CN114666933A - 一种多频微波加热***及加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多频微波加热***及加热方法，加热***包括依次连接的微波源单元、反射功率处理单元、功率检测单元和辐射单元、设置在加热腔体侧壁上的温度检测单元以及控制单元，反射功率处理单元包括与微波源单元连接的环形器和与环形器连接的反射功率负载，功率检测单元包括与环形器连接的双向定向耦合器和与双向定向耦合器连接的双向功率检测模块，双向功率检测模块用于检测正向功率和反射功率，控制单元根据功率检测单元和温度检测单元的反馈信息，控制微波源单元输出微波的频率和功率。本发明加热过程中，微波频率可变，功率可调，温度可控，适用于更多场合，且反射功率不返回微波源，避免损坏微波源。
Description
技术领域
本发明涉及一种多频微波加热***及加热方法。
背景技术
通过微波改善化学反应的速度和选择性是食品科学和材料学的一种新颖的方法。合理的微波化学不仅节能而且有利于减少环境污染。
介质对不同微波的吸收特性不同，进而导致不同特性的微波对化学反应的催化效果不同。现有的微波加热***，通常采用磁控管作为微波源，其微波频率无法进行较大范围的调节。而现有的微波频率可变的加热***的设计还处于初期，具有以下不足：
1.反射功率处理不完善，将造成宽频微波源的使用寿命降低、损坏，甚至引发事故；
2.微波输出功率恒定，样品加热过程中温度无法控制，进而导致微波化学的实验无法进行多元化定量分析；
3.加热模式复杂，没有很好的利用微波频率可变的特性，对加热的“均匀性”和“高效性”没有提供具体的实现方案。
发明内容
本发明提出一种多频微波加热***及加热方法，加热过程中，微波频率可变，功率可调，温度可控，适用于更多场合，且反射功率不返回微波源，避免损坏微波源。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多频微波加热***，包括加热腔体，还包括依次连接的微波源单元、反射功率处理单元、功率检测单元和辐射单元、设置在加热腔体侧壁上的温度检测单元以及控制单元，加热腔体与辐射单元连接，微波源单元用于产生不同频率和功率的微波，反射功率处理单元包括与微波源单元连接的环形器和与环形器连接的反射功率负载，功率检测单元包括与环形器连接的双向定向耦合器和与双向定向耦合器连接的双向功率检测模块，双向功率检测模块用于检测正向功率和反射功率，控制单元输入端分别与功率检测单元和温度检测单元连接，输出端与微波源单元连接，控制单元根据功率检测单元和温度检测单元的反馈信息，控制微波源单元输出微波的频率和功率。
进一步的，所述微波源单元包括用于产生不同频率微波的多频微波信号源和与多频微波信号源连接以调节微波增益的微波功率放大器。
进一步的，所述环形器的第一端口与微波源单元连接、第二端口与双向定向耦合器连接、第三端口与反射功率负载连接。
进一步的，所述温度检测单元包括设置在所述加热腔体侧壁上的红外温度传感器。
进一步的，所述双向功率检测模块包括功率传感器和可检测正向功率和反射功率的功率计。
进一步的，所述控制单元根据功率检测单元和温度检测单元的反馈信息，采用模糊PID控制，控制微波源单元输出不同频率和功率的微波。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种基于如上任一所述的多频微波加热***的多频微波加热方法，具有均匀加热模式和高效加热模式，均匀加热模式中，某个频点的微波对应的加热时长内，微波源单元输出的微波频率不变，控制单元根据温度检测单元的反馈信息调节微波源单元的输出功率，如此依次进行各个频率的微波的加热；高效加热模式中，对于每个频点的微波，控制单元均控制微波源单元的输出相同的小功率微波，选取反射功率与输出的功率比值最小的频率作为工作频率，控制单元根据温度检测单元的反馈信息调节微波源单元输出的功率。
进一步的，所述均匀加热模式包括如下步骤：
S1、设定温度阈值Tset、总加热时间t和频点加热时长tf；
S2、在第i个频点进行加热时，输出微波的频率不变，并根据温度检测单元和功率检测单元反馈的信息，调节输出微波的功率，当该在频点的加热时间达到频点加热时长tf后，即进入第i+1个频点进行加热，并重复上述过程，当温度检测单元检测的温度达到温度阈值Tset时，且在各频点的加热时间之和达到总加热时间t时，结束加热。
进一步的，所述高效加热模式包括如下步骤：
S1、设置温度阈值Tset和总加热时间t；
S2、对于各频点，均输出频率恒定的小功率的微波，各频点所对应的微波功率相同，分别计算各频点所对应的反射功率与输出的功率的比值，并选择比值最小的频点作为工作频点；
S3、在工作频点下，控制单元根据温度检测单元和功率检测单元反馈的信息，调节输出微波的功率，当温度检测单元检测的温度达到温度阈值Tset时，且累计加热时间达到总加热时间t时，结束加热。
进一步的，包括多个均匀加热模式和多个高效加热模式的自由组合。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的微波源单元能够产生不同频率和功率的微波，且在加热腔体内设置有温度检测单元，相较于传统微波加热通常采用频率固定的磁控管作为微波源，本发明的控制单元根据功率检测单元和温度检测单元的反馈信息，来控制微波源单元输出微波的频率和功率，实现在加热过程中，微波频率可变，功率可调，能够适用于更多场合，加热效果也更好，同时也能通过温度检测单元实现对被加热物体的温度的精确控制；而因为微波源单元所产生微波的频率和功率均可变化，再加上加热负载的多样性，反射功率非常复杂，若不进行处理，将会为微波源造成不良影响，因此本发明中采用环形器作为隔离器，对反射功率进行吸收处理，进而保护了微波源，保证了加热***的工作稳定性和使用寿命。
2、本发明的加热方法中具有均匀加热模式和高效加热模式，对于均匀加热模式，在每个频点的加热时长内，微波频率不变，控制单元根据温度检测单元的反馈信息调节微波源单元的输出功率，从而促使被加热物体各点的温度差异性更小，增加了加热的均匀性；对于高效加热模式，先选取最优的工作频率，控制单元再根据温度检测单元的反馈信息调节微波源单元的输出功率，从而实现高效快速的加热，也能保证功率输出的合理性，既避免过大功率的输出造成能量浪费，也避免过小功率的输出影响加热的高效性；两种加热模式都很好地利用了微波频率可变的特性，加热模式都简单且效果好。
3、本发明的加热方法包括多个均匀加热模式和多个高效加热模式，根据被加热物体的材质，选择各均匀加热模式和高效加热模式的组合顺序，以兼顾加热的均匀性和高效性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明加热***的原理框图。
图2为本发明环形器的原理示意图。
图3为本发明均匀加热模式的流程图。
图4为本发明高效加热模式的流程图。
其中，1、多频微波信号源；2、微波功率放大器；3、环形器；4、反射功率负载；5、双向定向耦合器；6、双向功率检测模块；7、辐射单元；8、加热腔体；9、温度检测单元；10、控制单元。
具体实施方式
如图1所示，多频微波加热***包括依次连接的微波源单元、反射功率处理单元、功率检测单元、辐射单元7和加热腔体8和温度检测单元9，加热腔体 8与辐射单元7连接，微波源单元用于产生不同频率和功率的微波，反射功率处理单元包括与微波源单元连接的环形器3和与环形器3连接的反射功率负载4，功率检测单元包括与环形器3连接的双向定向耦合器5和与双向定向耦合器5 连接的双向功率检测模块6，双向功率检测模块6用于检测正向功率和反射功率，控制单元10的输入端分别与功率检测单元和温度检测单元9连接，输出端与微波源单元连接，控制单元10根据功率检测单元和温度检测单元9的反馈信息，采用模糊PID控制，控制微波源单元输出微波的频率和功率。
在本实施例中，控制单元10为电脑，利用LABVIEW软件搭建上位机程序。微波源单元包括用于产生不同频率微波的多频微波信号源1和与多频微波信号源1连接以调节微波增益的微波功率放大器2。在本实施例中，采用盛铂科技公司的SRS112作为多频微波信号源1，该信号源可产生的微波信号的频率范围为 100kHz-12GHz,功率大小为-20dBm-+15dBm之间，电脑通过远程控制接口控制多频微波信号源1的微波频率，并以恒定功率0dBm作为多频微波信号源1的稳定输出。微波功率放大器2采用美国AR RF/Microwave Instrumentation的500S1G6A，该设备具有远程通讯控制端口，可通过电脑端进行功率增益调节，增益调节范围10dB-57dB,连续功率模式下可输出功率0.01W到500W可调。
在本实施例中，环形器3是优译科技有限公司的UIYBCC5972A2T4NF，其工作频率2-4GHz,额定功率500W，环形器3的第一端口与微波功率放大器2连接、第二端口作为功率输出端与双向定向耦合器5连接、第三端口与反射功率负载4连接。反射功率负载4为现有技术。环形器3的原理如图2所示。
双向定向耦合器5型号为福建迈可博电子科技集团股份有限公司的D30HB003060Rev.A，工作带宽为0.3-6GHz,额定功率约为600W,耦合度约为30dB。双向功率检测模块6包括功率传感器和可检测正向功率和反射功率的功率计。根据微波功率放大器2的功率输出范围和双向耦合器的耦合度可计算出耦合器输出功率范围-20dBm到27dBm，功率传感器选择二极管管功率传感器E9301H，其工作带宽约为10MHz-6GHz,功率测量范围约为-50dBm-+30dBm，功率计选择德科技 N1913A/14A EPM系列的功率计，该功率计具有四个功率测量端口，可检测正向功率和反射功率，远程通讯接口可将正向功率和反向功率的测量数据传输到电脑端。功率传感器与功率计之间的连接为现有技术。
辐射单元7将微波功率能量加热到腔体。辐射单元7为现有技术。温度检测单元9包括设置在加热腔体8侧壁上的红外温度传感器。本实施例中，红外温度传感器采用日本千野公司的IR-AHT，其温度测量范围高达1000℃，并且具备 RS232通讯接口，可将检测的温度传输到电脑。加热腔体8具体结构为现有技术。红外温度传感器安装在加热腔体8内的具体结构为现有技术。
基于上述多频微波加热***的多频微波加热方法，具有均匀加热模式和高效加热模式，也可以具有多个均匀加热模式和/或高效加热模式。
如图3所示，均匀加热模式包括如下步骤：
S1、设定温度阈值Tset、总加热时间t和频点加热时长tf；
S2、在第i个频点进行加热时，输出微波的频率不变，并根据温度检测单元 9和功率检测单元反馈的信息，调节输出微波的功率，当该在频点的加热时间达到频点加热时长tf后，即进入第i+1个频点进行加热，并重复上述过程，当温度检测单元9检测的温度达到温度阈值Tset时，且在各频点的加热时间之和达到总加热时间t时，结束加热。
如图4所示，高效加热模式包括如下步骤：
S1、设置温度阈值Tset和总加热时间t；
S2、对于各频点，均输出频率恒定的小功率的微波，各频点所对应的微波功率相同，分别计算各频点所对应的反射功率与输出的功率的比值，并选择比值最小的频点作为工作频点；
S3、在工作频点下，控制单元10根据温度检测单元9和功率检测单元反馈的信息，调节输出微波的功率，当温度检测单元9检测的温度达到温度阈值Tset时，且累计加热时间达到总加热时间t时，结束加热。
将均匀加热模式和高效加热模式作为基础加热模式，一个总的加热过程，可以包括多个均匀加热模式和多个高校加热模式，各均匀加热模式的时间和各高校加热模式的时间之和等于总的加热过程的时间，如此可形成多种多样的加热模式，根据被加热物体的材质，选择各均匀加热模式和高效加热模式的组合顺序，以兼顾加热的均匀性和高效性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种多频微波加热***，包括加热腔体，其特征在于：还包括依次连接的微波源单元、反射功率处理单元、功率检测单元和辐射单元、设置在加热腔体侧壁上的温度检测单元以及控制单元，加热腔体与辐射单元连接，微波源单元用于产生不同频率和功率的微波，反射功率处理单元包括与微波源单元连接的环形器和与环形器连接的反射功率负载，功率检测单元包括与环形器连接的双向定向耦合器和与双向定向耦合器连接的双向功率检测模块，双向功率检测模块用于检测正向功率和反射功率，控制单元输入端分别与功率检测单元和温度检测单元连接，输出端与微波源单元连接，控制单元根据功率检测单元和温度检测单元的反馈信息，控制微波源单元输出微波的频率和功率。
2.根据权利要求1所述的一种多频微波加热***，其特征在于：所述微波源单元包括用于产生不同频率微波的多频微波信号源和与多频微波信号源连接以调节微波增益的微波功率放大器。
3.根据权利要求1所述的一种多频微波加热***，其特征在于：所述环形器的第一端口与微波源单元连接、第二端口与双向定向耦合器连接、第三端口与反射功率负载连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种多频微波加热***，其特征在于：所述温度检测单元包括设置在所述加热腔体侧壁上的红外温度传感器。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种多频微波加热***，其特征在于：所述双向功率检测模块包括功率传感器和可检测正向功率和反射功率的功率计。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种多频微波加热***，其特征在于：所述控制单元根据功率检测单元和温度检测单元的反馈信息，采用模糊PID控制，控制微波源单元输出不同频率和功率的微波。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的多频微波加热***的多频微波加热方法，其特征在于：具有均匀加热模式和高效加热模式，均匀加热模式中，某个频点的微波对应的加热时长内，微波源单元输出的微波频率不变，控制单元根据温度检测单元的反馈信息调节微波源单元的输出功率，如此依次进行各个频率的微波的加热；高效加热模式中，对于每个频点的微波，控制单元均控制微波源单元的输出相同的小功率微波，选取反射功率与输出的功率比值最小的频率作为工作频率，控制单元根据温度检测单元的反馈信息调节微波源单元输出的功率。
8.根据权利要求7所述的多频微波加热方法，其特征在于：所述均匀加热模式包括如下步骤：
S1、设定温度阈值Tset、总加热时间t和频点加热时长tf；
S2、在第i个频点进行加热时，输出微波的频率不变，并根据温度检测单元和功率检测单元反馈的信息，调节输出微波的功率，当该在频点的加热时间达到频点加热时长tf后，即进入第i+1个频点进行加热，并重复上述过程，当温度检测单元检测的温度达到温度阈值Tset时，且在各频点的加热时间之和达到总加热时间t时，结束加热。
9.根据权利要求8所述的多频微波加热方法，其特征在于：所述高效加热模式包括如下步骤：
S1、设置温度阈值Tset和总加热时间t；
S2、对于各频点，均输出频率恒定的小功率的微波，各频点所对应的微波功率相同，分别计算各频点所对应的反射功率与输出的功率的比值，并选择比值最小的频点作为工作频点；
S3、在工作频点下，控制单元根据温度检测单元和功率检测单元反馈的信息，调节输出微波的功率，当温度检测单元检测的温度达到温度阈值Tset时，且累计加热时间达到总加热时间t时，结束加热。
10.根据权利要求9所述的多频微波加热方法，其特征在于：包括多个均匀加热模式和多个高效加热模式的自由组合。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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