一種用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于非金屬物質(zhì)(如蔬果、中草藥等，含金屬物質(zhì)干燥中微波受限)干燥技術領域，具體說是涉及一種用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于針對各種被干燥物料設計最優(yōu)化的干燥方案，并具有對設計的干燥方案和現(xiàn)有的干燥方案進行檢驗的功能。
【背景技術】
[0002]熱風干燥作為一種傳統(tǒng)的干燥方法，具有設備簡單、生產(chǎn)成本低的特點，但缺點是干燥速度慢。而微波干燥正好克服了干燥速度慢的缺點，越來越多地被應用到當前的食品與農(nóng)產(chǎn)品干燥中。但微波干燥卻存在加熱不均勻的問題，經(jīng)常會發(fā)生物料表面溫度遠低于內(nèi)部溫度的情況。因此，熱風微波耦合干燥能有效解決干燥速度和干燥均勻性的問題。
[0003]在微波熱風耦合干燥方面，專利(公開號CN102735034A)公開了 “一種側(cè)面進風微波干燥設備”，專利(公開號CN103005629A)公開了 “微波熱風聯(lián)合紅棗烘干機”，專利(公開號CN201974012U)公開了 “微波熱風聯(lián)合干燥設備”，這些設備雖可以完成微波和熱風的聯(lián)合干燥，但整個干燥過程缺乏有效的監(jiān)測及控制，干燥過程的設計多按照恒溫或者經(jīng)驗性的階段變溫進行。專利(公開號CN103263064A)公開了 “一種微波、熱風和真空及其聯(lián)合干燥設備”，涉及了一定的監(jiān)測和控制功能，但都不屬于自動控制，更不能做到干燥過程的最優(yōu)化。
[0004]本微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，將微波和熱風技術以多種可控比例組合，也可以選用單一方法干燥。該系統(tǒng)利用多種傳感技術和計算機采集控制系統(tǒng)，建立兩個完整的反饋回路，以此在干燥過程中準確控制系統(tǒng)的功率和溫度等參數(shù)，一方面通過試驗設計最優(yōu)干燥曲線方案，另一方面使干燥過程能準確按照預先設計的方案進行，并能夠?qū)ΜF(xiàn)有工業(yè)用干燥方案進行檢視，判斷其合理性。該系統(tǒng)的主要應用方向不是直接針對大工業(yè)生產(chǎn)，而是針對各種特定被干燥物料，優(yōu)化設計干燥流程，最終指導工業(yè)生產(chǎn)，提高干燥效率和產(chǎn)品的品質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明專利提供一種微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，設計該系統(tǒng)的目的在于:針對各種被干燥物料設計最優(yōu)化的干燥方案，以獲得快速和干燥速率和較低的能耗，并可將系統(tǒng)用于已有干燥方案的檢驗。其
【發(fā)明內(nèi)容】
包括:干燥腔、微波加熱裝置、熱風發(fā)生裝置、測重裝置、測溫裝置、計算機與信號采集控制系統(tǒng)、功率控制電路和軟件部分。
[0006]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的干燥腔為圓柱形，帶可開啟頂蓋用于裝卸物料，腔體內(nèi)中部偏下處置網(wǎng)孔托架，被干燥物料置于托架上，干燥腔側(cè)壁設三個密封貫通件，自下而上分別用以連接熱風進氣管道、光纖測溫儀(解調(diào)儀)和熱風排氣管道，干燥腔包括托架和貫通件都采用聚四氟乙烯材質(zhì)以適應微波環(huán)境，整個干燥腔懸掛于電子天平下進行測重。
[0007]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的微波加熱裝置為一個微波爐，旋轉(zhuǎn)磁控管位于爐腔底部，通過雙向可控硅調(diào)壓模組(用以控制微波功率)控制磁控管的功率，功率從O到2000W連續(xù)可調(diào)，同時從空間和時間上保證微波的均勻性。
[0008]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的熱風發(fā)生裝置由一臺無油靜音空壓機、流量閥、管式電加熱器(內(nèi)置K型熱電偶)組成，無油靜音空壓機產(chǎn)生穩(wěn)定的壓縮空氣，流量閥用以調(diào)節(jié)熱風速率，管式電加熱器功率由雙向可控硅調(diào)壓模組(用以控制熱風功率)控制，同時內(nèi)置K型熱電偶用以控溫粗調(diào)和報警。
[0009]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的測重裝置為一臺電子天平，為了避免微波影響，采用頂置下掛鉤對整個干燥腔測重，電子天平帶O?5V模擬電壓輸出(至數(shù)據(jù)采集控制卡)或RS232輸出。
[0010]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的測溫裝置包含微波場外的傳統(tǒng)熱電偶測溫和微波場內(nèi)的光纖布拉格衍射光柵溫度傳感器測溫，K型熱電偶位于管式電加熱器出口端，通過雙向可控硅調(diào)壓模組提供O?5V模擬電壓，輸入至數(shù)據(jù)采集控制卡，4路光纖溫度傳感器位于干燥腔內(nèi)熱風環(huán)境和被干燥物料表面及內(nèi)部，通過光纖測溫儀(解調(diào)儀)輸出O?5V模擬電壓信號，輸入至數(shù)據(jù)采集控制卡。
[0011]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的信號采集系統(tǒng)包含一臺x86計算機(但不僅限于此)與一塊N1-USB系列數(shù)據(jù)采集控制卡(但不僅限于此)組成，數(shù)據(jù)采集控制卡接受I路K型熱電偶溫度信號、4路光纖溫度信號和I路電子天平測重信號，總計6路模擬輸入信號，同時提供兩路O?5V模擬電壓控制信號，分別控制兩個雙向可控硅調(diào)壓模組。
[0012]上述微波熱風耦合干燥系統(tǒng)的功率控制電路為兩個雙向可控硅調(diào)壓模組，分別串接于管式電加熱器電源輸入端和微波磁控管電源輸入端，通過O?5V模擬信號控制熱風和微波的功率。
[0013]上述微波熱風稱合干燥系統(tǒng)的軟件部分用基于windows系統(tǒng)的Labview編程平臺實現(xiàn)，負責處理6路模擬輸入信號的量化和記錄、熱風溫度反饋控制算法、物料溫度反饋控制算法、2路控制信號的輸出與記錄(根據(jù)移相角度和控制電壓的關系，用于電能消耗計算)、基于正交試驗的最優(yōu)效率干燥溫度曲線提取算法以及連續(xù)變溫(也可用于恒溫和階段變溫)控制干燥流程。
【附圖說明】
[0014]圖1是本專利主要設備組成圖。
[0015]圖1中:1.無油靜音空壓機；2.管式電加熱器(內(nèi)置K型熱電偶);3.干燥腔；4.被干燥物料；5.氣體流量計；6.電子天平；7.光纖測溫儀(解調(diào)儀);8.數(shù)據(jù)采集控制卡；9.計算機；10.雙向可控硅調(diào)壓模組(用以控制熱風功率);11.雙向可控硅調(diào)壓模組(用以控制微波功率);12.微波爐。
【具體實施方式】
[0016]實施方式1:熱風干燥
[0017]運行時，計算機[9]中設置第二模擬輸出恒為零，令雙向可控硅模組[11]控制信號為零，禁用第二反饋回路(用以控制微波功率)。壓縮空氣從無油靜音空壓機[I]輸出，沿著“實線”氣流，經(jīng)過管式電加熱器[2]形成熱風，進入干燥腔[3]，經(jīng)過網(wǎng)狀托架下方擴散體形成均勻熱風經(jīng)過物料，然后排出，最后經(jīng)過氣體流量計[5]排出干燥系統(tǒng)。管式電加熱器[2]內(nèi)置熱電偶測溫、干燥腔[3]熱風環(huán)境測溫和被干燥物料[4]測溫三路信號流輸入數(shù)據(jù)采集控制卡[8]，根據(jù)實際需求選擇不同信號組成反饋回路。
[0018]實施方式2:微波干燥
[0019]運行時，設置第一模擬輸出恒為零，令雙向可控硅模組[10]控制信號為零，禁用第一反饋回路(用以控制熱風功率)。壓縮空氣從無油靜音空壓機[I]輸入，不經(jīng)任何加熱直接進入干燥腔，用以帶出微波干燥過程中的水蒸汽。光纖物料測溫與雙向可控硅模組[11]組成反饋回路。
[0020]實施方式3:微波熱風耦合干燥
[0021]運行時，熱風氣流沿著圖1中的實線運行，信號流(包括傳感信號和控制信號)沿著圖1中的點線運行。由干燥腔[3]環(huán)境測溫、光纖測溫儀[7]、數(shù)據(jù)采集控制卡[8]輸入、參比信號(干燥方案曲線)，PID控制器、數(shù)據(jù)采集控制卡[8]、雙向可控硅模組[10]和管式電加熱器[2]組成第一個反饋回路。由被干燥物料[4]測溫、光纖測溫儀[7]、數(shù)據(jù)采集控制卡[8]輸入、參比信號(干燥方案曲線)、PID控制器、數(shù)據(jù)采集控制卡[8]、雙向可控硅模組[11]和微波爐[12]組成第二個反饋回路。通過電子天平[6]記錄的時間-重量曲線，計算獲得含水率及脫水率變化曲線，以此檢視當前干燥方案(本系統(tǒng)獲得的優(yōu)化方案或其他現(xiàn)有工業(yè)用干燥方案)的效率。
[0022]以上詳細說明了本發(fā)明的實施方式，但只是為便于理解而舉的實例，不應被視為對本發(fā)明范圍的限制。任何所屬技術領域的技術人員均可根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其較佳實施例的描述，做出各種可能的等同改變或替換，但所有這些改變或替換都應屬于本發(fā)明的權利要求保護范圍。
【主權項】
1.一種用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)通過特別設計的軟、硬件系統(tǒng)配合；可采用熱風、微波或者兩者耦合的方式進行干燥；干燥過程中連續(xù)檢測并控制干燥狀態(tài)(重量/含水率、環(huán)境溫度、物料溫度)，基于干燥效率(快速和節(jié)能)獲取特定物料的最優(yōu)連續(xù)變溫干燥曲線。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，其特征在于:硬件部分由密閉干燥腔、微波加熱裝置、熱風發(fā)生裝置、測重裝置、測溫裝置、計算機與信號采集控制系統(tǒng)以及功率控制電路組成；軟件部分由輸入各信號的處理與記錄、基于PID和模糊邏輯的兩個反饋控制算法以及控制信號的輸出與記錄組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，其特征在于:可以通過控制壓縮氣源和微波功率，靈活選用單手段干燥或者熱風微波耦合方式干燥，并可以任意調(diào)整熱風和微波的比例。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，其特征在于:利用數(shù)據(jù)采集卡和計算機系統(tǒng)，對干燥過程中，物料重量、物料溫度和環(huán)境溫度進行連續(xù)的檢測并控制，通過兩個反饋回路實現(xiàn)。
【專利摘要】本發(fā)明提供用于獲取最優(yōu)干燥曲線的微波熱風耦合干燥系統(tǒng)，設計該系統(tǒng)的目的在于：針對各種被干燥物料獲取其最優(yōu)化的干燥方案，以獲得最優(yōu)干燥速率和較低的能耗，并可實現(xiàn)對已有干燥方案的檢驗。其系統(tǒng)構(gòu)成包括：密閉干燥腔、微波加熱裝置、熱風發(fā)生裝置、測重裝置、測溫裝置、計算機與信號采集控制系統(tǒng)、功率控制電路以及相應的信號處理與控制算法。
【IPC分類】F26B9-06, F26B25-22, F26B3-347, F26B3-02
【公開號】CN104697303
【申請?zhí)枴緾N201310673692
【發(fā)明人】浦宏杰, 李靜, 李臻鋒
【申請人】江南大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月5日