陶 意 蔡健榮 張世慶 孫 力 李 馨

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

高頻電熱殺菌腔內(nèi)粉料食品測(cè)溫傳感器的電磁屏蔽研究

陶 意 蔡健榮 張世慶 孫 力 李 馨

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

設(shè)計(jì)了高頻電加熱粉料殺菌設(shè)備，將殺菌腔內(nèi)粉料的螺旋推進(jìn)器作為加熱部件而接通高頻電。高頻電加熱會(huì)在周圍產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，干擾鉑電阻對(duì)關(guān)鍵控制點(diǎn)的準(zhǔn)確測(cè)溫，需進(jìn)行電磁屏蔽處理。從理論分析和虛擬仿真兩方面入手，理論分析得到材料的相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率及厚度影響材料的屏蔽效能，虛擬仿真得到幾種材料以及材料不同厚度的屏蔽效能。找到了合適鉑電阻的屏蔽材料為錳鋅鐵氧體，并確定圓柱形屏蔽罩厚度為3 mm，屏蔽效能可達(dá)40 dB以上，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該種屏蔽罩的屏蔽效果符合屏蔽要求。

高頻電熱；殺菌；溫度傳感器；電磁屏蔽；交變磁場(chǎng)；鉑電阻

高頻電加熱殺菌設(shè)備是利用高頻電流施加于導(dǎo)體產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，促使其表面發(fā)熱[1]。將這種加熱方式用于粉料食品殺菌，可更好地控制殺菌溫度和殺菌時(shí)間。由于高頻電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)影響溫度傳感器的正常使用，研究[2-3]表明：紅外非接觸式測(cè)溫傳感器、半導(dǎo)體測(cè)溫傳感器對(duì)電磁場(chǎng)抗干擾性好，但由于殺菌腔內(nèi)香辛料粉料的擴(kuò)散，紅外探頭容易黏上粉料而失去作用；半導(dǎo)體傳感器由于在90～150 ℃的溫度環(huán)境下檢測(cè)精度低(誤差±5 ℃)，并不適合在本設(shè)備中應(yīng)用。本研究采用測(cè)溫范圍為-60～500 ℃，精度為±0.3 ℃的鉑電阻溫度傳感器，但仍需解決交變電磁場(chǎng)對(duì)鉑電阻測(cè)溫探頭的干擾問題。交變磁場(chǎng)對(duì)鉑電阻的影響有兩方面：① 在交變電磁場(chǎng)的作用下，測(cè)溫探頭和引線產(chǎn)生感應(yīng)電流并與實(shí)際信號(hào)疊加，使信號(hào)產(chǎn)生鋸齒狀波紋；② 測(cè)溫探頭與引線的感應(yīng)電流使傳感器自身產(chǎn)生焦耳熱而使所測(cè)溫度偏高。

許多學(xué)者對(duì)鉑電阻抗電磁干擾問題及電磁屏蔽進(jìn)行了研究，劉華[4]設(shè)計(jì)了一種通過軟件數(shù)學(xué)建模來消除鉑電阻測(cè)量中可能產(chǎn)生誤差的鉑電阻在線檢測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)成的鉑電阻在線檢測(cè)系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和較高的社會(huì)推廣價(jià)值；張傳民等[5]采用濾波電路濾除射頻對(duì)鉑電阻的干擾，可以滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，定標(biāo)后測(cè)量誤差≤0.5 ℃；丁世敬等[6-7]介紹了電磁屏蔽材料的屏蔽原理、影響材料屏蔽效能的因素，并探討了屏蔽材料未來的發(fā)展趨勢(shì)；Wilson P F等[8-9]對(duì)低頻磁屏蔽理論、影響磁屏蔽效能的各種因素、并采用等效電路法導(dǎo)出了低頻磁屏蔽效能的計(jì)算模型。Lee P C等[10-11]研究了復(fù)合材料的屏蔽性能，并介紹了符合其應(yīng)用的領(lǐng)域；Fugetsu B等[12-14]研究了石墨烯納米管的電子屏蔽機(jī)理，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其屏蔽效能。Wu G H等[15]利用數(shù)值計(jì)算方法及軟件，對(duì)部分屏蔽材料的屏蔽效能進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)工程實(shí)際中磁屏蔽效能的估算有指導(dǎo)意義。

雖然相關(guān)鉑電阻抗干擾的研究[16-17]很多，但主要針對(duì)測(cè)控電路與軟件濾波，對(duì)鉑電阻的物理抗電磁干擾方法未做深入研究。現(xiàn)有對(duì)電磁屏蔽的研究[18]多集中于新材料的研究與數(shù)值分析，對(duì)于本文涉及的高頻電加熱設(shè)備中鉑電阻的電磁屏蔽問題研究未曾提及。本試驗(yàn)針對(duì)高頻電加熱設(shè)備中溫度傳感器遇到電磁干擾的問題，從理論分析入手，應(yīng)用成熟的虛擬仿真技術(shù)，探討不同材料、不同厚度的屏蔽效能，以尋找合適的屏蔽材料，并驗(yàn)證其屏蔽效果，以解決鉑電阻溫度探頭的電磁干擾問題。

1 屏蔽效能與材料屬性之間的關(guān)系

屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)是評(píng)價(jià)屏蔽體對(duì)電磁輻射干擾的屏蔽能力，用dB(分貝)表示[19]。當(dāng)電磁波入射到假設(shè)為無限大的平板屏蔽體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射損耗(RM)、吸收損耗(A)和再反射損耗(Rr)。根據(jù)傳輸線理論導(dǎo)出屏蔽效能SEH經(jīng)驗(yàn)公式[20]：

SEH=RM+A+Rr。

(1)

反射損耗可表示為：

(2)

吸收損耗可表示為：

(3)

再反射損耗表示為：

(4)

式中：

SEH——屏蔽效能，dB；

RM——反射損耗，dB；

A——吸收損耗，dB；

Rr——再反射損耗，dB；

f——頻率，Hz；

μr——屏蔽體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；

Gr——該屏蔽材料相對(duì)于銅的電導(dǎo)率；

r——平板屏蔽體與源的距離，cm；

t——平板屏蔽體的厚度，mm；

Zm——平板屏蔽體所采用金屬導(dǎo)體的阻抗，Ω；

Zw——波阻抗，Ω。

再反射損耗始終為負(fù)數(shù)，計(jì)算總屏蔽效能時(shí)需要減去再反射損耗才能得到正確的屏蔽效能增益。一般當(dāng)吸收損耗A大于15 dB時(shí)，再反射損耗可忽略不記。

采用的測(cè)溫探頭為圓柱形，包埋在如圖1所示的圓柱管狀屏蔽罩中，測(cè)溫傳感器的引線用特氟龍層隔熱保護(hù)，并固定在不銹鋼的保持架上，將帶自制屏蔽罩的探頭插入物料。

屏蔽罩的材料屬性決定了該屏蔽罩的電磁屏蔽效果。由屏蔽效能經(jīng)驗(yàn)公式可知，屏蔽罩的屏蔽效能由其相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、屏蔽體厚度共同決定。在COMSOL中進(jìn)行屏蔽效能的仿真試驗(yàn)，仿真器采用電磁AC物理場(chǎng)模塊，設(shè)置了邊界條件和網(wǎng)格劃分；觀測(cè)對(duì)象為屏蔽罩內(nèi)及其附近空氣區(qū)域，因此該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，其它區(qū)域隨物理場(chǎng)設(shè)置自由網(wǎng)格劃分。仿真模型如圖2所示，其中發(fā)射線圈模型為單匝線圈，通過交變大電流作為交變磁場(chǎng)發(fā)射裝置，線圈正下方為管狀屏蔽罩。

以相同材料的不同相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、厚度為變量，研究其對(duì)屏蔽效能的影響。通過COMSOL中的參數(shù)化掃描以及對(duì)仿真結(jié)果的后處理，分別得到了材料的相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及厚度與屏蔽效能之間的關(guān)系。

由圖3(a)可知，交變電流頻率在10 kHz下，相對(duì)磁導(dǎo)率在1～1 000時(shí)，屏蔽罩的屏蔽效能隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的增大而急劇上升；當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率大于1 000時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率的增加對(duì)屏蔽效能提升不明顯。屏蔽罩的電導(dǎo)率對(duì)屏蔽效能的影響見圖3(b)(設(shè)相對(duì)磁導(dǎo)率為1，厚度為1 mm)，其屏蔽效能隨著材料電導(dǎo)率的增加而增加，即屏蔽罩的電導(dǎo)率越高，渦流屏蔽效果越好。吸收損耗主要取決于屏蔽罩的厚度，其影響見圖3(c)，可見屏蔽材料的厚度越大，屏蔽效果越好。為實(shí)現(xiàn)有效電磁屏蔽，屏蔽罩厚度一般>1 mm。

2 屏蔽材料的選擇

選擇了304不銹鋼等5種材料，在1～300 kHz交變電流作用下進(jìn)行屏蔽效能仿真實(shí)驗(yàn)。由圖4可知，當(dāng)交變電流頻率<20 kHz時(shí)，幾種金屬材料屏蔽罩屏蔽效能隨著交變電流頻率的增加而變大。本設(shè)備的工作頻率為10～20 kHz，鐵素體不銹鋼和錳鋅鐵氧體在此區(qū)間屏蔽效果好于其他材料。但鑒于10～20 kHz低頻電磁場(chǎng)下以磁屏蔽為主[21]，鐵素體不銹鋼在該頻段會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，不利于準(zhǔn)確測(cè)溫，故選擇錳鋅鐵氧體作為屏蔽材料。

Figure 4 Relationship between four metal frequencies and shielding effectiveness under 1～300 kHz alternating current

由于測(cè)溫探頭及屏蔽罩為圓柱體，建立如圖5所示柱坐標(biāo)系，空心屏蔽罩垂直于磁場(chǎng)H，屏蔽罩內(nèi)外徑分別為a和b，屏蔽罩材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為μr。

由于錳鋅鐵氧體電導(dǎo)率極低，因此屏蔽罩內(nèi)的磁壓Vm的表達(dá)式可用柱坐標(biāo)系拉普拉斯方程解出：

(5)

2Vm=0。

(6)

屏蔽罩及傳感器垂直于磁場(chǎng)方向，因此屏蔽管的軸向(z向)磁壓分量為0，式(5)和式(6)可簡(jiǎn)化為：

(7)

此時(shí)的邊界條件：

① 距離屏蔽罩較遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)均勻；

② 在r=b和r=a界面處的磁壓近似為常數(shù)；

③ 穿越屏蔽體內(nèi)外壁的磁場(chǎng)在垂直于壁面的分量連續(xù)。

根據(jù)邊界條件，可以得到磁屏蔽的屏蔽效能表達(dá)式[22]：

(8)

式中：

SE——屏蔽效能，dB；

k=b2/a2；

H0、H1——分別為屏蔽管外部和內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，T。

選取的鉑電阻傳感器直徑為4 mm，因此采用外徑為10 mm、內(nèi)徑為4 mm的錳鋅鐵氧體屏蔽管作為屏蔽裝置。經(jīng)計(jì)算k值為25。由式(8)可知，當(dāng)屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為1時(shí)，屏蔽效能SE為0，即沒有磁屏蔽效果。隨著屏蔽罩相對(duì)磁導(dǎo)率的增加，其磁屏蔽效果越好。為了更直觀地了解相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)磁屏蔽效能的影響，可由式(8)得到如圖6所示相對(duì)磁導(dǎo)率與屏蔽效能的曲線圖，當(dāng)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率在0～100時(shí)，屏蔽效能上升速度較快，當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率從100增加至2 000時(shí)，屏蔽效能的增速減緩。

3 屏蔽效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證錳鋅鐵氧體的屏蔽性能，選用初始相對(duì)磁導(dǎo)率為1 196的屏蔽罩，根據(jù)式(8)計(jì)算可知，其磁屏蔽效能為49.17 dB。在1～20 kHz交變電流下進(jìn)行驗(yàn)證，圖7為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖。由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出交變信號(hào)，經(jīng)放大器連接發(fā)射天線產(chǎn)生1～20 kHz交變電磁場(chǎng)，接收線圈連接示波器與電腦。

Figure 6 The relationship between the relative permeability and the shielding effectiveness of magnetic shielding

以無交變電流干擾為基準(zhǔn)，對(duì)比了在交變電流作用下有無屏蔽罩對(duì)測(cè)溫傳感器電壓的影響，試驗(yàn)時(shí)間為1 000 ms。表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，無電磁干擾和加屏蔽罩的條件下，電壓變化較小，而未加屏蔽罩的傳感器電壓變化較大，從而證明錳鋅鐵氧體可濾除絕大部分低頻電磁干擾。

將加裝錳鋅鐵氧體屏蔽罩的測(cè)溫傳感器安裝于殺菌設(shè)備進(jìn)行連續(xù)升溫試驗(yàn)，其實(shí)際測(cè)溫曲線見圖8。結(jié)果表明，未加屏蔽罩的測(cè)溫探頭升溫曲線有明顯鋸齒波且溫飄嚴(yán)重，而加裝屏蔽罩后所測(cè)升溫曲線平滑且與實(shí)際溫度吻合。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)就高頻電加熱殺菌設(shè)備中測(cè)溫的工程實(shí)際問題，從電磁屏蔽原理出發(fā)，分析影響材料屏蔽效能的因素，結(jié)合COMSOL多物理場(chǎng)仿真模擬，篩選了5種材料，最終確定錳鋅鐵氧體為鉑電阻溫度探頭合適的屏蔽材料，并確定圓柱形的屏蔽罩厚度為3 mm，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種屏蔽罩滿足要求。本研究?jī)H針對(duì)特定設(shè)備中靜態(tài)電磁場(chǎng)的電磁屏蔽，對(duì)

于動(dòng)態(tài)或旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)的屏蔽機(jī)理及措施未做進(jìn)一步研究，這也是該領(lǐng)域繼續(xù)研究的方向。

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Study on electromagnetic shielding of temperature sensor which measures the temperature of powder food in high frequency electrothermal sterilization equipment

TAO YiCAIJian-rongZHANGShi-qingSUNLiLIXin

(JiangsuUniversity,SchoolofMechanicalEngineering,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)

One kind of heat treatment machine for powder material was designed to use the metal screw impellor inside the sterilization chamber as the heating component connected to high frequency electricity. As strong magnetic field was generated during the process, the accuracy of temperature at critical control point (CCP) of the material measured by platinum resistor would be influenced, and this entailed the electromagnetic shielding (EM shielding). Based on both theoretical analysis and virtual simulation, our research was intended to design the shielding device. The relationships between the shielding effectiveness and the relative permeability, relative conductivity and thickness of different materials were analyzed. After narrowed down to several kinds of materials with various thickness, the shielding effectiveness of these materials was calculated by virtual simulation. It was found that Mn-Zn ferrite would be the proper shielding material for platinum resistor and the effectiveness of a 3 mm thick Mn-Zn ferrite cylinder shield could be higher than 40 dB. The shielding effect of this device prototype was proved to be acceptable in this study.

high frequency heating; sterilization; temperature sensor; electromagnetic shielding; alternating magnetic field; platinum resistance

江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(編號(hào)：15KJA550001)；江蘇省2015年度普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：SJZZ15_0130)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(編號(hào)：2015BAD19B00)

陶意，男，江蘇大學(xué)在讀碩士研究生。

蔡健榮(1966—)，男，江蘇大學(xué)教授，博士。 E-mail: 1196186958@qq.com

2016—11—08

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.015