鐘廣雄 何春華 黎青海

摘? 要：針對微波爐解凍效果一致性以及操作復雜需要設置食物重量及解凍過程需翻面的問題，文章提出一種基于紅外溫度傳感器的微波爐解凍控制技術。詳細食物凍結與解凍過程的推導和微波解凍過程中食物能量轉變的分析表明食物溫度是決定微波解凍效果的關鍵因素。本技術在微波解凍過程中使用紅外溫度傳感器采集食物溫度，并根據食物的溫度采用變頻斜率或恒溫的方式進行解凍控制。實驗結果表明，該技術在豬肉、雞肉、魚肉等肉類微波解凍實驗中均能獲得較好地解凍效果，同時解凍過程無需設置食物重量，無需翻面，大大提升了用戶解凍操作的便捷性，改善用戶體驗。

關鍵詞：微波爐;智能解凍;紅外測溫;溫升斜率解凍;恒溫解凍

中圖分類號：TN219? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

眾所周知把肉放在水或空氣中自然解凍[1]，需要好幾個小時，而微波爐的出現實現肉類快速解凍[2]，從而使用微波爐解凍便逐漸成為人們的一種生活習慣[3]。

目前多數的微波爐無法感知食物溫度，用戶只能靠經驗設置食物重量和時間，這樣難以實現較好地解凍效果[4]。事實上，用戶關心的是食物溫度[5]，而非食物重量和時間，若無溫度傳感器[6]，則難以確保解凍效果。

本文提出一種紅外溫度傳感器[7]在微波爐解凍上的應用技術，以及兩種依據紅外傳感器測量的食物溫度進行自動控制微波火力的方法。由于解凍過程有食物溫度反饋，解凍效果不受食材重量和初始溫度的影響，也不受環(huán)境差異影響。使用該技術，用戶不需額外設置食物的重量，無需中途翻面，任何環(huán)境下均能獲得較好解凍效果。

1 基于紅外傳感器的微波解凍控制方法

1.1 食物微波解凍基本原理

綜上所述，控制微波解凍效果的關鍵便在于對食物溫度的掌控。

1.3 紅外微波解凍裝置原理

為在解凍過程中準確測量食物的溫度，如圖2，采用紅外溫度傳感器的測溫方案，解凍過程中通過紅外溫度傳感器反饋的食物溫度調整微波輸出從而達到較好的食物解凍效果。

2 紅外微波解凍控制技術

通過1中原理，提出以下兩種基于紅外測溫的微波爐解凍智能控制[10-11]技術。

2.1 紅外微波斜率解凍控制技術

解凍初始階段：肉中含有大量冰晶和極少量水，因此可大火加熱，例如p1設置為1000w，通過變頻猛火破冰。事實上這一階段主要是加熱肉中少量的水，水升溫后通過熱傳遞使冰融化。水的熱導率為0.582w/（m*k），而冰則為2.326w/（m*k），因此通過冰的熱傳遞效果較好，在這階段肉溫升比較迅速，如圖3所示。當溫升到某一溫度時，為防止微波聚焦，局部過熱，因此需調整微波火力。當檢測到紅外傳感器溫升dT1時，自動進入中火加熱階段。

中火加熱階段：大火短時間加熱后，用中火（例如p2設為600w）繼續(xù)加熱，同時通過紅外傳感器繼續(xù)監(jiān)測溫度。當紅外傳感器溫升dT2時，由于肉中冰晶融化，為防止局部過熱，因此自動進入小火加熱階段。

小火加熱階段：由于溫度已上升至相變溫度，多數冰晶進入固液相變狀態(tài)，為防止微波聚焦導致均勻性問題，需調小火力繼續(xù)加熱（例如p3設置為100w），變頻小火力加熱采用低功率通斷，這樣在加熱過程中間歇性擴散時間較長，有利于改善均勻性，防止肉變熟。

相變過程需吸收大量潛熱，因此相變階段溫升逐漸變緩，如圖3所示。當冰水完成相變時，根據公式（4）可知，肉的溫度會迅速上升，這時紅外檢測到的溫升速率又開始逐漸增大，當溫升斜率k大于閾值k0時，解凍完成。整個解凍控制流程見圖4。

2.2 紅外微波恒溫解凍控制技術

由于食物解凍后要求溫度在-2～35℃，為防止均勻性導致局部過熱，設置恒溫控制目標為15℃。

恒溫控制過程采用一維模糊控制原理，假設控溫目標為Tgoal，實際紅外傳感器測量溫度為Tf，則控溫誤差為：dt=Tgoal-Tf。當dt<-0.1℃時，微波爐輸出功率為p0;當-0.1℃？燮dt<0.1℃時，微波爐輸出功率為0;當0.1℃？燮dt<2℃時，微波爐輸出功率為p1;當2℃？燮dt<4℃時，微波爐輸出功率為p2;當4℃？燮dt<6℃時，微波爐輸出功率為p3;當6℃？燮dt<8℃時，微波爐輸出功率為p4;當8℃？燮dt<10℃時，微波爐輸出功率為p5;當10℃？燮dt時，微波爐輸出功率為p6。

解凍初始階段，肉中含有大量冰晶和極少量水，因此可大火加熱，如輸出功率p設置為p6（如600w），通過變頻猛火破冰，如圖5所示。事實上這階段主要通過加熱肉中少量的水通過熱傳遞使冰融化。水熱導率為0.582w/（m*k），冰為2.326w/（m*k），由于冰熱傳遞效果較好，這階段肉溫升比較迅速，如圖6所示。當溫差較小時，為防止微波聚焦，局部過熱，微波爐輸出功率也隨之變小。當溫度接近15℃時，誤差極小，火力采用p1（如100w）檔進行通斷控制，此時食物溫度將在15℃附近波動。

解凍最后，當溫度小于14.9℃時，微波爐輸出p1檔火力，加熱t(yī)1秒，使肉溫度大于15℃;當溫度大于15℃時，微波爐輸出p0檔火力，即關閉微波，持續(xù)t2秒，當微波關閉后，由于熱傳遞，肉表面溫度高部分向肉內溫度低的部分傳遞熱量使肉表面溫度降低，當溫度低于14.9℃時，再次啟動微波加熱，如此循環(huán)反復。當肉表面溫度與內部溫度接近時，則熱平衡狀態(tài)建立，這時候微波加熱時間t1越來越短，熱擴散時間t2越來越長，如圖5所示。當時間比t1/t2小于設定閾值k時，則微波爐停止工作，智能解凍結束。恒溫解凍控制的流程見圖7。

整個恒溫解凍過程，肉表面溫度要比肉內部溫度要高，而紅外測溫法直接測量肉表面溫度，因此肉表面溫度控制在15℃時，肉內部溫度應低于15℃，盡管有微波聚焦問題，溫差最大也不會超過10℃，即肉的溫度必然小于25℃，因此避免了肉局部過熟的問題。

3 測試與驗證

為驗證兩種基于紅外傳感器的微波解凍控制技術的解凍效果，對市面上某品牌微波爐按照圖2進行改裝，并加入上述技術相應控制算法進行實物解凍實驗。

3.1 紅外微波智能解凍實驗

為驗證紅外微波智能解凍技術的解凍效果，特地對常用肉類：豬肉、魚肉、雞肉進行不同分量的解凍實驗，實驗數據見表1。

從實驗數據，可看出豬肉由于微波分布不均勻出現輕微煮熟變色以及整雞關節(jié)部分溫度較高，但總體解凍效果較好，解凍效果評分可達80分。

3.2 紅外微波恒溫解凍實驗

為驗證紅外微波恒溫解凍技術的解凍效果，進行同樣實驗，實驗數據見表2。

從解凍數據可看出，恒溫解凍解凍效果較好。

4 結束語

本文提出基于紅外溫度傳感器在微波爐中進行食物測溫的應用，并且通過采用斜率解凍或恒溫解凍的微波火力控制技術，而得到較好的微波解凍效果。實驗結果表明，該技術可以廣泛應用于微波爐豬肉、雞肉、魚肉等肉類解凍中，并能獲得較好的解凍效果。該微波智能解凍控制技術，根據溫度反饋進行智能微波火力控制可有效降低微波不均勻、聚焦導致解凍效果差的問題，并且解凍過程不用設置食物重量，不需要翻面，大大提升了用戶解凍操作便捷性，改善了用戶體驗。

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