（农产品加工及贮藏工程专业论文）间歇式微波真空干燥试验设备及自动化监测系统研究.pdf

间戢式微波真空干燥试验设备股自动监测系统研究 摘要 干燥是食品工业保藏的重要手段，是食品生产中应用极广的单元操作。目前，热风 干燥仍是应用最多、最经济的干燥方法，可是对食品的质量产生不利的影响；冷冻干燥 虽然色香味，营养保留好，但成本太高。由于多数食品是低附加值的产品，干燥中的质 量和经济效益之间的矛盾一直难以解决，微波真空干燥被认为是最有可能解决这一矛盾 的新技术。 本课题利用海尔公司2 0 0 3 年8 月推出“旋转微波炉”首次作为系统微波源，设计 了一套间歇式微波真空干燥试验设备，该系统利用“旋转微波炉”的盘不转，波转原理， 有效地改变了在微波干燥过程中产生的加热不均现象，避免了干燥后期“热点”的产生。 真空泵一方面给物料提供一个适当真空度，另一方面能把干燥所产生的水分从真空腔中 抽出，使物料在微波真空的环境下进行低温干燥保证了物料干燥的品质。 由于微波真空干燥过程中在线的测量各种参数( 温度、重量、真空度) 比较困难， 在此前，参数的测量主要是靠人工进行准在线测量，一方面人为误差造成测量的结果不 准确；另一方面增加了测量的难度及操作人员劳动强度。本文设计了一种间歇式微波真 空干燥试验设备的计算机监测系统，通过多路传感器( 温度、真空度以及重量) 将物料 现场信号传递给数据采集模块，经过信号的放大、a d 转换，通过rs - - 4 8 5 总线及标 准通信协议将数据传送给计算机，通过v b 6 0 可视化编程、a c c e s s 数据库管理，能对 干燥的温度、真空度和干燥物料的含水率交化进行在线实时检测，实现了在干燥过程中 对上述参数的数据管理和远程监测，提高了工作效率，真正实现了无纸记录，极大的方 便了试验研究，减轻了劳动强度，提高了管理水平，而且能够快速准确的进行干燥终点 的判断。该软件具有清晰、美观的图形用户界面，强大的数据管理功能及完善的帮助系 统，操作简单、使用方便。 该自动化监测系统不仅可以实现对微波真空干燥试验设备的参数进行检测，还为微 波真空干燥技术在实际生产中应用提供了一个有效的手段。 关键词：微波真空干燥：旋转微波：数据采集；监测系统；数据管理；数据库 间歇式微波真空干燥试验设备发自动监测系统研究 a b s t r a c t t h ed r y i n gi st h ei m p o r t a n tm e t h o d si nf o o di n d u s t r y i ti sa p p l i e di nf o o dp r o d u c i n g w i d e l y ，c u r r e n t l y ，t h eh o t a i rd r y i n gi ss t i l lp r e v a i l i n ga n de c o n o m i c a l a p p l i c a t i o n ，b u ti th a s d i s a d v a n t a g e o u se f f e c to n t h eq u a l i t yo ft h em a t e r i a l a l t h o u g ht h en o u r i s h m e n tr e s e r v e sb e s t f o rt h ef r e e z ed r y i n g ，t h ec o s ti st o oh i g h b e c a u s em o s tf o o d sa r et h ep r o d u c t so ft h el o w a d d i t i o n a lv a l u e s i ti sh a r dt os o l v ef o rt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nd r yq u a l i t ya n de c o n o m i c p e r f o r m a n c e i ti sp r o b a b l y t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb yt h em i c r o w a v ev a c u u m ak i n do fi n t e r m i t t e n tm i c r o w a v ev a c u u md r y i n ge x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t s w a s d e s i g n e dm a k i n g u s eo f ”r e v o l v i n gm i c r o w a v eo v e n ”i tw a sd e v i s e db yh a l e ri na u g u s t2 0 0 3 t h i sd e s i g na d o p t e dt h er e v o l v i n gm i c r o w a v eo v e na sm i c r o w a v es o u r c ef o r 血ef i r s tt i m e w h i c hc a ns o l v eh o m o g e n i z e dm a t e r i a l si nt h ed r y i n gp r o c e s sa v a i l a b l y ，a v o i d i n g ”h o t s p o t ”i n al a t e rp e r i o do fd r y i n g o no n eh a n d ，t h ev a c u u m p u m pp r o v i d e sa na p p r o p r i a t ev a c u u m d e g r e ef o rm a t e r i a l ，o nt h eo t h e rh a n di tc a nd r a w o u tm o i s t u r ef r o mv a c u u m j a r ，d r y i n gt h e m a t e r i a li nt h el o wt e m p e r a t u r eu n d e r 也ee n v i r o n m e n to ft h em i c r o w a v ev a c u u i n g u a r a n t e e t h eq u a i l t yo f t h em a t e r i a li nt h ed r y i n gp r o c e s s b e c a u s ei ti sm o r ed i f f i c u l tt om e a s u r et h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ( t e m p e r a t u r e ，w e i g h t ，t h e v a c u u md e g r e e ) i nt h em i c r o w a v ev a g u u l t id r y i n gp r o c e s so n l i n e p r e v i o u s l y ，m e a s u r i n g p a r a m e t e r si sm a i n l yb ya r t i f i c i a l ，o n o n eh a n d ，a r t i f i c i a le r r o r sm i g h tb r i n gt h ei n c o r r e c t r e s u l t s ；o nt h eo t h e rh a n d i tw o u l d i n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo fm e a s u r e m e n ta n dw o r k e r sl a b o r i n t e n s i t y t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mo fi n t e r m i t t e n tm i c r o w a v ev a c u u md r y i n ge x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t sw a sp r o v i d e di n 也i st e x t t tu t i l i z e ss e n s o ro ft e m p e r a t u r e 、w e i g h t t h ev a c u u m d e g r e et od e l i v e rt h es p o ts i g n a lo f t h em a t e d a lt ot h ei n t e l l i g e n c ed a t ac o l l e c t i o nm o d e m ，i t c a r r i e so nm e c o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n t h ei n t e l l i g e n c ed a t ac o l l e c t i o nm o d e ma n dc o m p u t e r b yr s 4 8 5b u s i tc a nr e a l i z e v i s u a la n dd a t a b a s em a n a g e m e n tb yv i r t u eo fv b 6 0a n d a c c e s ss o f t w a r e i tc a r lm o n i t o re a c hp a r a m e t e ro ft h em a t e r i a lo n l i n ei nal o n gr a n g e m a n a g ed a t aa u t o m a t i c a l l y ，i tc o u l dr a i s et h ew o r ke f f i c i e n c y ，r e c o r d d a t aw i t h o u tp a p e r ， c o n v e n i e n c ee x p e r i m e n tt h er e s e a r c h e a s et h ew o r ki n t e n s i t y a n di m p r o v et h em a n a g el e v e l 1 tc a ud i f f e r e n t i a t ef r o mt e r m i n a lp o i n to ft i ed r ya c c u r a t e l y t h i ss o f t w a r ei n t e g r a t e ss e v e r a l p e r f e c tf e a t u r e si n t oi t s e l f , s u c h a sa g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c ew i t hc l e a ra n da t t r a c t i v es t y l e ， p o w e r f u lc a p a b i l i t yt oa l t a n g ed a t a b a s ea n de a s yo p e r a t i o n t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mn o to n l yc a nm o n i t o rp a r a m e t e r so fm i c r o w a v ev a c u u m d r y i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s ，b u tp r o v i d eav a l i dm e a n sf o rt e c h n i q u eo f t h em i c r o w a v e v a c u u m d r y i n gl nr e a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：m i c r o w a v ev a c u u md r y i n g ；r e v o l v i n gm i c r o w a v e ；d a t a c o l l e c t i o n ；m o n i t o r i n g s y s t e m ：d a t am a n a g e m e n t ；d a t a b a s e 间歇式微波真空干操试验设备及自动监测系统研究 独创性说明 作者郑重声明：本硕士论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特男, lj m 以标注和致谢的地方外，论 文中不包括其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连水产 学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者躲待盲伊古 文时年上月j ，日 大连水产学院版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师同意大连水产学院保留并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权大连水产学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 导师觏f 虱复 签名：彩儡妒一 作者签名：份d 辱劣 文b 心一年r 月 臼 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 1 1 本课题的目的和意义 第一章绪论 干燥是食品保藏的重要手段，是食品生产中应用极广的单元操作。干燥的方法也多 种多样：热风干燥、微波干燥、真空干燥、以及冷冻干燥等。其中热风干燥仍是目前应 用最多”，最为经济的干燥方法，但对食品的质量影响较大，色香味难以保留，维生素 等热敏性营养成分或活性成分的损失大；微波干燥的一个最大缺点是经常出现过度加 热，局部温度会超过1 0 0 ，导致食品、药品等热敏性物料的品质下降，营养风味损 失等；真空干燥的传热速度慢，干燥时间较长。色香味及营养成分的保留仍有一定的限 度。食品冷冻干燥虽然色香味、营养保留好，但成本太高。微波真空干燥是把微波干燥 和真空干燥两项技术结合起来，充分发挥微波干燥和真空干燥各自优点的一项新的综合 干燥技术。由于绝大多数食品是低附加值产品，干燥中的质量和经济效益之间的矛盾一 直难以解决，微波真空干燥被认为是最有可能解决这一矛盾的新技术，近年来受到国内 外学者和工业界的广泛关注j 。 微波真空干燥设各是微波能技术与真空技术相结合的一种新型微波能应用设备，它 兼备了微波及真空干燥的一系列优点，克服了常规真空干燥周期长、效率低的缺点，在 一般物料干燥过程中，具有干燥产量高、质量好，加工成本低等优点，微波真空干燥设 备是一项集电子学、真空学、机械学、热力学、程控学等多学科为一体的高新技术产品， 是干燥过程中物质的物理变化、内外热质交换以及真空条件下水分迁移过程的深入研究 基础上，发展起来的一项新技术、新工艺。微波真空干燥设备由微波发生器，真空干燥 腔、物料旋转盘、真空系统和电子控制系统组成【 j 。 对于间歇式微波真空干燥试验设备的自动化控制有个发展的过程，八十年代初国 外大部分公司都采用p l c 对微波真空系统干燥进行控制，能随机控制，但不能通过屏幕 显示，价格较贵，系统的体积较大。目前，国内外一般都采用价格比较便宜的单片机控 制，l e d 数码显示，取得了较好的效果。仍不够直接，存储功能较差p j 。 本课题在间歇式微波真空设备的基础上，利用海尔公司2 0 0 3 年8 月推出“旋转微 波炉”首次作为该系统的微波源，旋转微波炉非常适合微波真空干燥，远远比“物料旋 转盘”、“模式搅拌器”更适合。旋转微波炉的问世，使该系统更趋于完美，因为在干燥 后期物料的“热点”问题一直是微波界难于解决的难题，旋转微波炉能使谐振腔内的磁 场分布均匀1 5 】。利用盘不转，波转的原理，使进入谐振腔的微波旋转起来，彻底的改变 了加热均匀性问题，避免了微波真空干燥后期“热点”的产生。 本课题提供了一种新型的计算机监测系统，利用智能数据采集模块和r s 4 8 5 总线 与计算机进行通信，在w i n d o w s 环境下采用可视化的程序设计方法，用v i s u a lb a s i c 编 制微波真空干燥自动监测系统软件包，创立了友好的人机交互界面，解决了在干燥过程 中在线监测水分含量及物料内部温度这一难题1 6 ：避免了通过建立数学模型，解动态麦 克斯韦方程这一繁琐工作量。从而能够准确的进行干燥终点的判断。该软件包清晰、美 观的图形用户界面，强大的数据管理功能及完善的帮助系统，操作简单、方便。 建立了a c c e s s 数据库，比较方便的在线记录和查询试验的数据和试验的结果；自 动统计日、月、年报表；并可在线显示、打印实时曲线、历史曲线；可以纠正由于传感 器因素引起的各种偏差，实现无纸记录，减轻了试验人员的工作量和人为误差【6 】。 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 1 2 微波真空干燥技术的研究进展 国外从8 0 年代后期开始微波真空脱水干燥技术的研究，主要集中在美国u n i v e r s i t y o f w i s c o n s i n ，p e n n s y l v a n i a s t a t eu n i v e r s i t y ，c a l i f o r n i as t a t eu n i v e r s i t yi nf r e s n o ，加拿大 u n i v e r s i t yo f b r i t i s hc o l u m b i a ，希腊n a t i o n a lt e c h n i c a lu n i v e r s i t y 等几所大学，在实际应 用中取得了良好的效果【7j 。八十年代后期国内开始研发微波真空干燥设备，通过多年的 努力，攻克多项难点，去年从实验阶段跨入工业化生产阶段。为食品工程、制药工程、 生物工程、化工工程、材料工程以及农副产品深加工提供了一种新型、高效的干燥设备。 目前微波真空干燥技术的研究主要集中在以下几个方面： 1 2 1 数学模型研究 由于干燥生产过程中在线检测水分含量及物料内部温度还比较困难，因此数学模型 的研究对干燥过程的优化和控制具有重要的意义。微波真空干燥过程的实质是物料及水 分吸收微波能，水分迁移扩散、蒸发，因此数学模型的研究主要集中在下列两方面，一 是研究物料吸收微波能的大小计算，物料内部温度场分布规律；二是研究水分扩散、蒸 发规律。由于物科的介电特性随水分变化而变化。因此物料中电场分布及吸收的微波能 是一个动态变化的过程，要十分准确确定需求解动态麦克斯韦方程，这是十分困难的， 在工程中也没有必要。因此许多研究都是假设从物料表面输入的微波能是大小均匀且与 表面垂直，并假设微波能在物料内部呈指数衰减，再利用差分法或有限元法预测物料内 部温度分布大小p “】。关于微波真空干燥过程中水分温度变化规律的研究还比较少，成 熟和实用的模型还不多见1 9 1 。 1 。2 2 试验装置研究 国外大学实验室研究微波真空干燥主要使用家用微波炉，在其内放一可密闭的厚玻 璃罐，玻璃罐接真空泵。其缺点是玻璃罐不能回转，加热不均匀，干燥后期有“热点”。 美国加州大学f r e l s n o 分校食品干燥实验室研制的微波真空干燥中试设备【2 1 ，最初是为 干燥加州特产无籽葡萄而开发设计的，现在这项技术已成功推广到数百种蔬菜、水果的 干燥e 该设备谐振腔是一个长4 0f t 的不锈钢圆柱体，中间有输送带，沿着长度( 输送) 方向分成3 个干燥区。第一千燥区的微波功率密度较大，真空度大约13 3 39 9 k p a ， 第二、第三干燥区的微波功率密度递减【1 01 1 1 。 我国南京三乐微波技术发展有限公司于1 9 8 7 年开始微波真空干燥技术研究，1 9 9 3 年研制出了大型微波真空冷冻设备投入蔬菜的冷冻干燥，近几年技术上不断创新，又攻 克了微波在低真空状态下易拉弧放电技术难点，该公司成功开发了2 种型式的微波真空 干燥设备。第一种结构是矩形谐振腔中有若干个微波馈能口，腔内偏心安装一旋转托架， 旋转托架上有1 2 个聚丙烯( p p ) 制成的框架，框架上放有托盘和物料。目前有l o k w 和2 k w 两种型号。第二种结构类似加州大学开发的圆筒结构型式，长3 0 m ，直径1 5 m ， 功率1 0 0 k w 。现在已有实用性的微波真空干燥机进入批量生产阶段。 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 1 2 3 微波真空干燥几个技术问题的研究 ( 1 ) 真空度 压力越低，水的沸点温度越低，物料中水分扩散速度加快。微波真空谐振腔内真空 度的大小主要所限于击穿电场强度，因为在真空状态下，气体分子易被电场电离，而且 空气、水汽的击穿场强随压力而降低；电磁波频率越低，气体击穿场强越小。 气体击穿现象最容易发生在微波馈能耦合口以及腔体内场强集中的地方。击穿放电 的发生不仅会消耗微波能，而且会损坏部件并产生较大的微波反射，缩短磁控管使用寿 命。如果击穿放电发生在食品表面，则会使食品焦糊，般2 0kv m 的场强就可击穿 食品( 介电常数不同) 。 所以正确选择真空度大小非常重要，真空度并非越高越好，过高的真空度不仅能耗 增大，而且击穿放电的可能性增大。般微波频率2 4 5 0 mhz 时，选择真空度2 4k p a 已足够，2k p a 时水的汽化温度是2 0 ，4k p a 时水的汽化温度约2 8 ，如果设备设计 和操作合理，完全可以保证干燥前期的干燥温度在3 0 左右“。 ( 2 ) 加热均匀性问题 理论上，谐振腔内模式越多，加热越均匀。但形成模式的数目受腔体尺寸、形状、 耦合口位置及数量、物料多少等诸多因素影响。微波真空干燥器的谐振腔尺寸一旦固定， 其谐振腔内的振荡模式就通过计算机程序唯一确定。为了避免在干燥后期产生“热点”， 极大地影响干燥物料的品质，成为微波真空干燥设备设计的关键要点之一。 大多数厂家在谐振腔内设计了一物料旋转盘使物料随旋转盘动起来，达到了加热 均匀的目的。2 0 0 3 年9 月份我国海尔公司首次提出“旋转微波”概念，即撤掉物料旋 转盘，通过改变波导的形状，使微波以旋转的形式进入谐振腔彻底避免了“热点”的产 生，并已取得成功，被称为微波工业的“一次革命”。 ( 3 ) 微波能的变化研究 一般在干燥前期，物料中水分含量较高，输入的微波能可高些，可采用连续微波加 热，这时大部分微波能被水吸收，水分迅速迁移和蒸发；在等速和减速干燥期间，随着 水分的减少，需要的微波能也减少。解决这一微波工业中的难题可采用脉冲间隙式微波 加热或采用变频技术【l 引。微波功率密度、脉冲闻隙对间大小及干燥时间等参数都要通过 试验来合理确定。由于还缺少在线快速检测水分的手段，干燥终点的判断还比较困难， 只能通过干燥工艺的研究或通过数学模型进行预测。 ( 4 ) 自动化控制系统的研究 由于微波功率的可快速调整及无惯性的先天性特点，易于实现自动化控制，便于工 艺参数的调整和确定但是纵观国内外，微波真空干燥的自动化控制技术不尽人意，特 别是自动检测能力更需大力提高，这也正是微波真空干燥技术目前在工业实际应用中发 展缓慢的原因之一 八十年代初，国外大部分公司都采用p l c 对微波真空干燥系统进行控制，p l c 入 机界面，能随机控制，可对磁控管、变压器、风机等工作状况检测，损坏报警，维修方 便e 缺点是：不能通过屏幕显示，价格较贵，系统的体积较大。目前国内仍有厂家采用 该系统控制。 近年来微机技术应用迅速发展，高性能、低价格的m c s 5 1 系列单片机集成电路系 统的应用，为实现大功率微波电源自动化程序提供了良好的条件。使用微机控制不仅能 实现操作自动化，而且能对电源系统的工作进行优化的实时控制。 闻歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 1 3 微波真空干燥技术在食品工业中的应用 由于果蔬含水量大，用冷冻干燥成本极高，而微波真空在果蔬脱水方面具有较大的 潜力，所以，迄今为止，微波真空干燥技术的研究与应用主要集中在蔬菜和水果的干 燥方面在其它食品生产中的应用还比较少。如美国加州大学和加州太平洋煤气与电力 公司合作，经过多年研究用微波真空干燥技术生产脱水膨化葡萄“，能很好的保持新 鲜葡萄风味和色泽，并且外形也能不萎缩。新鲜葡萄的折干率为2 5 。而且由于微波真 空干燥工艺的温度低、干燥时间短，原有的维生素b 1 、b 2 和c 能得到较高的保持率。 此外，利用微波真空干燥设备加工无籽葡萄干，将传统工艺6 5 、2 4 小时热风烘干变 为5 0 、5 小时微波真空干燥，产品质量大大提高：法国应用国际微波公司制造的微波 真空干燥机( 2 4 5 0 m h z 4 8 k w ) 加工速溶桔粉“，产品不仅保持原有的色香味，其维 生素的保留率远高于喷雾干燥；d r o u z a s 与s c h u b e r t 曾利用微波真空干燥香蕉薄片，研 究结果显示在干燥过程中没有出现加热不均现象，通过调整真空度与微波输出强度，可 以控制产品温度和干燥速率，所加工产品与传统方法相比，口感、风味和复水率等指标 明显优于其他干燥方法t 2 1 ；y o n g s a w a t d i g u l 与g u n a s e k a r a n 进行酸莓的微波真空干燥研 究，结果表明利用微波间歇控制配合真空可进一步改善微波加热的均匀性，指出间歇较 连续波效率更高，微波的利用除了可以加快干燥速度之外，也可以籍由内部蒸汽压差防 止干燥产品收缩变形，也籍由毛细管作用形成孔洞化组织增加复水性【3 、1 4 j ；l i n 等人将 微波真空干燥应用于胡萝h 的干燥，发现与热风干燥相比，微波真空干燥的时间大为缩 短，而且氧气的含量低，因此胡萝h 素的损失较少1 13 】；y o u s i f 等人深入分析了不同干 燥方式对香料风味和组织结构的影响，结果发现，经过微波真空干燥的产品其香味和组 织结构与新鲜或经冷冻干燥的产品相比，没有明显差异，而且具有良好的色泽和复水能 力，因此认为微波真空干燥可取代成本高又耗时的冷冻干燥 1 4 1 。此外，a n o n ( 1 9 8 8 ) ， w a d s w o r t he t a 1 ( 1 9 9 0 ) ，y o n g s a w a t d i g u l a n d g u n a s e k a r a n ( 1 9 9 6 ) ，d r o u z a s a n d s c h u b e g ( 1 9 9 6 ) ，k i r a n o u d i s ，c t ，t s a m i ，e ，a n d m a r o u l i s ，z b ( 1 9 9 7 ) 1 1 】等也进行了 微波真空干燥果蔬的研究，研究表明：微波真空干燥果蔬制品，其色香味及热敏性成分 的保留率十分接近冷冻干燥，只是质构较硬，与冷冻干燥有一定的差距：但干燥时间和 生产成本可大幅度降低。 微波真空干燥技术在果蔬脱水方面的成功应用表明，微波真空干燥综合了微波和真 空的优点，干燥温度低，干燥速度快，使干燥产品保持了原有色、香、味，维生素等热 敏性营养成分和其它活性成分损失大大降低，特别是经过微波真空干澡的产品收缩小、 复水性好。因此，微波真空干燥技术在其它食品加工领域也应该具有很大发展潜力。目 前，已有t e i n 等进行了微波真空干燥小虾的试验，并将微波真空干燥的小虾与热风干 燥及冷冻干燥的小虾进行质量对比评价。发现利用微波真空干燥的小虾比热风干燥收缩 小、复水性和水分保持能力强，并且在色泽、组织和风味等方面与复水冷冻虾接近： 作者也在自制微波真空实验设备上进行了扇贝丁的干燥，无论在扇贝丁的色香味，还是 干燥时间都达到了较理想的效果。 与其它干燥方法比，目前国内外微波真空干燥装置的结构还比较单调，技术性能还 有很多需完善的地方，干燥设备的性能、特别是自动监测和自动控翩能力急需有大的提 高，这是微波真空干燥技术目前在食品生产中的实际应用还不是很多的主要原因之一。 近年来微机技术应用迅速发展，高性能、低价格的m c s 5 1 系列单片机集成电路系统的 应用，为实现大功率微波电源自动化程序提供了良好的条件。使用微机控制不仅能实现 操作程序自动化，而且能对电源系统的工作进行优化的实时控制，可充分发挥微波功率 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 可快速调整及无惯性、易于即时控制的特点。 1 4 本课题研究的主要内容 1 4 1 微波真空干燥试验设备的设计 为了避免微波真空干燥后期，物料经常出现“热点”，造成物料在干燥后期出现 不均匀的现象，本课题首次采用2 0 0 3 年8 月海尔公司发明旋转微波炉【5 】 该公司只 不过是为了改进家用微波炉的弊端，采用盘不转、波转的特点，该微波炉非常适合 间歇式微波真空干燥，彻底避免了干燥过程中的“热点”问题，被微波界称为“一 次革命”。 利用旋转微波炉的优点，以及真空环境使被干燥物料在低温下水分快速蒸发， 由真空泵一方面抽出蒸发出的水分，另一方面保证物料有一个真空的环境。作者自 行设计一真空腔，放置旋转微波炉中，在真空腔可以放置物料架，在真空腔里安置 温度、真空度传感器以及真空管入口，真空泵保证了真空腔里的压强，通过调节阀 给物料的干燥提供一个适当的真空度( 过高的真空度容易使空气电离，对干燥物料 不益) 。微波真空干燥试验设备设计结构图可参考图2 1 所示。 1 4 2 微波真空干燥试验设备自动化监测系统设计 本课题将采用多路传感器( 温度、气体压力、重量传感器) 通过dut 系列数 据采集模块( 模拟开关c d 4 0 5 2 分别切换多路传感器) ，由单片机控制顺序选中通 道0 到通道7 的测量电路，通过运算放大器送入a d 转换器i c l 7 1 3 5 。单片机8 9 c 5 2 采集数据后，经校零、滤波、参比端补偿和线性化处理后转换为对应的数字量，存 入内部r a m 中。pc 机需要数据时，通过数据e l ( r s - 4 8 5 总线) 发送数据命令， 单片机即把当前最新数据传送给pc 机。在软件v i s u a lb a s i c 的支持下可实现可视 化，可进行人机对话，在线显示温度、真空度以及物料的重量，实现实时监控，极 大地方便了试验研究。系统的总体效果图可参考图3 1 所示。 微波真空干燥自动监测系统的框图如图1 1 所示： l 媪赝传感器卜_ d u t 1l _ 叶r s _ 4 8 5 总线卜+ 系列数据 f 压力传感器l 斗 采集模块 计算机( p c ) l 键盘卜 l 重量俦感器b 图1 - 1自动监测系统框图 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 1 5 设计目标 设计一套间歇式微波真空干燥试验设备，能够解决在干燥过程中均匀性问题。 自动监测程序软件应包括以下几项功能： 够实现在线微波真空干燥各个参数的显示。 可打印实时监测数据和控制状态。 可以设置五项功能：设置存储间隔、打印间隔、偏差校正、报警极限、报警 方式。 自动统计日、月、年报表，并可显示、自动定时打印。 可显示、打印、在线查询实时数据、历史数据。 完善的帮助系统。 允许其它传输方式及协议的监测、控制设备引入系统。 支持网络功能，可通过网络将监测、控制、统计数据提供给允许的其它计算 机。 1 。6 设计方案 本次设计的总体方案包括试验设备的改进、硬件的设计以及软件的开发。其中试验 设备的改进主要是在微波炉的选择上，首次选用旋转微波炉作为微波的来源；硬件的设 计包括数据采集模块的选择( 温度数据采集器；重量、真空度数据采集模块) ；软件的 设计涉及人机友好交互界面的设计，数据库的建立。图l 一2 反映了该设计的总体方案： 1 2 微波真空干燥自动监测系统结构图 6 k k 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 1 6 1 系统硬件的设计 该系统的硬件部分主要是采用大连理工大学科技开发中心开发的数据采集模块 d u t 系列，该模块可将微弱的模拟信号放大到计算机可接收的信号，同时完成模拟信 号到数字信号的转换，通过r s - - 4 8 5 总线直接和计算机进行数据通信。 1 6 2 用v i s u a ib a s i c 编制程序 v i s u a lb a s i c 是在w i n d o w s 平台上广泛使用的一种程序开发工具，是一种可视化的 w i n d o w s 编程语言。可视化的程序设计指的是一种开发图形用户界面( g u i ) 方法【1 7 j ， 使用这种方法，程序员不需要编写大量的代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预 先建立的界面元素( 例如按钮、文本框) 用鼠标拖放到屏幕的适当位置即可。因此。使 用v b 编程，我们不必像在d o s 中编程那样，一行程序接一行程序的编写，而是先设 计应用程序的外观，然后在编写程序的代码。 考虑到v i s u a lb a s i c 在系统的用户界面设计以及数据库管理方面的强大功能，我选用 中文v i s u a lb a s i c6 0 编写该系统的程序。 1 6 3 用m i c r o s o f ta c c e s s 建立数据库 由于物料在进行微波真空干燥要记录各个参数的数值以及测量时间，用户可根据不 同的方式进行查询试验的结果，可以非常直观的查询到日报表、月报表、年报表；用户 只需要输入所要查询的年、月、日即可方便的查到所需的结果，同时，根据数据库记录 的数据在v i s u a lb a s i c 的访问下，可查阅到实时曲线、历史曲线等。 为此，需要建立一个微波真空干燥参数管理数据库，将系统的参数：温度、重量、 真空度自动的存入该数据库中利用数据库对其进行合理的管理。 考虑到m i c r o s o f ta c c e s s 在数据库方面的强大功能，我选用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 来建立数据库。 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 第二章间歇式微波真空干燥试验设备的设计 2 。1 间歇式微波真空干燥试验设备的构成 本间歇式微波真空干燥试验设备是在以前设备的基础上，加以改进，该设备能更 好的解决干燥不均匀的问题，彻底的避免了干燥后期物料内部出现“热点”现象。该设 备首次把旋转微波炉做为微波真空干燥的微波来源，通过实验证明，旋转微波炉的均匀 性、合理性远比“物料旋转盘”、“模式搅拌器”更好。 该微波真空干燥设备主要包括以下4 部分： 旋转微波炉：是微波的来源，同时能达到改变微波干燥中加热不均匀的问 题。 真空泵：保证真空腔里的压力，同时将真空腔里的水分吸去。 真空腔：给物料一个真空环境，降低水分的沸点，进行低温干燥。 调节阀：用来调节真空腔里的压力，以便有一个合适的真空度。 具体的连接方式可以见图2 1 所示： 微波真空千燥试验设备 1 摩蒋礅幢妒2 嶷警艟 ：舒缸帮 4 谤度* 砖帮5 气讳帖8 嚣6 压卉悄醇嚣t 调节闻 8 丘窑晨 图2 1 微波真空干燥试验设备结构图 下面对该设备的各个组成部分做较详细的介绍 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 2 2 微波炉的选择 2 2 1 海尔旋转微波炉： 在微波真空干燥后期，物料经常出现“热点”，主要是由于加热不均匀造成的。在国 内外的资料中报道，一些厂家采用“物料旋转盘”、“模式搅拌器”等办法来解决干燥后 期的加热不均，对于第一种方法作者认为根本不符合实际要求，本人从未见过实物；对 于第二中作者也曾试验过，但效果不太好。还有一些实验设备直接忽视了这个影响，这 都能影响到干燥的质量。 2 0 0 3 年8 月海尔公司发明旋转微波炉1 5 】，该公司只不过是为了改进家用微波炉的弊 端，采用盘不转、波转的特点，该微波炉非常适合间歇式微波真空干燥，彻底避免了干 燥过程中的“热点”问题。被微波界称为“一次革命”。 本次设计考虑到微波加热的均匀性问题，首次选择旋转微波炉，来做为该系统的微 波来源。该微波炉于以下特点： 容量大，2 4 升相当于3 6 升 以无旋转盘式设计和高频微波，使2 4 升旋转微波炉相当于3 6 升传统微波炉的有效 容积。 垂直方向加热均匀 通过转波技术使微波旋转起来，使上下受热均匀，消毒更彻底。 炉腔平坦，清洁更容易 采用无转盘设计，炉腔平坦，清洁简单又方便：静止加热，汤汁再多也不洒漏。 大屏幕菜单，智能化显示 人性化设计，常用菜单一目了然 微波、光波、转波三合一 口名称：智能旋转王， 口 型号：m f 一2 4 8 0 e g s ( n ) d 容积：2 4 l d 微波输出功率：8 0 0 w i l l 微波输入功率：1 3 0 0 w 2 3 真空泵的选用 2 3 12 x z 型旋片式真空泵 真空泵也是微波真空干燥不可缺少的一部分，真空泵在干燥过程中起这两个作 用，一方面保证物料有一个适当真空环境，另一方面能把干燥所产生的水分从真空腔 中抽出，如果真空泵的选择不当，可能会产生不良的效果。在本次设计中我选择了2 x z 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监删系统研究 型旋片式真空泵，该真空泵具有结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低，振动小等 优点。所以，它适用于作扩散泵的前级泵，而且更适用于精密仪器配套和实验室使用。 具体性能如表2 4 和特性曲线如图2 - 5 所示： 型号m o d e l 2 x z 0 5 2 x z l2 x z 22 x z 一4 抽气速率( l s ) e x h a u s tr a t e o 5124 气镇关 6 1 0 。 极限压力( p a )g a sb a l l a s to f f u l t i m a t ep r e s s u r e 气镇开 1 _ 3 3 g a sb a l l a s to n 转速( r p m ) r o t a t i o n a ls p e e d 1 4 4 0 电机功率( k w ) m o t o rp o w e r o 1 8 0 2 50 3 70 5 5 进气口直径( m m ) i n l e t d i a m e t e r 审1 5中1 5中2 5中2 5 温升( ) t e m p e r a t u r er i s e 4 0 用油量( l ) i n j e c t i o n a m o u n t o f l i l o 4 20 4 o 5o 5 5 重量( k g ) w e i g h t 1 41 52 02 3 噪音d b ( a ) n o i s e 6 5 6 66 77 0 表2 - 4 性能及规格f u n c t i o n s p e c i f i c a t i o n s 2 4 真空腔的设计 图2 5特性曲线 真空腔为微波真空干燥提供一个真空的环境。真空腔的大小取决于微波炉的谐振腔 的空间，同时，对真空泵的功率对真空腔也有一定的要求。真空腔越大，次性干燥的 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 物料就越多。所以说，在真空泵的功率、谐振腔空间允许的情况下，尽可能的选用较大 的真空腔。 真空腔的材料要求比较严格，密封性要求非常高。在微波这个特定的环境下，要考 虑到微波的可穿透性，必须保证微波能穿过真空腔壁，同时，真空腔必需能承受一定的 压力，还要能忍耐一定的温度。在真空腔内要装有温度、气体压力传感器，要在腔口处 有密封措施，以免空气进入，而导致真空度不够。 考虑到用旋转微波炉的炉腔的空间，及本次设计的重点，真空腔的选用具体如下： d 材料：阻燃a b s 口大小：3 0 0 5 0 0 圆柱形塑料罐 2 5 调节阀 调节阀在该系统中主要起着控制真空度大小的器件，当真空腔里的真空度达到物料 需要的真空度( 不同的物料真空度要求不一样) ，一般情况下，真空度要在9 5 左右为 最宜。这时，可以调节该阀门，使真空度稳定在这一数值。 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 第三章间歇式微波真空干燥的自动监测系统的构成 3 1 微波真空干燥自动监测系统组成 间歇式微波真空干燥自动监测系统可分为两部分：一部分是硬件部分；另一部分是 软件部分。硬件部分主要是把物料现场的被测参数的模拟信号转化为数字信号、信号的 通信、显示设备等。 硬件系统主要分为以下六个部分： 多路传感器：包括温度、气体压力、重量传感器。通过传感器可以把干燥 现场的温度、压力信号传递给数据采集模块。 数据采集模块：该模块以8 9 c 5 2 单片机为核心，集成电路全部采用c m o s 器件d u t 3 0 0 0 系列。该模块完成模拟电路的放大、a d 转换等功能。 r s 4 8 5 总线：主要完成数据采集模块与p c 机的通信。 计算机：进行数据处理，入机交互界面。 打印机：可进行存储结果、历史数据及实时数据的打印。 系统结构图见图3 1 所示： 微波真空干燥监控系统 旋转微波炉 2 真空腔3 物料架 接真空泵 弋 l 卜一 j 三：= f i 三i f 4 温度传感器5 气体传感器 6 压力传感器 7 数据采集模块8 p c 机 图3 - i 系统的总体结构图 下面对该系统的各个组成部分做较详细的介绍 间歇式微波真空干燥试验设备及自动监测系统研究 3 1 1 传感器的选择 传感器的选择原则： 传感器千差万别，即便对相同种类的测定量也可以采用不同的工作原理的传感器， 因此，要根据需要选择最适宜的传感器【i “。 1 测量条件 如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此要从系统的总体考虑，明确使用 的目的，绝对不要采用不适宣的传感器。测量条件列举如下：测量的目的、测量量的 选定、测量的范围、输入信号的带宽、要求的精度、测量所需要的时间、输入发生的 频繁程度等。 2 传感器的性能 选用传感器时，要考虑传感器的下述性能：精度、稳定性、响应速度、模拟信号 或者数字信号、输出量及其电平、被测对象特性的影响、校准周期、过输入保