 на ФИГ.3) нагреваемого объекта, а также наибольшее значение Tmax среди показаний, зафиксированных сегментами измерительного модуля 204 (кривая 303 на ФИГ.3). Необходимо отметить, что показания автономных датчиков-термометров недоступны во время всего цикла СВЧ-нагрева, выгрузка данных происходит после проведения каждого технологического этапа.In the disclosed invention, there is no need to calibrate the IR sensors of the
СВЧ-нагрев проводили в течение 15 минут. На первой минуте нагрева температура в центре нагреваемого объекта составляла 30°С, на краю нагреваемого объекта – 25°С. За 15 минут нагрева, температура ступенчато возрастала, что видно по постоянству температуры на некоторых участках. На пятнадцатой минуте нагрева температура в центре нагреваемого объекта составляет 83°С, на краю нагреваемого объекта составляет 78°С. При этом, максимальное значение ИК излучения среди элементов многосегментного измерительного модуля 204 колебалось от 25 до 45 единиц.Microwave heating was carried out for 15 minutes. In the first minute of heating, the temperature in the center of the heated object was 30 ° С, at the edge of the heated object - 25 ° С. After 15 minutes of heating, the temperature increased stepwise, as can be seen from the constant temperature in some areas. At the fifteenth minute of heating, the temperature in the center of the heated object is 83 ° C, at the edge of the heated object is 78 ° C. At the same time, the maximum value of IR radiation among the elements of the
Во всех случаях достаточно проведение 2-3 технологических тестов для определения контрольных значений Tctrl и ΔTctrl по каждому из типов пищевых продуктов, размещая при этом 2 автономных термометра в центре и в крайней зоне объекта для контроля реальной достигнутой температуры. В дальнейшем значения Tctrl и ΔTctrl, получаемые из показаний многосегментного измерительного модуля 204, используются в технологической карте СВЧ обработки пищевого продукта данного типа уже без использования автономных термометров, размещенных в нагреваемом объекте.In all cases, it is enough to carry out 2-3 technological tests to determine the control values of Tctrl and ΔTctrl for each type of food product, while placing 2 autonomous thermometers in the center and in the extreme zone of the object to control the actual temperature reached. Subsequently, the values of Tctrl and ΔTctrl obtained from the readings of the
В результате было создано устройство по принципу СВЧ-печи с системой бесконтактного измерения температуры на базе ИК-датчика с матрицей 8*8, без необходимости применения сложной и дорогой системы тепловизора и алгоритмов, оперирующих комплексными параметрами по типу локализации/скорости/ускорения нагревания-остывания. Предложенные в заявленном способе контролируемого СВЧ-нагрева пищевого продукта алгоритм анализа показаний матрицы ИК-датчика и схема управления магнетроном на основе этого алгоритма показали, что возможно создать устройство СВЧ-нагрева с высокой энергоэффективностью и повышенным контролем при термической обработке без использования технологии “инверторных СВЧ печей”. Принципиально следует отметить, что разработанный алгоритм оперирует всего двумя параметрами, вычисляемыми на основе показаний матрицы ИК-датчика – наибольшее значение и разница между наибольшим и наименьшим значениями среди элементов матрицы. Предложенные операции контроля и управления обеспечивают равномерный прогрев объекта по всему объему без локальных перегревов, что было подтверждено размещением температурных датчиков-«таблеток» в различных частях нагреваемых объектов. В результате было получено удобное устройство, которое сможет решить задачу термической обработки эффективнее в сравнении с решениями, известными из предшествующего уровня техники.As a result, a device was created on the principle of a microwave oven with a non-contact temperature measurement system based on an IR sensor with an 8 * 8 matrix, without the need for a complex and expensive thermal imager system and algorithms that operate with complex parameters such as localization / speed / acceleration of heating-cooling . The algorithm for analyzing the readings of the IR sensor matrix and the magnetron control circuit based on this algorithm proposed in the claimed method for controlled microwave heating of a food product showed that it is possible to create a microwave heating device with high energy efficiency and increased control during heat treatment without using the technology of “inverter microwave ovens” " In principle, it should be noted that the developed algorithm operates with only two parameters calculated on the basis of the readings of the IR sensor matrix — the largest value and the difference between the largest and smallest values among the matrix elements. The proposed monitoring and control operations ensure uniform heating of the object throughout the volume without local overheating, which was confirmed by the placement of temperature sensors, "tablets" in different parts of the heated objects. As a result, a convenient device was obtained that can solve the heat treatment problem more efficiently in comparison with solutions known from the prior art.
Перечень позиций на чертежахThe list of items in the drawings
Список источниковList of sources
1. Будников Д.А. Контроль температуры зерна в СВЧ камере // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. — г. Москва, ноябрь 2012. Изд-во Буки-Веди. 2012. — С. 66-68.1. Budnikov D.A. Control of grain temperature in a microwave chamber // Engineering in Russia and abroad: materials of the II Intern. scientific conf. - Moscow, November 2012. Publishing house Buki-Vedi. 2012 .-- S. 66-68.
2. Студенцов В.Н., Москвин Р.Ю., Пятаев И.В., Устройство для измерения температуры материала, нагреваемого в электромагнитном поле СВЧ - Патент РФ №2607047 от 08.07.2016.2. Studentsov V.N., Moskvin R.Yu., Pyatayev I.V., Device for measuring the temperature of a material heated in an electromagnetic field of a microwave - Patent RF №2607047 of 08/08/2016.
3. Лыков А.В. Исследование процесса сушки в поле высокой частоты [Текст] / А.В. Лыков, Г.А. Максимов // Тепло-и массообмен в капиллярно-пористых телах. – Л., М.: Госэнергоиздат, 1957. – С. 133-142.3. Lykov A.V. Investigation of the drying process in a high frequency field [Text] / А.V. Lykov, G.A. Maksimov // Heat and mass transfer in capillary-porous bodies. - L., M .: Gosenergoizdat, 1957. - S. 133-142.
4. Максимов Г.А. Исследование процессов тепло- и массообмена при внутреннем источнике [Текст]: автореф. дис. д-ра техн. наук / Г.А. Максимов; МТИПП. – М., 1956. – 35 с.4. Maksimov G.A. The study of heat and mass transfer at an internal source [Text]: author. dis. Dr. tech. sciences / G.A. Maximov; MTIPP. - M., 1956. - 35 p.
5. Вендин С.В. Обработка семян электромагнитным полем [Текст]: дис. ...докт. техн. наук: 05.20.02 / С.В. Вендин. – Москва, 1994. – 463 с.5. Vendin S.V. Treatment of seeds with an electromagnetic field [Text]: dis. ... doc. tech. Sciences: 05.20.02 / S.V. Wendin. - Moscow, 1994 .-- 463 p.
6. Бабенко А.А. Распространение электромагнитного импульса при СВЧ обработке [Текст] / А.А. Бабенко, С.В. Вендин // Моделирование и автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр. / МИИСП имени В.П. Горячкина.– М.: 1992. – С. 105-109. 6. Babenko A.A. The propagation of an electromagnetic pulse during microwave processing [Text] / A.A. Babenko, S.V. Wendin // Modeling and automation of technological processes of agricultural production: Sat. scientific tr / IIISP named after V.P. Goryachkina. - M .: 1992. - S. 105-109.
7. Пахомов В.И. Оптимизация тепловой обработки фуражного зерна СВЧ-энергией [Текст] / В.И. Пахомов, В.Д. Каун // Мех. и электр. с.-х. – 2000. – №9. – С. 8-10.7. Pakhomov V.I. Optimization of heat treatment of feed grain with microwave energy [Text] / V.I. Pakhomov, V.D. Kaun // Fur. and electric. S.-kh. - 2000. - No. 9. - S. 8-10.
8. Ткаченко А.В. Дистанционное измерение температуры в поле СВЧ // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность! — Издательство: Омский государственный технический университет (Омск), 2013.8. Tkachenko A.V. Remote temperature measurement in the microwave field // Young Russia: advanced technologies - into the industry! - Publisher: Omsk State Technical University (Omsk), 2013.
9. Nick Lavars, Thermal vision microwave shows when your food is cooked just right. [Электронный ресурс] - адрес доступа URL: https://newatlas.com/thermal-vision-microwave/36068/. дата обращения 29.12.2017.9. Nick Lavars, Thermal vision microwave shows when your food is cooked just right. [Electronic resource] - access address URL: https://newatlas.com/thermal-vision-microwave/36068/. appeal date 12/29/2017.
10. Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А. Тепловизионные методы оценки влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2016. №1 (106). С. 3-14.10. Sementsov S.G., Gridnev V.N., Sergeeva N.A. Thermal imaging methods for assessing the influence of temperature conditions on the reliability of electronic equipment // Bulletin of Moscow State Technical University. N.E. Bauman. Series: Instrument Making. 2016. No1 (106). S. 3-14.
11. Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А. Исследование влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры тепловизионными методами // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 6-10.11. Sementsov S.G., Gridnev V.N., Sergeeva N.A. Investigation of the influence of temperature conditions on the reliability of electronic equipment by thermal imaging methods // Proceedings of the international symposium Reliability and quality. 2016. No2. S. 6-10.
12. Гриднев В.Н., Сергеева М.Д., Чебова А.И. Линейные модели распознавания тепловизионных изображений неисправностей электронных ячеек // Контроль. Диагностика. 2014. №8. С. 57-66.12. Gridnev V.N., Sergeeva M.D., Chebova A.I. Linear models for recognizing thermal imaging images of malfunctions of electronic cells // Control. Diagnostics. 2014. No8. S. 57-66.
13. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. №6 (72). С. 42-49.13. Panfilova S.P., Vlasov A.I., Gridnev V.N., Chervinsky A.S. Non-contact thermal control of electronic computing means // Technology and design in electronic equipment. 2007. No6 (72). S. 42-49.
14. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль изделий электронной техники // Производство электроники. 2007. №3. С. 25-30.14. Panfilova S.P., Vlasov A.I., Gridnev V.N., Chervinsky A.S. Non-contact thermal control of electronic equipment // Production of electronics. 2007. No3. S. 25-30.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019133301A RU2720127C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Controlled microwave heating method and device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019133301A RU2720127C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Controlled microwave heating method and device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2720127C1 true RU2720127C1 (en) | 2020-04-24 |
Family
ID=70415378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019133301A RU2720127C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Controlled microwave heating method and device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2720127C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2743212C1 (en) * | 2020-03-30 | 2021-02-16 | Игорь Владимирович Рябов | Method of creating infrared medium for preparation of products, device for implementation thereof and source of infrared radiation used in device (embodiments) |
RU217044U1 (en) * | 2022-10-25 | 2023-03-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Альтернатива" | HEATING DEVICE FOR INDIVIDUAL FOOD RATIONS |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099727C1 (en) * | 1996-01-11 | 1997-12-20 | Научно-исследовательский центр прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева | Process measuring distribution of thermal field of heating by shf radiation and device for its implementation |
US5811768A (en) * | 1996-02-23 | 1998-09-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus for sensing whether food disposed on a raisable tray of a microwave oven contacts a heater |
RU2149520C1 (en) * | 1999-01-18 | 2000-05-20 | Научно-производственное объединение "Тест-Радио" Лтд | Superhigh-frequency furnace |
US7867533B2 (en) * | 2006-07-19 | 2011-01-11 | Frito-Lay Trading Compnay GmbH | Process for making a healthy snack food |
WO2013010601A1 (en) * | 2011-07-15 | 2013-01-24 | Cfs Bakel B. V. | Heat-treatment device comprising a shielded microwave-radiometry-antenna |
RU2668610C2 (en) * | 2016-09-09 | 2018-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Нано Инвест" | Automated high-frequency system for sealing radioactive wastes |
-
2019
- 2019-10-21 RU RU2019133301A patent/RU2720127C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099727C1 (en) * | 1996-01-11 | 1997-12-20 | Научно-исследовательский центр прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева | Process measuring distribution of thermal field of heating by shf radiation and device for its implementation |
US5811768A (en) * | 1996-02-23 | 1998-09-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus for sensing whether food disposed on a raisable tray of a microwave oven contacts a heater |
RU2149520C1 (en) * | 1999-01-18 | 2000-05-20 | Научно-производственное объединение "Тест-Радио" Лтд | Superhigh-frequency furnace |
US7867533B2 (en) * | 2006-07-19 | 2011-01-11 | Frito-Lay Trading Compnay GmbH | Process for making a healthy snack food |
WO2013010601A1 (en) * | 2011-07-15 | 2013-01-24 | Cfs Bakel B. V. | Heat-treatment device comprising a shielded microwave-radiometry-antenna |
RU2668610C2 (en) * | 2016-09-09 | 2018-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Нано Инвест" | Automated high-frequency system for sealing radioactive wastes |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
. Effect of microwave heating on phenolic compounds of prickly pear (Opuntia ficus-indica L.) seeds. Al Juhaimi, F.; O¨zcan, M.M.; Uslu, N.; Ghafoor, K.; Babiker, E.E. In: Journal of Food Processing and Preservation. Feb. 2018, vol.42, no.2, e13437 (5 pp.), Journal Paper * |
Effect of microwave heating on phenolic compounds of prickly pear (Opuntia ficus-indica L.) seeds. Al Juhaimi, F.; O¨zcan, M.M.; Uslu, N.; Ghafoor, K.; Babiker, E.E. In: Journal of Food Processing and Preservation. Feb. 2018, vol.42, no.2, e13437 (5 pp.), Journal Paper. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2743212C1 (en) * | 2020-03-30 | 2021-02-16 | Игорь Владимирович Рябов | Method of creating infrared medium for preparation of products, device for implementation thereof and source of infrared radiation used in device (embodiments) |
RU217044U1 (en) * | 2022-10-25 | 2023-03-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Альтернатива" | HEATING DEVICE FOR INDIVIDUAL FOOD RATIONS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
FI86023B (en) | FOERFARANDE FOER VEHICLE STABILIZATION. | |
Chua et al. | A comparative study between intermittent microwave and infrared drying of bioproducts | |
Jiao et al. | Improvement of radio frequency (RF) heating uniformity on low moisture foods with Polyetherimide (PEI) blocks | |
US9585419B2 (en) | Apparatus and method for dehydration using microwave radiation | |
EP3503680B1 (en) | Object processing state sensing using rf radiation | |
Mousa et al. | Microwave vacuum drying of banana slices | |
EP0268379B1 (en) | Heating & drying apparatus for moist fabric | |
KR950029680A (en) | Automatic cooking control method and apparatus of microwave oven | |
RU2720127C1 (en) | Controlled microwave heating method and device | |
US5697291A (en) | Method and apparatus for microwave enhanced pasteurization and enzyme inactivation of continuously flowing product | |
US20170142785A1 (en) | Microwave heating system | |
Wang et al. | Influence of mashed potato dielectric properties and circulating water electric conductivity on radio frequency heating at 27 MHz | |
Hazervazifeh et al. | Energy economy and kinetic investigation of sugar cube dehydration using microwave supplemented with thermal imaging | |
EP2773163A1 (en) | Microwave oven and method to control automatically the heating and/or cooking of food in said microwave oven | |
Singh et al. | A computation-driven, energy-efficient and hybrid of microwave and conventional drying process for fast gooseberry candy production | |
JPH01134893A (en) | Microwave oven | |
Giordano | Theoretical and experimental analysis of microwave heating processes | |
WO2024048797A1 (en) | Drying device, drying method, and freeze-dried product manufacturing method | |
RU2142701C1 (en) | Heated tray | |
JP2017162668A (en) | Microwave heater | |
TW202315460A (en) | Method for the treatment of products in a microwave treatment device and microwave treatment device | |
Regier et al. | Alternative heating technologies | |
Hashimoto et al. | Effects of assistance of high frequency dielectric and infrared heating on vacuum freeze drying characteristics of food model | |
Tran et al. | Study on drying of bitter gourd slices based on halogen dryer. Res | |
Campañone et al. | Microwave heating equipment for the food industry |