一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统

摘要

本发明涉及一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统，通过数学模型的预先输入来实时监测物料介电特性动态变化值，来提高不同批次、品种的果蔬以及药材等微波干燥后的品质。其整个过程在于：在微波干燥前首先输入一定频率下物料的介电常数、介电损耗因子与水分和温度分布的数学关系模型，建立介电常数和介电损耗因子随温度和水分变化的数学模型库；通过在线实时监测水分和温度，实现在线监测微波干燥过程中介电特性的动态变化值；综合分析介电特性、水分和温度对干燥过程的影响，控制微波干燥过程，实现物料干燥品质的最优化，并同时避免干燥过程中产生焦糊等负面影响。

权利要求

1.一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统，所述控制系统包括工业计算机数据库模块、神经网络辨识模块、数据采集模块、微波干燥模块、及微波控制模块；其特征在于：所述控制系统利用待干燥原料的介电损耗因子和介电常数来监控微波的干燥过程；

将介电损耗因子随温度和水分变化的数学模型输入计算机数据库模块后，启动微波干燥程序，干燥过程中连续检测物料的水分和温度，将物料水分和温度的数值输入到介电损耗因子数学模型中，计算得到介电损耗因子在整个干燥过程中随时间T的变化规律曲线，计算曲线的斜率，得到干燥过程中随时间T的曲线的斜率，监控曲线的斜率和物料的干燥质量，当介电损耗因子斜率小于2％，并终止微波干燥。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：运用网络分析仪测定待干燥原料的介电特性随干燥物料温度和水分的变化值，在工业计算机数据库模块中进行数据处理，得到介电特性即介电损耗因子与被干燥原料的水分与温度关系的数学模型；所述水分是指待干燥物料中的水的重量与待干燥物料总重量的百分比。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述控制系统利用已得到的的数学模型，即介电损耗因子和介电常数的变化值来控制微波的功率以及微波干燥的作用时间。

4.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：介电损耗因子与被干燥原料的水分与温度关系的数学模型的检测方法为：固定频率分别为工业微波频率即915MHz和家用微波频率即2450MHz，使用网络分析仪同轴电缆设备测定物料的不同水分下条件下，随温度变化的介电损耗因子；

以含水率、温度为自变量，以介电损耗因子ε″为因变量，利用软件对试验数据进行二元回归拟合，分别得到在频率为915MHz和2450MHz下，物料的介电损耗ε″与水分、温度为主要影响因素的数学模型即拟合公式；

所述待干燥原料的介电损耗因子与水分和温度分布二次数学模型为：

ε″2450-被干燥原料＝A1+B1w+C1t+D1w2-E1t2-F1wt

ε″915-被干燥原料＝A2+B2w+C2t-D2w2+E2t2-F2wt

所述A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2、F2分别代表待干燥原料的介电特性变化常数；

不同的待干燥原料需要提前试验测定并分析得到A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2、F2；w为干燥原料的水分，t为干燥温度。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：连续检测物料的水分的方法是由数据采集模块采集的物料的实时重量，经过计算，得到的物料在干燥过程中的实时水分。

说明书

一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及果蔬和中药材干燥技术领域，有其是涉及一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统。

背景技术

[0002] 近年来，国际上对农产品的微波干燥已经有一些研究，国内的相关研究也逐年增多。Reiner Ihns等人通过研究不同温度下两种杏果的干燥过程，比较了恒速干燥和降速干燥的干燥曲线、色度变化、营养成分以及能耗的不同，得出前者的能耗略低于后者，而色度又随干燥温度的升高而变差。徐明亮等人通过比较不同干燥方法对海芦笋干品品质的影响，发现微波干燥下产品的色泽、复水率介于热风干燥和冷冻干燥之间。黄建立等人研究了银耳的多种干燥法，通过对比得出银耳在微波干燥下除亮度值稍低外，其余品质均优于其它方法，而且能耗很低。

[0003] 虽然国内外关于微波干燥的研究不少，但都存在着严重的不足，在微波干燥过程中，不能及时掌握物料的干燥情况，阻滞了微波干燥技术向大工业生产的快速扩散。具体表现为以下几个方面：(1)在微波干燥过程中很少对产品进行在线水分、温度检测和控制，导致在最后阶段产品温度大幅度升高、烤糊产品；(2)无法监控被干燥对象在干燥过程中的品质变化，经常导致微波干燥不足，烤糊等现象，使干燥后的物料出现口感变差，味道损失，色泽暗淡和复水能力下降等问题。

[0004] 在专利方面，专利(公开号CN103005629A)公开了“微波热风联合红枣烘干机”，专利(公开号CN201974012U)公开了“微波热风联合干燥设备”，专利(公开号CN102735034A)公开了“一种侧面进风微波干燥设备”，这些设备虽可以完成微波和热风的联合干燥，但整个干燥过程缺乏有效的监测及控制，干燥过程的设计多按照恒温或者经验性的阶段变温进行。专利(公开号CN103263064A)公开了“一种微波、热风和真空及其联合干燥设备”，涉及了一定的监测和控制功能。以上干燥方法，不论是否带有监测和控制，在干燥过程中都缺乏对于物料品质的直接考量和控制，虽然干燥速率和能耗可以受到一定的控制，但干燥的质量完全不可控，并且目前尚无针对微波干燥专门设计的优化干燥系统，在考虑介电特性动态变化方面进行的优化更是完全空白。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统。本系统可以通过监测物料介电特性动态变化值来实现物料微波干燥品质的最优化，并同时避免干燥过程中产生焦糊等负面影响

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于介电特性动态变化的微波干燥控制系统，所述系统包括工业计算机数据库模块、神经网络辨识模块、数据采集模块、微波干燥模块、及微波控制模块；所述控制系统利用待干燥原料的介电损耗因子和介电常数来监控微波的干燥过程。

[0008] 运用网络分析仪测定待干燥原料的介电特性随干燥物料温度和水分的变化值，在工业计算机数据库模块中进行数据处理，得到介电特性即介电损耗因子与被干燥原料的水分与温度关系的数学模型；所述水分是指待干燥物料中的水的重量与待干燥物料总重量的百分比。

[0009] 所述控制系统利用已得到的的数学模型，即介电损耗因子和介电常数的变化值来控制微波的功率以及微波干燥的作用时间。

[0010] 介电损耗因子与被干燥原料的水分与温度关系的数学模型的检测方法为：固定频率分别为工业微波频率即915MHz和家用微波频率即2450MHz，使用网络分析仪同轴电缆设备测定物料的不同水分下条件下，随温度变化的介电损耗因子；

[0011] 以含水率、温度为自变量，以介电损耗因子ε″为因变量，利用软件对试验数据进行二元回归拟合，分别得到在频率为915MHz和2450MHz下，物料的介电损耗ε″与水分、温度为主要影响因素的数学模型即拟合公式；

[0012] 所述待干燥原料的介电损耗因子与水分和温度分布二次数学模型为：

[0013] ε”2450-被干燥原料＝A1+B1w+C1t+D1w2-E1t2-F1wt

[0014] ε”915-被干燥原料＝A2+B2w+C2t-D2w2+E2t2-F2wt

[0015] 所述A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2、F2分别代表待干燥原料的介电特性变化常数；不同的待干燥原料需要提前试验测定并分析得到A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2、F2；w为干燥原料的水分，t为干燥温度。

[0016] 将介电损耗因子随温度和水分变化的数学模型输入计算机数据库模块后，启动微波干燥程序，干燥过程中连续检测物料的水分和温度，将物料水分和温度的数值输入到介电损耗因子数学模型中，计算得到介电损耗因子在整个干燥过程中随时间T的变化规律曲线，计算曲线的斜率，得到干燥过程中随时间T的曲线的斜率，监控曲线的斜率和物料的干燥质量，当介电损耗因子斜率小于2％，并终止微波干燥。

[0017] 连续检测物料的水分的方法是由数据采集模块采集的物料的实时重量，经过计算，得到的物料在干燥过程中的实时水分。

[0018] 其中，微波干燥模块的输出端与电子秤和光纤传感器的数据采集通道连接，数据采集模块输出端连接神经网络辨识模块输入端，神经网络辨识模块输出端与微波控制模块输入端连接，微波控制模块输出端与微波干燥模块输入端连接。

[0019] 通过网络分析仪与同轴电缆技术测试不同含水率和温度下的物料介电常数和介电损耗因子，固定频率为915MHz(工业用)和2450MHz(家用)，得到两种微波频率下介电常数和介电损耗子因子随温度和水分的二次数学方程，并预先在工业计算机中输入不同批次、品种的果蔬和药材等物料的介电常数、介电损耗因子分别与温度和水分的数学关系模型。

[0020] 本发明有益的技术效果在于：

[0021] 本发明提供的基于介电特性动态变化的微波干燥控制优化系统可以在线、有效、快速的对物料的介电常数和介电损耗因子进行检测，实时控制干燥过程中微波功率和微波作用时间，从而获得该物料干燥后的最佳保质期和品质。

[0022] 通过实时监测微波干燥过程中介电常数、介电损耗因子的动态变化，实现微波功率和微波作用时间的在线控制，提供了区别于普通的控制系统。对于干燥过程中介电特性变化较为明显的物料，可防止在干燥过程中产生干燥不足或焦糊现象，有利于微波干燥后物料风味的保留以及保质期的延长。

附图说明

[0023] 图1为本发明的结构框图；

[0024] 图2为本发明的控制框图；

[0025] 图3为黄芪在微波频率为2450MHz下介电损耗因子与温度和水分的关系；

[0026] 图4为银杏果在微波频率为915MHz下介电损耗因子与温度和水分的关系。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

[0028] 图1是一种基于介电特性动态变化的微波干燥系统结构框图，结合图2可以看到包括以下模块：

[0029] 1、微波干燥模块

[0030] 包括干燥物料的微波炉、存放物料样品的容器。控制元件一头与微波炉功率控制相连接，从而实现微波功率控制以及微波作用时间。

[0031] 2、工业计算机数据库模块

[0032] 将不同的物料的介电损耗因子分别与温度和水分的数学关系模型输入计算机中，在计算机系统中形成数学模型库。

[0033] 3、数据采集模块

[0034] 通过采集通道，将实时采集的温度和水分动态变化值反馈到电脑中，通过调用数据模型库进行数据计算分析实时得到介电损耗因子。

[0035] 4、神经网络辨识模块

[0036] 处理后的数据传递给神经网络辨识器，由神经网络辨识器进行建模。建立介电损耗因子与温度水分的图像。

[0037] 5、控制模块

[0038] 控制元件一头与工业计算机相连，另一头与微波炉相连。

[0039] 上述微波干燥智能自适应控制系统的预测控制方法。

[0040] 实施例1：以黄芪为例说明具体操作步骤步骤：

[0041] (1)使用网络分析仪同轴电缆设备测定黄芪的不同水分下的条件下，随温度变化(固定频率为2450MHz)的介电损耗因子。以含水率、温度为自变量，以介电损耗因子ε″为因变量，利用软件对试验数据进行二元回归拟合，得到在频率为2450MHz下黄芪的介电损耗ε″与含水率、温度为主要影响因素的数学模型：

[0042] ε”2450-黄芪＝26.3124+0.2332w+0.1645t+0.0065w2-0.0004t2-0.0056wt

[0043] 黄芪在微波频率为2450MHz下介电损耗因子与温度和水分的关系如图3所示。

[0044] (2)预先在工业计算机中输入黄芪的介电损耗因子分别与温度和水分的数学关系模型。

[0045] (3)采集通道实时采集微波干燥过程中微波作用时间、温度和水分，实时监控介电常数、介电损耗因子的动态变化值，并通过神经网络辨识模块获得介电损耗因子与温度水分的关系图像，根据介电损耗因子随温度变化的曲线斜率的变化，控制微波干燥时间，实现物料干燥品质的优化。

[0046] 使用传统的微波干燥，干燥后期，物料会产生微波干燥不均匀，干燥黄芪到安全湿基水分后，会出现部分焦化，部分干燥不充分的问题。所以黄芪产品后期干燥并不适宜采用微波干燥。微波干燥效率高，速度快，微波联合热风干燥黄芪可以减少总的干燥时间，干燥时间缩短1/2，又保证产品质量。但是微波干燥终止点难以判断，本系统提供了较好的控制微波干燥终点的方法，采用此种方法，黄芪品质干燥均匀度明显提高，产品质量有保障。

[0047] 实施例2：以银杏果为例说明具体操作步骤步骤：

[0048] (1)使用网络分析仪同轴电缆设备测定银杏果的不同水分下的条件下，随温度变化(固定频率为915MHz)的介电损耗因子。以含水率、温度为自变量，以介电损耗因子ε″为因变量，利用软件对试验数据进行二元回归拟合，得到在频率为915MHz下银杏果的介电损耗ε″与含水率、温度为主要影响因素的数学模型：

[0049] ε”915-银杏果＝23.3415+0.0725w+0.2458t-0.0053w2+0.0008t2-0.0036wt[0050] 银杏果在微波频率为915MHz下介电损耗因子与温度和水分的关系如图4所示。

[0051] (2)预先在工业计算机中输入银杏果的介电损耗因子分别与温度和水分的数学关系模型。

[0052] (3)采集通道实时采集微波干燥过程中微波作用时间、温度和水分，实时监控介电常数、介电损耗因子的动态变化值，并通过神经网络辨识模块获得介电常数和介电损耗因子与温度水分的关系图像，根据介电损耗因子随温度变化的曲线斜率的变化，控制微波干燥时间，实现物料干燥品质的优化。

[0053] 使用传统的工业微波干燥，干燥后期物料会产生微波干燥不均匀，干燥银杏果到安全湿基水分15％后，会出现部分焦化，部分干燥不充分的问题。所以银杏果产品后期干燥采用其他干燥方式(热风干燥)，可以有效的保证产品质量，并比传统热风干燥时间减少约1/3的干燥时间。但是工业微波干燥终止点难以判断，本系统提供了较好的控制微波干燥终点的方法，采用此种方法，银杏果干燥品质均匀度明显提高，产品质量有保障。