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微波加热技术在小麦水分测量中的应用

时间:2008-08-18 08:35:22  浏览:        

摘要:简要介绍微波加热对小麦水分测量的原理,研究PIC微控制器对微波的量和微波反射板的调节控制,通过分析试验数据归纳微波加热与小麦水分挥发的关系,并在上述分析研究的基础上给出微波加热对豫麦水分测量的具体分析实例。
关键词:微波加热;PIC单片机;小麦水分测量
小麦水分的测量方法较为常见的有电阻法、电容法、红外线法、微波吸收法和核磁共振式等,不过每种方法都有相对的使用局限或者弊端。本文主要探讨微波对于含水物质加热这一特性,并引入到小麦水分测量中,着重为小麦乃至食品水分测量提供一种新的解决思路和方法。
1微波加热法水分测量原理微波是电磁波的一部分,是一种频率高、穿透能力强、选择性强的一种似光性波。食品中的水分属于电介质,且水分子是微波场内极化运动产热的主要物质。微波经过传输反射创建微波场,而且微波的频率(2.45GHz)很高,如此快的变换速度会让电介质水分子做每秒2.45G次的翻转,快速的翻转会产生大量的摩擦热,使物质快速升温,这就是物质在微波场被加热的原理。因为水的微波介质损耗达到12.3,所以微波对于水的加热效果非常显著,食物和粮食作物中都含有大量的水分,微波加热的效果较好。小麦中含有游离水和结合水两种水分,通常所说的小麦水分含量是指小麦物质里所含的游离水部分,当小麦被加热到120℃以上的时候,结合水也会有部分损失,所以要控制微波加热,防止测试小麦样品的温度升高到120℃以上。利用微波对水分加热的特性,采用微波对小麦样品进行加热,利用小麦加热前后的重量差即可求出含水量。
2微波加热功率的控制
微波加热时,如果温度过高就会出现焦糊现象并伴随结合水及其它有机物的损失,计算出的小麦水分含量就会出现较大的偏差,造成测量的精度不高,所以利用微波加热对小麦水分进行测量,必须确保小麦样品的温度不能过高,不能持续在120℃以上,而解决的办法就是控制加热微波的量。普通用于微波加热的发生装置是由一个固定的微波发生管———磁控管而发生,目前一般的磁控管很难做到调节其本身的功率大小,也就是说常见的微波功率调节是利用加热时间的PWM来调节,即在一个加热的周期T(T=T1+T2)内,T1时间磁控管工作,T2时间磁控管停止工作,通过磁控管间歇工作间接调节对被加热物质加热的加热功率,这种方法并没有调节磁控管本身发出功率的大小。现实条件下通过设计相应的工作电路去调节磁控管本身发出微波功率大小的代价很高,不适用于工业应用。为此在本测试体系中利用金属对微波的反射,在微波传输路径中调节通过的微波量,从而间接调节微波的加热功率。具体工作原理就是磁控管一直保持工作,提供相对足够的微波量,而磁控管发出的微波还需要通过输送管道输送到微波加热区域建立微波场,在微波传输管道中控制通孔的大小,这样所到达微波加热区域的微波量就可以间接的加以控制。目前在众多的家用微波加热器中,对于微波量的控制是采用金属旋转叶片以反射微波所形成的微波场以及对加热时间的PWM调节来实现的,但是这种微波加热量的控制方式为间断控制,无法达到无级控制的良好效果。本研究课题结合相机曝光光圈的原理———适度的调节光圈中心孔径的大小,可以改变通过金属光圈光的强度。利用金属对微波的反射特性,通过调节类似光圈的微波金属传输通道通孔的大小来调节微波的通过量,达到对加热微波量的调节,从而控制传输微波的微波量以建立合适的微波场。通过试
验,将微波传输金属圈通径分为5个行程,采用PIC单片机的PWM来控制步进电机,调节金属圈通孔的大小
以达到调节微波的通过量。根据水分蒸发的不同阶段采用不同的微波加热量,加热的微波的量通过上述方法来调节,可以达到较好的加热效果,同时有效防止测试过程中小麦样品的温度超过120℃。
3试验案例
3.1装置功率为700瓦的微波加热磁控管,可控微波输送金属圈,精度为0.01克电子秤,聚丙烯加热盒,秒表和干燥器等。
3.2方案确定塑料加热盒的底面积81平方毫米,通过具体实验可知在进行微波加热时,待测小麦样品不可过多过厚,麦层平铺成两层为最佳方式,这样有利于水分散失和加热的均匀。使用20克豫麦做实验样品,加热功率为120瓦,验证加热到12分钟小麦游离水分成分能够较好的损失掉,如果加热时间短或者长都会引起测量数据的较大误差。
通过上述的试验,总结本系统的具体步骤:
(1)将整套加热设备安置在精度为0.01克精度的电子称上。
(2)将20克小麦样品置于加热炉内进行加热,通过秒表计时。
(3)停止加热3秒记录称重传感器的总量数据(因为加热时磁控管散热器和微波传输圈电机工作的震动,
所以在加热时电子称读数不准确,停止加热测得当前电子称的数据较为准确)。
(4)然后继续加热,持续1分钟,停止工作,记录数据。
(5)重复第4步的操作,直到加热时间到12分钟或者小麦样品总量损失很小,取出样品放置干燥箱10分钟,然后再次称量小麦样品总量。
(6)通过试验前后小麦总量的差求得小麦样品的含水量。
表1为典型的试验数据。
通过20克小麦样品试验的多组数据,挑选3组典型的水分损失与时间的数据关系如图1所示,从图形可
以看到20克小麦样品在120瓦加热功率下保证不出现焦糊情况,12分钟可以让小麦的自由水充分挥发(关于加热的功率和小麦的样品量之间的关系需要经过专门的研究归纳后确定,在这里只讨论20克豫麦样品,120瓦加热功率下的对应关系)。
图1 3组典型试验数据的水分损失曲线
0.07克-1.95克
0.2克-2.1克
0.66克-2.44克
3.3注意问题通过多次的试验数据可以总结归纳微波在对豫麦进行加热时需要注意的问题。
(1)在加热盒面积一定的情况下,要做到小麦基本平铺在加热盒底最多不要超过3层小麦的厚度。
(2)微波加热炉内需有金属旋转叶片来反射微波以形成合适的微波场。
(3)利用红外温度仪检测被测小麦样品的温度,适时的调节微波传输圈孔径的大小,调节微波的量以防止被测小麦样品焦糊。(加热5分钟以后减小一挡金属圈的孔径,加热8分钟再减少一档,加热到10分钟再减小两档孔径行程,最后只剩下微弱的微波量用以维持小麦(110±2)℃温度蒸发水分。)
4数据分析
通过试验现象可以观察豫麦在120瓦功率的加热下,12分钟后水分基本蒸发完毕。如果继续对样品加热在1分钟内,样品总量损失很小;再继续加热到13分钟以后,样品的重量仍然会继续下降。通过分析可知,当小麦游离水分蒸发完后,若继续加热,样品的温度上升很快,容易出现焦糊现象,且会损失小麦的有机成分及结合水部分,所测损失的重量就超出了小麦的游离水部分,过多的重量损失引起测量的误差。通过大量试验数据可以归纳出豫麦的水分损失曲线,利用本曲线可以参照性的对被测物质进行加热,及时控制微波量,避免小麦样品的焦糊,从而准确的测量被测豫麦的水分含量。通过多组豫麦试验的数据,利用MATLAB拟合出豫麦水分损失的曲线,然后在每次测量的时候将实时测量的数据代入所拟合的曲线方程,计算实际值和方程推算值的方差。如果方差小于某一个限定的区间,那么所测量的数据就是相对准确和可靠的;如果方差大于设定的区间,则此次测量的数据误差较大,视为不合格数据。利用最小二乘法法,求得拟合曲线方程为:
y(x)=0.1223x-1.2913x2e-1.0894x+0.5041(1)
所得到的拟合曲线如图2所示。利用公式(1)可以有效核定实验中数据的可靠性,当豫麦水分损失的方组拟合出来以后,测量豫麦就可以按照拟合的方程式来计算水分损失的量和实际损失量的差别,通过公式(2)判断其方差的大小来核定测量的准确性和有效性。
E(yi,Yi)=12
i=1!(yi-Yi)2(2)
本文通过对大量的试验数据进行分析,并采用这些试验数据拟合水分损失的曲线方程,由所拟合的曲线方程来推算每次试验数据的可靠性。在微波加热对小麦水分的测量中还有许多的问题需要进一步分析和研究,如加热功率/加热时间和被测物质重量和品种之间的关系、微波加热功率的有效控制、微波加热对不同物种水分测量的差异,等等。
5结语
采用微波加热法对小麦水分进行测量,速度快且精度高。本文主要对豫麦水分测量做了相关的研究和分析,表现在微波加热功率的控制和水分损失与水分含量拟合方程方面,并以此方程判断测试过程中测试数据的可靠性。虽然将微波加热法应用到小麦水分测量中,但是目前仍有许多问题需要解决,如果上述的技术难题得到很好的突破,那么微波加热法是小麦在线或离线水分测量的一个非常高效和简洁的直接测量方法。
参考文献
[1]王肇慈,等.粮油食品品质分析[M].北京:中国轻工业出版社,1994.
[2]林成森.数值计算方法(下册)[M].北京:科学出版社,2005.
[3]王芬.微波加热法测定粮食中的水分[J].化学分析计量,2004(3).
  
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