微波加热中的温度检测

1、 2002年6月深圳大学学报(理工版 J un 12002Vol 119,No 12第19卷, 第2期JOURNAL OF SHENZHEN UN IV ERSIT Y (SCIENCE &EN GIN EERIN G 文章编号:100022618(2002 0220081204应用研究微波加热中的温度检测潘志铭(深圳大学信息工程学院, 深圳518060摘要:, ,在实验基础上, .关键词:微波加热; 中图分类号:TM :A引微波加热以其效率高、速度快、物料通过自身介质损耗发热等特点, 广泛应用于食品加工、物料干燥、医药消毒和家庭烹饪等领域. 但由于强电磁场的存在, 使微波场中的温度测

2、量成为一个技术难题, 致使现有的微波加热设备大都缺少有效而低成本的温度检测部件, 使微波加热难以进行温度控制, 造成加热过度或加热不足现象, 影响微波加热的效果. 为此, 探讨微波场中无电磁干扰的温度检测方法具有较好的现实意义.1影响微波场温度检测的因素微波加热设备一般都工作在强微波场状态, 强微波场中物料温度的检测主要受制以下因素:由于金属物料在强微波场中容易引起微波短路、驻波、电磁损耗、间隙放电甚至烧毁测温元件和测温电路等现象, 因此, 传统测温元件很难直接应用在强微波场中;强微波场中的高频电压和电流对测温元件引线中传输的小幅度低频缓变温度电信号的干扰十分严重1, 而采用电磁屏蔽则又极易造

3、成微波短路;金属物料制作的测温元件及其引线在强微波场中会产生感应电流, 由于趋肤效应、涡流效应和欧姆热效应, 致使测温元件和引线自身发热, 从而影响其测温的准确性;其他的测温方式, 如红外测温, 虽不受强微波场的影响, 但只能检测物体表面温度, 且成本较高、效果也不太理想, 难以实用; 文献2提出的光纤测温技术, 虽然有其独特优点, 但目前尚处于研发阶段, 其稳定性仍较差, 且结构复杂、造价高, 也难以进入实用阶段.由于以上制约因素, 对微波加热对象(物料 的温度检测一直是一个技术难题, 而对于金属物料的微波加热(又称微波照射 , 一般也被列入微波加热的禁区.收稿日期:2001211210作者

4、简介:潘志铭(19692 , 男(汉族 , 广东省南海县人, 深圳大学实验师. E 2mail :Panjz szu1edu 1cn 2金属物料对微波场影响金属物料能否置于强微波场中, 其对强微波场有何影响等, 目前国内外文献鲜有记载, 为此, 作者设计了如图1的实验装置.先将体积、尺寸及形状各异的金属物料放入微波谐振腔中, 置入一定量(如100mL 的水负载, 以图1metal m aterialmicrow ave f ield避免空载而损坏微波磁控管. 用微波照射, , , 实验数据如表1, 32cm ×30cm ×23cm , 容积为22L.1不同形状与尺寸金属物料

5、对磁控管输入电流的影响T able 1The effect of various shape and size metal m aterials on the input current of the m agnetron加热物料尺寸/cm 磁控管输入电流/A 输入电流变化率/%仅有水负载裸铜导线铜管薄铝片铝块417525115×1515×1513×8×5由于微波加热设备的输入电流直接表现了加热设备的输入功率与输出负载, 实验表明:加热不同的金属物料有不超过10%的电流变化, 这说明一定尺寸的金属物料是可以置于强微波场中的. 根据对磁控管输入电流的检测结

6、果, 可以推断:体积相对于微波谐振腔容积为很小(1% , 或面积相对于微波谐振腔壁的面积为很小(1% 的金属物料, 对微波反射不大, 不容易形成驻波, 磁控管的输入电流变化也很小(2% .当选用磁导率很低的金属线或金属窄带, 并与微波谐振腔壁共同良好接地后, 则相当于在微波场中引入一些边界(微波谐振腔壁 曲线, 在这些曲线上电场和磁场的强度都为t2E +k 2E =030, 若用麦克斯韦方程组 ×H =5t 求解波动方程, 只相当于2H +k 2H =0D = B =0, 并不影响方程的一般解, 因而引入多一些边界条件:E m t =0, H m n =0, (m =1, 2, 3,

7、 ×E =对整体的场结构影响不大. 3抗电磁干扰的热电偶微波测温法针对强微波场中测温的制约因素, 采取了如下措施:选用直径很小的热电偶和引线,以减少趋肤效应、涡流效应和欧姆热效应的影响; 用绝热套管将试验用的热电偶引线套起来, 以减少外界温度对引线的影响; 在引线的出端, 接入滤波电容, 以滤除由热电偶感应的高频干扰; 采用导磁率很低的铝箔将绝热套管屏蔽起来, 良好接地, 0. 同时也保证了引线内传送的温度信号不受强微波场的干扰将经过改进的热电偶应用到如图2的实验装置中. (注:置, . 125±5烧瓶中放入100mL 水, 用湿的脱脂棉和湿纱布(均为非导磁介质 密封烧瓶口

8、和固定热电偶, 然后以全功率微波(实验用为750W 分别以不同长短的时间照射烧瓶, 观察并记录检测到的图2热电偶测温实验装置水蒸气温度. 每次照射结束后, 立即打Fig 12Experimental setting of temperature 开微波谐振腔门, 用红外测温仪检测烧measurement with thermocouple 瓶外侧温度(相当于烧瓶内水蒸气的温度 , 记录作为对照. 重复做3次, 并计算3次记录的平均值.实验的测试结果(平均值 如表2所示.表2热电偶测温对照实验结果T able 2Experimental results of temperature measur

9、ement with thermocouple时间/s 热电偶测得温度/红外对照测得温度/154443305857456665607171120104104180108108240110110300110110实验数据表明, 本方法测温较精确, 红外测温之间的误差范围小于2%; 在允许范围内, 具有长时间测温(>60s 的可靠性. 结语实验表明, 强微波场温度检测中, 热电偶宜采用直径尽可能小的非导磁性材质; 引线可通过有效隔热和屏蔽处理避免发热和排除干扰; 引线出端接入高频滤波电容, 可进一步滤除由热电偶感应到的高频干扰. 在测温精度要求一般的场合, 本方法做出的金属温度传感器具有结构

10、简单, 价格低廉具有较大的实用价值.参考文献:1王世杰. , (1 :49. 2曹晔. 微波场测温方法J., , (:26. 3张兆镗. , 1988.T emperature Measurement inthe Application of Microw ave H eatingPAN Zhi 2mingCollege of Information EngineeringShenzhen University Shenzhen 518060P. R. ChinaAbstract :On the basis of experiments , the status of the metal ma

11、terial in the strong microwave field is discussed which aims at investigating various factors affecting temperature measurement. An effective way of measuring temperature of heated material in the strong microwave field is then obtained.K ey w ords :microwave heating ; temperature measurement ; metal screen shieldR eferences :1WAN G Shi 2jie. A strong electromagnetic field disturbance 2resistant temperature transducer J .Jounal ofTransducer Technology , 1996, (1 :49. (in Chinese .2CAO Y e. Methods of temperature measurement in microwave fi