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

我國是農(nóng)業(yè)大國，但是經(jīng)過幾十年的工業(yè)化和城市化發(fā)展，國人生活節(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間去農(nóng)貿(mào)市場采購新鮮的食材進(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)相對較成熟，利用現(xiàn)有的食品冷凍工藝就可以將產(chǎn)自全國乃至世界各地的經(jīng)冷凍后的新鮮魚、蝦、肉、菜及其預(yù)制菜品等實現(xiàn)長時間儲存和長距離運輸，通過現(xiàn)代物流冷鏈源源不斷輸送給全國各地消費者，供應(yīng)到國人的餐桌上。

由于冷凍食品在加工過程中或消費前均需要進(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)會了在冬天將食物置于長期保持低溫的地窖等場所中冷凍儲存。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)的水解凍和低溫庫解凍技術(shù)目前應(yīng)用廣泛，近年來對凍結(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、場地上等利用室溫自行解凍，由于解凍時間長、解凍效率低下，僅適用于分散小批量凍結(jié)食品的解凍。當(dāng)需要解凍的食品量較大時，可采用強(qiáng)制空氣對流解凍法，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)制對凍結(jié)食品表面進(jìn)行空氣對流，輔以對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，其解凍時間明顯縮短，適用于小批量解凍；②放入流動的水中進(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，會造成魚類或肉類的營養(yǎng)成份損失較大，影響解凍品質(zhì)，同時造成水體污染，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不銹鋼殼體作為一個解凍室，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)先放入可移動的貨架中并推入到解凍庫中進(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)冰點隨著壓強(qiáng)的升高而降低。當(dāng)純水壓強(qiáng)從一個大氣壓上升到臨界壓強(qiáng)210 MPa 時，水的結(jié)冰點從0 ℃下降到-21 ℃[3]左右，利用這一原理對凍結(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)冰點下降到-21 ℃左右，因為通常凍品的冷凍溫度控制在-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)，實現(xiàn)了高壓狀態(tài)下解凍成功；③將凍品的高壓強(qiáng)實現(xiàn)快速卸壓，從而實現(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)，同時對被解凍食品的溫度及傳熱監(jiān)控也比較困難，故在工程中實際應(yīng)用尚需時日。

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，可能會造成食品的二次污染；同時如果極板與食物電阻接觸不良，會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最短，其波長范圍為0.1 mm～1 m，故其相對應(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)電荷會與高頻交變電場相互作用。假設(shè)選擇頻率為2 450 MHz 的微波解凍，微波電場以每秒鐘49 億次進(jìn)行正、負(fù)極換向，水分子也會跟隨此頻率快速轉(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)點是解凍速度較快，缺點是穿透性能較差，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。美國聯(lián)邦通信委員會規(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，第二種是通過晶體管電路產(chǎn)生的高頻信號，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，由晶體管電路產(chǎn)生射頻信號的固態(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、價格便宜、工作電壓低、工作壽命長的優(yōu)點，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)信號源

本文采用的是美國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，該信號發(fā)生器位于射頻電源第一級，再經(jīng)多級放大后提供給負(fù)載使用，故此信號源必須提供純凈穩(wěn)定的高頻信號。此芯片采用的是直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，優(yōu)點突出 ：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、微秒級的頻率切換速度實現(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 時鐘頻率及可選擇的6 倍參考時鐘倍乘器，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

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

式中:

Fout——信號發(fā)生器的輸出信號頻率；

FCW——頻率控制字；

fc——系統(tǒng)外部時鐘頻率；

N——AD9851 相位全加器位數(shù)，取值為32 。

外部時鐘頻率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)信號放大器

晶體管射頻信號源功率非常小，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，千瓦級輸出功率一般至少需要經(jīng)過三級放大，分別為一級預(yù)放大、二級驅(qū)動放大、三級功率放大，直到滿足輸出功率的需求。

針對功率放大級數(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 種類型對信號的功放效率也各不相同。

對常見的窄帶信號，功放回路經(jīng)常使用諧振回路構(gòu)成負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，對信號選頻濾波并實現(xiàn)阻抗匹配，這種類型的電路也稱為諧振功率放大器，簡稱諧振功放。為兼顧輸出信號的失真及效率，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

為實現(xiàn)無線電信號的遠(yuǎn)距離發(fā)射，發(fā)射機(jī)需要配置合適的功率放大器（簡稱功放）放大信號源的功率，同時作為發(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，自動與放大電路的輸出阻抗相匹配。自動阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖和實物圖如圖8 和9 所示，包含4 個模塊：中央處理單元、電容調(diào)節(jié)模塊、反射系數(shù)檢測模塊和人機(jī)接口模塊[11]。系統(tǒng)根據(jù)阻抗匹配算法自動輸出脈寬調(diào)制信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電容C1、C2 的值實現(xiàn)與功放輸出端阻抗匹配。

圖8 自動阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

圖9 自動阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實物圖

2.2 射頻解凍平臺

所建射頻解凍平臺結(jié)構(gòu)功能如下：采用一臺冷水機(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)實物圖

3 射頻解凍控制系統(tǒng)設(shè)計

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)對接，實現(xiàn)對本射頻加熱系統(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)檢測到冷水機(jī)開啟后即可啟動射頻輸出安全鎖。一個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、停止，同時協(xié)調(diào)冷水機(jī)、輸送帶及抽排風(fēng)機(jī)的工作運行。

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)控射頻電源的實時狀態(tài)信息、射頻輸出功率設(shè)定、射頻輸出的啟動停止、輸送帶、排風(fēng)機(jī)以及冷水機(jī)的運行協(xié)調(diào)監(jiān)控信息均可通過此操作界面實現(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

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

測溫方法：采用6 個PT100 傳感器插入魚糜物料，待6 個溫度測量點顯示的溫度均高于-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 個板間距進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果表明：板間距為100 mm 時解凍時間最短，為10 min 10 s；板間距為140 mm 時解凍時間為12 min10 s；板間距為180 mm 時解凍時間為16 min20 s。這說明了不同的極板間距對魚糜的解凍效果不相同，當(dāng)加大兩電極之間的距離時，則需通過延長解凍時間才能實現(xiàn)相同的魚糜解凍效果。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的射頻解凍裝置及其控制系統(tǒng)，對凍結(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)極板間距及解凍時間，射頻解凍后溫度可控制在-3 ℃左右。

通過對冷凍魚糜樣品的試驗證明，本射頻解凍裝置對凍結(jié)的水產(chǎn)品、肉類均能達(dá)到較好的解凍效果，同時本試驗平臺由于射頻的波長較大，相比于微波其對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)可以自動完成對不同解凍產(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。