一种等效介电常数能够调节的微波加热装置及方法与流程

本发明涉及一种等效介电常数能够调节的微波加热装置及方法，属于冶金控制工程技术领域。

背景技术：

微波加热作为一种快速、有效的加热方式，已经广泛应用于化工、食品、冶金等领域，微波加热取决于被加热物质的形状、内部的电磁场和其介电特性，并且在此过程中微波电磁场遵循Maxwell方程组，温度场遵循热传导方程。被加热物质耗散微波能直接转换为热能来使其被加热，而内部微波场的微小改变，会引起加热的温度发生很大变化，随着温度上升，会引起加热体系介电特性改变，当加热体系内耗散的微波电磁能不断增加导致热通量密度增大时，形成正反馈，体系温度会不断上升，引发热失控。热失控一旦发生，会烧毁物料，损坏微波加热装置。

这种热失控产生的空间分布性，是导致微波加热温度分布不均匀性的最主要因素，若不能抑制热失控将会导致物料损坏；

现有提高微波加热均匀性的方法，适用范围单一，通用性有限，例如通过矩形波导金属壁的移动，对腔体内电磁场分布的相位进行调节，或向加热室内部放射圆偏振波的单一的微波放射部的微波加热装置等。现有的微波炉都是电压频率固定的，只能改变加热时间和加热温度，这样仍未解决加热温度不均匀问题。因此，为了增强微波加热装置通用于更多应用领域，以及改善微波加热温度的均匀性，仍需探索更普适、更方便的控制方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种等效介电常数能够调节的微波加热装置及方法，解决微波加热装置内部的微波加热温度不均匀的问题；能够防止微波谐振腔内部的微波电磁场分布不均所导致的被加热物料热失控现象。

本发明技术方案是：一种等效介电常数能够调节的微波加热装置，包括微波加热装置10、变容片、温度传感器、控制器；所述变容片、温度传感器均分别有若干对，每一对变容片分布在微波加热装置10的金属外壁相对的两端上，在微波加热装置10的金属内壁上，与每一对变容片一一对应的位置上对应的安装有一对温度传感器，每一对变容片、温度传感器均与控制器连接；

所述每一对温度传感器检测到相应位置处的变容片加热不均的温度值，把检测到的温度信号转换成电压信号传送到控制器，所述控制器根据电压差计算出变容片需要改变的容值，调整变容片容值的大小，从而改变了相应变容片间即对应微波加热装置内局域的介电常数，进而改变变容片所在位置处被加热物料的局部温度。

例如，如图1所示，温度传感器Rt11和Rt21检测到变容片Cvar11和Cvar21所在位置处加热不均的温度值，并转换成电压信号传送到控制器(Vctrl)，所述控制器(Vctrl)根据电压差计算出变容片需要改变容值的大小，进而调整变容片 Cvar11和Cvar21进行相应的改变，这样就改变了变容片Cvar11和Cvar21之间微波加热装置的介电常数，进而改变该位置的加热温度；

所述控制器能根据需要加热物体的大小或加热位置来选择通断相应位置的变容片，并且每个变容片都与控制器的一个端口一一对应连接，这样可以达到节约成本的目的。

所述控制器为一个或若干个；当为一个时，所有变容片都受到同一个控制器控制；当为若干个时，其数量与变容片数量一致，均一一对应的与每一个变容片相连，对所述变容片进行单独控制。

当控制器为一个时，控制器和变容片之间的信号传输采用I2C总线通信协议。

利用所述的装置进行微波加热的方法，所述方法如下：通过改变微波加热装置10的金属外壁上的变容片的电容值来调节微波加热装置内的介电常数，在控制器作用下，通过对局部采样的温度数据的处理，产生控制信号并作用于变容片上，调整变容片两端的电压，即可调整微波装置内部的介电常数，进而实现谐振腔内加热温度的局部调节，最终实现微波加热温度均匀性的控制。

本发明中微波加热温度均匀性调节的原理是：

利用温度传感器(Rt)将检测到的温度信号转变成电压信号传送至控制器 (Vctrl)，根据公式(式中C为电容值，Q为电容器所带电量，U为电容器两级间的电压)，由控制器(可采用PID控制器)计算出此变容片需要改变的电压值信号，控制器(Vctrl)将信号传送到相应的变容片上，C与U呈负相关。再根据公式ε为介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板间的距离，k为静电力常量。本发明中所涉及的变量S、k、d都是恒定的。当电容值C改变时，介电常数ε也随之发生相应改变，因此改变了微波加热装置中的局域介电常数。背景技术中提到影响微波加热的因素之一是加热体系中介电特性的改变，当微波加热装置中的局域介电常数发生改变，也就使被加热物料局部温度产生变化，最终实现微波加热温度均匀性的调节。调节的流程如图6所示；

全部的所述变容片(Cvar)可以都受控于同一个控制器(Vctrl)。由于本发明的变容片(Cvar)的对数是由微波加热装置的大小及被加热物料的数量而定，可能变容片需要的数量比较多，而每个端口所接收的控制信号与采集得到的信号是相对应的，因此控制器输出控制信号时，需进行端口(相应变容片)寻址，满足端口与控制信号匹配，继而控制器(Vctrl)可根据需要加热物体的数量或加热位置来选择调整相应位置的变容片，最终完成等效介电常数的自动调节。

用来完成控制器(Vctrl)与变容片对的通信可以采用I2C总线。I2C(Inter －Integrated Circuit)总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。由于I2C总线是一个多主机总线，每个连接到总线上的从设备都有唯一的地址。数据传输和地址由软件设定，在不超过从设备数目上限情况下，可以非常灵活的添加和移除总线上的从设备器件且不影响其他设备的正常工作。选用该方案大大减少了控制器的数量，以达到节约成本的目的。

本发明针对微波加热过程中物料的介电常数随温度变化的特性，设计一种等效介电常数能够调节的微波加热方法及装置。在控制器作用下，通过对局部采样的温度数据的处理，通过控制器(例如PID控制器、单片机)产生控制信号并作用于变容片上，调整变容片两端的电压，即可调整微波装置内部的介电常数，进而实现谐振腔内加热温度的局部调节，最终实现微波加热温度均匀性的控制。由于涉及到的变容片数量较多，为解决控制器与各变容片的通信复杂问题，采用 I2C总线通信协议，能很好解决主控(Vctrl)与从设(Cvar)间的有序通信问题。

本发明的有益效果是：

本发明能很好的解决了微波加热装置内部的微波电磁场分布不均匀的问题，能够有效改善微波加热装置内微波加热的均匀性，提高被加热物料的加热质量。该装置的结构新颖，可以根据实际应用中的微波装置的大小来设定变容片的数量，以达到减少能源的消耗，提高利用率，节约成本的目的；

本发明能达到被加热物料中局部温度改变，这样就能够防止微波谐振腔内部的微波电磁场分布不均所导致的被加热物料热失控现象。

附图说明

图1为微波加热装置结构图；

图2为实施例微波加热装置a部分的等效电路图；

图3为实施例微波加热装置b部分的等效电路图；

图4为I2C总线示意图；

图5为I2C总线寻址图；

图6为微波加热温度均匀性的调节的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-6所示，一种等效介电常数能够调节的微波加热装置，包括微波加热装置10、变容片、温度传感器、控制器；所述变容片、温度传感器均分别有若干对，每一对变容片分布在微波加热装置10的金属外壁相对的两端上，在微波加热装置10的金属内壁上，与每一对变容片一一对应的位置上对应的安装有一对温度传感器，每一对变容片、温度传感器均与控制器连接；

所述每一对温度传感器检测到相应位置处的变容片加热不均的温度值，把检测到的温度信号转换成电压信号传送到控制器，所述控制器根据电压差计算出变容片需要改变的容值，调整变容片容值的大小，从而改变了相应变容片间即对应微波加热装置内局域的介电常数，进而改变变容片所在位置处被加热物料的局部温度。

进一步的，所述控制器能根据需要加热物体的大小或加热位置来选择通断相应位置的变容片，并且每个变容片都与控制器的一个端口一一对应连接。

进一步的，所述控制器为一个或若干个；当为一个时，所有变容片都受到同一个控制器控制；当为若干个时，其数量与变容片数量一致，均一一对应的与每一个变容片相连，对所述变容片进行单独控制。

进一步的，若只采用一个控制器(Vctrl)来控制全部所述变容片(Cvar)，那么控制器(Vctrl)和变容片(Cvar)之间的信号传输则可以选I2C总线通信协议，该方法不仅能解决控制器(Vctrl)至变容片(Cvar)组间正常通信问题，还能根据需要，可以在微波加热装置上灵活地添加或移除总线上的变容片(Cvar) 且不影响控制器与变容片的正常工作。

利用所述的装置进行微波加热的方法，所述方法如下：通过改变微波加热装置10的金属外壁上的变容片的电容值来调节微波加热装置内的介电常数，在控制器作用下，通过对局部采样的温度数据的处理，产生控制信号并作用于变容片上，调整变容片两端的电压，即可调整微波装置内部的介电常数，进而实现谐振腔内加热温度的局部调节，最终实现微波加热温度均匀性的控制。

本发明中微波加热温度均匀性调节的原理是：

利用温度传感器(Rt)将检测到的温度信号转变成电压信号传送至控制器 (Vctrl)，根据公式(式中C为电容值，Q为电容器所带电量，U为电容器两级间的电压)由控制器计算出此变容片需要改变的电压值信号，控制器 (Vctrl)将信号传送到相应的变容片上，C与U呈负相关。再根据公式ε为介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板间的距离，k为静电力常量。本发明中所涉及的变量S、k、d都是恒定的。当电容值C改变时，介电常数ε也随之发生相应改变，因此改变了微波加热装置中的局域介电常数。背景技术中提到影响微波加热的因素之一是加热体系中介电特性的改变，当微波加热装置中的局域介电常数发生改变，也就使被加热物料局部温度产生变化，最终实现微波加热温度均匀性的调节。调节的流程如图6所示；

所述控制器型号可以采用STM32F103；属于ARM芯片中的cortex系列；

作为本发明的优选方案，全部的所述变容片(Cvar)都受控于同一个控制器 (Vctrl)。由于本发明的变容片(Cvar)的对数是由微波加热装置的大小及被加热物料的数量而定，可能变容片需要的数量比较多，而每个端口所接收的控制信号与采集得到的信号是相对应的，因此控制器输出控制信号时，需进行端口(相应变容片)寻址，满足端口与控制信号匹配，继而控制器(Vctrl)可根据需要加热物体的数量或加热位置来选择调整相应位置的变容片，最终完成等效介电常数的自动调节。

本实施例中微波加热装置结构图的a部分可等效为如图2所示电路图，图中包括电感L、电容c、控制器Vctrl、变容片Cvar11、Cvar12...Cvar1n和电容c′，其中，电容c为一固定电容值的电容，c'和L组成的LC电路是用来等效微波谐振腔，c'的电容量为C'，由此可得加热腔内的介电常数其中变量C'、S、k、d均为恒定值，因此改变变容片(Cvar)的电容值就可以改变微波加热装置中的介电常数。

本实施例中微波加热装置结构图的b部分可等效为如图3所示电路图，图中包括电感L、电容c、控制器Vctrl、变容片Cvar21、Cvar22...Cvar2n和电容c'，其中，电容c为一固定电容值的电容，c'和L组成的LC电路是用来等效微波谐振腔，通过调整变容片容值来改变微波加热装置中的介电常数的原理与上述相同，在此不再赘述。

如图4所示，本实施例中，控制器(Vctrl)通过I2C协议进行总线寻址。I2C 总线只有两根双向信号线分别为SDA和SCL，其中SDA：Serial Data Line数据线，SCL：Serial Clock时钟线。由于I2C总线是一种多设备总线，每个连接到总线上的从设备即变容片(Cvar)都有唯一的地址。数据传输和从设备地址发送由应用程序和相关芯片数据手册确定，在不超过从设备数目上限情况下，可以非常灵活的添加和移除总线上的从设备器件(变容片)且不影响其他从设备的正常工作，能很好解决主控(Vctrl)与从设(Cvar)间的有序通信问题。

如图5所示，根据I2C总线协议规定：主控器发送的首字节中，从设备采用 7位的地址。D7～D1：从设备地址。D0位：数据传送方向位，为“0”时表示主设备向从设备写数据，为“1”时表示主机由从设备读数据。主设备发送地址时，总线上的每个从设备都将收到的该7位地址码与自身的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主设备寻址，根据R/W位将自己确定为数据发送方或数据接收方，并产生相应的应答信号，主设备收到应答信号后，进行后续通信。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。