本发明涉及一种用于加热材料(尤其是但不限于食品)的射频加热系统。
背景技术：
射频辐射通常被用作加热包括食品的材料的工业手段。用途包括木材、纸张、纺织品的干燥，以及冷冻食品(包括肉类、鱼类和乳制品)的解冻。射频加热与微波加热一样是介电加热的一种形式。这种形式的加热与传统加热方法(包括传导加热)相比具有优势，因为材料的主体被直接加热，而不需要热表面和随后的温度梯度。其显著降低了外部表面不必要的过热或燃烧的可能性，以及仅局部加热被加热材料的内部部分的风险。射频加热与微波加热相比具有优势，因为使用较长的波长，这使得较大的物体能够被更均匀地加热。这使得rf加热非常适用于解冻以及需要均匀加热且避免局部热点的其它应用。本发明允许例如高达2kw的功率的较小尺寸的射频加热器。
射频加热设备必须包含以下基本组件。首先，以特定频率产生电信号的电源(放大器)。频率可以在5mhz至300mhz之间，并且可以是固定的或者是可变的，但是更通常是由国际协议设定的国际科学和医学(internationalscientificandmedical，ism)频段并且包括适用于以13.560mhz、27.120mhz和40.680mhz为中心的加热设备的频段中的一个。其次加热室包括两个电极是必要，，一个电极典型地接地，另一个电极带电(live)。在两个电极之间施加射频功率。待加热的产品或物品被放置在两个电极之间。最后，需要将电源的阻抗与负载的阻抗相匹配的手段，通常称为“匹配网络”。电源和负载各自构成谐振电路，并且负载电路的谐振特性取决于待加热材料的物理性质以及电路的构造。由于被加热的材料具有不同的成分和电阻抗，所以必须使两个电路的阻抗相匹配，以使得功率可以有效地从源(放大器)传输到负载(待加热的物品)。如果不满足这个条件，那么从负载电路向放大器反射比例较大或较小的功率。这导致在电源电路中产生相应的热量的情况下，产品的加热效率低。充其量，这是功率的低效使用，但是最糟糕的是，它可以导致源或放大器电路变得过载和失败。匹配网络的许多不同设计被已知并且被使用，并且本发明可以应用于它们中的任何一个。
当加热物质时，不同样品或批次的电阻抗总是不同的，这是由于成分或物理尺寸的差异或两者都有而引起的。材料的电阻抗将总是随着作为成分或温度依赖特性的变化的结果被加热而变化。因此，射频加热装置必须具有对于某一水平的反射功率稳健的放大器电源，或者其阻抗与负载的阻抗相匹配的放大器电源，或二者的某种组合。
出于上述原因，阻抗匹配网络通常用于射频加热装置。这些匹配网络包括具有可变分量的电容和电感，以便实现期望的阻抗相位和幅度。可变电容器优于可变电感，因为它们更容易制造。可变电容器可以是旋转叶片型、真空型、或者使用或不使用附加的固态可变电容器接通和切断电路的固定值电容器的组合、或者任何其它合适的电容器类型。通常使用具有固定阻抗(通常50或75欧姆)的射频放大器。这些是行业标准，并且表明放大器具有这个值的纯阻性阻抗。在这种情况下，匹配网络需要将负载的阻抗与该电阻50或75欧姆值相匹配。其通过检测和调节负载的阻抗的相位角和幅度并调节其使得相位角为零，而负载的阻抗是纯电阻50(或75)欧姆，从而与放大器相匹配。这种方法的问题是，在控制系统通过改变电路中的可变电容的值来搜索这个条件时，存在放大器与负载的阻抗之间失配的可能性，这将导致放大器的输出的绝大部分从负载被反射并在放大器中被消散。这可能会造成不良影响，包括不必要的电瞬变、加热以及随之而来的放大器故障。为了防止这种情况发生，射频电源控制系统必须包括防止由于反射功率引起的电路过载的附加装置，和或射频电源电路被规定为能够应对反射功率和不必要的瞬变及其它影响。
总之，这些要求意味着射频加热系统不适用于小规模和低功率应用，因为与其它技术相比，所需的附加元件部分和控制系统要求超过其优点。对于解冻应用，通常使用诸如暖风加热或微波加热的其它技术。然而，与射频加热技术相比，这些技术的效率不高。在使用循环空气进行架式(rack)干燥的情况下，食品的解冻时间通常是几个小时，经常通宵。在微波解冻的情况下，与射频解冻相比，局部热点和冷点的风险增加。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，一种包括向射频加热室提供功率的射频放大器和匹配网络的射频加热系统包括：控制器，该控制器用于监视到加热室的功率中的前向(forward)功率和反射功率、相位和幅度，并根据反射功率和/或相位和幅度的预定值来调节由射频放大器提供的功率和/或匹配网络的阻抗。
本发明按照如下方式提供了一种匹配电路：使得可以实现射频加热和解冻的优点，而没有需要附加的控制电路和/或能够抵抗显著的反射功率的高度规定的电源组件的缺点。本发明避免了对于附加的保护电路或规定的能够消散大量的反射功率的放大器组件的需求。因此本发明允许使用在散热能力方面具有减小的尺寸和规格的组件，并因此允许射频加热单元的较小的尺寸。
本发明适用于500至1500瓦的射频加热系统以及大型系统。典型的应用将是具有750瓦或更小功率的小型加热系统。
附图说明
现在将参照附图1来描述本发明的示例，
图1示出了根据本发明的射频加热系统。
具体实施方式
在附图中，射频加热系统1包括：接地的频率放大器电源10，其具有功率输出端11；加热室12，其具有功率输入端13并具有两个电极14和16，一个接地电极16和另一个电极14。该图示出了在带电电极14和接地电极16之间待加热的食物18。
网络匹配电路20与射频放大器电源相关联。在传统系统中，网络监视电路包括在功率放大器10的同轴输出线缆11与加热室12的同轴输入线缆13之间成一条直线的电容器(被称为调谐电容器)22和电感器24。在电容器与电感器之间，另一个电容器(被称为负载电容器)26接地。
在这种传统的射频加热系统中，控制系统将通过调节电容器22和26(或另一种匹配网络设计中的其它组件)的值来搜索负载与源之间的阻抗匹配。一旦达到阻抗条件，则放大器的功率输出将以预定的速率增加。如果反射功率超过一定限度，那么功率将保持在一定的水平或返回到预定的较低水平，直到再次达到阻抗匹配为止。该方法的缺点是电源必须对于反射功率的预期情况稳健，或者系统可能花费较长时间才能达到全功率。
为了克服源和负载的阻抗不匹配的问题，本发明使用控制器30，通常为其中编码有调节算法的比例-积分-微分控制器(pid控制器)。控制器30具有控制输出端32、34和35，控制输出端32调节调谐电容器22的值，控制输出端34调节负载电容器26的值，以及控制输出端35调节射频放大器10的功率输出。功率计36由相位和幅度检测器组成，并测量来自射频放大器10的功率输出和来自加热室12的反射功率，将这些测量结果传递至控制器30。反射功率测量如下所述用于控制射频放大器10的功率输出和调谐电容器22和负载电容器26的值二者。
控制分四步进行。
首先在第一步骤中，当射频放大器10开始工作并开始向加热室12施加射频功率时，放大器施加的功率从零增加到射频放大器10的全射频输出功率的2％到6％之间的预定值。增加的速率大约是每秒10瓦。检测复阻抗的相位角和幅度，并且借助比例-积分-微分控制器30将匹配网络20中的调谐电容器22和负载电容器26二者的值向零阻抗相位角调节。该算法以每秒其全值的20％的最大速率对匹配网络20中的电容器22和26进行调节。通过pid控制器调节电容器22和26，直到反射功率小于大约1w(对应于接近零的阻抗相位)为止。
步骤1的目的是尽可能快地建立低功率等级的阻抗匹配的条件。匹配网络中的电容的快速调节意味着，随着单元改变电容并且搜索阻抗匹配，可能所施加的射频功率中的较高比例将从负载电路被反射到源。通过将此步骤中的所施加的功率限制在全额定功率输出的2％至6％之间，并将反射功率限制在25w左右，来防止放大器电路的损坏。本步骤中反射功率极限的确切数字是根据放大器的硬件限制来选择的。
一旦从接通电源到射频放大器已经经过了固定的时间，则控制移到步骤2，并且来自射频放大器的功率输出更快地(例如，大约每秒100瓦)增加到预定的水平。步骤2中所施加的功率上限由控制算法随着它继续调节电路中的电容值而将反射功率保持在10w以下的能力来确定。10w小于放大器对反射功率的硬件限制，并给出了允许算法以较小的阻尼模式工作(即对电容器值进行相对较快的调节)的误差容限。如果反射功率在任何点上都超过这个10w的值，则控制器30阻止进一步的功率增加，并且功率保持在该水平，并且系统根据上面在步骤1中描述的相同的协议来调节电容。当反射功率下降到小于10w的预定水平时，功率增加重新开始。
步骤2的目的是从步骤1中发现的低功率阻抗匹配条件开始，然后在尽可能短的时间段内将施加的功率增加到全额定输出的20％左右的水平但不允许反射功率超过组件的安全限制。
在达到全额定功率输出的20％以上的情况下，控制移至步骤3，所施加的功率进一步增加到放大器的全额定功率输出。在步骤3中，匹配网络中电容的调节比步骤1和步骤2中的更缓慢，通常约为每秒全电容值的约0.1％至0.2％。这确保了系统保持其阻抗匹配条件，并且反射功率不超过放大器电路的安全限制。功率增加的速率通常是大约每秒100瓦。网络匹配响应在步骤3中比在步骤1和步骤2中更加缓和。如果在任何点反射功率超过如步骤2中所述的预设值，则功率增加停止，并且允许该单元有时间重新达到匹配的网络条件。
步骤3的目的是尽可能快地达到全设定点功率，但不允许反射功率超过预定值。步骤2和步骤3中反射功率的限制小于步骤1和步骤4(步骤4在下面讨论)中反射功率的限制。这是因为步骤1和步骤4中的限制由允许的硬件限制来确定，也就是放大器电路将容忍的最大反射功率，而在步骤2和步骤3中，限制设置得较低，以使得控制算法可以允许在没有产生达到对反射功率的硬件限制的条件的情况下所施加的功率的较快的增加速率。
一旦达到全功率设定点(其是射频放大器10的全功率或由用户选择的某一较小值)，则当功率保持恒定并且使用如在步骤3中所应用的阻尼网络匹配算法保持阻抗匹配条件时，控制移到步骤4。如步骤1以及由对放大器硬件的限制所确定的，对反射功率的限制增加到约25w。
对反射功率的限制在步骤2和步骤3中比在步骤1和步骤4中更低。步骤1处于低功率但没有实现阻抗匹配，并且步骤4处于全功率但满足阻抗匹配条件。步骤2和步骤3是过渡的，其中功率增加并且控制系统的阻尼改变。总体效果是允许在不超过对反射功率的限制的情况下最快地应用全功率。
控制步骤的总结在下表中列出：
表1
示例-500w射频解冻器
该系统是一种用于解冻各种食物的台式射频加热系统1(ism频率27.12mhz，0-500瓦输出)。加热室12约600mm宽、500mm高、715mm深。加热室12的结构主要是304不锈钢结构，重约40kg。加热室12具有触摸屏显示器，该触摸屏显示器允许操作员选择预先配置的程序来解冻各种不同的食物类型。控制器30使用来自传感器36的信号来控制在使用射频放大器匹配网络20的程序期间传送的射频功率。相位和幅度信号被用于在匹配网络20中分别改变图1中的调谐电容器22和负载可变电容器26的位置，以将加热室12施加器中的食物的阻抗与50ω的射频放大器阻抗相匹配。图1的匹配网络是同样适用于本发明的许多设计中的一个。
控制器30首先匹配阻抗并根据本文所描述的算法将功率增加至500w的额定功率(或其它较低的设定点)。
加热系统1包含可变幅度射频放大器10，以按照27.12mhz的频率提供500w的电源。所需电源为50vdc@20a。包括低通滤波器：这是五阶butterworthπ滤波器(未示出)，其用于从射频放大器的输出端消除高于27.12mhz的谐波频率。功率计36监视射频高功率信号，并使用0-5v模拟信号表示前向(0-500w)和反射(0-50w)功率电平。其检测电压与电流之间的相位差以及电压和电流的幅度比。使用-5v至+5v模拟信号表示相位和幅度水平。
控制器30用于将包括待加热的食物或其它材料的负载电路的阻抗与50ω的射频放大器输出阻抗相匹配。这借助如图1所示的“t”网络配置中的可变调谐电容器22和负载电容器26以及电感线圈24来实现。可变调谐电容器22和负载电容器26使用利用来自控制器30的脉宽调制信号驱动的伺服电机来进行调节。
通过系统前面的密封门将食物放置在加热室12中，以经受射频波。加热室12具有由绝缘支撑件支撑的顶部电极14。接地电极16是其上放置食物容器的施加器(applicator)的金属基片。匹配网络20使用利用绝缘套环(collar)15与所述室的后部绝缘的铜导体连接到加热室12。
该装置使用100至240伏之间、50或60hz的市电电源。在该装置内，控制系统和冷却风扇使用12vdc电源，并且使用48vdc电源来利用晶体管射频放大器10产生0-500瓦射频。
除了与本发明相关联的功能之外，控制器30更一般地使用来自多个附加传感器的信号针对以下参数来监视系统的安全性：射频放大器散热器的温度、门打开、电弧检测器、烟雾探测器、电源电平、反射功率、风扇速度。控制器在出现不利情况时以安全的方式响应，并在触摸屏上报告该问题。
实际上已经发现以下操作参数产生了良好的结果：
在不超过20秒、优选不超过15秒的时间段之后，从步骤1切换到步骤2；
在步骤1中，参数为所施加的全功率的2％至6％、高达40瓦的反射功率，所施加的功率增加的速率为5瓦/秒至15瓦/秒之间，其中电容的变化速率作为电路中可变电容的百分比，高达20％。
在步骤2中，参数为所施加的全功率的6％至20％、高达15瓦的对反射功率的限制，所施加的功率增加速率高达200瓦每秒，并且电容的变化速率作为电路中可变电容的百分比，高达20％。
在步骤3中，参数为所施加的全功率的20％至100％、高达15瓦的对反射功率的限制，所施加的功率增加速率高达200瓦每秒，并且电容的变化速率作为电路中可变电容的百分比，高达5％。
在步骤4中，参数为所施加的全功率的恒定100％、高达40瓦的对反射功率的限制，并且电容的变化速率作为电路中可变电容的百分比，高达1％。
可变值电容器可以是旋转叶片型或真空型，或者可以是固态装置，包括由控制器30接通和切断电路的固定值的多个电容器和固态可变电容器。
以上是本发明的说明性示例，并不限于权利要求所包含的本发明的范围。