基于PID調(diào)節(jié)的可連續(xù)改變加熱速率的加熱板控制系統(tǒng)研制*

李瑞，李寧，李玉龍，宋星儀，寇小希，王紹金, 3

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌，712100； 2. 陜西省榆林市子洲縣教學(xué)研究室，陜西榆林，718499； 3. 華盛頓州立大學(xué)生物系統(tǒng)工程系，美國(guó)普爾曼，99164-6120)

0 引言

因感染致病性微生物引起食品安全事故屢有發(fā)生，2018年，美國(guó)發(fā)生了因食用感染沙門氏菌的雞蛋使45人致??；同年，美國(guó)再次發(fā)生了因食用感染鼠傷寒沙門氏菌的椰子干以及沙門氏菌感染的牛肉造成食物中毒事件；被微生物污染的食品若發(fā)生霉變，品質(zhì)將會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)霉變產(chǎn)生的毒素會(huì)引起食用者的健康安全問(wèn)題[1]。因此在農(nóng)產(chǎn)品加工、貯藏以及運(yùn)輸過(guò)程中控制致病菌非常重要和迫切。

研究致病菌的控制技術(shù)需要能精確測(cè)試致病性微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的方法或設(shè)備，以測(cè)定特定有害微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)特性，從而選擇最佳處理工藝參數(shù)，如熱致死溫度、熱致死速率和熱致死時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)食品的安全滅菌。由于密封加熱單元TDT cell具有熱導(dǎo)率高、耐腐蝕性好、切削加工性能好等特性，被國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛用來(lái)研究液體、半固體和固體中微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)[2-10]。研究表明影響微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的因素包括加熱溫度、加熱時(shí)間及加熱速率[4, 11-13]。常規(guī)的水浴鍋加熱TDT cell可控制加熱溫度和加熱時(shí)間，但無(wú)法對(duì)升溫速率這一重要參數(shù)進(jìn)行精確控制。郭文川等[14]和李瑞等[15-16]分別研發(fā)了可控制溫度和加熱速率的試驗(yàn)裝置，但這些裝置只適用于研究害蟲(chóng)的熱致死動(dòng)力學(xué)，不能用于研究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)。因此本實(shí)驗(yàn)室于2016年研發(fā)了一套用于建立微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的可控加熱速率的加熱板系統(tǒng)[17-20]。

該加熱板系統(tǒng)在研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)方面具有很好的性能，有很大的應(yīng)用潛力，但其所使用的控制系統(tǒng)由Ikediala等[21]在2000年所研發(fā)，其個(gè)別功能不能很好的幫助研究人員準(zhǔn)確探究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)模型，具體問(wèn)題如下：(1)不能連續(xù)改變加熱速率對(duì)加熱板進(jìn)行加熱。使用熱處理技術(shù)實(shí)際加熱食品時(shí)，加熱速率是變化的。而實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有加熱板系統(tǒng)只能設(shè)置一種恒定加熱速率對(duì)加熱板進(jìn)行加熱，因此該加熱板系統(tǒng)無(wú)法幫助研究人員模擬真實(shí)熱處理的加熱環(huán)境。(2)溫度上沖量大。加熱板在加熱不同樣品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的溫度上沖現(xiàn)象。通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加熱板控制系統(tǒng)在以較大的加熱速率加熱低水分樣品時(shí)，溫度上沖量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱處理殺菌環(huán)境下的真實(shí)溫度，不能保證數(shù)據(jù)的有效性。(3)上位機(jī)軟件人機(jī)交互感差。上位機(jī)軟件部分功能有待完善，比如軟件缺少對(duì)用戶的提醒功能；上位機(jī)軟件只有英文界面，部分功能缺乏詳細(xì)的使用說(shuō)明，不方便我國(guó)用戶的使用。(4)價(jià)格昂貴。目前實(shí)驗(yàn)室使用的加熱板系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是由美國(guó)研發(fā)，價(jià)格昂貴。

因此本文自主開(kāi)發(fā)了一套新加熱板控制系統(tǒng)，在滿足原有加熱板控制系統(tǒng)所有功能的前提下，新增可連續(xù)改變加熱速率模塊、智能模式(自動(dòng)對(duì)加熱過(guò)程預(yù)處理，保證溫度上沖量在0.5 ℃內(nèi)，解決上沖量大的問(wèn)題)和一些人性化的輔助功能，如提醒功能，為研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)提供了真實(shí)的熱處理加熱環(huán)境，保證了數(shù)據(jù)的有效性。

1 加熱板系統(tǒng)的組成與功能

圖1是加熱板系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖，該加熱板系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、控制器、溫度傳感器和加熱板等模塊。計(jì)算機(jī)用來(lái)提供實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面以及系統(tǒng)控制功能的軟件(上位機(jī)軟件)；控制器是控制加熱板加熱的黑箱；溫度傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)上、下加熱板的溫度；加熱板是直接對(duì)加熱單元中樣品進(jìn)行加熱。

加熱板系統(tǒng)的工作原理是溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上、下加熱板的溫度并通過(guò)RS-485串口通信模塊將兩個(gè)溫度值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件。上位機(jī)軟件可設(shè)置恒定加熱速率、保溫溫度和保溫時(shí)間等參數(shù)，通過(guò)串口傳輸?shù)娇刂破?，控制器?shí)現(xiàn)對(duì)加熱板的精準(zhǔn)加熱。該控制器主要由兩個(gè)PID溫度控制器、兩個(gè)固態(tài)繼電器、RS-485通信模塊和電源模塊構(gòu)成。PID的輸入為T型熱電偶，是溫度傳感器；輸出為10 V，20 mA的脈沖，連接固態(tài)繼電器。PID溫度控制器的前面板提供用戶兩種不同的操作模式：運(yùn)行模式和菜單配置模式。運(yùn)行模式用以顯示過(guò)程變量的值，即顯示當(dāng)前傳感器檢測(cè)到的加熱板的溫度；菜單配置模式用于瀏覽菜單選項(xiàng)并配置控制器。PID溫度控制器的后面板提供控制器的輸入和輸出連線方式，后面板輸出接線圖、輸入接線圖分別如圖2、圖3所示。后面板輸出接線方式中的“NO”表示常開(kāi)端，“NC”表示常閉端，“C”表示公共端。“電源”端輸入是為90～240 V交流電，“輸出1”端的“NO”和“C”端口分別連接固態(tài)繼電器的輸入端；后面板輸入接線方式中的“輸入”端的“1(-)”和“2”端口分別接T型熱電偶的紅線和藍(lán)線，“RS485”端的“RTN”、“Rx”和“Tx”分別接RS-485模塊的GND、Tx和Rx。

圖2 后面板輸出接線圖

圖3 后面板輸入接線圖

控制器與上位機(jī)軟件的通信參數(shù)為波特率9 600、奇校驗(yàn)、7位數(shù)據(jù)位、1位停止位。控制器的“寫(xiě)入”命令控制格式為“*nnccc[]”，“讀取”命令控制格式為“*nnccc”。其中，“*”是選定的識(shí)別字符；“ccc”表示十六進(jìn)制ASCII命令類字母，后面兩個(gè)為十六進(jìn)制ASCII命令后綴字符，用于標(biāo)識(shí)命令所針對(duì)的電表數(shù)據(jù)、特性或菜單項(xiàng)；“”是包含計(jì)算機(jī)發(fā)送給儀表的變量信息的字符串。這些數(shù)據(jù)被編碼為十六進(jìn)制ASCII字符，該字節(jié)中有兩個(gè)字符?！?nn>”是RS-485通訊設(shè)備總線地址的兩個(gè)ASCII字符，使用從“00”到十六進(jìn)制“C7”(十進(jìn)制199)的值。

2 上位機(jī)軟件的組成與功能

上位機(jī)軟件以Visual Basic 6.0語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具。根據(jù)加熱板控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件分為登錄界面和主界面。主界面(圖4)作為上位機(jī)軟件的主要功能界面，輔助用戶對(duì)加熱板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要模塊包括菜單欄、溫度顯示、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示和提醒。軟件工作總體流程圖如圖5所示，其中串口通信模塊用以連接上位機(jī)軟件和控制器，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信。

圖4 主界面

圖5 軟件工作總體流程圖

從圖4可以看出，菜單欄模塊設(shè)置“調(diào)節(jié)方式”“校準(zhǔn)”“使用手冊(cè)”和“退出”4個(gè)子菜單。“調(diào)節(jié)方式”提供“普通”和“智能”兩種模式；“普通模式”針對(duì)溫度上沖在誤差范圍內(nèi)的加熱情況使用，“智能模式”針對(duì)加熱時(shí)溫度上沖量大的情況使用。溫度顯示模塊用以實(shí)時(shí)顯示上、下極板的溫度，幫助研究人員觀察上、下極板的溫度變化情況。參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置加熱速率、保溫溫度和保溫時(shí)間等參數(shù)，并可選擇連續(xù)加熱模式。參數(shù)顯示模塊顯示設(shè)置的加熱參數(shù)和加熱過(guò)程中的時(shí)間變化值。提醒模塊在加熱即將結(jié)束前發(fā)聲提醒。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱板的溫度檢測(cè)和控制，具體包括實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示上、下極板的溫度；設(shè)置加熱板所需的加熱速率、保溫溫度和保溫時(shí)間等溫度參數(shù)；實(shí)時(shí)保存溫度數(shù)據(jù)等功能。

3 上位機(jī)軟件關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)第2節(jié)的敘述，上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)主要涉及以下關(guān)鍵子程序的設(shè)計(jì)：傳感器校準(zhǔn)、加熱速率、保溫溫度、數(shù)據(jù)保存和預(yù)處理。

3.1 傳感器校準(zhǔn)子程序

傳感器校準(zhǔn)子程序主要包括兩方面設(shè)計(jì)：偏移量補(bǔ)償和重置偏移量。偏移量補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 溫度偏移量補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)原理

首先通過(guò)軟件重置PID溫度控制器，將傳感器的溫度補(bǔ)償量設(shè)置為0；用戶手動(dòng)將檢測(cè)上、下加熱板的T型熱電偶放于冰水混合物中，軟件自動(dòng)讀取傳感器反饋回的溫度值，將溫度值取顯示溫度值的相反值作為溫度的補(bǔ)償量；再次重置PID控制器。此時(shí)傳感器放于冰水中，檢測(cè)到的溫度值應(yīng)為0。重置偏移量的程序設(shè)計(jì)原理采用圖6所示的偏移量補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)原理中的前兩步，首先使用軟件將傳感器的溫度補(bǔ)償量設(shè)置為0，其次重置PID溫度控制器。

3.2 加熱速率子程序

查閱PID溫度控制器的使用手冊(cè)可知：當(dāng)用戶輸入PID溫度控制器的溫度設(shè)定值(Setpoint)時(shí)，PID溫度控制器根據(jù)其內(nèi)部的PID控制算法輸出一定量的電壓脈沖控制固態(tài)繼電器的通斷。本程序采用定時(shí)器(Timer)控件，Timer每隔一定時(shí)間間隔自動(dòng)觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器事件；Interval屬性設(shè)置定時(shí)器的時(shí)間間隔，即決定每隔多長(zhǎng)時(shí)間觸發(fā)一次Timer時(shí)間(ms)?；谝陨显?，加熱速率子程序采用溫度設(shè)定值實(shí)時(shí)更新的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中測(cè)試了2種方案：(1)每隔1 min，程序在當(dāng)前的溫度值上加一個(gè)加熱速率的絕對(duì)值作為溫度設(shè)定值(Setpoint)賦給PID溫度控制器；(2)每隔0.1 min，程序在當(dāng)前的溫度值上加一個(gè)加熱速率的絕對(duì)值的十分之一作為溫度設(shè)定值(Setpoint)賦給PID溫度控制器。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，得出當(dāng)加熱速率較大時(shí)，方案1中的加熱板溫度會(huì)出現(xiàn)較大的溫度上沖量，而方案2的溫度上沖量小。因此本程序采用方案2，如圖7所示。

圖7 加熱速率子程序設(shè)計(jì)示意圖

定時(shí)器(Timer)控件的Interval屬性設(shè)為6 000，即6 s加熱速率程序執(zhí)行一次。程序運(yùn)行后，用戶在參數(shù)列表中輸入的加熱速率Rate(℃/min)，在程序內(nèi)部實(shí)際已被處理為原來(lái)的十分之一作為內(nèi)部加熱速率0.1Rate(℃/min)，此時(shí)加熱板的初始溫度值為當(dāng)前的環(huán)境溫度。當(dāng)程序運(yùn)行6 s后，程序就將初始溫度值與內(nèi)部加熱速率相加后作為輸入到PID溫度控制器的溫度設(shè)定值(Setpoint)，并將新生成的溫度設(shè)定值(Setpoint)賦給初始溫度值。此時(shí)，溫度設(shè)定值(Setpoint)比環(huán)境溫度高了0.1Rate(℃)；當(dāng)再經(jīng)過(guò) 6 s后，程序繼續(xù)執(zhí)行上述過(guò)程。在此循環(huán)下，程序每隔10個(gè)6 s，即間隔1 min后，溫度設(shè)定值(Setpoint)便在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加10個(gè)0.1Rate(℃)，即每隔1 min 加熱板目標(biāo)溫度上升Rate(℃)。

3.3 保溫溫度子程序

由保溫溫度對(duì)于研究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)具有至關(guān)重要的作用，因此能否精準(zhǔn)控制加熱板的保溫溫度是評(píng)價(jià)該控制系統(tǒng)控制精度的重要指標(biāo)。保溫溫度程序設(shè)計(jì)原理如式(1)所示，上位機(jī)軟件控制加熱板完成加熱過(guò)程后，如果程序檢測(cè)到加熱板當(dāng)前溫度(Temp)比用戶輸入的原始保溫溫度(Set_Temp)高0.2 ℃以上,則將保溫溫度值變?yōu)?Set_Temp-0.2) ℃；若低0.2 ℃以上，則恢復(fù)為(Set_Temp+0.2) ℃。該設(shè)計(jì)保證了保溫溫度在一定誤差范圍區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，減少固態(tài)繼電器的切換頻率，提高其使用壽命。

(1)

3.4 數(shù)據(jù)保存子程序

本子程序保存加熱過(guò)程中上、下加熱板的過(guò)程溫度值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間。完成本程序設(shè)計(jì)主要用通用對(duì)話框控件的Show屬性，當(dāng)其值為2時(shí)，表示“另存為”對(duì)話框；DialogTitle屬性用來(lái)設(shè)置對(duì)話框的標(biāo)題；Filter屬性用來(lái)指定對(duì)話框中顯示的文件類型；DefaultExt屬性用來(lái)設(shè)置默認(rèn)文件類型，即擴(kuò)展名。通用對(duì)話框類型選擇“另存為”對(duì)話框，對(duì)話框標(biāo)題為“保存數(shù)據(jù)文件”，默認(rèn)文件類型為“CSV”文件類型。

3.5 智能模式子程序

智能模式的工作原理如圖8所示，第一次試驗(yàn)?zāi)J(rèn)為預(yù)試驗(yàn)，加熱結(jié)束后軟件自動(dòng)記錄預(yù)試驗(yàn)中的溫度最大上沖量upto；第二次試驗(yàn)為正式試驗(yàn)，用戶設(shè)置加熱板所需的目標(biāo)溫度Set_Temp后，程序自動(dòng)將目標(biāo)溫度Set_Temp減去預(yù)試驗(yàn)中記錄的溫度最大上沖量upto作為新目標(biāo)溫度Set_Temp_1；當(dāng)加熱板以一定速率加熱到新目標(biāo)溫度Set_Temp_1后，加熱板將以一個(gè)較低的加熱速率平滑加熱到原始目標(biāo)溫度Set_Temp，隨后加熱板進(jìn)入保溫過(guò)程。

圖8 智能模式子程序工作原理

4 控制系統(tǒng)精度測(cè)試

為驗(yàn)證新加熱板系統(tǒng)的性能，分別對(duì)該控制系統(tǒng)的加熱速率范圍、加熱速率、目標(biāo)溫度、連續(xù)改變加熱速率、智能模式的控制精度進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選擇牛奶、土豆泥和核桃外殼碾碎后的粉末(以下簡(jiǎn)稱核桃外殼粉)為代表性的液體、半固體和固體樣品。在樣品制備過(guò)程中，牛奶是在陜西楊凌某超市購(gòu)得的蒙牛純牛奶；土豆泥由15%的三花馬鈴薯全粉和85%煮沸的純凈水混合制得；核桃是在陜西楊凌某超市購(gòu)得的新疆脆皮核桃，取核桃外殼，用JYL-D022型粉碎機(jī)將核桃外殼碾碎。使用美國(guó)的熱特性分析儀KD2 Pro測(cè)定了牛奶，土豆泥和核桃外殼粉的比熱容和傳熱系數(shù)，每種樣品試驗(yàn)重復(fù)3次。表1為牛奶，土豆泥和核桃外殼粉在25 ℃的比熱容和傳熱系數(shù)。

表1 牛奶、土豆泥和核桃外殼粉在25 ℃的比熱容和傳熱系數(shù)

4.2 試驗(yàn)方法

研究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)，需要將微生物的初始溫度保持一致；加熱速率在0.1 ℃/min到最大加熱速率，并保證其控制精度在±0.1 ℃/min范圍；保溫溫度在25 ℃～100 ℃之間，并使其控制精度在±0.3 ℃范圍；實(shí)現(xiàn)連續(xù)改變微生物加熱速率，并使其控制精度在±0.3 ℃范圍；加熱不同樣品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)加熱滯后性，要求控制系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整溫度上沖量，使其最大的溫度上沖仍保持在±0.5 ℃。根據(jù)上述要求，對(duì)加熱速率、目標(biāo)溫度等的精度進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試重復(fù)3次。

4.2.1 加熱速率范圍精度測(cè)試

本研究設(shè)定3種樣品均從25 ℃加熱到60 ℃，加熱板的最大加熱速率假定為15 ℃/min，將獲得的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)繪制成曲線，找到斜率最大的一段直線，通過(guò)線性擬合的方法，得到每種樣品的最大加熱速率。

4.2.2 加熱速率控制精度測(cè)試

根據(jù)設(shè)定的加熱板加熱速率范圍為0.1 ℃/min至15 ℃/min，本試驗(yàn)選擇0.1 ℃/min、0.5 ℃/min、1 ℃/min、5 ℃/min和10 ℃/min五種試驗(yàn)常用加熱速率，將3種樣品分別從25 ℃加熱到50 ℃，檢測(cè)樣品加熱速率的控制精度。

4.2.3 目標(biāo)溫度控制精度測(cè)試

選擇50 ℃、70 ℃和90 ℃為目標(biāo)溫度，以10 ℃/min加熱速率分別加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉，觀察3種樣品的加熱曲線，探究保溫溫度是否控制在目標(biāo)溫度的±0.3 ℃誤差范圍，由此來(lái)檢測(cè)目標(biāo)溫度的控制精度。

4.2.4 連續(xù)改變加熱速率的控制精度測(cè)試

用10 ℃/min、5 ℃/min和1 ℃/min作為3段不同的加熱速率分別加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉，用于檢測(cè)連續(xù)改變加熱速率的控制精度；3種樣品最終的保溫溫度同為90 ℃，表2為3種樣品每個(gè)加熱速率對(duì)應(yīng)的目標(biāo)溫度。

表2 牛奶、土豆泥和核桃外殼粉在不同加熱速率下的目標(biāo)溫度

4.2.5 智能模式下的控制精度測(cè)試

經(jīng)過(guò)大量預(yù)試驗(yàn)可知，對(duì)于液體，目標(biāo)溫度上沖量在可控制精度范圍±0.5 ℃以內(nèi)。但對(duì)半固體和固體，加熱時(shí)溫度不均勻性較大，在以較大的加熱速率加熱時(shí)，溫度上沖量超過(guò)±0.5 ℃。因此智能模式下能否精準(zhǔn)控制加熱板的目標(biāo)溫度，對(duì)研究者使用智能模式控制上沖量較大的樣品加熱具有重大意義。一般而言，加熱速率越大，溫度滯后性越大；因此選擇10 ℃/min作為加熱速率，將核桃外殼粉分別加熱到50 ℃、70 ℃和90 ℃，觀察目標(biāo)溫度是否出現(xiàn)溫度上沖過(guò)大的情況。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 加熱速率范圍精度測(cè)試結(jié)果與分析

圖9顯示了加熱板以最大功率15 ℃/min加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的加熱曲線。由圖9可知，雖然加熱板的加熱速率設(shè)置為15 ℃/min，但3種樣品在加熱板下的最大加熱速率均未達(dá)到設(shè)定值。比較三者的加熱速率可得出：牛奶的最大加熱速率為13.35 ℃/min，土豆泥的最大加熱速率為13.08 ℃/min，核桃外殼粉的最大加熱速率為12.61 ℃/min。因此本上位機(jī)軟件控制下的加熱速率范圍為0.1 ℃/min至13.35 ℃/min，這與美國(guó)研發(fā)的加熱板系統(tǒng)的上位機(jī)軟件控制的加熱速率范圍(0.1 ℃/min～13.1 ℃/min)精度相同[17-18]。該加熱速率范圍足以模擬微生物在受到熱風(fēng)、熱水和射頻處理時(shí)的熱致死特性[22-25]。

(a) 牛奶

4.3.2 加熱速率控制精度測(cè)試結(jié)果與分析

表3顯示了以5種加熱速率分別將牛奶、土豆泥和核桃外殼粉從25 ℃左右加熱到50 ℃的實(shí)際加熱速率。

表3 不同加熱速率控制精度試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，當(dāng)加熱速率不大于1 ℃/min時(shí)，實(shí)際加熱速率與設(shè)置的加熱速率相同，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 ℃/min；當(dāng)加熱速率設(shè)置為5 ℃/min時(shí)，牛奶和核桃外殼粉的實(shí)際加熱速率為5.0 ℃/min，土豆泥的實(shí)際加熱速率為4.9 ℃/min，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.09 ℃/min。當(dāng)加熱速率設(shè)置為10 ℃/min時(shí)，牛奶的實(shí)際加熱速率為9.9 ℃/min，土豆泥和核桃外殼粉的實(shí)際加熱速率為10.1 ℃/min，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.2 ℃/min。即當(dāng)加熱速率大于1 ℃/min時(shí)，加熱速率被控制在目標(biāo)加熱速率的±0.1 ℃/min以內(nèi)。說(shuō)明隨著加熱速率的增加，該上位機(jī)軟件的加熱速率控制精度稍有降低，但仍符合控制系統(tǒng)的控制精度要求(目標(biāo)加熱速率的±0.1 ℃/min)。因此，用該上位機(jī)軟件控制的加熱板加熱以牛奶、土豆泥和核桃外殼粉為代表的液體、半固體和固體時(shí)，加熱速率可在設(shè)定的加熱速率誤差范圍內(nèi)，上升到目標(biāo)溫度值，與美國(guó)研發(fā)的加熱板系統(tǒng)以及Ikediala等和Wang等的研究結(jié)果(加熱速率在目標(biāo)加熱速率的±0.1 ℃/min)相同[17-19, 26-27]。為精確研究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)提供了理論基礎(chǔ)。

4.3.3 目標(biāo)溫度控制精度測(cè)試結(jié)果與分析

加熱速率越大，剛進(jìn)入保溫階段的溫度波動(dòng)越大[17-18, 26-27]?？苄∠５萚18, 20]用美國(guó)研發(fā)的加熱板控制系統(tǒng)以1 ℃/min、5 ℃/min和10 ℃/min的加熱速率分別加熱牛奶到50 ℃、62.2 ℃、75 ℃和牛肉碎到50 ℃、70 ℃。得出以1 ℃/min加熱牛奶、牛肉碎時(shí)，最大溫差范圍分別為0.07 ℃～0.25 ℃和0.11 ℃～0.14 ℃；以5 ℃/min加熱時(shí)，最大溫差范圍分別為0.14 ℃～0.25 ℃和0.18 ℃～0.39 ℃；以10 ℃/min加熱時(shí)，最大溫差范圍分別為0.35 ℃～0.39 ℃和0.35 ℃～0.71 ℃。因此，本試驗(yàn)選擇最大加熱速率測(cè)試目標(biāo)溫度的控制精度。圖10和圖11分別顯示了以10 ℃/min的加熱速率將牛奶、土豆泥和核桃外殼粉從25 ℃加熱到50 ℃、70 ℃和90 ℃的加熱曲線和剛進(jìn)入保溫階段的溫度波動(dòng)曲線。

(a) 牛奶

圖11 不同目標(biāo)溫度控制精度試驗(yàn)結(jié)果

由圖10和圖11可知，以10 ℃/min加熱3種樣品到保溫溫度時(shí)，牛奶和土豆泥樣品的溫度上沖到目標(biāo)溫度的±0.3 ℃以內(nèi)；而以核桃外殼粉為代表的固體樣品溫度上沖到目標(biāo)溫度的0.5 ℃，20 s內(nèi)溫度降到目標(biāo)溫度的0.3 ℃以內(nèi)，比寇小希等[18]用美國(guó)研發(fā)的加熱板控制系統(tǒng)溫度上沖小，而且符合保溫溫度在設(shè)定的目標(biāo)溫度的±0.3 ℃區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；這樣的區(qū)間波動(dòng)對(duì)致病微生物的熱耐性影響很小[28]，可忽略不計(jì)。

4.3.4 連續(xù)改變加熱速率的控制精度測(cè)試結(jié)果與分析

圖12顯示了以10 ℃/min、5 ℃/min和1 ℃/min三段加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的加熱曲線。表4和圖13分別顯示了以10 ℃/min、5 ℃/min和1 ℃/min 三段加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的加熱曲線的實(shí)際加熱速率和剛進(jìn)入保溫階段的溫度波動(dòng)曲線。

結(jié)合圖12，圖13和表4可知：連續(xù)加熱模式下，牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的實(shí)際加熱速率均控制±0.1 ℃/min范圍以內(nèi)；3種樣品的保溫溫度同樣保持在目標(biāo)溫度的±0.3 ℃ 以內(nèi)，符合研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)對(duì)試驗(yàn)精度的要求；說(shuō)明該上位機(jī)軟件控制下的連續(xù)加熱模式具有很好的控制性能。

(a) 牛奶

表4 連續(xù)改變加熱速率的實(shí)際加熱速率控制精度試驗(yàn)結(jié)果

圖13 連續(xù)改變加熱速率的最終目標(biāo)溫度控制精度試驗(yàn)結(jié)果

4.3.5 智能模式下的控制精度測(cè)試結(jié)果與分析

圖14顯示了以10 ℃/min的加熱速率將核桃外殼粉分別加熱到50 ℃、70 ℃和90 ℃的曲線。由圖14可知：加熱板在加熱核桃外殼粉時(shí)，第一次預(yù)試驗(yàn)出現(xiàn)了很大的溫度上沖量；但在第二次的正式試驗(yàn)中，該軟件很好地將目標(biāo)溫度控制在誤差范圍內(nèi)。因此，由該上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的智能模式，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整溫度上沖，將最終保溫溫度控制在目標(biāo)溫度的誤差范圍內(nèi)。

圖14 智能模式下不同目標(biāo)溫度的加熱曲線

5 結(jié)論

本研究利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)了加熱板控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。該上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱板的恒定加熱速率加熱、連續(xù)改變加熱速率加熱、保溫溫度和保溫時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，并且具有調(diào)整溫度上沖，保存數(shù)據(jù)等功能。以牛奶、土豆泥和核桃外殼粉為代表性的液體、半固體和固體樣品，對(duì)加熱板控制系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：(1)該加熱板的加熱速率范圍為0.1～13.35 ℃/min；(2)加熱速率的控制精度為±0.1 ℃/min；(3)保溫溫度的控制精度為±0.3 ℃；(4)連續(xù)改變加熱速率模式時(shí)，各個(gè)加熱段的加熱速率和保溫溫度也滿足上述精度；(5)智能模式下加熱板可精確控制在目標(biāo)溫度的±0.3 ℃誤差范圍內(nèi)。因此，設(shè)計(jì)的加熱板控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件能準(zhǔn)確控制食品微生物在加熱過(guò)程中的溫度變化情況，為研究人員探究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)提供重要依據(jù)。