一种改善微波加热温度均匀性的方法技术

本发明专利技术涉及一种改善微波加热温度均匀性的方法，属于冶金工程控制技术领域。本发明专利技术提出间歇式微波加热方法，根据预先设置的温度变化率上限tanθ和期望温度变化率tanα，自适应调整加热时间和停止加热时间，直到满足整个加热时长，结束整个加热过程。本发明专利技术不但对加热物料具有适用于不容易发生热失控的物料，也适用于易发生热失控的物料同样，最终提高温度的均匀性，因此具有普适性。

【技术实现步骤摘要】
一种改善微波加热温度均匀性的方法
本专利技术涉及一种改善微波加热温度均匀性的方法，属于冶金工程控制

技术介绍
微波加热作为一种快速、有效的加热方式，已经广泛应用于冶金、食品及化学等领域。然而，在微波加热过程中，有些加热的平衡温度对输入功率很敏感，输入功率的微小改变，会引起过程体系温度迅速发生很大变化，将这种变化过程的物理现象称为热失控。热失控一旦发生，会烧毁物料，损坏微波加热装置，严重时可能发生爆炸，它严重阻碍了微波加热在工业上的应用。一般认为热失控是微波和反应体系相互作用形成的正反馈结果。在微波加热过程中，微波电磁场遵循麦克斯韦方程组，温度场遵循热传导方程，被加热物料耗散电磁能直接转化为热能使其温度升高。研究表明，加热体系的电磁特性，如电导率、介电常数、磁导率等都是温度的非线性函数。一般而言，随着温度的上升，会引起加热体系电磁特性改变，当加热体系内耗散的微波电磁能不断增加导致热通量密度增大时，形成正反馈，加热体系温度会不断上升，最终形成正反馈过程，引发热失控，这种热失控产生的空间分布性，是导致微波加热温度分布不均匀性的最主要因素。在工业上，热失控有时是有利的，如使用微波陶瓷焊接，但更多的时候是有害的，应用中需要微波加热体系有一个均匀的温度分布。为了避免热失控，使加热体系内温度分布均匀，众多学者提出了很多避免热失控的方法。美国的新泽西理工学院的Kriegsmann提出先用较大功率的微波加热，然后再用减小功率的方法来避免热失控；荷兰瓦赫宁根农学院的Vriezinga提出被加热物的厚度小于一个值后，热失控就不会发生；美国乔治梅森大学的Beal等人提出了反馈控制系统的方法；美国弗吉尼亚理工学院的Wu提出在谐振腔体中防止热失控的方法，这些讨论虽然从不同的角度分析了热失控的特性即防止热失控的方法。但是，目前实际的应用现状为，微波处理的物料种类繁多，其电磁特性也差异大，只能开发出相对专用的微波加热装置。大量研究表明，由于微波加热物料的温度变化率正比于物料损耗因子(其大小为介电常数的虚部与实部之比)，而介电常数虚部的温度特性则根据物料种类而定，其温度特性通常可分为两大类：即正温度特性和负温度特性两种。对于具有正温度特性的物料来说，随着温度的上升，物料介电常数虚部也增大，即物料介电常数虚部随温度的变化曲线的斜率为正。由于温度升高使得介电常数虚部增大，介电常数虚部的增大反过来又使温度上升，如此连续不断往复循环导致物料损坏，这就是微波加热过程中的热失控效应产生的本质原因。因此本专利技术紧扣这一物理机理，从实际应用出发，考虑间歇式微波加热，提出一种相对普适避免微波与物料热效应过程产生的热失控现象的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种改善微波加热温度均匀性的方法，以用于解决实际加热中微波与物料热效应过程产生的热失控，提高温度均匀性和装置的通用性。微波加热是一个涉及到物料与多个物理场方程的耦合，热失控又是一个紧密依赖具体被加热物料物理属性的问题，其控制策略的研究适用性单一。另一方面，在实际加热过程中，缺乏物料的先验信息，尤其是不清楚该物料的温升属性。考虑以上两个方面，本专利技术首先从数学角度阐明控制策略，再详细分析该控制策略的普适性。本专利技术的技术方案是：一种改善微波加热温度均匀性的方法，根据相邻时间节点tn-1，tn采集得到的温度Tn-1，Tn，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率Kn，Kn＝(Tn-Tn-1)/(tn-tn-1)，比较Kn与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若Kn>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间tend，结束加热。所述方法的具体步骤如下：Step1、设定好温度采样时间间隔△t；Step2、判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间tend，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；若不满足，则执行步骤Step3；Step3、对两相邻时刻(tn-1，tn)采集得到的温度(Tn-1，Tn)进行处理，计算当前温度变化率Kn＝(Tn-Tn-1)/△t，比较Kn与预设的温度变化率上限tanθ的大小；若Kn>tanθ，则执行步骤Step4，若不满足，执行步骤Step2，继续加热；Step4、关闭微波电源，计算需等待停止加热时间＝(Tn-Tn-1)/tanα-tn，判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间tend，(tend可以通过定时器设定)若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；否则，执行步骤Step3；Step5、结束整个加热过程。tanθ的取值问题，根据材料、腔体等先验知识可以实现。由于微波加热过程中，影响被加热物料温度变化的因素很多，如形状、介电常数、密度、含水量，腔体内电磁场分布等，导致tanθ的取值也会因物料种类的不同而变化。所述温度变化率上限tanθ的计算方法为：根据公式求tanθ；其中，ρ为物料的密度；cp为物料的比热容；为物料在微波中的升温速率，即温度变化率；T为物料的加热温度，E为电场强度，ε″为介电常数虚部。所述期望温度变化率可以取tanα＝5，即期望被加热物料温度每秒升高5℃。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提出一种相对普适避免微波与物料热效应过程产生的热失控现象的方法，提高微波加热装置的通用性，改善微波加热的均匀性，具有很强的应用价值和现实意义；2、本专利技术不但对加热物料具有适用于不容易发生热失控的物料，也适用于易发生热失控的物料同样，最终提高温度的均匀性，因此具有普适性；3、本专利技术不仅解决了对热失控现象的控制，同时对任意属性物料的加热同样适用。附图说明图1是微波加热控制系统框图；图2是间歇式微波加热流程图；图3是间歇式微波加热过程中温度变化。具体实施方式实施例1：如图1-3所示，一种改善微波加热温度均匀性的方法，根据相邻时间节点tn-1，tn采集得到的温度Tn-1，Tn，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率Kn，Kn＝(Tn-Tn-1)/(tn-tn-1)，比较Kn与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若Kn>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间tend，结束加热。进一步的，所述方法的具体步骤如下：Step1、设定好温度采样时间间隔△t；Step2、判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间tend，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；若不满足，则执行步骤Step3；Step3、对两相邻时刻(tn-1，tn)采集得到的温度(Tn-1，Tn)进行处理，计算当前温度变化率Kn＝(Tn-Tn-1)/△t，比较Kn与预设的温度变化率上限tanθ的大小；若Kn>tanθ，则执行步骤Step4，若不满足，执行步骤Step2，继续加热；Step4、关闭微波电源，计算需等待停止加热时间＝(Tn-Tn-1)/tanα-tn，判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间tend，(tend可以通过定时器设定)若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；否则，执行步骤Step3；Step5、结束整个加热过程。进一步的，tanθ的取值问题，根据材料、腔体等先验知识可以实现。由于微波加热过程中，影响被加热物料温度变化的因素很多，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善微波加热温度均匀性的方法，其特征在于：根据相邻时间节点tn‑1，tn采集得到的温度Tn‑1，Tn，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率Kn，Kn＝(Tn‑Tn‑1)/(tn‑tn‑1)，比较Kn与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若Kn>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间tend，结束加热。

【技术特征摘要】
1.一种改善微波加热温度均匀性的方法，其特征在于：根据相邻时间节点tn-1，tn采集得到的温度Tn-1，Tn，计算得出温度采样时间间隔内的温度变化率Kn，Kn＝(Tn-Tn-1)/(tn-tn-1)，比较Kn与预设的温度变化率上限tanθ的大小，若Kn>tanθ，则断开微波电源，停止加热；否则，继续加热，直到满足整个加热时间tend，结束加热。2.根据权利要求1所述的改善微波加热温度均匀性的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：Step1、设定好温度采样时间间隔△t；Step2、判断从开始加热到当前的时间是否达到预期设定的加热时间tend，若满足，则执行步骤Step5，即结束加热；若不满足，则执行步骤Step3；Step3、对两相邻时刻(tn-1，tn)采集得到的温度(Tn-1，Tn)进行处理，计算当前温度变化率Kn＝(Tn-Tn...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彪，王世礼，郭林嘉，彭金辉，孙俊，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53