一種微波干燥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

倪乘陽，徐歐官，李臻鋒

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 紹興 312030；2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

0 引言

干燥等加工方式不但延長農(nóng)產(chǎn)品的貨架期，而且還大大縮小了它的重量和體積，使其包裝和運(yùn)輸成本降低，增加它的附加值。微波干燥是一種全新的干燥方法[1]，它利用微波產(chǎn)生交變電磁場，在交變電磁場的作用下，固體介質(zhì)中的水分子被激化，迅速旋轉(zhuǎn)，相互摩擦，產(chǎn)生熱量，從而使固體物料實(shí)現(xiàn)干燥[2]。微波干燥具有能耗低、效率高、時(shí)間短、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在食品、農(nóng)產(chǎn)品的干燥加工中應(yīng)用廣泛[3-7]。

本文擬設(shè)計(jì)一種微波干燥反饋控制系統(tǒng)，主要用于果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的恒溫干燥。文中首先探討了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理；然后研究了硬件的設(shè)計(jì)過程，著重介紹微波干燥單元、溫度檢測與控制單元、重量檢測單元和上位機(jī)控制單元等各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法；接著分析了控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；最后開展實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用純凈水加熱實(shí)驗(yàn)校正改造后的微波爐的輸出功率，建立微波功率與控制電壓間的數(shù)學(xué)模型；以生姜為樣本開展恒溫干燥實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的微波干燥控制系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

微波干燥控制系統(tǒng)由微波干燥單元、溫度檢測與控制單元、重量檢測單元和上位機(jī)控制單元構(gòu)成，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。微波干燥單元含改裝后的家用微波爐、220 V交流(AC)功率控制電路和用于裝載樣品的聚四氟乙烯容器，是控制系統(tǒng)的主體；溫度檢測與控制單元包括測量溫度的光纖測溫儀和調(diào)節(jié)電壓的功率控制器，光纖測溫儀在線檢測被干燥物料的溫度，功率控制器根據(jù)檢測的溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)微波爐的輸入電壓，進(jìn)而改變微波爐的輸出功率，實(shí)現(xiàn)微波爐溫度的調(diào)節(jié)和控制；重量檢測單元主要包含電子天平，用于在線檢測被干燥物料的重量，通過在線檢測的物料重量來計(jì)算物料的含水率，以此判別干燥過程的啟停；上位機(jī)控制單元主要包括裝載LabVIEW應(yīng)用軟件的電腦、數(shù)據(jù)采集卡和調(diào)試好的控制程序，數(shù)據(jù)采集卡在線采集實(shí)驗(yàn)過程中的溫度信號，整個(gè)系統(tǒng)均由上位機(jī)控制，微波干燥過程完全自動控制。

圖1 微波干燥控制系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微波干燥單元

微波干燥單元是微波干燥控制系統(tǒng)的核心，微波干燥單元的設(shè)計(jì)包括微波爐的電路改造和功率控制電路的設(shè)計(jì)。

2.1.1 微波爐的改造

微波干燥單元的微波爐是由家用微波爐改造而成的。家用微波爐的功率和干燥時(shí)間由外部旋鈕手動控制。功率控制器僅有低火、中火、高火三種干燥檔位可選，分別對應(yīng)微波爐17%、55%、100%的輸出功率，有限的輸出功率選擇無法實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)，極易導(dǎo)致較差干燥品質(zhì)。時(shí)間控制器的存在無法使微波爐開展連續(xù)的長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。因此需要對家用微波爐的線路進(jìn)行改造，拆除功率控制器和時(shí)間控制器，設(shè)計(jì)一種功率控制器，使微波爐的功率實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。該功率控制器主要功能是對微波爐的輸入電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)控，而且是無級調(diào)控，以較弱的直流電(0～5 V)控制較強(qiáng)的交流電(0～220 V)，使得微波爐由改造前的低火、中火、高火三種檔位變成微波功率130～540 W連續(xù)、無級可調(diào)。

2.1.2 功率控制電路的設(shè)計(jì)

微波爐的核心是磁控管，微波是由磁控管產(chǎn)生的。微波爐輸出功率的大小是通過調(diào)節(jié)磁控管的電壓實(shí)現(xiàn)的。采用占空比相位調(diào)節(jié)電路來控制微波爐的輸出功率[8]。功率控制電路主要包括光電隔離電路的設(shè)計(jì)、過零點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)、可控硅的設(shè)計(jì)和占空比調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)等，功率控制電路原理圖見圖2。光電隔離設(shè)計(jì)由H11L1實(shí)現(xiàn)，可控硅電路包括BTA41-600B和MOC3023，占空比調(diào)節(jié)電路由LM555實(shí)現(xiàn)。

圖2 功率控制電路原理圖

2.2 溫度檢測控制單元

溫度檢測控制單元主要由溫度傳感器和功率控制器等硬件構(gòu)成。而溫度、功率的控制需要數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW程序配合實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 溫度傳感器選擇

為保證微波干燥系統(tǒng)溫度恒定，要求系統(tǒng)的溫度能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地被測量，ThermAgile-RD熒光光纖測溫儀被選為測溫儀器，該測溫儀是西安和其光電科技有限公司生產(chǎn)的，其測量精度為0.1 ℃。這種型號測溫儀的熒光探頭是由稀土材料制成的，這種材料具有化學(xué)惰性的特點(diǎn)，由此材料制成的探頭具有不受外界微波、電、射頻、磁等干擾的特點(diǎn)，而且還具有測溫精度高、響應(yīng)時(shí)間快、尺寸小等特性，適合應(yīng)用于微波干燥系統(tǒng)。

2.2.2 溫度的測量與控制

在測溫的過程中，光纖測溫儀的探頭置于被測物料的中心，彼此充分接觸。探頭獲取的溫度信號被轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(0～5 V)，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集該信號，輸入LabVIEW程序中，通過電壓-溫度轉(zhuǎn)換公式計(jì)算被測物料的實(shí)時(shí)溫度。光纖傳感器的電壓-溫度對應(yīng)關(guān)系需要標(biāo)定，標(biāo)定后的關(guān)系式為：

T=44.246*U-21.873

被測物料的溫度的調(diào)節(jié)與控制主要是通過改變微波爐的輸出功率實(shí)現(xiàn)的，圖3為溫度反饋控制系統(tǒng)框圖。當(dāng)測溫儀檢測到的物料溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，經(jīng)LabVIEW控制程序中的PID調(diào)壓模塊處理，提高功率控制器的輸入電壓，使微波爐的輸出功率增加，物料溫度隨之上升；當(dāng)測溫儀檢測到的溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，經(jīng)PID調(diào)壓模塊處理，降低功率控制器輸入電壓，減少微波爐的輸出功率，使物料溫度下降，從而達(dá)到維持物料溫度恒定的目的。

圖3 溫度控制系統(tǒng)框圖

2.3 重量檢測單元

重量檢測單元的主要設(shè)備為電子天平。它的作用是通過物料重量檢測來計(jì)算物料的含水率，含水率(濕基)計(jì)算式如下：

其中:Wt為干燥樣品在t時(shí)刻的濕基含水率(g/g)；Mt為t時(shí)刻物料的總重量(g)；M為物料的絕干重量(g)。

若采用離線的方式測量物料重量，不但破壞了干燥過程的連續(xù)性，而且影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。選取LBA5200電子天平在線檢測物料重量，它通過RS232串口與電腦通信。該電子天平可在線測量并記錄重量信號，且精度為0.01 g，滿足要求。

2.4 上位機(jī)控制單元

上位機(jī)控制單元主要包括數(shù)據(jù)采集卡和安裝LabVIEW應(yīng)用軟件的電腦。

本系統(tǒng)的輸入信號為溫度信號(0～5 V)和重量信號，輸出信號為功率控制器的控制電壓(0～5 V)。由于LBA5200電子天平采集的重量信號通過串口(RS232)與電腦直接通信，重量信號不必通過數(shù)據(jù)采集卡采集。所以在選擇采集卡時(shí)，只需考慮模擬輸入和模擬輸出各一路，而且輸入和輸出信號均為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。數(shù)據(jù)輸入輸出如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)輸入輸出圖

據(jù)上分析，本系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡的型號為NIUSB-6008，該采集卡有模擬輸入通道8路，模擬輸出通道4路，數(shù)字輸入通道和輸出通道各12路，和帶USB接口的32位計(jì)數(shù)器1個(gè)。NIUSB-6008數(shù)據(jù)采集卡可以通過下載的LabVIEW DAQ助手與LabVIEW應(yīng)用軟件配套使用。

3 軟件設(shè)計(jì)——LabVIEW控制程序

LabVIEW是由美國國家儀器公司(NI)研發(fā)的一種圖形化的編程語言，是一款標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制應(yīng)用軟件，它簡單易學(xué)、功能強(qiáng)大。虛擬儀器(VI, Virtual Instrument)是一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，顯示功能在以計(jì)算機(jī)為核心所構(gòu)成的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)，代替儀器的控制面板，測試分析功能由軟件實(shí)現(xiàn)。VI由兩個(gè)界面組成，其一為前面板(Front Panel)，用于人機(jī)交互，包括指示器(Indicators)和控件(Controls)等用來模擬儀器的輸出裝置和輸入裝置；其二為編程區(qū)，即為程序圖(Diagram)。由程序圖發(fā)出指令到前面板。LabVIEW被認(rèn)為是VI技術(shù)最具有發(fā)展前景和影響力的軟件平臺。

本系統(tǒng)采用LabVIEW實(shí)時(shí)記錄干燥過程中物料的重量和溫度，由溫度反饋控制微波爐的輸出功率。為了實(shí)現(xiàn)物料干燥的自動化控制，通過程序在線測量并實(shí)時(shí)記錄溫度、重量等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)干燥過程的反饋控制。果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的微波恒溫干燥控制系統(tǒng)主要包括重量控制程序和溫度控制程序，其流程見圖5。重量控制程序控制干燥過程的啟動或停止，當(dāng)物料的含水率達(dá)到設(shè)定值時(shí)，微波爐停止工作。溫度控制程序包含了溫度檢測，通過溫度反饋控制微波爐的輸出功率，使溫度調(diào)節(jié)過程快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

圖5 微波干燥控制程序流程圖

微波恒溫干燥控制程序見圖6。while循環(huán)使微波干燥控制程序中前面板與程序圖這兩個(gè)界面每1 s運(yùn)行一次。前面板含有濕基含水率設(shè)定值和溫度設(shè)定值輸入框，還包含重量、溫度和濕基含水率等指標(biāo)的顯示圖表。程序會自動記錄重量、溫度等數(shù)據(jù)，且根據(jù)重量數(shù)據(jù)會自動計(jì)算濕基含水率，干燥的過程中只需要監(jiān)測前面板。在干燥的過程中，除了物料的放置和移出微波爐這兩個(gè)環(huán)節(jié)需要人工參與外，其它環(huán)節(jié)均不需要人工操作，全部由程序自動控制。微波干燥過程完全實(shí)現(xiàn)自動化，控制效果得到極大的提升，不僅減少了實(shí)驗(yàn)過程中人力的使用，而且提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖6 恒溫干燥控制程序圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 微波爐輸出功率的標(biāo)定

為實(shí)現(xiàn)微波爐輸出功率連續(xù)并無級可調(diào)，設(shè)計(jì)了功率控制電路替換家用微波爐的控制器。采用純凈水加熱實(shí)驗(yàn)功率控制電路的控制電壓與微波爐的輸出功率間的對應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)過程：用燒杯盛一定量的純凈水，將他們放置于微波爐中；將光纖探頭置于純凈水中，實(shí)時(shí)檢測水的溫度；啟動微波爐，記錄微波爐的加熱時(shí)間和溫度，當(dāng)水溫達(dá)到100℃時(shí)停止加熱。實(shí)驗(yàn)過程中有3個(gè)假定：1)忽略燒杯吸收的熱量；2)忽略水蒸氣的蒸發(fā)量；3)大氣壓力始終維持在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

實(shí)驗(yàn)步驟：1)倒500 mL純凈水于燒杯中，將盛有純凈水的燒杯放置于微波爐，并將光纖探頭插入到水中(探頭不接觸杯壁或杯底)；2)設(shè)定控制電壓等參數(shù)后，啟動微波爐開始純凈水加熱實(shí)驗(yàn)，記錄電壓、溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；3)分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理。

通過下式計(jì)算微波爐的功率：

P=Q/(Δt)

Q=c×m×(T1-T0)=c×v×ρ×(T1-T0)

式中，P是微波爐功率(W)；Q是水吸收的熱量(J)；Δt是時(shí)間間隔(s)；c是純凈水的比熱容，取值4.2×103J/(kg·℃)；ρ是純凈水的密度，取值1×103kg/m3；v是燒杯中的純凈水的體積(m3)；T1和T0分別表示兩個(gè)時(shí)刻的水的溫度(T1>T0)(℃)。為方便計(jì)算，將40℃作為初始水溫T0，100℃作為終止溫度T1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：功率控制電路的電壓以0.2 V的間隔從0 V增加到5 V，在給定的控制電壓下進(jìn)行功率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。為確?？刂齐妷簲?shù)值準(zhǔn)確，使用萬用表對與數(shù)據(jù)采集卡連接的調(diào)壓模塊的端電壓進(jìn)行測量并記錄。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 微波爐輸出功率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

由表1可知，當(dāng)功率控制電路電壓小于2.0 V時(shí)，微波爐的輸出功率為0 W。主要原因有兩點(diǎn)：1)功率控制器的電壓在0～0.9 V之間時(shí)，控制器處于全閉狀態(tài)，控制電路的輸出電壓為0；2)功率控制器電壓在0.9～2.0 V之間時(shí)，功率控制器的輸出電壓低于磁控管的觸發(fā)電壓，磁控管無法啟動，不能產(chǎn)生微波。功率控制器的輸出電壓大于2.0 V時(shí)，磁控管已正常工作，能產(chǎn)生微波，而且微波功率隨著輸出電壓的增加而增大。當(dāng)功率控制器的輸出電壓在4.2～5.0 V之間時(shí)，微波爐的輸出功率存在一定的波動，功率值隨著控制電壓的增加先增大而后減小。究其原因：當(dāng)控制電壓大于4.2 V時(shí)，功率控制器已處于全開狀態(tài)，微波爐的輸入電壓已是全電壓。因此，探討并分析電壓值在2.2～4.2 V區(qū)間內(nèi)的微波爐輸出功率與功率控制器控制電壓之間的變化規(guī)律是合適的。利用最小二乘法對標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的散點(diǎn)圖進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到的方程為：

P=119.6u3-1301u2+4766u-5342

經(jīng)分析該方程的確定系數(shù)R2為0.998，說明方程擬合度較好。

4.2 蘋果的恒溫干燥實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的控制效果，選取生姜為樣本進(jìn)行恒溫干燥實(shí)驗(yàn)。記錄生姜在干燥過程中的溫度、干燥時(shí)間等數(shù)據(jù)。生姜采購自當(dāng)?shù)厥袌觯环指畛少|(zhì)量約為20±1 g的立方體樣品(10 mm×10 mm×10 mm)；為防止氧化，將樣品置于80℃的水浴中浸泡1 min。樣品分別在50℃、60℃、70℃和80℃下恒溫干燥。將光纖插入生姜樣本中心檢測物料溫度，將檢測的溫度信號與設(shè)定溫度信號比較，經(jīng)控制程序中的PID調(diào)壓模塊處理后，由采集卡輸送至功率控制器，功率控制器的輸出信號調(diào)節(jié)微波爐的輸出功率，最終實(shí)現(xiàn)物料溫度的調(diào)節(jié)和控制，達(dá)到恒溫干燥的目的。

干燥時(shí)，先將生姜預(yù)處理，然后放置于干燥的容器內(nèi)，將光纖測溫儀的探頭插入生姜內(nèi)部。在確認(rèn)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)可以正常采集和輸后，在控制面板上輸入濕基含水率(生姜干燥終點(diǎn)對應(yīng)的含水率)和干燥溫度，啟動微波爐開始干燥。在干燥的初始階段，設(shè)定溫度大于測溫儀所測到的物料溫度，溫度偏差輸送給控制程序的PID調(diào)壓模塊，經(jīng)處理后輸出高電壓給功率控制器，微波爐提高輸出功率對物料加熱；待溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，經(jīng)控制程序的PID調(diào)壓模塊運(yùn)算處理，輸出低電壓給功率控制器，使微波爐以較低的功率持續(xù)工作，保持物料溫度不變。在干燥的過程中，生姜的重量、溫度等數(shù)據(jù)一直由上位機(jī)記錄，直至到物料的含水率達(dá)到設(shè)定值，干燥結(jié)束，停止微波爐。

不同設(shè)定溫度下的生姜恒溫干燥曲線如圖7所示。在干燥的初始階段，物料的溫度快速上升，可以在短期內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度，然后以恒定的溫度干燥至物料的含水率達(dá)到要求為止。在干燥的過程中，物料的溫度在設(shè)定值附近上下波動。由圖7可知，功率反饋控制調(diào)整時(shí)間不超過1秒，溫度偏差不超過2℃，說明微波干燥過程的溫度調(diào)節(jié)快速、有效。

圖7 恒溫干燥曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于果蔬等農(nóng)產(chǎn)品恒溫干燥的微波干燥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含微波干燥單元、溫度檢測與控制單元、重量檢測單元和上位機(jī)控制單元等四部分。完成了微波爐的改造，對微波爐的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，建立了微波爐輸出功率與控制電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。生姜的恒溫干燥實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)可在線采集溫度、重量等數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)基于溫度反饋的微波爐輸出功率的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)，干燥過程的溫度控制快速、有效。