一種水產(chǎn)品射頻解凍裝置及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳遠(yuǎn)輝，郭子淳，趙錫和,2，黃家懌,2

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是經(jīng)過幾十年的工業(yè)化和城市化發(fā)展，國(guó)人生活節(jié)奏加快，生產(chǎn)效率不斷提高，相當(dāng)一部分上班族沒有足夠的時(shí)間去農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)采購(gòu)新鮮的食材進(jìn)行加工制作，所以推出健康的冷凍食材及各種風(fēng)味的冷凍預(yù)制菜品種能較好地滿足這一群體的需求。

現(xiàn)代食品工業(yè)冷凍技術(shù)相對(duì)較成熟，利用現(xiàn)有的食品冷凍工藝就可以將產(chǎn)自全國(guó)乃至世界各地的經(jīng)冷凍后的新鮮魚、蝦、肉、菜及其預(yù)制菜品等實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存和長(zhǎng)距離運(yùn)輸，通過現(xiàn)代物流冷鏈源源不斷輸送給全國(guó)各地消費(fèi)者，供應(yīng)到國(guó)人的餐桌上。

由于冷凍食品在加工過程中或消費(fèi)前均需要進(jìn)行解凍，最理想的解凍效果是凍結(jié)食品在解凍后可以恢復(fù)到冰凍前的新鮮狀態(tài)。為盡可能使冷凍食品恢復(fù)到冰凍前所擁有的營(yíng)養(yǎng)成份和新鮮風(fēng)味，彭澤宇等[1]的研究表明需要嚴(yán)格控制凍結(jié)食品的解凍過程，使其在低溫下快速解凍。

1 凍品常見解凍方法

很早以前人類就學(xué)會(huì)了在冬天將食物置于長(zhǎng)期保持低溫的地窖等場(chǎng)所中冷凍儲(chǔ)存。將冷凍食品放置于暖空氣中解凍是最常用的解凍方式之一，屬于空氣解凍的范疇，隨后出現(xiàn)的水解凍和低溫庫(kù)解凍技術(shù)目前應(yīng)用廣泛，近年來對(duì)凍結(jié)食品研究的解凍新法有：超高壓解凍、電阻解凍、微波解凍、射頻解凍等。

1.1 空氣解凍

對(duì)凍結(jié)食品的空氣解凍主要分為自然空氣解凍和強(qiáng)制空氣對(duì)流解凍[2]。前者是直接將凍結(jié)食品自然放置在空氣中，比如放在桌子上、場(chǎng)地上等利用室溫自行解凍，由于解凍時(shí)間長(zhǎng)、解凍效率低下，僅適用于分散小批量?jī)鼋Y(jié)食品的解凍。當(dāng)需要解凍的食品量較大時(shí)，可采用強(qiáng)制空氣對(duì)流解凍法，建造一間或者多間專門的解凍室，室內(nèi)安裝多層結(jié)構(gòu)用于放置凍結(jié)食品，設(shè)置諸如鼓風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置強(qiáng)制對(duì)凍結(jié)食品表面進(jìn)行空氣對(duì)流，輔以對(duì)氣流的流速控制和解凍室內(nèi)的溫濕度控制，處理能力可以得到很大提升。但是，空氣解凍由于解凍過程不易控制，導(dǎo)致解凍后食物與冷凍前的新鮮食物品質(zhì)上會(huì)有較大差距。

1.2 水解凍

凍結(jié)食品在水中進(jìn)行解凍一般常用2 種方法，①將凍結(jié)的魚、肉等直接放入靜水中進(jìn)行解凍，采用此種方法相較于在空氣解凍，其解凍時(shí)間明顯縮短，適用于小批量解凍；②放入流動(dòng)的水中進(jìn)行解凍，并在容器中增加鼓泡發(fā)生裝置，產(chǎn)生有動(dòng)力的旋渦水流，從而達(dá)到快速解凍的目的，此種方法適用于量較大且需要快速解凍的情形。

但是，水解凍過程中如果將凍結(jié)食品直接與水接觸，會(huì)造成魚類或肉類的營(yíng)養(yǎng)成份損失較大，影響解凍品質(zhì)，同時(shí)造成水體污染，因此水解凍更加適用于有密封包裝的凍結(jié)食品，如采用真空等包裝的食品。

1.3 低溫解凍

此種解凍方法通常用食品級(jí)不銹鋼殼體作為一個(gè)解凍室，里面安裝低溫加濕裝置，解決在低溫環(huán)境下的加濕問題，同時(shí)采用送風(fēng)機(jī)、風(fēng)道等裝置達(dá)到均勻輸送氣流及控制氣流風(fēng)向目的。凍結(jié)食品預(yù)先放入可移動(dòng)的貨架中并推入到解凍庫(kù)中進(jìn)行解凍，此種方法相比于空氣解凍可以顯著縮短解凍時(shí)間，適用于單件體積小、數(shù)量多的凍結(jié)食品。

1.4 超高壓解凍

研究表明，在壓強(qiáng)210 MPa 以下純水的結(jié)冰點(diǎn)隨著壓強(qiáng)的升高而降低。當(dāng)純水壓強(qiáng)從一個(gè)大氣壓上升到臨界壓強(qiáng)210 MPa 時(shí)，水的結(jié)冰點(diǎn)從0 ℃下降到-21 ℃[3]左右，利用這一原理對(duì)凍結(jié)食品進(jìn)行快速解凍；具體解凍過程大致可分為3 步：①將凍品壓強(qiáng)升高到210 MPa 左右；②使凍品在高壓下的凍結(jié)純水的結(jié)冰點(diǎn)下降到-21 ℃左右，因?yàn)橥ǔ銎返睦鋬鰷囟瓤刂圃?18 ℃左右，所以在高壓下凍結(jié)食品的冰晶已轉(zhuǎn)為液相狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了高壓狀態(tài)下解凍成功；③將凍品的高壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)快速卸壓，從而實(shí)現(xiàn)超高壓的快速解凍。

由于超高壓解凍不僅要求裝備能承受極高的壓強(qiáng)，同時(shí)對(duì)被解凍食品的溫度及傳熱監(jiān)控也比較困難，故在工程中實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日。

1.5 電阻加熱解凍

電阻加熱解凍的原理是將凍結(jié)食品作為電路中的終端負(fù)載，電流流過作為負(fù)載的電阻而產(chǎn)生熱量。此種接觸式加熱解凍方法速度較快，但是由于解凍食品與電極直接接觸，可能會(huì)造成食品的二次污染；同時(shí)如果極板與食物電阻接觸不良，會(huì)造成接觸部分燒焦現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)食品二次污染等不良現(xiàn)象，出現(xiàn)了以水為介質(zhì)的浸泡式解凍方法。

1.6 微波解凍

在電磁波頻譜圖中微波的波長(zhǎng)最短，其波長(zhǎng)范圍為0.1 mm～1 m，故其相對(duì)應(yīng)的頻率范圍從300 MHz～3 000 GHz[4]。微波解凍有2種工作頻率：915 MHz或2 450 MHz。雖然工作頻率不同，但他們都是利用凍結(jié)食品內(nèi)的極性分子在高頻變化的電場(chǎng)力作用下，使凍結(jié)食品內(nèi)產(chǎn)生熱量從而使食品快速解凍。

如圖1 所示[5]，凍結(jié)食品中水分子的“兩端”分別帶有正電荷和負(fù)電荷。正負(fù)電荷會(huì)與高頻交變電場(chǎng)相互作用。假設(shè)選擇頻率為2 450 MHz 的微波解凍，微波電場(chǎng)以每秒鐘49 億次進(jìn)行正、負(fù)極換向，水分子也會(huì)跟隨此頻率快速轉(zhuǎn)向。水分子的高頻轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致相互之間的劇烈碰撞，熱量就在食品內(nèi)部中產(chǎn)生了。

圖1 微波加熱極性分子旋轉(zhuǎn)示意圖

微波解凍的優(yōu)點(diǎn)是解凍速度較快，缺點(diǎn)是穿透性能較差，不適合厚度較大的大塊物料解凍，存在邊角過熱現(xiàn)象，降低食品品質(zhì)。

1.7 射頻解凍

現(xiàn)在我們常說的“射頻”一詞來源于英文“radio frequency”，即無線電頻率。射頻電路是實(shí)現(xiàn)無線電的發(fā)射、接收以及信息的加載和提取的電子線路[6]。

通常射頻（Radio Frequency）/微波（Microwave）屬于在無線電頻譜中占據(jù)某一特定頻段的電磁波。如圖2 所示：

圖2 電磁波中射頻的頻率范圍

圖2 中射頻頻率范圍為10～300 MHz，相比無線電波的頻譜范圍要窄很多，因此要避免干擾其它通信系統(tǒng)，防止頻段重疊所引起相互干擾造成安全事故。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定了電磁波頻率13.56、27.12、40.68 MHz 可應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7]，射頻解凍亦通常采用這3 個(gè)頻率。

2 射頻解凍裝置研發(fā)

目前射頻解凍主要有2 種類別：第一種為傳統(tǒng)的真空電子管作為核心元件產(chǎn)生27.12 MHz 的射頻信號(hào)，第二種是通過晶體管電路產(chǎn)生的高頻信號(hào)，通過濾波放大至射頻輸出功率。

2.1 射頻解凍裝置的主要部件

2.1.1 射頻加熱系統(tǒng)

1）電子管射頻加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的電子管射頻加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由高壓變壓器、整流器、振蕩電路、工作回路組成，如圖3 所示。其主要優(yōu)勢(shì)在于高功率輸出水平和能承受與負(fù)載不匹配的性能，缺點(diǎn)為體積大、能耗大、工頻電壓高。

圖3 傳統(tǒng)電子管射頻加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）晶體管射頻加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。晶體管射頻又稱固態(tài)射頻，隨著近年來半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)比傳統(tǒng)的電子管射頻加熱系統(tǒng)由于其體積大、能耗大、需要配置高壓升壓變壓器的缺點(diǎn)，由晶體管電路產(chǎn)生射頻信號(hào)的固態(tài)射頻加熱系統(tǒng)，近年來經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn)，表現(xiàn)出其體積緊湊、價(jià)格便宜、工作電壓低、工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

圖4 為晶體管射頻加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，主要由射頻信號(hào)源、前置放大電路、功率放大電路、阻抗匹配電路、50 Ω 傳輸線、控制電路及負(fù)載回路組成。

圖4 晶體管射頻加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 晶體管射頻加熱系統(tǒng)信號(hào)源

本文采用的是美國(guó)A/D 公司的高集成度頻率合成器AD9851 芯片，射頻加熱系統(tǒng)輸出頻率為27.12 MHz 正弦波信號(hào)，該信號(hào)發(fā)生器位于射頻電源第一級(jí)，再經(jīng)多級(jí)放大后提供給負(fù)載使用，故此信號(hào)源必須提供純凈穩(wěn)定的高頻信號(hào)。此芯片采用的是直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)突出 ：輸出相位變化連續(xù)、較低的相位噪聲、32 位的頻率調(diào)諧字、輸出調(diào)諧分辨率約0.04 KHz、微秒級(jí)的頻率切換速度實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程序控制功能，是各種頻率源的優(yōu)選器件。

AD9851 芯片具有如下主要特性[8]：180 MHz 時(shí)鐘頻率及可選擇的6 倍參考時(shí)鐘倍乘器，內(nèi)置高性能10 位DAC 和高速比較器，32 位的可調(diào)頻率控制字，簡(jiǎn)單的并行或串行控制接口，單電源工作(2.7～5.25 V)，低功耗(180 MHz 工作時(shí)555 mW，2.7 V 休眠狀態(tài)僅4 mW)，具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 AD9851 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率Fout 和系統(tǒng)外部時(shí)鐘頻率fc 及頻率控制字FCW 之間如式（1）所示[9]：

式中:

Fout——信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率；

FCW——頻率控制字；

fc——系統(tǒng)外部時(shí)鐘頻率；

N——AD9851 相位全加器位數(shù)，取值為32 。

外部時(shí)鐘頻率fc 采用的是12 M 有源晶振，故輸出頻率Fout 范圍0～72 MHz，本設(shè)計(jì)射頻輸出頻率為27.12 Hz，通過調(diào)整頻率控制字FCW 輸入數(shù)值，可滿足輸出頻率要求。

2.1.3 晶體管射頻加熱系統(tǒng)信號(hào)放大器

晶體管射頻信號(hào)源功率非常小，需要經(jīng)過放大后才能達(dá)到輸出功率。由于晶體管特性的限制，千瓦級(jí)輸出功率一般至少需要經(jīng)過三級(jí)放大，分別為一級(jí)預(yù)放大、二級(jí)驅(qū)動(dòng)放大、三級(jí)功率放大，直到滿足輸出功率的需求。

針對(duì)功率放大級(jí)數(shù)，本文采用傳統(tǒng)型功率放大器按照晶體管導(dǎo)通角從-θ～+θ 跨度范圍的不同，分為4 種類型(如圖7 所示)，這4 種類型對(duì)信號(hào)的功放效率也各不相同。

對(duì)常見的窄帶信號(hào)，功放回路經(jīng)常使用諧振回路構(gòu)成負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)選頻濾波并實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這種類型的電路也稱為諧振功率放大器，簡(jiǎn)稱諧振功放。為兼顧輸出信號(hào)的失真及效率，本文的諧振功放采用甲乙類功放類型，晶體管導(dǎo)通角范圍為π/2 ＜θ ＜π。高頻功率放大器結(jié)構(gòu)圖和輸出特性如圖6 和圖7 所示[10]。

圖6 高頻功率放大器結(jié)構(gòu)圖

圖7 高頻功率放大器輸出特性

2.1.4 晶體管射頻加熱系統(tǒng)阻抗匹配器

為實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)的遠(yuǎn)距離發(fā)射，發(fā)射機(jī)需要配置合適的功率放大器（簡(jiǎn)稱功放）放大信號(hào)源的功率，同時(shí)作為發(fā)射電磁波的天線需要與功放輸出端的阻抗相匹配，才能得到最大的功率傳輸效率。當(dāng)以凍結(jié)食品為負(fù)載，負(fù)載阻抗并非固定不變，因此系統(tǒng)需要能根據(jù)不同負(fù)載阻抗，自動(dòng)與放大電路的輸出阻抗相匹配。自動(dòng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖8 和9 所示，包含4 個(gè)模塊：中央處理單元、電容調(diào)節(jié)模塊、反射系數(shù)檢測(cè)模塊和人機(jī)接口模塊[11]。系統(tǒng)根據(jù)阻抗匹配算法自動(dòng)輸出脈寬調(diào)制信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電容C1、C2 的值實(shí)現(xiàn)與功放輸出端阻抗匹配。

圖8 自動(dòng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

圖9 自動(dòng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

2.2 射頻解凍平臺(tái)

所建射頻解凍平臺(tái)結(jié)構(gòu)功能如下：采用一臺(tái)冷水機(jī)用于射頻電源及阻抗匹配器的循環(huán)水冷卻；射頻加熱框設(shè)置上下兩加熱電極板：上極板大小為300×400 mm，下極板大小為980×580 mm，上下極板之間距離的可調(diào)節(jié)范圍是60～200 mm；輸送帶用于自動(dòng)送入物料至解凍

框室中并在解凍后將物料送出；設(shè)置抽排風(fēng)機(jī)及散熱風(fēng)扇用于排出解凍框內(nèi)的濕氣及射頻電源的冷卻。圖10 為射頻解凍裝置。

圖10 射頻解凍裝置整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3 射頻解凍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的射頻電源最大輸出功率為2 kW，通過控制射頻電源的外控接口與4G 物聯(lián)網(wǎng)觸控一體機(jī)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)本射頻加熱系統(tǒng)的本地及遠(yuǎn)程操作監(jiān)控。

3.1 系統(tǒng)總控制流程

整機(jī)運(yùn)行順序如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)總控制流程圖

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控電路

一體機(jī)內(nèi)置輸入輸出數(shù)據(jù)采集控制板，其接線如圖12 和圖13 所示，圖中冷卻水流開關(guān)檢測(cè)到冷水機(jī)開啟后即可啟動(dòng)射頻輸出安全鎖。一個(gè)NPN 型光電開關(guān)安裝在物料入口處并遠(yuǎn)離解凍腔，用于檢測(cè)物料進(jìn)入信息。通過射頻電源的外控接口將內(nèi)部高溫報(bào)警、安全鎖、輸出的正向功率及反射功率等信息接入I/O 控制板中進(jìn)行采集。通過I/O 控制板的輸出接口去設(shè)定射頻輸出功率和射頻輸出的啟動(dòng)、停止，同時(shí)協(xié)調(diào)冷水機(jī)、輸送帶及抽排風(fēng)機(jī)的工作運(yùn)行。

圖12 遠(yuǎn)程監(jiān)控DI/DO 接線圖

圖13 遠(yuǎn)程監(jiān)控AI/AO 接線圖

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控操作界面

系統(tǒng)監(jiān)控操作界面如圖14 所示，此觸摸屏界面可監(jiān)控射頻電源的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、射頻輸出功率設(shè)定、射頻輸出的啟動(dòng)停止、輸送帶、排風(fēng)機(jī)以及冷水機(jī)的運(yùn)行協(xié)調(diào)監(jiān)控信息均可通過此操作界面實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

圖14 系統(tǒng)監(jiān)控操作演示界面

4 水產(chǎn)凍品的射頻解凍效果

試驗(yàn)物料：將魚糜樣品切割成300×200×30 mm的尺寸，放進(jìn)-18 ℃冷庫(kù)貯藏一定時(shí)間后，再進(jìn)行解凍試驗(yàn)。

測(cè)溫方法：采用6 個(gè)PT100 傳感器插入魚糜物料，待6 個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)顯示的溫度均高于-3 ℃，視為完全解凍。

設(shè)定初始射頻功率為1 kW、射頻頻率27.12 MHz，采用100、140、180 等3 個(gè)板間距進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：板間距為100 mm 時(shí)解凍時(shí)間最短，為10 min 10 s；板間距為140 mm 時(shí)解凍時(shí)間為12 min10 s；板間距為180 mm 時(shí)解凍時(shí)間為16 min20 s。這說明了不同的極板間距對(duì)魚糜的解凍效果不相同，當(dāng)加大兩電極之間的距離時(shí)，則需通過延長(zhǎng)解凍時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)相同的魚糜解凍效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的射頻解凍裝置及其控制系統(tǒng)，對(duì)凍結(jié)肉類、水產(chǎn)品等凍結(jié)食品進(jìn)行射頻解凍的研究表明，試驗(yàn)溫度為-18 ℃的冷凍魚糜樣品，通過調(diào)節(jié)極板間距及解凍時(shí)間，射頻解凍后溫度可控制在-3 ℃左右。

通過對(duì)冷凍魚糜樣品的試驗(yàn)證明，本射頻解凍裝置對(duì)凍結(jié)的水產(chǎn)品、肉類均能達(dá)到較好的解凍效果，同時(shí)本試驗(yàn)平臺(tái)由于射頻的波長(zhǎng)較大，相比于微波其對(duì)大尺寸的肉塊等凍結(jié)食品穿透性更好，相比電子管射頻其能耗更少，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)完成對(duì)不同解凍產(chǎn)品的阻抗匹配，可使解凍中的食品獲得最大的射頻輸出功率，相較于電子管射頻等其它解凍方法具有更好的推廣應(yīng)用前景。