基于红外温度传感器的微波炉解冻控制技术
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摘 要：针对微波炉解冻效果一致性以及操作复杂需要设置食物重量及解冻过程需翻面的问题，文章提出一种基于红外温度传感器的微波炉解冻控制技术。详细食物冻结与解冻过程的推导和微波解冻过程中食物能量转变的分析表明食物温度是决定微波解冻效果的关键因素。本技术在微波解冻过程中使用红外温度传感器采集食物温度，并根据食物的温度采用变频斜率或恒温的方式进行解冻控制。实验结果表明，该技术在猪肉、鸡肉、魚肉等肉类微波解冻实验中均能获得较好地解冻效果，同时解冻过程无需设置食物重量，无需翻面，大大提升了用户解冻操作的便捷性，改善用户体验。
关键词：微波炉;智能解冻;红外测温;温升斜率解冻;恒温解冻
中图分类号：TN219 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）09-0145-04
Abstract： Aiming at the consistency of defrosting effect of microwave oven and the need to set the weight of food and turn over the defrosting process in complex operation， a control technology of microwave oven defrosting based on infrared temperature sensor is proposed in this paper. Deducing the detail of food freezing and defrosting and analyzing food energy transformation during microwave defrosting show that food temperature is the key factor to determine the effect of microwave defrosting. In the process of microwave defrosting， infrared temperature sensor is used to collect food temperature， and according to the temperature of food， frequency conversion slope or constant temperature is used to control the defrosting. The experimental results show that the technology can achieve better defrosting effect in microwave defrosting experiments of pork， chicken， fish and other meat. At the same time， the defrosting process does not need to set the weight of food， and does not need to turn over， which greatly improves the user's convenience of defrosting operation and improves the user experience.
Keywords： microwave oven; AI defrost; infrared temperature measurement; defrost by temperature rise slope; defrost by constant temperature
引言
众所周知把肉放在水或空气中自然解冻[1]，需要好几个小时，而微波炉的出现实现肉类快速解冻[2]，从而使用微波炉解冻便逐渐成为人们的一种生活习惯[3]。
目前多数的微波炉无法感知食物温度，用户只能靠经验设置食物重量和时间，这样难以实现较好地解冻效果[4]。事实上，用户关心的是食物温度[5]，而非食物重量和时间，若无温度传感器[6]，则难以确保解冻效果。
本文提出一种红外温度传感器[7]在微波炉解冻上的应用技术，以及两种依据红外传感器测量的食物温度进行自动控制微波火力的方法。由于解冻过程有食物温度反馈，解冻效果不受食材重量和初始温度的影响，也不受环境差异影响。使用该技术，用户不需额外设置食物的重量，无需中途翻面，任何环境下均能获得较好解冻效果。
1 基于红外传感器的微波解冻控制方法
1.1 食物微波解冻基本原理
综上所述，控制微波解冻效果的关键便在于对食物温度的掌控。
1.3 红外微波解冻装置原理
为在解冻过程中准确测量食物的温度，如图2，采用红外温度传感器的测温方案，解冻过程中通过红外温度传感器反馈的食物温度调整微波输出从而达到较好的食物解冻效果。
2 红外微波解冻控制技术
通过1中原理，提出以下两种基于红外测温的微波炉解冻智能控制[10-11]技术。
2.1 红外微波斜率解冻控制技术
解冻初始阶段：肉中含有大量冰晶和极少量水，因此可大火加热，例如p1设置为1000w，通过变频猛火破冰。事实上这一阶段主要是加热肉中少量的水，水升温后通过热传递使冰融化。水的热导率为0.582w/（m*k），而冰则为2.326w/（m*k），因此通过冰的热传递效果较好，在这阶段肉温升比较迅速，如图3所示。当温升到某一温度时，为防止微波聚焦，局部过热，因此需调整微波火力。当检测到红外传感器温升dT1时，自动进入中火加热阶段。 中火加热阶段：大火短时间加热后，用中火（例如p2设为600w）继续加热，同时通过红外传感器继续监测温度。当红外传感器温升dT2时，由于肉中冰晶融化，为防止局部过热，因此自动进入小火加热阶段。
小火加热阶段：由于温度已上升至相变温度，多数冰晶进入固液相变状态，为防止微波聚焦导致均匀性问题，需调小火力继续加热（例如p3设置为100w），变频小火力加热采用低功率通断，这样在加热过程中间歇性扩散时间较长，有利于改善均匀性，防止肉变熟。
相变过程需吸收大量潜热，因此相变阶段温升逐渐变缓，如图3所示。当冰水完成相变时，根据公式（4）可知，肉的温度会迅速上升，这时红外检测到的温升速率又开始逐渐增大，当温升斜率k大于阈值k0时，解冻完成。整个解冻控制流程见图4。
2.2 红外微波恒温解冻控制技术
由于食物解冻后要求温度在-2～35℃，为防止均匀性导致局部过热，设置恒温控制目标为15℃。
恒温控制过程采用一维模糊控制原理，假设控温目标为Tgoal，实际红外传感器测量温度为Tf，则控温误差为：dt=Tgoal-Tf。当dt<-0.1℃时，微波炉输出功率为p0;当-0.1℃？燮dt<0.1℃时，微波炉输出功率为0;当0.1℃？燮dt<2℃时，微波炉输出功率为p1;当2℃？燮dt<4℃时，微波炉输出功率为p2;当4℃？燮dt<6℃时，微波炉输出功率为p3;当6℃？燮dt<8℃时，微波炉输出功率为p4;当8℃？燮dt<10℃时，微波炉输出功率为p5;当10℃？燮dt时，微波炉输出功率为p6。
解冻初始阶段，肉中含有大量冰晶和极少量水，因此可大火加热，如输出功率p设置为p6（如600w），通过变频猛火破冰，如图5所示。事实上这阶段主要通过加热肉中少量的水通过热传递使冰融化。水热导率为0.582w/（m*k），冰为2.326w/（m*k），由于冰热传递效果较好，这阶段肉温升比较迅速，如图6所示。当温差较小时，为防止微波聚焦，局部过热，微波炉输出功率也随之变小。当温度接近15℃时，误差极小，火力采用p1（如100w）档进行通断控制，此时食物温度将在15℃附近波动。
解冻最后，当温度小于14.9℃时，微波炉输出p1档火力，加热t1秒，使肉温度大于15℃;当温度大于15℃时，微波炉输出p0档火力，即关闭微波，持续t2秒，当微波关闭后，由于热传递，肉表面温度高部分向肉内温度低的部分传递热量使肉表面温度降低，当温度低于14.9℃时，再次启动微波加热，如此循环反复。当肉表面温度与内部温度接近时，则热平衡状态建立，这时候微波加热时间t1越来越短，热扩散时间t2越来越长，如图5所示。当时间比t1/t2小于设定阈值k时，则微波炉停止工作，智能解冻结束。恒温解冻控制的流程见图7。
整个恒温解冻过程，肉表面温度要比肉内部温度要高，而红外测温法直接测量肉表面温度，因此肉表面温度控制在15℃时，肉内部温度应低于15℃，尽管有微波聚焦问题，温差最大也不会超过10℃，即肉的温度必然小于25℃，因此避免了肉局部过熟的问题。
3 测试与验证
为验证两种基于红外传感器的微波解冻控制技术的解冻效果，对市面上某品牌微波炉按照图2进行改装，并加入上述技术相应控制算法进行实物解冻实验。
3.1 红外微波智能解冻实验
为验证红外微波智能解冻技术的解冻效果，特地对常用肉类：猪肉、鱼肉、鸡肉进行不同分量的解冻实验，实验数据见表1。
从实验数据，可看出猪肉由于微波分布不均匀出现轻微煮熟变色以及整鸡关节部分温度较高，但总体解冻效果较好，解冻效果评分可达80分。
3.2 红外微波恒温解冻实验
为验证红外微波恒温解冻技术的解冻效果，进行同样实验，实验数据见表2。
从解冻数据可看出，恒温解冻解冻效果较好。
4 结束语
本文提出基于红外温度传感器在微波炉中进行食物测温的应用，并且通过采用斜率解冻或恒温解冻的微波火力控制技术，而得到较好的微波解冻效果。实验结果表明，该技术可以广泛应用于微波炉猪肉、鸡肉、鱼肉等肉类解冻中，并能获得较好的解冻效果。该微波智能解冻控制技术，根据温度反馈进行智能微波火力控制可有效降低微波不均匀、聚焦导致解冻效果差的问题，并且解冻过程不用设置食物重量，不需要翻面，大大提升了用户解冻操作便捷性，改善了用户体验。
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