СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ-ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N33/483 G01N22/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве и может применяться в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

Известны способы определения технологических характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов (Бородин И.Ф., Шарков Г.А., Горин А.Д. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве. - М.: ВНИИТЭИагропром, 1987). Однако они не позволяют найти все характеристики, входящие в дифференциальное уравнение теплопроводности и граничные условия к нему, а также коэффициенты биорезистентности, что не позволяет определить необходимые технологические режимы СВЧ-обработки с.-х. материалов и пищевых продуктов.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является способ определения технологических характеристик СВЧ-обработки материалов (Шарков Г.А., Герасимов С.О., Маник А.П. Изучение влияния электромагнитного поля сверхвысокой частоты на семена огурца // Сб. научн. тр. / М.: МИИСП, 1981, Т, XVIII, вып. 13, стр. 43-48).

Однако существующий способ не позволяет определить коэффициенты биорезистентности, а также значения удельной мощности СВЧ-воздействия и эффективной глубины обработки материала. Это необходимо при определении минимального времени и дозы СВЧ-воздействия на живые организмы растительного и животного происхождения или для достижения того или иного технологического эффекта, например гибели семян сорняков в почве, стерилизации молока, размораживании пищевых продуктов и т.п.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и информативности определения технологических характеристик СВЧ-обработки с.-х. материалов и пищевых продуктов на живые биологические организмы.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается определение технологических характеристик СВЧ-воздействия на с.-х. материалы и пищевые продукты, а также технологических режимов, необходимых для контролируемого протекания заданного технологического процесса СВЧ-обработки.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что нагревание образца ведут путем воздействия на него энергией электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в направлении от поверхности в глубину образца, а после прекращения действия поля скачкообразно измеряют его температуру на заданной глубине в направлении действия поля и температуру окружающей среды, а после прекращения воздействия электромагнитного поля регистрируют вначале, температуру объекта в зоне нагрева на двух глубинах, а затем, на стадии остывания, изменение во времени у поверхности образца температуры и плотности теплового потока, также регистрируют плотность испытуемого образца до и после воздействия поля в слое от поверхности до большей глубины, кроме того, для живых растительных и животных организмов предварительно определяют коэффициенты биорезистентности, затем по полученным данным определяют минимальное необходимое время воздействия электромагнитного поля для достижения технологического эффекта, эффективную дозу, эффективную глубину проникновения поля, удельную и эффективную мощность СВЧ-обработки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлены зависимости температуры почвы от времени СВЧ-воздействия на разных глубинах; кривая 1 на глубине x₁=0,02 м, кривая 2 - x₂ = 0,06 м.

На фиг. 2 представлены зависимости температуры (кривая 1) почвы от времени остывания и удельной плотности теплового потока (кривая 2) у поверхности почвы (компост N 5 состав в %: торф 20, суглинок 60, навоз 20; влагосодержание u = 22%, начальная плотность 1200 кг/м³). Здесь t₀ = 20^oC, t_x1 = 42^oC, t_x2 = 33,5^oC; x₁ = 0,02 м, x₂ = 0,06 м.

Пример конкретного исполнения.

Образец почвы с семенами сорняков, заделанных на различной глубине (2,6, 8 и 10 см), погружали в измерительную ячейку камеры опытной установки, которая содержит: СВЧ-генератор мощностью 0,5 кВт (2450 МГц), три термопары, тепломер, измеритель удельного теплового потока и измеритель температуры. Раскрыв рупорного излучателя расположен над образцом (почвой) и установлен на высоте 5 см над ее поверхностью. Установка позволяет измерять температуру в трех точках: на поверхности и на двух глубинах (в нашем случае 0,02 и 0,06 м), а также удельную плотность теплового потока на поверхности материала непосредственно в зоне действия энергии поля. Ширина и длина образца почвы выбрана таким образом, чтобы энергия ЭМП СВЧ полностью поглощалась образцом и не происходило отражения электромагнитной волны от дна камеры. Измерительная ячейка камеры теплоизолирована от окружающей среды с помощью адиабатической оболочки. Термопары и тепломер были установлены по одной линии перпендикулярно раскрыву излучателя. Выбранные конструктивные параметры измерительной установки и время СВЧ-воздействия позволяет считать исследуемый образец материала полубесконечной средой. На измерительной установке были сняты зависимости температуры и удельного теплового потока от времени для почвы (фиг. 1, 2), а также определено минимальное время СВЧ-воздействиях, необходимое для достижения летального эффекта семян сорняков (Мари белой) на заданной глубине.

Алгоритм определения технологических параметров СВЧ-обработки.

1. Снимают зависимости температуры и удельного теплового потока от времени для почвы (фиг. 1, 2), а также зависимость летальной температуры от времени воздействия на испытуемый объект (в нашем случае семена сорняков Мари белой).

2. По зависимости температуры от времени СВЧ-нагрева (фиг. 1) находим эффективную глубину проникновения Δ из выражения

где первые производные температур по времени в начальный момент времени на глубина x₁ и x₂, соответственно.

3. Определяем среднее значение удельной поверхностной мощности поглощенной СВЧ-энергии

4. Коэффициент теплоотдачи α для точки с мгновенным значением времени τ = 210 с для кривой 2 согласно фиг. 2) находим из уравнения теплоотдачи

5. Объемную теплоемкость cρ определяем по уравнению

здесь n₁ и n₂ - нормированные коэффициенты аппроксимации зависимости температуры остывания от времени (кривая 1 фиг. 2) полиномом второй степени, представленного в виде

где
t_с - температура окружающей среды (20^oC).

Из начальных условий t(x,0)=t_ne + t₀; x > 0
по экспериментальной зависимости температуры от времени в начале стадии остывания (или конце стадии СВЧ-нагрева) находим t_n и k₁ по результатам измерения температуры в материале с координатами x₁ и x₂. Коэффициент функции начального распределения температуры k₁ определяем по формуле

6. Находим усредненное истинное значение удельной (массовой) теплоемкости материала после СВЧ-обработки

где
усредненное значение плотности материала, измеренное на стадии остывания.

7. Удельную мощность внутренних источников в зависимости от глубины проникновения поля определяем из выражения

8. Эффективную мощность в зависимости от глубины действия поля определим из выражения

9. Минимальное время СВЧ-воздействия для достижения технологического эффекта, например, летального эффекта при обеззараживании, стерилизации, уничтожении сорняков и т.п., определяют путем эмпирических или феноменолоческих исследований. Экспериментальные данные по действию на наклюнувшиеся семена Мари белой на различной глубине ЭМП СВЧ от измерительной установки представлены в таблице.

Как видно из таблицы, для уничтожения наклюнувшихся семян Мари белой у поверхности почвы достаточно времени воздействия τ_min = 150c.
10. Эффективную дозу воздействия СВЧ-поля для уничтожения сорняков определяем из формулы

Удельную дозу СВЧ-обработки определяем как

Новый способ является более точным и информационным по сравнению с прототипом и позволяет определить все необходимые технологические характеристики для СВЧ-обработки с.-х. материалов и пищевых продуктов.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве и может применяться в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение точности и информативности определения технологических характеристик СВЧ-обработки сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов на живые биологические организмы. Технический результат достигается тем, что нагревание образца ведут путем воздействия на него энергией электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в направлении от поверхности в глубину образца. После прекращения действия поля скачкообразно измеряют его температуру на заданной глубине в направлении действия поля и температуру окружающей среды. Затем регистрируют температуру объекта в зоне нагрева на двух глубинах, а на стадии остывания изменение во времени у поверхности образца температуры и плотности теплового потока. Также регистрируют плотность испытуемого образца до и после воздействия поля в слое от поверхности до большей глубины, а для живых растительных и животных организмов предварительно определяют коэффициенты биорезистентности. Далее по подученным данным определяют минимальное необходимое время воздействия электромагнитного поля для достижения технологического эффекта, эффективную и удельную дозу СВЧ-обработки, эффективную глубину проникновения поля, удельную и эффективную мощность СВЧ-обработки. 2 ил., 1 табл.

Способ определения технологических характеристик СВЧ-обработки сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, включающий нагревание образца, воздействуя на него энергией электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в направлении от поверхности в глубину образца, а после прекращения действия поля скачкообразно измеряют его температуру на заданной глубине в направлении действия поля и температуру окружающей среды, отличающийся тем, что после прекращения воздействия электромагнитного поля регистрируют вначале температуру объекта в зоне нагрева на двух глубинах, а затем на стадии остывания изменение во времени у поверхности образца температуры и плотности теплового потока также регистрируют плотность испытуемого образца до и после воздействия поля в слое от поверхности до большей глубины, кроме того, для живых растительных и животных организмов предварительно определяют коэффициенты биорезистентности, затем по полученным данным определяют минимальное необходимое время воздействия электромагнитного поля для достижения технологического эффекта, эффективную дозу, эффективную глубину проникновения поля, удельную и эффективную мощность СВЧ-обработки.