基于紅外溫度傳感器的微波爐解凍控制技術(shù)

鐘廣雄 何春華 黎青海

摘? 要：針對(duì)微波爐解凍效果一致性以及操作復(fù)雜需要設(shè)置食物重量及解凍過程需翻面的問題，文章提出一種基于紅外溫度傳感器的微波爐解凍控制技術(shù)。詳細(xì)食物凍結(jié)與解凍過程的推導(dǎo)和微波解凍過程中食物能量轉(zhuǎn)變的分析表明食物溫度是決定微波解凍效果的關(guān)鍵因素。本技術(shù)在微波解凍過程中使用紅外溫度傳感器采集食物溫度，并根據(jù)食物的溫度采用變頻斜率或恒溫的方式進(jìn)行解凍控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)在豬肉、雞肉、魚肉等肉類微波解凍實(shí)驗(yàn)中均能獲得較好地解凍效果，同時(shí)解凍過程無需設(shè)置食物重量，無需翻面，大大提升了用戶解凍操作的便捷性，改善用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：微波爐;智能解凍;紅外測(cè)溫;溫升斜率解凍;恒溫解凍

中圖分類號(hào)：TN219? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0145-04

Abstract： Aiming at the consistency of defrosting effect of microwave oven and the need to set the weight of food and turn over the defrosting process in complex operation， a control technology of microwave oven defrosting based on infrared temperature sensor is proposed in this paper. Deducing the detail of food freezing and defrosting and analyzing food energy transformation during microwave defrosting show that food temperature is the key factor to determine the effect of microwave defrosting. In the process of microwave defrosting， infrared temperature sensor is used to collect food temperature， and according to the temperature of food， frequency conversion slope or constant temperature is used to control the defrosting. The experimental results show that the technology can achieve better defrosting effect in microwave defrosting experiments of pork， chicken， fish and other meat. At the same time， the defrosting process does not need to set the weight of food， and does not need to turn over， which greatly improves the user's convenience of defrosting operation and improves the user experience.

Keywords： microwave oven; AI defrost; infrared temperature measurement; defrost by temperature rise slope; defrost by constant temperature

引言

眾所周知把肉放在水或空氣中自然解凍[1]，需要好幾個(gè)小時(shí)，而微波爐的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)肉類快速解凍[2]，從而使用微波爐解凍便逐漸成為人們的一種生活習(xí)慣[3]。

目前多數(shù)的微波爐無法感知食物溫度，用戶只能靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)置食物重量和時(shí)間，這樣難以實(shí)現(xiàn)較好地解凍效果[4]。事實(shí)上，用戶關(guān)心的是食物溫度[5]，而非食物重量和時(shí)間，若無溫度傳感器[6]，則難以確保解凍效果。

本文提出一種紅外溫度傳感器[7]在微波爐解凍上的應(yīng)用技術(shù)，以及兩種依據(jù)紅外傳感器測(cè)量的食物溫度進(jìn)行自動(dòng)控制微波火力的方法。由于解凍過程有食物溫度反饋，解凍效果不受食材重量和初始溫度的影響，也不受環(huán)境差異影響。使用該技術(shù)，用戶不需額外設(shè)置食物的重量，無需中途翻面，任何環(huán)境下均能獲得較好解凍效果。

1 基于紅外傳感器的微波解凍控制方法

1.1 食物微波解凍基本原理

綜上所述，控制微波解凍效果的關(guān)鍵便在于對(duì)食物溫度的掌控。

1.3 紅外微波解凍裝置原理

為在解凍過程中準(zhǔn)確測(cè)量食物的溫度，如圖2，采用紅外溫度傳感器的測(cè)溫方案，解凍過程中通過紅外溫度傳感器反饋的食物溫度調(diào)整微波輸出從而達(dá)到較好的食物解凍效果。

2 紅外微波解凍控制技術(shù)

通過1中原理，提出以下兩種基于紅外測(cè)溫的微波爐解凍智能控制[10-11]技術(shù)。

2.1 紅外微波斜率解凍控制技術(shù)

解凍初始階段：肉中含有大量冰晶和極少量水，因此可大火加熱，例如p1設(shè)置為1000w，通過變頻猛火破冰。事實(shí)上這一階段主要是加熱肉中少量的水，水升溫后通過熱傳遞使冰融化。水的熱導(dǎo)率為0.582w/（m*k），而冰則為2.326w/（m*k），因此通過冰的熱傳遞效果較好，在這階段肉溫升比較迅速，如圖3所示。當(dāng)溫升到某一溫度時(shí)，為防止微波聚焦，局部過熱，因此需調(diào)整微波火力。當(dāng)檢測(cè)到紅外傳感器溫升dT1時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入中火加熱階段。

中火加熱階段：大火短時(shí)間加熱后，用中火（例如p2設(shè)為600w）繼續(xù)加熱，同時(shí)通過紅外傳感器繼續(xù)監(jiān)測(cè)溫度。當(dāng)紅外傳感器溫升dT2時(shí)，由于肉中冰晶融化，為防止局部過熱，因此自動(dòng)進(jìn)入小火加熱階段。

小火加熱階段：由于溫度已上升至相變溫度，多數(shù)冰晶進(jìn)入固液相變狀態(tài)，為防止微波聚焦導(dǎo)致均勻性問題，需調(diào)小火力繼續(xù)加熱（例如p3設(shè)置為100w），變頻小火力加熱采用低功率通斷，這樣在加熱過程中間歇性擴(kuò)散時(shí)間較長(zhǎng)，有利于改善均勻性，防止肉變熟。

相變過程需吸收大量潛熱，因此相變階段溫升逐漸變緩，如圖3所示。當(dāng)冰水完成相變時(shí)，根據(jù)公式（4）可知，肉的溫度會(huì)迅速上升，這時(shí)紅外檢測(cè)到的溫升速率又開始逐漸增大，當(dāng)溫升斜率k大于閾值k0時(shí)，解凍完成。整個(gè)解凍控制流程見圖4。

2.2 紅外微波恒溫解凍控制技術(shù)

由于食物解凍后要求溫度在-2～35℃，為防止均勻性導(dǎo)致局部過熱，設(shè)置恒溫控制目標(biāo)為15℃。

恒溫控制過程采用一維模糊控制原理，假設(shè)控溫目標(biāo)為Tgoal，實(shí)際紅外傳感器測(cè)量溫度為Tf，則控溫誤差為：dt=Tgoal-Tf。當(dāng)dt<-0.1℃時(shí)，微波爐輸出功率為p0;當(dāng)-0.1℃？燮dt<0.1℃時(shí)，微波爐輸出功率為0;當(dāng)0.1℃？燮dt<2℃時(shí)，微波爐輸出功率為p1;當(dāng)2℃？燮dt<4℃時(shí)，微波爐輸出功率為p2;當(dāng)4℃？燮dt<6℃時(shí)，微波爐輸出功率為p3;當(dāng)6℃？燮dt<8℃時(shí)，微波爐輸出功率為p4;當(dāng)8℃？燮dt<10℃時(shí)，微波爐輸出功率為p5;當(dāng)10℃？燮dt時(shí)，微波爐輸出功率為p6。

解凍初始階段，肉中含有大量冰晶和極少量水，因此可大火加熱，如輸出功率p設(shè)置為p6（如600w），通過變頻猛火破冰，如圖5所示。事實(shí)上這階段主要通過加熱肉中少量的水通過熱傳遞使冰融化。水熱導(dǎo)率為0.582w/（m*k），冰為2.326w/（m*k），由于冰熱傳遞效果較好，這階段肉溫升比較迅速，如圖6所示。當(dāng)溫差較小時(shí)，為防止微波聚焦，局部過熱，微波爐輸出功率也隨之變小。當(dāng)溫度接近15℃時(shí)，誤差極小，火力采用p1（如100w）檔進(jìn)行通斷控制，此時(shí)食物溫度將在15℃附近波動(dòng)。

解凍最后，當(dāng)溫度小于14.9℃時(shí)，微波爐輸出p1檔火力，加熱t(yī)1秒，使肉溫度大于15℃;當(dāng)溫度大于15℃時(shí)，微波爐輸出p0檔火力，即關(guān)閉微波，持續(xù)t2秒，當(dāng)微波關(guān)閉后，由于熱傳遞，肉表面溫度高部分向肉內(nèi)溫度低的部分傳遞熱量使肉表面溫度降低，當(dāng)溫度低于14.9℃時(shí)，再次啟動(dòng)微波加熱，如此循環(huán)反復(fù)。當(dāng)肉表面溫度與內(nèi)部溫度接近時(shí)，則熱平衡狀態(tài)建立，這時(shí)候微波加熱時(shí)間t1越來越短，熱擴(kuò)散時(shí)間t2越來越長(zhǎng)，如圖5所示。當(dāng)時(shí)間比t1/t2小于設(shè)定閾值k時(shí)，則微波爐停止工作，智能解凍結(jié)束。恒溫解凍控制的流程見圖7。

整個(gè)恒溫解凍過程，肉表面溫度要比肉內(nèi)部溫度要高，而紅外測(cè)溫法直接測(cè)量肉表面溫度，因此肉表面溫度控制在15℃時(shí)，肉內(nèi)部溫度應(yīng)低于15℃，盡管有微波聚焦問題，溫差最大也不會(huì)超過10℃，即肉的溫度必然小于25℃，因此避免了肉局部過熟的問題。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證兩種基于紅外傳感器的微波解凍控制技術(shù)的解凍效果，對(duì)市面上某品牌微波爐按照?qǐng)D2進(jìn)行改裝，并加入上述技術(shù)相應(yīng)控制算法進(jìn)行實(shí)物解凍實(shí)驗(yàn)。

3.1 紅外微波智能解凍實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證紅外微波智能解凍技術(shù)的解凍效果，特地對(duì)常用肉類：豬肉、魚肉、雞肉進(jìn)行不同分量的解凍實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可看出豬肉由于微波分布不均勻出現(xiàn)輕微煮熟變色以及整雞關(guān)節(jié)部分溫度較高，但總體解凍效果較好，解凍效果評(píng)分可達(dá)80分。

3.2 紅外微波恒溫解凍實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證紅外微波恒溫解凍技術(shù)的解凍效果，進(jìn)行同樣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從解凍數(shù)據(jù)可看出，恒溫解凍解凍效果較好。

4 結(jié)束語

本文提出基于紅外溫度傳感器在微波爐中進(jìn)行食物測(cè)溫的應(yīng)用，并且通過采用斜率解凍或恒溫解凍的微波火力控制技術(shù)，而得到較好的微波解凍效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于微波爐豬肉、雞肉、魚肉等肉類解凍中，并能獲得較好的解凍效果。該微波智能解凍控制技術(shù)，根據(jù)溫度反饋進(jìn)行智能微波火力控制可有效降低微波不均勻、聚焦導(dǎo)致解凍效果差的問題，并且解凍過程不用設(shè)置食物重量，不需要翻面，大大提升了用戶解凍操作便捷性，改善了用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬燕，田少君.微波技術(shù)在食品解凍中的研究進(jìn)展[J].糧食與食品工業(yè)，2014（6）：35-38+42.

[2]張林青.基于射頻加熱的食品解凍技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2015.

[3]貢海旭.基于非接觸式測(cè)溫技術(shù)的工業(yè)微波爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技，2017（11）：184-185.

[4]王安敏，王金龍，李書佳.微波解凍保鮮裝置設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械，2018（1）：79-83.

[5]丁磊.基于紅外傳感的溫度檢測(cè)與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].安徽大學(xué)，2014.

[6]張林，龐小峰.微波加熱器溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].生命科學(xué)儀器，2007（9）：60-61.

[7]THOMASULLRICH.無接觸測(cè)量技術(shù)[J].現(xiàn)代制造，2005（8）：89-91.

[8]李云飛，葛克山.食品工程原理[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2014.

[9]潘曉煬，王曉燕，金銀哲，等.介電解凍過程中食品介電特性變化的研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)，2018（9）：262-266.

[10]李雪，劉燕，朱二光，等.智能溫度模糊控制PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2018（11）：118-120.

[11]王金龍.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在微波解凍保鮮裝置的應(yīng)用研究[D].青島科技大學(xué)，2018.