射频杀虫原理要点

目录前言 3一、射频 41.1射频原理 41.1.1定义 41.1.2产生原理 41.1.3频率 51.1.4加热原理 51.1.5杀菌除虫原理 51.1.6穿透能力 51.1.7选择性加热 61.1.8内部加热 61.1.9射频吸收能力 61.1.10吸水效率 61.2射频设备特点： 71.3射频杀菌保鲜的特点 71.4射频木条除虫干燥特点 8二磁控管 92.1磁控管的构造 92.1.1阳极 102.1.2阴极及其引线 112.1.3能量输出器 122.1.4磁路系统 132.1.5调频机构 142.1.6冷却系统 152.2磁控管原理 152.2.1电子临界状态 152.2.2阳极电流 162.2.3π型振荡 162.2.4电子行行波同步 172.2.5电子群聚 172.2.6脉冲工作方式 182.2.7电子转移 182.2.8反轰现象 192.2.9效率 192.2.10负载特性 202.2.11灯丝电路 202.2.12磁场供给 212.2.13脉冲磁控管稳定性 212.2.14频率稳定 22三、除虫设备参数确定 223.1磁控管功率 223.2木材含水率 223.3木材密度及含水量 233.4加热时间 233.5灭菌时间 233.6除虫厚度 243.7射频辐射安全标准 24四、除虫设备基本构造 254.1控制系统组成 254.1.1触摸屏 254.1.2PLC控制器 254.1.3电气机柜 254.1.4系统结构 264.2加热系统组成 264.2.1磁控管电源 264.2.2磁控管 264.2.3波导腔 264.2.4温度传感器 274.2.5加热舱 274.2.6加热舱门 274.3系统运行 274.3.1控制系统原理图 274.3.2系统结构图 29附录1：无线电频率分配表 33前言木材的干燥和杀虫是木制品重要的工艺环节，也是木材能否长时间保存的决定性因素，起能耗约占木制品生产总能耗的好大一部分，对木材进行正确合理的处理，既保证了对木材的合理应用，又保证了木材制品的质量，节约木材。常规木材杀虫一般分为三种方式，喷消毒水、溴甲烷熏蒸、热蒸汽处理等。蒸煮，是将木材放入木材干燥窑内通入高温空气蒸煮，但是时间比较长，一般含水率在10%的木材需要2-3天；如果用消毒药水浸泡或者溴甲烷熏蒸也可以，但是会残留气味或者药水，处理周期也长。用射频干燥，速度很快，灭菌效果好，无任何残留。20世纪60年代初，美国、日本、加拿大、德国等国学者开始研究利用射频（高频）干燥木材、为木材杀虫。试验结果表明，木材射频（高频）是一种最有效的快速干燥、杀虫方法。研究表明：对于易干、中等及难干的常用树种和不同规格的木材，在满足质量要求的前提下，射频干燥与常规蒸汽干燥相比，可以缩短干燥时间几十倍。近年来，随着技术的进步，射频（高频）干燥设备的性能也更趋完善，微波（高频）干燥技术开始逐步工业化应用于木材干燥行业，尤其是用射频对木质坚硬的珍贵木材进行干燥可以获得良好的效果。一、射频1.1射频原理射频是一种波长极短的电磁波，它和无线电波、红外线、可见光一样，都属于电磁波，频率范围从300KHz～300GHz之间。射频简称就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。高频(大于10K)；射频（300K-300G）是高频的较高频段；微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。射频的较高频波可以用来加热、干燥以及杀虫。射频加热干燥的原理：是利用射频在快速变化的高频电磁场中与物质分子相互作用，被吸收而产生热效应，把射频能量直接转换为介质热能，射频被物体吸收后，物体自生发热，加热从物体内部、外部同时开始，能做到里外同时加热，不同的物质吸收射频的能力不同，其加热效果也各不相同，这主要取决于物质的介质损耗。水是吸收射频很强烈的物质，一般含有水分的物质都能用射频来进行加热，快速均匀，达到很好效果。1.1.1定义：射频与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，射频是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长在1米到1毫米之间的电磁波。射频频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。1.1.2产生原理：射频能通常由直流或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生射频的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率射频能量的有磁控管，多腔速调管，射频三、四极管，行波管等。在目前射频加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。1.1.3频率：因为射频应用极为广泛，特别是通信领域，为了避免相互间的干扰，国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有433兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，与通信频率分开使用。目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫（见HYPERLINK无线电频率分配表选自《中华人民共和国无线电频率划分规定_2010年版本》），效率视材料的形状、材质、含水率的不同而定。1.1.4加热原理：介质材料由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。而在高频电磁场作用下，这些取向按交变电磁的频率不断变化，这一过程造成分子的运动和相互摩擦从而产生热量。此时交变电场的场能转化为介质内的热能，使介质温度不断升高，这就是对射频加热最通俗的解释。1.1.5杀菌除虫原理：射频灭菌的机理在于，细菌、成虫与任何生物细胞一样，是由水、蛋白质、核酸、碳水化合物、脂肪和无机物等复杂化合物构成的一种凝聚态介质。其中水是生物细胞的主要成分，含量在75～85％，因为细菌的各种生理活动都必须有水参与才能进行，而细菌的生长繁殖过程，对各种营养物的吸收是通过细胞膜质的扩散、渗透和吸附作用来完成的。在一定强度射频场的作用下，物料中的虫类和菌体也会因分子极化驰豫，同时吸收射频能升温。由于它们是凝聚态物质，分子间的作用力加剧了射频能向热能的能态转化。从而使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转动两方面的作用，使其空间结构变化或破坏，而使蛋白质变性。蛋白质变性后，其溶解度、粘度、膨胀性、渗透性、稳定性都会发生明显的变化，而失去生物活性。另一方面，射频能的非热效应在灭菌中起到了常规物理灭菌所没有的特殊作用。也是造成细菌死亡的原因之一。1.1.6穿透能力：穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。透射深度被定义为：材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8%算起的深度D,射频的加热深度比红外加热大得多，因为射频的波长是红外波长的近千倍。红外加热只是表面加热，射频是深入内部加热。1.1.7选择性加热：不同性质的物料对射频的吸收损耗不同，即选择性加热的特点，这对干燥过程有利。因为水分子对射频的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收射频功率多于含水量较低的部位，从而干燥速率趋一致。1.1.8内部加热：常规加热（如火焰、热风、电热、蒸汽等）都是利用热传导、对流、热辐射将热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温度升高（即常称的外部加热)。它要使中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。射频加热则属于内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子转换成热，且透射性能使物料内外介质同时受热，不需要热传导，而内部缺乏散热条件，造成内部温度高于外部的温度梯度分布，形成驱动内部水分向表面渗透的蒸汽压差，加速了水份的迁移蒸发速度。特别是对含水量在30%以下的食品，速度可数百倍的缩短，在短时间内达到均匀干燥。1.1.9射频吸收能力：射频加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。而不同介质材料的介质常数εr和介质损耗角正切值tgδ是不同的，故射频电磁场作用下的热效应也不一样。由极性分子所组成的物质，能较好地吸收射频能。水分子呈极强的极性，是吸收射频的最好介质，所以凡含水分子的物质必定吸收射频。另一类由非极性分子组成，它们基本上不吸收或很少吸收射频，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜等、塑料制品和玻璃、陶瓷等，它们能透过射频，而不吸收射频。这类材料可作为射频加热用的容器或支承物，或做密封材料。在射频场电中，介质吸收射频功率的大小P正比于频率f、电场强度E的平方、介电常数εr和介质损耗正切值tgδ。1.1.10吸水效率：理论上每千瓦小时射频电能可使1.39公斤的水汽化，由于线路损耗及腔体效率等因素，实际效果为0.8--1.1公斤/千瓦小时。用户可根据待处理材料初始与最终含水量之差及产量的要求来估算所需的射频功率。1.2射频设备特点：

1.2.1干燥速度快常规方法如:蒸汽干燥、电热干燥、热风干燥等，由10%含水量脱至1%以下需十几个小时，采用射频干燥仅需十几分钟；由5%含水量脱至1%以下常规方法需六至七小时，采用射频干燥仅需几分钟；由30%-20%含水量脱至1%以下，常规方法需二十几小时，采用射频干燥仅用二十分钟左右。

常规热力干燥往往在环境及设备上存在热损失，室内环境温度高。而射频是直接对物料进行作用，因而没有额外的热能耗损,射频干燥处理均无以上现象。设备能即开即用,没有常规热力干燥的热惯性,操作灵活方便,射频功率可调,传输速度从零开始连续可调,便于操作。

1.2.2保持物料原色由于射频干燥不需要热传导，物料自身发热，干燥速度快，接触物料的温度大大低于常规方法，不会造成物料裂变现象。

1.2.3流水线作业，操作环境好。与常规方法相比，射频设备不需要锅炉、复杂的管道系统，煤场和运输车辆，只要具备水，电基本条件即可。相比而言，一般可节电30％-50％。改善劳动条件，节省占地面积.设备的工作环境低、噪音小，极大地改善了劳动条件，整套射频设备的操作只需2-3人。射频干燥设备可以与上料机、出料输送机、振动筛、包装机等设备连接，组成一条流水生产线，这样大大提高了劳动生产力，车间里没有粉尘飞扬状况发生，符合国家GMP生产标准。1.3射频杀菌保鲜的特点

1、时间短、速度快

常规热力杀菌是通过热传导，对流或辐射等方式将热量从食品表面传至内部，要达到杀菌温度，往往需要较长时间。射频杀菌是射频能与食品及其细菌等微生物直接相互作用，热效应与非热效应共同作用，过到快速升温杀菌目的，处理时间大大缩短，各种物料的杀菌作用一般在3-5分钟。

2、低温杀菌保持营养成分和传统风味

射频杀菌是通过特殊热和非热的效应杀菌，与常规热力杀菌比较，能在比较低的温度和较短的时间获得所需的消毒杀菌效果。一般杀菌温度在75-80摄氏度，就能达到效果，此外射频处理食品能保留更多的营养成分和色、香、味、形等风味，具有膨化效果。如常规热力处理的蔬菜保留的维生素C是46％-50％，而射频处理是60％-90％；常规加热猪肝维生素A保持率为58％，而射频加热为84％。

3、节约能源

常规热力杀菌往往在环境及设备上存在热损失，而射频是直接对食品进行作用，因而没有额外的热能耗损。相比而言，一般可节电30％-50％。

4均匀彻底

常规热力杀菌是从物料表面开始，然而通过热传导至内部，存在内外温差。为了保持食品风味，缩短处理时间。

往往食品内部没有达到足够温度而影响杀菌效果。由于射频肯有穿透作用，对食品进行整体处理时，表面和内部同时受到作用，所以消毒杀菌均匀彻底。

5便于控制

射频干操杀菌处理，设备能即开即用，没有常规热力杀菌的热惯性，操作灵活方便，射频功率可调，传输速度从零开始连续可调，便于操作。

6、设备简单，工艺先进

与常规方法相比，射频设备不需要锅炉、复杂的管道系统，煤场和运输车辆，只要具备水，电基本条件即可。

7、改善劳动条件，节省占地面积

设备的工作环境低、噪音小，极大地改善了劳动条件，整套射频设备的操作只需2-3人。1.4射频木条除虫干燥特点射频木材除虫干燥设备发一般采用磁控管，其生均匀的射频场使木材自身整体生热，可消除干燥过程中的温度梯度及含水率梯度。木材整体的温度基本相同。其中水分由内向外同时排出使木材的膨胀收缩系数基本一致，这样木材在干燥过程中可最大限度避免变形、开裂、干枯、碳化等损失，能提高木材的成材率。色泽保护本系列设备干燥木材不改变木材的原色泽，用其他传统加热法干燥木材，普遍存在颜色加深，有的变黄、变黑，降低木制品挡次，同一种木材因色泽原因，价格相差很大。经本系列设备干燥的木材，能彻底消除木材适应力，制成的木制品不会再出现变形，开裂，可提高木制品的质量，能保持木材的原样，不变形，不开裂，不损坏木材。二磁控管2.1磁控管的构造磁控管是一种用来产生射频能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成射频能量，从而达到产生射频能的目的，由于较高频波也叫微波，所以该系统也叫微波系统。2.1.1阳极阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的二极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。阳极由导电良好的金属材料（如无氧铜）制成，并设有多个谐振腔，谐振腔的数目必须是偶数，管子的工作频率越高腔数越多。阳极谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，阳极上的每一个小谐振腔相当于一个并联的2C振荡回路。以槽扇型腔为例，可以认为腔的槽部分主要构成振荡回路的电容，而其扇形部分主要构成振荡回路的电感。由射频技术理论可知，谐振腔的谐振频率与腔体的几何尺寸成反比。腔体越大其工作频率越低。于是，我们可以根据腔体的尺寸来估计它的工作频段。磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振腔频率主要决定于每个小谐振腔的谐振频率，我们也可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外，还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上,常用"隔型带"来隔离干扰模式.隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来,以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。另外,由于经能量交换后的电子还具有一定的能量,这些电子打上阳极使阳极温度升高,阳极收集的电子越多(即电流越大),或电子的能量越大(能量转换率越低),阳极温度越高,因此,阳极需有良好的散热能力.一般情况下功率管采用强迫风冷,阳极带有散热片.大功率管则多用水冷,阳极上有冷却水套。2.1.2阴极及其引线磁控管的阴极即电子的发射体,又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，被视为整个管子的心脏。阴极的种类很多，性能各异。连续波磁控管中常用直热式阴极，它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状，通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点，在连续波磁控管中得到广泛的应用。此种阴极加热电流大，要求阴极引线要短而粗，连接部分要接触良好。大功率管的阴极引线工作时温度很高，常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压，因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。2.1.3能量输出器能量输出器是把相互作用空间中所产生的射频能输送到负载去的装置。能量输出装置的作用是无损耗，无击穿地通过射频，保证管子的真空密封，同时还要做到便于与外部系统相连接。小功率连续波磁控管大多采用同轴输出在阳极谐振腔高频磁场最强的地方。放置一个耦合环，当穿过环面的磁通量变化时，将在环上产生高频感应电流，从而将高频功率引到环外。耦合环面积越大耦合越强。大功率连续波磁控管常用轴向能量输出器，输出天线通过极靴孔洞连接到阳极翼片上。天线一般做成条状或圆棒也可为锥体。整个天线被输出窗密封。输出窗常用低损耗特性的玻璃或陶瓷制成。它不须保证射频能量无损耗的通过和具有良好的真空气密性。大功率管的输出窗常用强迫风冷来降低由于介质损耗所产生的热量。2.1.4磁路系统磁控管正常工作时要求有很强的恒定磁场，其磁场感应强度一般为数千高斯。工作频率越高，所加磁场越强。磁控管的磁路系统就是产生恒定磁场的装置。磁路系统分永磁和电磁两大类。永磁系统一般用于小功率管，磁钢与管芯牢固合为一体构成所谓包装式。大功率管多用电磁铁产生磁场，管芯和电磁铁配合使用，管芯内有上、下极靴，以固定磁隙的距离。磁控管工作时，可以很方便的靠改变磁场强度的大小，来调整输出功率和工作频率。另外，还可以将阳极电流馈入电磁线包以提高管子工作的稳定性。2.1.5调频机构改变磁控管频率配合加速管色散特性机械调谐在阳极块的谐振腔中插入金属杆调节范围达数MHz调谐杆2.1.6冷却系统2.2磁控管原理2.2.1电子临界状态2.2.2阳极电流2.2.3π型振荡2.2.4电子行行波同步2.2.5电子群聚2.2.6脉冲工作方式2.2.7电子转移2.2.8反轰现象2.2.9效率2.2.10负载特性2.2.11灯丝电路2.2.12磁场供给2.2.13脉冲磁控管稳定性2.2.14频率稳定三、除虫设备参数确定3.1磁控管功率磁控管选择额定功率为1000W的可调磁控管，数量为4根。射频频率为2450WHZ-2455WHZ，品牌选择日本松下、韩国LG等。3.2木材含水率我国把木材中所含水分的重量与绝干后木材重量的百分比，定义为木材含水率。木材是一种吸湿物质，湿材在空气中放置，会不断蒸发水分；干材在空气中放置，空气中的水分也会被木材吸收，蒸发和吸收水的速度最后相等，达到动态平衡状态，这时的含水率为平衡含水率。木材平衡含水率受大气湿度的影响，因地区而不同。北方为12%左右，南方为18%左右，华中约为16%左右。木材平衡含水率在生产上有很大的意义。家具、门窗、室内装修等用材的含水率，必须干燥到使用地区的平衡含水率以下，否则木制品会开裂和变形。在不计环境湿度的条件下，木材控制在15%的含水率称标准含水率，出口的原木包装，在盖IPPC章前，木包装不能带树皮、泥土，湿度不能超过20%，杀虫干燥后，木材含水率以10%-15%最佳。所以射频所加热的木条，其功率吸收约为木条含水率的5%-10%最佳。3.3木材密度及含水量木材密度几乎相同，约为0.44~0.57，平均值为0.54，其表现密度因树种不同而稍有不同。以10根80mm×80mm×1000mm的木条，含水率20%为例，其含水量为0.08×0.08×1×10×0.54×20%=0.006784吨=6.784kg3.4加热时间本系列干燥设备是木材自身整体生热，没有热惯性，也没有热传输损耗，比传统加热法干燥节能５０％以上，干燥速度比传统加热法快１０倍以上。还是以10根木条为例水的比热容为4200焦/千克，常规环境下木条温度为20℃所以将6.784kg水从20℃加热到70℃耗损热量为6.784×4200×（70-20）=1424640焦耳若选用4根1000W的磁控管，其加热时间为1424640÷4000=356.16秒≈6分钟估算25%的损耗，时间应该为6-8分钟3.5灭菌时间本系列干燥设备在干燥木材过程中不会发生霉变，并且能彻底杀灭各种虫菌类，消除木制品虫害。射频干燥木材特别适应于木材初含水率在28％左右，干至含水率10%-8%的木材，能在短时间内干燥好木材，也能对木制工艺品、装饰品以及特殊规格木材进行干燥。除去损耗，1000W功率在一小时内可以使1.1kg水完全汽化，若木材含水量杀虫前为20%，杀虫后为10%，则说明6.784kg中有3.4kg汽化，所以4个1000W的汽化时间约为3.4÷4.4=0.77小时≈45分钟从开始加热到完成不应超过45分钟，灭菌时间为45-8=37分钟水加热到100℃时间约为4200×6.8×（100-70）÷4000=214秒≈4分所以杀虫时间约为4-35分钟。3.6除虫厚度研究表明，随着含水量的增加和射频工作频率的增加，射频在木材中的穿透深度减少，当用频率为915MHZ和2450MHZ的射频干燥和加热具有高含水量的木材时，木材的最大厚度应该控制在16cm到6cm之间，上述数据表明，宽度和高度在8cm左右的木条完全在可灭菌的厚度之内。3.7射频辐射安全标准在我们的热场环境中到处充满射频，比如手机通信等。虽然射频对人体的伤害非常小，但是在制造设备时也应该充分考虑到工作人员的安全，使之符合国家相关标准（GB12638-1990射频辐射标准）。超短波通信设备辐射安全要求1、脉冲波每日八小时连续暴露时，容许平均电场强度10V/m。容许暴露的平均电场强度上限为90V/m。2、连续波每日八小时连续暴露时，容许平均电场强度14V/m。容许暴露的平均电场强度上限为123V/m。3、超短波通信设备辐射的测量条件将超短波波段容许暴露值及容许暴露上限值按上述公式换算成平均电场强度如下：脉冲波射频辐射平均功率密度25μW/cm相当于超短波波段平均电场强度9.7V/m。射频辐射平均功率密度2mW/cm相当于超短波波段平均电场强度86.8V/m。连续波射频辐射平均功率密度50μW/cm相当于超短波平均电场强度13.7V/m。射频辐射平均功率密度4mW/cm相当于超短波平均电场强度122.8V/m。四、除虫设备基本构造4.1控制系统组成4.1.1触摸屏触摸屏采用德国西门子工业级产品，屏功能强大，多面手，应用广泛MicroMaster440是全新一代可