本發(fā)明涉及果蔬和中藥材干燥技術(shù)領(lǐng)域，有其是涉及一種基于介電特性動態(tài)變化的微波干燥控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，國際上對農(nóng)產(chǎn)品的微波干燥已經(jīng)有一些研究，國內(nèi)的相關(guān)研究也逐年增多。Reiner Ihns等人通過研究不同溫度下兩種杏果的干燥過程，比較了恒速干燥和降速干燥的干燥曲線、色度變化、營養(yǎng)成分以及能耗的不同，得出前者的能耗略低于后者，而色度又隨干燥溫度的升高而變差^[1]。徐明亮等人通過比較不同干燥方法對海蘆筍干品品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)微波干燥下產(chǎn)品的色澤、復(fù)水率介于熱風(fēng)干燥和冷凍干燥之間^[2]。黃建立等人研究了銀耳的多種干燥法，通過對比得出銀耳在微波干燥下除亮度值稍低外，其余品質(zhì)均優(yōu)于其它方法，而且能耗很低^[3]。

雖然國內(nèi)外關(guān)于微波干燥的研究不少，但都存在著嚴(yán)重的不足，在微波干燥過程中，不能及時掌握物料的干燥情況，阻滯了微波干燥技術(shù)向大工業(yè)生產(chǎn)的快速擴(kuò)散。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)在微波干燥過程中很少對產(chǎn)品進(jìn)行在線水分、溫度檢測和控制，導(dǎo)致在最后階段產(chǎn)品溫度大幅度升高、烤糊產(chǎn)品；(2)無法監(jiān)控被干燥對象在干燥過程中的品質(zhì)變化，經(jīng)常導(dǎo)致微波干燥不足，烤糊等現(xiàn)象，使干燥后的物料出現(xiàn)口感變差，味道損失，色澤暗淡和復(fù)水能力下降等問題。

在專利方面，專利(公開號CN103005629A)公開了“微波熱風(fēng)聯(lián)合紅棗烘干機(jī)”，專利(公開號CN201974012U)公開了“微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥設(shè)備”，專利(公開號CN102735034A)公開了“一種側(cè)面進(jìn)風(fēng)微波干燥設(shè)備”，這些設(shè)備雖可以完成微波和熱風(fēng)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(shè)計多按照恒溫或者經(jīng)驗性的階段變溫進(jìn)行。專利(公開號CN103263064A)公開了“一種微波、熱風(fēng)和真空及其聯(lián)合干燥設(shè)備”，涉及了一定的監(jiān)測和控制功能。以上干燥方法，不論是否帶有監(jiān)測和控制，在干燥過程中都缺乏對于物料品質(zhì)的直接考量和控制，雖然干燥速率和能耗可以受到一定的控制，但干燥的質(zhì)量完全不可控，并且目前尚無針對微波干燥專門設(shè)計的優(yōu)化干燥系統(tǒng)，在考慮介電特性動態(tài)變化方面進(jìn)行的優(yōu)化更是完全空白。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本申請人提供了一種基于介電特性動態(tài)變化的微波干燥控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以通過監(jiān)測物料介電特性動態(tài)變化值來實現(xiàn)物料微波干燥品質(zhì)的最優(yōu)化，并同時避免干燥過程中產(chǎn)生焦糊等負(fù)面影響

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于介電特性動態(tài)變化的微波干燥控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括工業(yè)計算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、微波干燥模塊、及微波控制模塊；所述控制系統(tǒng)利用待干燥原料的介電損耗因子和介電常數(shù)來監(jiān)控微波的干燥過程。

運用網(wǎng)絡(luò)分析儀測定待干燥原料的介電特性隨干燥物料溫度和水分的變化值，在工業(yè)計算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到介電特性即介電損耗因子與被干燥原料的水分與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；所述水分是指待干燥物料中的水的重量與待干燥物料總重量的百分比。

所述控制系統(tǒng)利用已得到的的數(shù)學(xué)模型，即介電損耗因子和介電常數(shù)的變化值來控制微波的功率以及微波干燥的作用時間。

介電損耗因子與被干燥原料的水分與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型的檢測方法為：固定頻率分別為工業(yè)微波頻率即915MHz和家用微波頻率即2450MHz，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸電纜設(shè)備測定物料的不同水分下條件下，隨溫度變化的介電損耗因子；

以含水率、溫度為自變量，以介電損耗因子ε″為因變量，利用軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，分別得到在頻率為915MHz和2450MHz下，物料的介電損耗ε″與水分、溫度為主要影響因素的數(shù)學(xué)模型即擬合公式；

所述待干燥原料的介電損耗因子與水分和溫度分布二次數(shù)學(xué)模型為：

ε″_{2450-被干燥原料}＝A₁+B₁w+C₁t+D₁w²-E₁t²-F₁wt

ε″_{915-被干燥原料}＝A₂+B₂w+C₂t-D₂w²+E₂t²-F₂wt

所述A₁、B₁、C₁、D₁、E₁、F₁、A₂、B₂、C₂、D₂、E₂、F₂分別代表待干燥原料的介電特性變化常數(shù)；不同的待干燥原料需要提前試驗測定并分析得到A₁、B₁、C₁、D₁、E₁、F₁、A₂、B₂、C₂、D₂、E₂、F₂；w為干燥原料的水分，t為干燥溫度。

將介電損耗因子隨溫度和水分變化的數(shù)學(xué)模型輸入計算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊后，啟動微波干燥程序，干燥過程中連續(xù)檢測物料的水分和溫度，將物料水分和溫度的數(shù)值輸入到介電損耗因子數(shù)學(xué)模型中，計算得到介電損耗因子在整個干燥過程中隨時間T的變化規(guī)律曲線，計算曲線的斜率，得到干燥過程中隨時間T的曲線的斜率，監(jiān)控曲線的斜率和物料的干燥質(zhì)量，當(dāng)介電損耗因子斜率小于2％，并終止微波干燥。

連續(xù)檢測物料的水分的方法是由數(shù)據(jù)采集模塊采集的物料的實時重量，經(jīng)過計算，得到的物料在干燥過程中的實時水分。

其中，微波干燥模塊的輸出端與電子秤和光纖傳感器的數(shù)據(jù)采集通道連接，數(shù)據(jù)采集模塊輸出端連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊輸入端，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊輸出端與微波控制模塊輸入端連接，微波控制模塊輸出端與微波干燥模塊輸入端連接。

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀與同軸電纜技術(shù)測試不同含水率和溫度下的物料介電常數(shù)和介電損耗因子，固定頻率為915MHz(工業(yè)用)和2450MHz(家用)，得到兩種微波頻率下介電常數(shù)和介電損耗子因子隨溫度和水分的二次數(shù)學(xué)方程，并預(yù)先在工業(yè)計算機(jī)中輸入不同批次、品種的果蔬和藥材等物料的介電常數(shù)、介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于：

本發(fā)明提供的基于介電特性動態(tài)變化的微波干燥控制優(yōu)化系統(tǒng)可以在線、有效、快速的對物料的介電常數(shù)和介電損耗因子進(jìn)行檢測，實時控制干燥過程中微波功率和微波作用時間，從而獲得該物料干燥后的最佳保質(zhì)期和品質(zhì)。

通過實時監(jiān)測微波干燥過程中介電常數(shù)、介電損耗因子的動態(tài)變化，實現(xiàn)微波功率和微波作用時間的在線控制，提供了區(qū)別于普通的控制系統(tǒng)。對于干燥過程中介電特性變化較為明顯的物料，可防止在干燥過程中產(chǎn)生干燥不足或焦糊現(xiàn)象，有利于微波干燥后物料風(fēng)味的保留以及保質(zhì)期的延長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的控制框圖；

圖3為黃芪在微波頻率為2450MHz下介電損耗因子與溫度和水分的關(guān)系；

圖4為銀杏果在微波頻率為915MHz下介電損耗因子與溫度和水分的關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

圖1是一種基于介電特性動態(tài)變化的微波干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合圖2可以看到包括以下模塊：

1、微波干燥模塊

包括干燥物料的微波爐、存放物料樣品的容器。控制元件一頭與微波爐功率控制相連接，從而實現(xiàn)微波功率控制以及微波作用時間。

2、工業(yè)計算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊

將不同的物料的介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型輸入計算機(jī)中，在計算機(jī)系統(tǒng)中形成數(shù)學(xué)模型庫。

3、數(shù)據(jù)采集模塊

通過采集通道，將實時采集的溫度和水分動態(tài)變化值反饋到電腦中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)模型庫進(jìn)行數(shù)據(jù)計算分析實時得到介電損耗因子。

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊

處理后的數(shù)據(jù)傳遞給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器進(jìn)行建模。建立介電損耗因子與溫度水分的圖像。

5、控制模塊

控制元件一頭與工業(yè)計算機(jī)相連，另一頭與微波爐相連。

上述微波干燥智能自適應(yīng)控制系統(tǒng)的預(yù)測控制方法。

實施例1：以黃芪為例說明具體操作步驟步驟：

(1)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸電纜設(shè)備測定黃芪的不同水分下的條件下，隨溫度變化(固定頻率為2450MHz)的介電損耗因子。以含水率、溫度為自變量，以介電損耗因子ε″為因變量，利用軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，得到在頻率為2450MHz下黃芪的介電損耗ε″與含水率、溫度為主要影響因素的數(shù)學(xué)模型：

ε″_2450-黃芪＝26.3124+0.2332w+0.1645t+0.0065w²-0.0004t²-0.0056wt

黃芪在微波頻率為2450MHz下介電損耗因子與溫度和水分的關(guān)系如圖3所示。

(2)預(yù)先在工業(yè)計算機(jī)中輸入黃芪的介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

(3)采集通道實時采集微波干燥過程中微波作用時間、溫度和水分，實時監(jiān)控介電常數(shù)、介電損耗因子的動態(tài)變化值，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊獲得介電損耗因子與溫度水分的關(guān)系圖像，根據(jù)介電損耗因子隨溫度變化的曲線斜率的變化，控制微波干燥時間，實現(xiàn)物料干燥品質(zhì)的優(yōu)化。

使用傳統(tǒng)的微波干燥，干燥后期，物料會產(chǎn)生微波干燥不均勻，干燥黃芪到安全濕基水分后，會出現(xiàn)部分焦化，部分干燥不充分的問題。所以黃芪產(chǎn)品后期干燥并不適宜采用微波干燥。微波干燥效率高，速度快，微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥黃芪可以減少總的干燥時間，干燥時間縮短1/2，又保證產(chǎn)品質(zhì)量。但是微波干燥終止點難以判斷，本系統(tǒng)提供了較好的控制微波干燥終點的方法，采用此種方法，黃芪品質(zhì)干燥均勻度明顯提高，產(chǎn)品質(zhì)量有保障。

實施例2：以銀杏果為例說明具體操作步驟步驟：

(1)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸電纜設(shè)備測定銀杏果的不同水分下的條件下，隨溫度變化(固定頻率為915MHz)的介電損耗因子。以含水率、溫度為自變量，以介電損耗因子ε″為因變量，利用軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，得到在頻率為915MHz下銀杏果的介電損耗ε″與含水率、溫度為主要影響因素的數(shù)學(xué)模型：

ε″_{915-銀杏果}＝23.3415+0.0725w+0.2458t-0.0053w²+0.0008t²-0.0036wt

銀杏果在微波頻率為915MHz下介電損耗因子與溫度和水分的關(guān)系如圖4所示。

(2)預(yù)先在工業(yè)計算機(jī)中輸入銀杏果的介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

(3)采集通道實時采集微波干燥過程中微波作用時間、溫度和水分，實時監(jiān)控介電常數(shù)、介電損耗因子的動態(tài)變化值，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊獲得介電常數(shù)和介電損耗因子與溫度水分的關(guān)系圖像，根據(jù)介電損耗因子隨溫度變化的曲線斜率的變化，控制微波干燥時間，實現(xiàn)物料干燥品質(zhì)的優(yōu)化。

使用傳統(tǒng)的工業(yè)微波干燥，干燥后期物料會產(chǎn)生微波干燥不均勻，干燥銀杏果到安全濕基水分15％后，會出現(xiàn)部分焦化，部分干燥不充分的問題。所以銀杏果產(chǎn)品后期干燥采用其他干燥方式(熱風(fēng)干燥)，可以有效的保證產(chǎn)品質(zhì)量，并比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥時間減少約1/3的干燥時間。但是工業(yè)微波干燥終止點難以判斷，本系統(tǒng)提供了較好的控制微波干燥終點的方法，采用此種方法，銀杏果干燥品質(zhì)均勻度明顯提高，產(chǎn)品質(zhì)量有保障。

參考文獻(xiàn)：

1、R.Ihns，L.W.Diamante，G.P.Savage，and L.Vanhanen，’Effect of Temperature on the Drying Characteristics，Colour，Antioxidant and Beta-Carotene Contents of Two Apricot Varieties’，International Journal of Food scinnce&Technology，46(2011)，275-83.

2、徐明亮，周祥，蔡金龍，郁志芳，不同干燥方法對海蘆筍干品品質(zhì)的影響，食品科學(xué)(2010)，64-68

3、黃建立，黃艷，鄭寶東，李淑婷，不同干燥方式對銀耳品質(zhì)的影響，中國食品學(xué)報(2010)，167-73。