本發(fā)明屬于微波處理過程中的在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)反映物料各項(xiàng)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，從而反應(yīng)微波處理過程的進(jìn)行程度。

背景技術(shù)：

近年來，國際上對介電特性的監(jiān)測已經(jīng)有一些研究，國內(nèi)的相關(guān)研究也逐年增多。例如平行板電極技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品原料理化指標(biāo)的檢測中，因精度高、方便快速且具有無損性的特點(diǎn)而見于諸多研究報(bào)道?？蓪κ称吩系碾妼W(xué)參數(shù)如阻抗z、等效電容c、品質(zhì)因素q、介電常數(shù)ε等進(jìn)行檢測，用于其理化性質(zhì)、生理狀態(tài)、品質(zhì)的評估。

在專利方面，專利(公開號為cn104885243a)公開了自感測介電彈性體裝置，其發(fā)明提供用于介電彈性體裝置(ded)自感測的電路系統(tǒng)以及方法。專利(公開號為cn201060237)公開了測粉狀樣品介電常數(shù)的電容池。專利(公開號為cn102393490a)公開了一種介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置。專利(公開號為cn105158578a)公開了一種基于電橋法測量生物體介電常數(shù)裝置。

在線監(jiān)測是近幾年來研究的熱點(diǎn)問題。國內(nèi)外各大公司及研究機(jī)構(gòu)研制了基于光纖法、電磁法、紅外法、射線法、圖像識別方法等各種物理原理及方法的在線監(jiān)測傳感器。但是,這些在線監(jiān)測技術(shù)所采用的傳感器,大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴。

本發(fā)明提出了一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)，目的在于

實(shí)現(xiàn)在線、有效、快速監(jiān)測物料的介電特性動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測物料在微波作用過程中的水分和溫度分布情況。相比于已有的監(jiān)測方法，本發(fā)明具有適用范圍廣泛，可以用于干燥殺菌等多種在線監(jiān)測領(lǐng)域，彌補(bǔ)了以往設(shè)備的不足，而且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價(jià)格合理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本申請人提供了一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以通過檢測物料的水分和溫度變化值，得到介電損耗因子在整個(gè)干燥過程中隨時(shí)間t的變化規(guī)律曲線。

一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括微波工作模塊、工業(yè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊、數(shù)據(jù)采集模塊；所述控制系統(tǒng)利用待干燥原料的介電損耗因子和介電常數(shù)來監(jiān)控微波的干燥過程。

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析儀測定待干燥原料的介電特性隨干燥物料溫度和水分的變化值，在工業(yè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到介電特性即介電損耗因子與被干燥原料的水分與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；所述水分是指待干燥物料中的水的重量與待干燥物料總重量的百分比。

所述控制系統(tǒng)利用已得到的的數(shù)學(xué)模型，即介電損耗因子和介電常數(shù)的變化值來控制微波的功率以及微波干燥的作用時(shí)間。

介電損耗因子與被干燥原料的水分與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型的檢測方法為：固定頻率分別為工業(yè)微波頻率即915mhz和家用微波頻率即2450mhz，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸電纜設(shè)備測定物料的不同水分下條件下，隨溫度變化的介電損耗因子；

以含水率、溫度為自變量，以介電損耗因子ε″為因變量，利用軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，分別得到在頻率為915mhz和2450mhz下，物料的介電損耗ε″與水分、溫度為主要影響因素的數(shù)學(xué)模型即擬合公式；

所述待處理原料的介電損耗因子與水分和溫度分布二次數(shù)學(xué)模型為：

ε'2450＝a1+b1w+c1t-d1w²+e1t²-f1wt

ε'915＝a2+b2w+c2t-d2w²+e2t²-f2wt

ε″2450＝a3+b3w+c3t-d3w²+e3t²-f3wt

ε″915＝a4+b4w+c4t-d4w²+e4t²-f4wt

所述a1、b1、c1、d1、e1、f1是待處理原料在頻率為2450mhz的介電常數(shù)變化系數(shù)；a2、b2、c2、d2、e2、f2是待處理原料在頻率為915mhz的介電常數(shù)變化系數(shù)；a3、b3、c3、d3、e3、f3是待處理原料在頻率為2450mhz的介電損耗因子變化系數(shù)；a4、b4、c4、d4、e4、f4是待處理原料在頻率為915mhz的介電損耗因子變化系數(shù)；不同的待處理原料需要提前試驗(yàn)測定并分析得到介電常數(shù)變化系數(shù)和介電損耗因子變化系數(shù)；w為干燥原料的水分，t為溫度

將介電常數(shù)和介電損耗因子隨溫度和水分變化的數(shù)學(xué)模型輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊后，啟動(dòng)微波工作程序，處理過程中連續(xù)檢測物料的水分和溫度，將物料水分和溫度的數(shù)值輸入到數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算得到介電常數(shù)、介電損耗因子在整個(gè)過程中隨時(shí)間t的變化規(guī)律曲線。

連續(xù)檢測物料的水分的方法是由數(shù)據(jù)采集模塊采集的物料的實(shí)時(shí)重量，經(jīng)過計(jì)算，得到的物料在干燥過程中的實(shí)時(shí)水分。

其中，微波工作模塊的輸出端與電子秤和光纖傳感器的數(shù)據(jù)采集通道連接，數(shù)據(jù)采集模塊輸出端連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊輸入端，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊輸出端與微波工作模塊輸入端連接。

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀與同軸電纜技術(shù)測試不同含水率和溫度下的物料介電常數(shù)和介電損耗因子，固定頻率為915mhz(工業(yè)用)和2450mhz(家用)，得到兩種微波頻率下介電常數(shù)和介電損耗子因子隨溫度和水分的二次數(shù)學(xué)方程，并預(yù)先在工業(yè)計(jì)算機(jī)中輸入不同批次、品種的果蔬和藥材等物料的介電常數(shù)、介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是：

1、能夠?qū)崿F(xiàn)在線、有效、快速監(jiān)測物料的介電特性動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測物料在微波作用過程中的水分和溫度分布情況。

2、適用范圍廣泛，可以用于干燥殺菌等多種在線監(jiān)測領(lǐng)域，彌補(bǔ)了以往設(shè)備的不足。

3、介電特性監(jiān)測是一種全新、快速、先進(jìn)、可行的技術(shù)手段，運(yùn)用此方法得到的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，更值得信賴。

本發(fā)明的局限性是：要進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1：一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖2：一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

具體實(shí)施方式：

以下將結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的技術(shù)方案。圖1是一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括以下模塊:

1、微波處理模塊

將不同的物料進(jìn)行微波處理。包括處理物料的微波爐、存放物料樣品的容器。

2、工業(yè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫模塊

將不同的物料的介電常數(shù)和介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型輸入計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中形成數(shù)學(xué)模型庫。

3、數(shù)據(jù)采集模塊

通過采集通道，將實(shí)時(shí)采集的溫度和水分動(dòng)態(tài)變化值反饋到電腦中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)模型庫進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析實(shí)時(shí)得到介電常數(shù)和介電損耗因子。

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模塊

處理后的數(shù)據(jù)傳遞給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器進(jìn)行建模。建立介電常數(shù)和介電損耗因子與溫度水分的圖像。

一種基于介電特性動(dòng)態(tài)變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)，在微波爐上放有光纖傳感器，通過傳感器收集微波作用時(shí)溫度的變化，同時(shí)電子秤可反映出含水率的變化，反饋到電腦中，通過電腦輸出的介電常數(shù)、介電損耗因子動(dòng)態(tài)變化值，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

不同批次、品種的果蔬以及藥材都有相對應(yīng)的介電特性與溫度和水分關(guān)系的模型，在微波作用選中的物料前，事先要輸入物料的數(shù)學(xué)模型。

實(shí)施例1：以黃芪為例說明具體操作步驟步驟：

(1)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸電纜設(shè)備測定黃芪的不同水分下的條件下，隨溫度變化(固定頻率為2450mhz)的介電損耗因子。以含水率、溫度為自變量，以介電損耗因子ε″為因變量，利用軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，得到在頻率為2450mhz下黃芪的介電損耗ε″與含水率、溫度為主要影響因素的數(shù)學(xué)模型：

ε′2450＝29.32+0.2827w+0.1586t+0.0032w²-0.0008t²-0.0036wt

ε″2450＝20.4901-0.0053w+0.0459t-0.0021w²-0.000031t²+0.0004wt

(2)預(yù)先在工業(yè)計(jì)算機(jī)中輸入黃芪的介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

(3)采集通道實(shí)時(shí)采集微波處理過程中微波作用時(shí)間、溫度和水分，實(shí)時(shí)監(jiān)控介電常數(shù)、介電損耗因子的動(dòng)態(tài)變化值。

(4)使用傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，時(shí)間較長、適用范圍窄、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線、有效、快速監(jiān)測物料的介電特性動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測物料在微波作用過程中的水分和溫度分布情況；適用范圍廣泛，可以用于干燥殺菌等多種在線監(jiān)測領(lǐng)域，彌補(bǔ)了以往設(shè)備的不足，是一種全新、快速、先進(jìn)、可行的技術(shù)手段，運(yùn)用此方法得到的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，更值得信賴。

實(shí)施例2：以銀杏果為例說明具體操作步驟步驟：

(1)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸電纜設(shè)備測定銀杏果的不同水分下的條件下，隨溫度變化(固定頻率為915mhz)的介電損耗因子。以含水率、溫度為自變量，以介電損耗因子ε″為因變量，利用軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，得到在頻率為915mhz下銀杏果的介電損耗ε″與含水率、溫度為主要影響因素的數(shù)學(xué)模型：

ε'915＝41.5351+0.1023w+0.1012t+0.0042w²-0.0003t²-0.0039wt

ε″915＝22.3817+0.0829w+0.1478t-0.0023w²+0.0007t²-0.0014wt

(2)預(yù)先在工業(yè)計(jì)算機(jī)中輸入銀杏果的介電損耗因子分別與溫度和水分的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

(3)采集通道實(shí)時(shí)采集微波處理過程中微波作用時(shí)間、溫度和水分，實(shí)時(shí)監(jiān)控介電常數(shù)、介電損耗因子的動(dòng)態(tài)變化值

(4)(4)使用傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，時(shí)間較長、適用范圍窄、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線、有效、快速監(jiān)測物料的介電特性動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測物料在微波作用過程中的水分和溫度分布情況；適用范圍廣泛，可以用于干燥殺菌等多種在線監(jiān)測領(lǐng)域，彌補(bǔ)了以往設(shè)備的不足，是一種全新、快速、先進(jìn)、可行的技術(shù)手段，運(yùn)用此方法得到的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，更值得信賴。