射频脉冲解冻加热设备及其闭环控制方法与流程

本发明涉及解冻技术领域，具体地，涉及一种射频脉冲解冻加热设备及其闭环控制方法。

背景技术：

射频解冻是一种新型的解冻方式，其通过高速变化的射频或微波振荡电磁场使待解冻物品中的晶格、分子、离子等进行剧烈振动旋转等运动而升温，从而达到快速解冻的目的。与其他解冻方式相比，射频解冻的速度块、加热均匀，对待解冻物品的品质影响较小。

公开号为cn109323521a的专利文献公开了一种用于解冻装置的控制方法。该控制方法包括：射频发生模块产生射频信号；射频天线根据射频信号在解冻腔室内产生相应频率的射频波，并解冻待处理物；获取待处理物的表面温度；若待处理物的表面温度大于等于预设的目标温度，射频发生模块停止工作。本发明的解冻装置只需用户打开解冻开关开启解冻程序，可在解冻完成时，自动终止解冻程序，无需用户手动控制，提高了用户的便利性。此方案解冻时需通过温度判定，这就需要在解冻装置上增设温度传感器，而温度传感器的设置会增加装置复杂程度，且温度传感器无法完整检测物品由内之外的温度，检测温度并不准确。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种射频脉冲解冻加热设备及其闭环控制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种射频脉冲解冻加热设备，包括射频功率输出模块、测量模块、电源模块、电调辐射装置、控制单元以及散热系统，所述电调辐射装置包括调谐模块、辐射组件以及辐射腔体；

所述控制单元分别连接射频功率输出模块、测量模块以及调谐模块，电源模块分别连接射频功率输出模块、控制单元、调谐模块以及散热系统，射频功率输出模块连接测量模块，测量模块连接调谐模块，调谐模块连接辐射组件，辐射组件设置在辐射腔体内，所述散热系统能够对射频功率输出模块、电源模块以及调谐模块进行散热。

优选地，所述射频功率输出模块包括射频信号源、射频功放部分，射频功放将射频信号源产生的射频信号放大产生能够用于解冻及加热的射频振荡信号；所述射频功率模块输出的射频振荡信号的功率和频率均能够根据控制单元的信号进行调整；射频功放模块输出的射频振荡信号先经过测量模块的检测后再输出给电调辐射装置；射频功率输出模块能够将自身的温度信息反馈给控制单元。

优选地，所述测量模块能够检测射频功放模块输出端的射频参数并将射频参数反馈给控制单元，所述射频参数包括输入反射系数、前向功率以及反向功率。

优选地，所述电源模块能够将转换为的直流电压给射频功率输出模块、控制单元、调谐模块以及散热系统供电，同时还能够将电压、电流及温度信息反馈给控制单元。

优选地，所述调谐模块包括一个或多个无源器件，调谐模块通过控制单元控制调节实现与射频功率输出模块输出端的阻抗匹配状态；

所述辐射组件包含一个或者多个辐射单元，辐射组件能够将射频功率输出模块输出的射频振荡信号传递给辐射腔体内的物品；所述射频功率输出模块输出的射频振荡信号经过调谐模块后再能到达辐射组件。

优选地，所述控制单元能够对射频功率输出模块、测量模块以及调谐模块进行状态监测、数据分析和功能控制；所述控制单元还包括ui交互模块。

根据本发明的另一方面，提供一种射频脉冲解冻加热设备的闭环控制方法，采用所述的射频脉冲解冻加热设备，包括如下步骤：

步骤1：控制单元通过ui交互模块获取用户的输入信息或者默认状态信息；

步骤2：控制单元根据获取的信息计算输出射频脉冲功率大小、脉冲占空比及脉冲周期，并设定解冻加热流程；

步骤3：控制单元根据设备运行时调谐模块的状态计算解冻加热的时间并执行解冻加热；或者根据用户设定的时间执行解冻加热；

步骤4：控制单元根据设备运行时射频功率输出模块、测量模块、调谐模块以及电源模块反馈的参数，闭环调整解冻加热过程；

步骤5：控制单元判断解冻是否完成，若解冻完成则停止解冻，否则回到步骤4继续执行。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：控制单元开启射频功率输出模块并控制射频功率输出模块输出平均功率；

步骤3.2：控制单元控制调谐模块寻找与射频功率输出模块的匹配状态；

步骤3.3：调谐模块找到与射频功率输出模块的匹配状态后，控制单元获取此时调谐模块的调谐状态；

步骤3.4：控制单元判断用户是否设定解冻加热时间，若用户设定了解冻加热时间，按照用户设定时间执行解冻加热；若用户未设定解冻加热时间，则执行步骤3.5；

步骤3.5：控制单元根据调谐模块的调谐状态计算解冻加热时间，并按计算时间执行解冻加热。

优选地，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：控制单元每隔一段时间记录一次反馈参数；

步骤4.2：控制单元根据反馈参数中的反射系数的幅值和相位信息判断调谐模块与射频功率输出模块的匹配状态，若反射系数的幅值大于设定阈值，则调谐模块与射频功率输出模块的状态不匹配，继续执行步骤4.3；若反射系数的幅值不大于设定阈值，则调谐模块与射频功率输出模块的状态匹配，跳到步骤4.4继续执行；

步骤4.3：控制单元控制调谐模块寻找与射频功率输出模块的匹配状态；

步骤4.4：控制单元每隔一段时间计算一次反射系数的幅值或者相位的变化速率；

步骤4.5：控制单元根据当前射频功率输出模块输出的平均功率区间，判定当前的反射系数的幅值或者相位的变化速率是否在设定正常范围之内，若反射系数的幅值或者相位的变化速率在设定正常范围之内，则跳到步骤4.8继续执行；若反射系数的幅值或者相位的变化速率不在设定正常范围之内，则继续执行步骤4.6；

步骤4.6：控制单元根据反射系数的幅值大小、反射系数的幅值或者相位变化率以及待解冻加热物品信息，判定射频功率输出模块输出功率所属的平均功率区间；

步骤4.7：控制单元根据射频功率输出模块输出功率所属的平均功率区间，调整解冻加热过程中的射频功率输出模块输出的峰值功率或者脉冲占空比及周期；

步骤4.8：射频功率输出模块保持当前平均功率，继续执行解冻加热。

优选地，所述步骤5中采用如下方法判断解冻是否完成：

若用户设定了解冻加热时间，时间到则停止解冻加热；若用户未设定解冻加热时间，则：当达到了控制单元计算的解冻加热时间，则解冻完成，停止解冻；当匹配时刻时间隔达到了设定时间阈值，则解冻完成，停止解冻；当射频参数已经稳定，则解冻完成，停止解冻。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单合理，操作方便，能够通过闭环控制的方式实现对物品的解冻加热。

2、本发明采用脉冲式的解冻加热方法，能够使得对食物的解冻更为均匀，同时不同食物采用脉冲方式解冻时，脉冲功率的占空比、峰值功率、脉冲周期等均能够调整，可以解决技术上很难实现的五花肉、整鸡等均匀解冻的问题。

3、本发明采用峰值功率控制的解冻加热方法，能够有效改善食材的解冻加热效果，实现食材快速与均匀解冻加热的平衡折中。

4、本发明采用闭环控制的解冻加热方法，能够有效提升食材解冻及加热的速度及均匀性。

5、本发明采用智能停止的方法，传统微波炉方式解冻时，需要输入解冻食材的重量，然后再转化为解冻时间，用户使用起来非常不便，并且没有考虑放入解冻食材的初始温度，因而解冻效果偏差较大，而本发明智能地停止解冻加热，用户仅需选择要解冻加热的食材就可以智能的进行解冻加热。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的射频脉冲解冻加热设备的模块连接示意图。

图2为本发明闭环测试模块的工作示意图。

图3为本发明的射频脉冲解冻加热设备的闭环控制方法流程图。

图4为本发明的射频脉冲解冻加热设备的闭环控制方法的步骤3的流程图。

图5为本发明的射频脉冲解冻加热设备的闭环控制方法的步骤4的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

根据本发明的一个方面，提供一种射频脉冲解冻加热设备，如图1所示，包括射频功率输出模块、测量模块、电源模块、电调辐射装置、控制单元以及散热系统，所述电调辐射装置包括调谐模块、辐射组件以及辐射腔体；所述控制单元分别连接射频功率输出模块、测量模块以及调谐模块，电源模块分别连接射频功率输出模块、控制单元、调谐模块以及散热系统，射频功率输出模块连接测量模块，测量模块连接调谐模块，调谐模块连接辐射组件，辐射组件设置在辐射腔体内，所述散热系统能够对射频功率输出模块、电源模块以及调谐模块进行散热。散热系统包含风扇、合理设计的风道以及一些热阻较低的散热结构件，对设备中的电源模块、射频功率输出模块及调谐模块起到了重要的散热作用。

所述射频功率输出模块包括射频信号源、射频功放部分，射频功放将射频信号源产生的射频信号放大产生能够用于解冻及加热的射频振荡信号；所述射频功率模块输出的射频振荡信号的功率和频率均能够根据控制单元的信号进行调整；射频功放模块输出的射频振荡信号先经过测量模块的检测后再输出给电调辐射装置；射频功率输出模块能够将自身的温度信息反馈给控制单元。

所述测量模块能够检测射频功放模块输出端的射频参数并将射频参数反馈给控制单元，所述射频参数包括输入反射系数(s11)、前向功率以及反向功率。

所述电源模块能够将转换为的直流电压给射频功率输出模块、控制单元、调谐模块以及散热系统供电，同时还能够将电压、电流及温度信息反馈给控制单元。

所述调谐模块包括一个或多个无源器件，调谐模块通过控制单元控制调节实现与射频功率输出模块输出端的阻抗匹配状态；所述辐射组件包含一个或者多个辐射单元，辐射组件能够将射频功率输出模块输出的射频振荡信号传递给辐射腔体内的物品；所述射频功率输出模块输出的射频振荡信号经过调谐模块后再能到达辐射组件。调谐模块是无源可调部分，由控制单元控制调谐模块的状态来寻找射频功率输出模块输出端的最佳匹配状态，其作用在于补偿因食物种类、大小、位置、形状及温度不同而造成的阻抗差异，实现全程自动补偿食物的变化；辐射组件用于将射频功率输出模块输出的射频功率均匀地传递给食物，这些高速变化的射频振荡电磁场迫使食物中的分子、离子等进行剧烈运动而升温，辐射腔体用于防止射频能量泄露，同时可起到承载食物的作用。

所述控制单元能够对射频功率输出模块、测量模块以及调谐模块进行状态监测、数据分析和功能控制；所述控制单元还包括ui交互模块。所述ui交互模块包含显示触控，语音模块等；用户可对设备进行操控，还可通过远程监控模块实时便捷监控等。状态监控，通过测量模块反馈的射频测量参数，时刻监测电调辐射装置的阻抗状态，确保射频功率输出模块输出的射频功率能有效的传递到辐射组件；通过门开关控制信号时刻监测门是否关闭等。数据分析，采集射频测量模块的输出频率及前向和反向功率及它们的相差，从而计算得到散色参数s11(反射系数)的幅值及相位，分析得到不同食物的阻抗状态。功能控制，通过控制单元控制电源的输出状态；控制射频功率输出模块的输出频率及功率大小；控制调谐模块的匹配状态等。

如图1所示，电源模块将市电转化为多个稳定输出的电源，负责给射频功率输出模块，控制单元、调谐模块及散热系统供电；控制单元是整个系统的控制中枢，完成系统所有的状态监测，数据分析，功能控制及ui界面人机交互，远程监控等功能；射频功率输出模块能将直流电能转化为射频振荡能源；电调辐射装置负责将射频振荡能源高效均匀地传送给食物，实现快速均匀地解冻与加热；散热系统负责给电源模块、射频功率输出模块及开关切换模块散热。

如图2所示，控制单元可以根据测量模块反馈的参数，如反射系数s11的幅度及相位，输出功率大小等来调整其它功能模块的状态。若s11需要调整时，控制单元设置调谐模块的状态，同时测量模块把调整后测得的s11反馈给控制单元，直至满足s11的需求；若输出功率需要调整时，控制单元可控制电源模块的输出电压、射频功率输出模块的峰值功率或者脉冲占空比等，改变射频功率输出模块输出的平均功率，同时测量模块把调整后的输出功率反馈给控制单元，直至满足输出功率的需求。

根据本发明的另一方面，提供一种射频脉冲解冻加热设备的闭环控制方法，如图2-5所示(图中的调谐器即为调谐模块的一种；s11即为反射系数，也就是输入回波损耗)，采用所述的射频脉冲解冻加热设备，包括如下步骤：

步骤1：控制单元通过ui交互模块获取用户的输入信息或者默认状态信息；优选地，用户的输入信息包含选定的菜单内容(比如食材的种类等)或者设定的运行时间等。

步骤2：控制单元根据获取的信息计算输出射频脉冲功率大小、脉冲占空比及脉冲周期，并设定解冻加热流程；脉冲功率指的是射频输出连续波的峰值功率，脉冲占空比指的是脉冲功率时间占整个脉冲周期时间的百分比，比值越大，射频平均功率也就越大，当占空比为100％时，即为普通的连续波解冻加热；若用户输入了运行时间则解冻加热设备按照用户设定的时间来解冻加热，即为手动解冻加热；若用户未输入运行时间则解冻加热设备按照其本身的程序来运行，若食物解冻加热完成，则停止运行，即为自动解冻加热(也即智能解冻加热)；

步骤3：控制单元根据设备运行时调谐模块的状态计算解冻加热的时间并执行解冻加热；或者根据用户设定的时间执行解冻加热；

步骤4：控制单元根据设备运行时射频功率输出模块、测量模块、调谐模块以及电源模块反馈的参数，闭环调整解冻加热过程；优选地，根据反馈的参数，闭环调整解冻加热过程，比如调整调谐器的匹配状态；调整解冻加热过程中的峰值功率大小，脉冲占空比及脉冲周期等；反馈的射频参数主要包含射频功率输出模块的前向功率、反向功率，电调辐射单元输入端s11的幅值及相位，阻抗等；

步骤5：控制单元判断解冻是否完成，若解冻完成则停止解冻，否则回到步骤4继续执行。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：控制单元开启射频功率输出模块并控制射频功率输出模块输出平均功率；

步骤3.2：控制单元控制调谐模块寻找与射频功率输出模块的匹配状态；优选地，控制单元控制调谐器寻找射频功率输出模块的最佳匹配状态；

步骤3.3：调谐模块找到与射频功率输出模块的匹配状态后，控制单元获取此时调谐模块的调谐状态；优选地，调谐模块找到与射频功率输出模块的最佳匹配状态后，控制单元获取此时调谐模块的调谐状态；

步骤3.4：控制单元判断用户是否设定解冻加热时间，若用户设定了解冻加热时间，按照用户设定时间执行解冻加热；若用户未设定解冻加热时间，则执行步骤3.5；

步骤3.5：控制单元根据调谐模块的调谐状态计算解冻加热时间，并按计算时间执行解冻加热。

所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：控制单元每隔一段时间记录一次反馈参数；优选地，每隔2s记录一次反馈参数，例如反射系数s11的幅值及相位信息等；

步骤4.2：控制单元根据反馈参数中的反射系数的幅值和相位信息判断调谐模块与射频功率输出模块的匹配状态，若反射系数的幅值大于设定阈值，则调谐模块与射频功率输出模块的状态不匹配，继续执行步骤4.3；若反射系数的幅值不大于设定阈值，则调谐模块与射频功率输出模块的状态匹配，跳到步骤4.4继续执行；

步骤4.3：控制单元控制调谐模块寻找与射频功率输出模块的匹配状态；优选地，控制单元控制调谐模块寻找与射频功率输出模块的最佳匹配状态；

步骤4.4：控制单元每隔一段时间计算一次反射系数的幅值或者相位的变化速率；

步骤4.5：控制单元根据当前射频功率输出模块输出的平均功率区间，判定当前的反射系数的幅值或者相位的变化速率是否在设定正常范围之内，若反射系数的幅值或者相位的变化速率在设定正常范围之内，则跳到步骤4.8继续执行；若反射系数的幅值或者相位的变化速率不在设定正常范围之内，则继续执行步骤4.6；

步骤4.6：控制单元根据反射系数的幅值大小、反射系数的幅值或者相位变化率以及待解冻加热物品信息，判定射频功率输出模块输出功率所属的平均功率区间；

步骤4.7：控制单元根据射频功率输出模块输出功率所属的平均功率区间，调整解冻加热过程中的射频功率输出模块输出的峰值功率或者脉冲占空比及周期；

步骤4.8：射频功率输出模块保持当前平均功率，继续执行解冻加热。

所述步骤5中采用如下方法判断解冻是否完成：

若用户设定了解冻加热时间，时间到则停止解冻加热；若用户未设定解冻加热时间，则：当达到了控制单元计算的解冻加热时间，则解冻完成，停止解冻；当匹配时刻时间隔达到了设定时间阈值，则解冻完成，停止解冻；当射频参数已经稳定，则解冻完成，停止解冻。

智能解冻加热的过程中，根据待解冻加热食材初始的调谐状态，计算预估的解冻加热时间，当解冻加热达到预估的解冻时间时，解冻停止。智能解冻加热的过程中，判断是否达到了对应的匹配时刻间隔时间阈值。衡量食物升温快慢的依据可以是匹配时刻间隔时间阈值，指的是寻找到匹配后下一次重新寻找匹配的时间间隔，时间间隔越长，食物温度变化越小，每一次匹配后的时间间隔阈值是不同的。当间隔长到大于对应的时间间隔阈值时解冻停止。智能解冻加热的过程中，判断射频参数是否达到了稳定。射频参数变化阈值及计数阈值是评估射频参数(比如s11的幅值及相位)的变化稳定程度的参量之一。当射频参数的变化量小于设定的射频参数变化阈值，计数变量开始累加计数，计数变量越大，食物温升越慢，当计数变量大于设定的计数阈值时解冻加热停止。

本发明采用脉冲式的解冻加热方法。若在一个脉冲周期内的一段时间设备输出射频功率，另一段时间设备无功率，在有功率的这段时间内利用射频解冻原理让整个食物内外同时快速升温，但由于食材本身较为复杂多样，比如一块食物不同区域密度不同，比热容不同，肉质不同或者形状差异等均会导致食物某些部位温升不一致，均匀性不佳；在无功率的这段时间内利用食材本身的温度梯度进行热传导，可改善均匀性。同时不同食物采用脉冲方式解冻时，脉冲功率的占空比，峰值功率等均可以调整，因而采用脉冲式解冻方法可以解决技术上很难实现的五花肉，整鸡等均匀解冻的问题。

本发明采用峰值功率控制的解冻加热方法。在采用脉冲式解冻方法的过程中，还要根据食材的不同，来设定一定的峰值功率变化规律，比如若解冻的食材为肥肉，在最大冰晶生成带(-1℃至-5℃)区域，由于肥肉本身比热容相对较小，温升很快，容易过热，此时峰值功率可以相对低一些，而在冷冻区域(如-20℃至-10℃)时，冷冻的肥肉需要快速升温，峰值功率可以稍微大一些。比如在解冻纯瘦牛肉的整个过程中，峰值功率可保持一直不变；而在解冻纯肥肉的过程中，峰值功率要逐渐降低。因而采用峰值功率控制的方法可以改善食材的解冻加热效果，实现食材快速与均匀解冻加热的平衡折中。

本发明采用闭环控制的解冻加热方法，提升食材解冻及加热的速度及均匀性。在解冻加热过程中，食物的温度会逐渐上升，食物的介电特性会发生相应的变化，反馈到射频参数上为s11会发生相应的变化，若s11幅值比较大时，射频功率输出模块输出的射频功率不能有效的传递给食物，使得解冻加热的效率较低。本设备中测试模块能时刻监测s11的数值大小，若发现s11幅值高于设定的阈值时，控制单元能迅速控制调谐模块的状态来寻找最佳匹配状态，即最小的s11状态，从而极大的提高了解冻加热效率，同时还能保障射频功率输出模块的可靠运行。在采用脉冲式解冻方法的过程中，系统还能通过调整峰值功率，脉冲占空比及脉冲周期等来自动闭环调整射频功率输出模块的平均输出功率。在冷冻区域(如-20℃至-10℃)时，相比其它较高温区(如-10℃以上)，相同功率下，冷冻食材升温速度较快，s11的幅值或者相位变化速率较大，食物的解冻均匀性也比较好，平均射频功率可以较大，提升解冻速度。而在温度区域(-10℃至-5℃)，相同功率下，由于潜热等因素的存在，食材的升温速度会逐渐变缓，s11的幅值或者相位变化速率较小，并且食材升温过程中食材内外会逐渐出现温度差异，容易出现温度分布不均匀的情况，此时平均射频功率可以相对低一些。因而系统运行时，根据当前的平均功率所属的区间，判定当前的变化速率是否在正常范围之内，实时监控及调整解冻加热过程中的峰值功率或者脉冲占空比及周期的大小，闭环控制解冻及加热食材的均匀性。

本发明采用智能停止的方法。传统微波炉方式解冻时，需要输入解冻食材的重量，然后再转化为解冻时间，用户使用起来非常不便，并且没有考虑放入解冻食材的初始温度，因而解冻效果偏差较大。本发明可以智能地停止解冻或者加热，用户仅需选择要解冻加热的食材就可以智能的进行解冻加热。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。