多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法
2024-04-09 19:47:05 2
專利名稱：多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法
技術領域：
本發明涉及一種多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法，屬於微波化學反應領域。
背景技術：
與傳統的蒸汽、油和電加熱方式相比，微波加熱具有效率高、加熱快和均勻等優勢，並能有效促進化學反應的進行，大大提高收率，因此在化工領域具有廣闊的應用前景。目前微波已在化工生產領域得到了實際應用，如藥物合成、中藥材成份提取和橡膠脫硫等。
在微波加熱化學反應的過程中，為了使反應安全、平穩地進行，一個關鍵問題是如何恰當地調節微波輸出功率，多年來一直是國內外微波化學反應器應用中難於解決的問題。
該問題的難度在於微波化學反應體系是一個複雜的非平衡系統。反應物和產物的濃度，以及反應體系溫度都隨化學反應時間而變化，化學反應體系的溫度和成分變化都將引起體系等效復介電係數的改變，這些改變反過來將影響反應體系對微波功率的吸收和反射。在大功率微波作用下，反應體系通常產生強烈的非線性響應。等效復介電係數實部的劇變將導致反應體系對微波入射功率的反射急劇變化，可能導致過多微波功率被反射而損壞微波化學反應器的功率源(磁控管)。等效復介電係數虛部的劇烈變化將導致反應體系對微波功率的吸收迅速改變，當等效復介電係數的虛部迅速升高時，反應體系對微波功率的吸收迅速增加，極可能導致反應體系溫升過快而燒毀反應物，這種現象常被稱為「熱失控」。現有微波化學反應器中，在進行微波加熱化學反應時發生微波功率源損壞、反應物燒毀甚至發生爆炸的現象並不罕見，這些問題嚴重影響了微波加熱化學反應的安全性和穩定性。
為避免反應體系溫度劇變產生的危害，國內外已有的微波化學反應器主要依賴兩種方法一種是靠經驗或反覆實驗來估計溫度突變發生的時間和變化程度，再在加熱過程的適當時期人為地減小微波源輸出功率來抑制溫度突變，這不能對反應過程進行自動控制。第二種方法是在微波化學反應器上安裝溫度反饋控制裝置，這種方法已為絕大多數現有反應器所採用。即通過測溫裝置採樣反應器內部溫度，反饋控制微波源的輸出功率，以此儘可能穩定反應系統溫度，抑制溫度突變的發生。但對大容量反應器很難做到溫度完全均勻，無論何種測溫方式都只能採樣反應體系的局部溫度，測溫誤差將直接影響控制的精度和有效性。由於這種控制方式是被動的，在化學反應體系出現溫度劇烈變化後才改變微波源輸出功率往往已來不及有效地抑制溫度的突變，特別是對一些放熱化學反應更是如此。
另外也有在微波化學反應器中採用間斷工作方式調節微波功率的輸出。即改變磁控管工作和停止的時間比例，磁控管為間歇式工作狀態。例如1000W輸出功率的微波化學反應器，為了在溫度劇變區避免化學反應溫升過快，需要降低輸出功率，令磁控管工作10秒，停止工作30秒，再繼續工作10秒，停止工作30秒，此時間段內平均微波輸出功率為250W。但是這種方式，微波輸出功率處於驟升驟降的狀態，不是平穩的變化過程。在磁控管工作的10秒鐘內，瞬時功率依然是1000W，也可能觸發「熱失控」，導致反應物或者產物的燒毀。出於磁控管壽命的考慮，磁控管交替工作的時間間隔不能太短，所以限制了微波輸出功率的平穩變化。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法，其特點是可編程單片機控制多個磁控管的工作狀態，改變微波化學反應器輸出功率，實現主動控制微波功率的功能，避免化學反應體系溫度突變和反應體系對微波能量反射突變可能帶來的危害。
本發明的目的由以下技術措施實現多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法將n個磁控管的微波化學反應器中裝設可編程主動功率控制裝置，單片機通過n個繼電器與n個磁控管分別連接，將化學反應的控制參數寫入可編程單片機程序，單片機通過控制電路使n個繼電器工作在不同「開」和「關」的組合中，控制n個磁控管處在不同的工作狀態，在化學反應體系溫度急劇上升或對微波能量反射突變來臨前，主動將工作磁控管的數量減少為m個，m＜n，降低微波化學反應器的輸出功率，抑制溫度急劇上升和使反射回微波源的能量保持在安全水平，在渡過危險期後，逐漸增加工作磁控管數量，以增加微波化學反應器的功率，主動控制微波化學反應器的輸出功率平穩變化。
可編程單片機程序為(1)定時器初始時，關閉外部中斷，單片機的P1.0、P1.2、P1.4和P1.6埠輸出高電平，固態繼電器全部閉合，磁控管全部工作；(2)判斷定時器5分鐘是否到達，如果到達5分鐘，單片機的P1.0、P1.2、P1.4和P1.6埠輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S2、S3和S4斷開，只保留S1閉合，磁控管1工作；
(3)判斷定時器6分鐘是否到達，如果到達6分鐘，單片機P1.0和P1.2輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S3和S4斷開，S1和S2閉合，磁控管1和磁控管2工作；(4)判斷定時器7分鐘是否到達，如果到達7分鐘，單片機P1.0、P1.2和P1.4輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S4斷開，S1、S2和S3閉合，磁控管1、磁控管2和磁控管3工作；(5)判斷定時器8分鐘是否到達，如果到達8分鐘，單片機P1.0、P1.2、P1.4和P1.6輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S1、S2、S3和S4閉合，磁控管1、磁控管2、磁控管3和磁控管4工作。
微波化學反應器的控制電路原理是以單片機為控制晶片，當晶片內部定時器計時時間到達時，產生定時器中斷，P1.0置高電平，通過限流電阻R28，三極體Q1導通，並處於飽和導通狀態，固態繼電器S1輸入高電壓，固態繼電器S1開啟，磁控管1的迴路閉合，磁控管1開始工作；6MHz晶振Y1與電容C4和C5構成振蕩電路，供單片機產生6MHz的時鐘信號，電容C6、電阻R2和電阻R3構成復位電路，當按鈕開關SW2閉合時，單片機的9腳為高電平，觸發單片機復位重新啟動系統。
本發明具有如下優點在單片機中預製具體化學反應的控制參數，通過改變工作磁控管的數量，主動地調節微波化學反應器的輸出功率，使化學反應安全、平穩地進行。
圖1為多磁控管微波化學反應器主動功率控制系統裝置框圖1單片機，2繼電器，3磁控管。
圖2為四個磁控管的微波化學反應器的輸出功率曲線3為單片機程序流程4為四個磁控管的微波化學反應器的控制電路原理圖
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體描述，有必要在此指出的是本實施例只用於對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的技術熟練人員可以根據上述本發明的內容作出一些非本質的改進和調整。
實施例如圖1所示，將n個磁控管的微波化學反應器中裝設可編程主動功率控制裝置，單片機1通過n個繼電器2與n個磁控管3分別連接，將化學反應的控制參數寫入可編程單片機程序，單片機通過控制電路使n個繼電器工作在不同「開」和「關」的組合中，控制n個磁控管處在不同的工作狀態，在化學反應體系溫度急劇上升或對微波能量反射突變來臨前，主動將工作磁控管的數量減少為m個，m＜n，降低微波化學反應器的輸出功率，抑制溫度急劇上升和使反射回微波源的能量保持在安全水平，在渡過危險期後，逐漸增加工作磁控管數量，以增加微波化學反應器的功率，主動控制微波化學反應器的輸出功率平穩變化。
如圖2所示，在具有四個磁控管的微波化學反應器中，某個化學反應進行到第6分鐘時會出現溫度和反射係數的迅速增加。因此，第5分鐘就提前主動降低微波功率，關閉磁控管2、磁控管3和磁控管4，只保留磁控管1工作；第6分鐘，磁控管2也開始工作，共有兩個磁控管工作；第7分鐘，磁控管3開始工作，共有3個磁控管工作；第8分鐘到，磁控管4開始工作，共有四個磁控管工作。通過這樣的主動微波功率控制，可以平穩渡過化學反應的危險期。
如圖3所示，四個磁控管微波化學反應器的可編程單片機的流程按照以下步驟實現。
1.定時器初始化，關閉外部中斷。單片機89C52的P1埠輸出高電平，固態繼電器S1至S4全部閉合，磁控管1至4全部工作。
2.判斷定時器5分鐘是否到達，如果到達5分鐘，單片機89C52的P1.0埠輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S2、S3和S4斷開，只保留S1閉合，僅有磁控管1工作。
3.判斷定時器6分鐘是否到達，如果到達6分鐘，單片機89C52的P1.0和P1.2輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S3和S4斷開，S1和S2閉合。磁控管1和磁控管2工作。
4.判斷定時器7分鐘是否到達，如果到達7分鐘，單片機89C52的P1.0、P1.2和P1.4輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S4斷開，S1、S2和S3閉合。磁控管1、磁控管2和磁控管3工作。
5.判斷定時器8分鐘是否到達，如果到達8分鐘，單片機89C52的P1.0、P1.2、P1.4和P1.6輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S1、S2、S3和S4全部閉合。磁控管1、磁控管2、磁控管3和磁控管4工作。
如圖4所示，四個磁控管的微波化學反應器的控制電路原理是以單片機為控制晶片，單片機為89C52，根據晶片定時器的設置對固態繼電器開關進行控制。6MHz晶振Y1與電容C4和C5構成振蕩電路，供單片機89C52產生6MHz的時鐘信號。電容C6、電阻R2和電阻R3構成復位電路。當按鈕開關SW2閉合時，89C52的9腳為高電平，觸發單片機89C52復位重新啟動系統。下面以單片機P1.0埠為例說明控制信號的流向當晶片內部定時器計時時間到時，產生定時器中斷，P1.0置高電平，通過限流電阻R28，三極體Q1導通，並處於飽和導通狀態，Q1的飽和壓降很低。固態繼電器S1的輸入電壓為高電壓，固態繼電器S1開啟，磁控管1的迴路閉合，磁控管1開始工作。三極體Q1採用9013 NPN型三極體，耐壓30V。固態繼電器SSR採用OMRON G3MB型號的固態繼電器，直流導通電壓10V，交流控制輸出為10A，工作電壓為220-240V。
權利要求
1.多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法，其特徵在於將n個磁控管的微波化學反應器中裝設可編程主動功率控制裝置，單片機(1)通過n個繼電器(2)與n個磁控管(3)分別連接，將化學反應的控制參數寫入可編程單片機程序，單片機通過控制電路使n個繼電器工作在不同「開」和「關」的組合中，控制n個磁控管處在不同的工作狀態，在化學反應體系溫度急劇上升或對微波能量反射突變來臨前，主動將工作磁控管的數量減少為m個，m＜n，降低微波化學反應器的輸出功率，抑制溫度急劇上升和使反射回微波源的能量保持在安全水平，在渡過危險期後，逐漸增加工作磁控管數量，以增加微波化學反應器的功率，主動控制微波化學反應器的輸出功率平穩變化。
2.如權利要求書1所述多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法，其特徵在於可編程單片機程序為(1)定時器初始時，關閉外部中斷，單片機的P1.0、P1.2、P1.4和P1.6埠輸出高電平，固態繼電器S1、S2、S3和S4閉合，磁控管1、磁控管2、磁控管3和磁控管4工作；(2)判斷定時器5分鐘是否到達，如果到達5分鐘，單片機的P1.0埠輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S2、S3和S4斷開，只保留S1閉合，磁控管1工作；(3)判斷定時器6分鐘是否到達，如果到達6分鐘，單片機P1.0和P1.2輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S3和S4斷開，S1和S2閉合，磁控管1和磁控管2工作；(4)判斷定時器7分鐘是否到達，如果到達7分鐘，單片機P1.0、P1.2和P1.4輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S4斷開，S1、S2和S3閉合，磁控管1、磁控管2和磁控管3工作；(5)判斷定時器8分鐘是否到達，如果到達8分鐘，單片機P1.0、P1.2、P1.4和P1.6輸出高電平，其餘輸出低電平，固態繼電器S1、S2、S3和S4閉合，磁控管1、磁控管2、磁控管3和磁控管4工作。
3.如權利要求1所述多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法，其特徵在於控制電路原理是以單片機為控制晶片，當晶片內部定時器計時時間到達時，產生定時器中斷，P1.0置高電平，通過限流電阻R28，三極體Q1導通，並處於飽和導通狀態，固態繼電器S1輸入高電壓，固態繼電器S1開啟，磁控管1的迴路閉合，磁控管1開始工作；6MHz晶振Y1與電容C4和C5構成振蕩電路，供單片機產生6MHz的時鐘信號，電容C6、電阻R2和電阻R3構成復位電路，當按鈕開關SW2閉合時，單片機的9腳為高電平，觸發單片機復位重新啟動系統。
全文摘要
一種多磁控管微波化學反應器主動功率控制方法，其特點是將n個磁控管的微波化學反應器中裝設可編程主動功率控制裝置，單片機(1)通過n個繼電器(2)與n個磁控管(3)分別連接，將化學反應的控制參數寫入可編程單片機程序，單片機通過控制電路使n個繼電器工作在不同「開」和「關」的組合中，控制n個磁控管處在不同的工作狀態，在化學反應體系溫度急劇上升或對微波能量反射突變來臨前，主動將工作磁控管的數量減少為m個，m＜n，降低微波化學反應器的輸出功率，抑制溫度急劇上升和使反射回微波源的能量保持在安全水平，在渡過危險期後，逐漸增加工作磁控管數量，以增加微波化學反應器的功率，主動控制微波化學反應器的輸出功率平穩變化。
文檔編號H05B6/68GK1836770SQ20061002030
公開日2006年9月27日 申請日期2006年2月17日 優先權日2006年2月17日
發明者黃卡瑪, 劉長軍, 閆麗萍 申請人:四川大學