在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理室的製作方法

2023-05-28 04:28:21 1

專利名稱：在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理室的製作方法
技術領域：
本發明涉及滅菌處理裝置，尤其是涉及一種在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝 電場滅菌處理室。
背景技術：
高壓脈衝電場滅菌技術作為近年來研究最多的非熱加工技術之一，不但具有良好 的殺菌鈍酶效果，能最大限度地維持食品的新鮮度，而且處理溫度低，處理時間短，不僅可 以延長食品的貨架期，還能節省能源，節約成本，並且對環境無汙染。高壓脈衝電場滅菌系 統主要由二部分組成高壓脈衝發生器和滅菌處理室。處理室是用於裝載被處理樣品和安 放電極的，樣品在處理室中可以被均勻地施加電壓，從而達到滅菌的目的。因此，處理室的 設計對於高壓脈衝電場技術來說是一個非常重要的因素，要求提供均勻的電場強度，同時 儘可能減少溫度升高，並且避免電極腐蝕現象的發生。目前常用的高壓脈衝電場滅菌處理 室主要有3類平行平板型處理室、共場型處理室和同軸型處理室。平行平板型處理室電 場分布非常均勻，但由於它是靜態處理室，處理量非常小，只適用於實驗室研究；共場型處 理室是目前應用最為廣泛的一種連續式處理室，由俄亥俄州立大學研製開發，並且被應用 於工業化大規模生產，但是由於其電場方向和物料流動方向平行，殺菌效果受到一定的制 約。在同軸型處理室中，物料能夠光滑、均勻地流動，在工業化應用上很有吸引力。Qin等 人(US Patent5662031)所描述的一種同軸型處理室，其電場強度分布非常均勻，但是由於 處理室結構的制約，導致處理室的處理流量難以滿足工業生產的需求；此外，在處理室內存 在的「死區」，會造成被處理物料停留時間過長，引起處理室內局部溫度升高過快，從而影響 被處理食品的感官和營養品質。此外，由於高壓脈衝電場滅菌處理室內部空間非常狹小，傳統的測量電場強度方 法——小球微擾法並不適用。在多點測溫系統中，傳統的測溫方法是將模擬信號採樣後進 行A/D轉換，要想獲得較高的測量精度，就必須解決多點測量切換以及放大電路零點漂移 等因素造成的誤差補償問題。目前國內外所研製的高壓脈衝電場滅菌處理室都沒有直接通 過儀器測量其內部的場強、溫度以及液體的流動特性，通常情況下藉助於計算機仿真技術 來評價處理室內部處理條件的均勻性，因此其可靠性和準確性受到諸多質疑。採用現代傳 感技術在線實時監測處理室內部各參數的變化情況是非常有必要的，通過傳感器監測到的 結果，不僅可以為處理室結構的優化提供直接的數據支持，也可以驗證計算機仿真結果的 精確性，從而修正模型，更好地提高計算機仿真的效率。

發明內容
為了解決現有技術所存在的上述問題，本發明的目的在於提供一種在線監測電場 強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理室，並通過傳感器在線實時監測處理室內電場強度和 處理溫度的變化情況。本發明採用的技術方案的步驟如下
管狀接地電極的一端安裝在第一絕緣保護套的一端，管狀接地電極的另一端安裝 在第二絕緣保護套的一端，第一絕緣保護套徑向開有物料出口，第二絕緣保護套徑向開有 物料入口 ；同軸安裝在管狀接地電極內的絕緣管的一端與第一管狀高壓電極的一端連接， 第一管狀高壓電極的另一端伸出第一絕緣保護套外；同軸安裝在管狀接地電極內的絕緣管 的另一端與第二管狀高壓電極的另一端連接，第二管狀高壓電極的另一端伸出第二絕緣保 護套外；第一管狀高壓電極與管狀接地電極間和第二管狀高壓電極與管狀接地電極間，分 別形成第一處理腔和第二處理腔；在物料出口安裝第一個一線式溫度傳感器，在物料入口 安裝第二個一線式溫度傳感器，在第一處理腔的管狀接地電極內壁從上至下對稱安裝兩個 霍爾傳感器和第三個、第四個一線式溫度傳感器，在第二處理腔的管狀接地電極內壁從下 至上對稱安裝另外兩個霍爾傳感器和第五個、第六個一線式溫度傳感器；四個霍爾傳感器 和六個一線式溫度傳感器分別與在線監測系統電路連接。所述的在線監測系統電路包括信號調理電路、A/D轉換電路、單片機和液晶顯示模 塊；四個霍爾傳感器分別採集電場強度的霍爾電位差信號，經信號調理電路、A/D轉換電路 接單片機，六個一線式溫度傳感器通過總線接單片機，單片機將參數值通過接口電路接到 液晶顯示模塊進行電場強度和溫度值的顯示。所述的六個一線式溫度傳感器為DS18B20晶片。所述的兩個管狀高壓電極和管狀接地電極的材料為不鏽鋼316-L ；所述的絕緣管 和兩個絕緣保護套的材料為聚四氟乙烯。本發明具有的有益效果是傳統的同軸型連續式高壓脈衝電場滅菌處理室受到結構的制約，其處理流量難以 滿足工業化大規模生產的需求；而目前被廣泛應用的共場型連續式處理室的電場分布並不 均勻，且其場強方向與物料流動方向平行，影響了滅菌的效果。本發明將兩者的優點融合， 取長補短，借鑑共場型處理室的管道式連接方式，同時採用同軸型處理室結構，既可以保證 電場分布的均勻性，又使處理流量得以提高，並且避免了「死區」的出現，可以使處理效果大 大提高。本發明提出的處理室內電場強度和處理溫度在線監測方法，可以定量地實時檢測 處理過程中參數的變化情況。採用霍爾傳感器測量電場強度，相對於傳統的小球微擾法，更 加方便、快捷。採用一線式數字溫度傳感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗幹擾能力強的 特點，直接輸出數位訊號，避免了傳統測溫方法因信號放大電路零點漂移等因素造成的誤 差補償問題，特別適合於在複雜環境下多點溫度測控系統。該在線監測方法的提出，不僅為 高壓脈衝電場處理室的模型建立提供數據基礎，同時也為整個高壓脈衝電場處理系統監控 系統的構建提供了參考價值。


圖1是本發明的結構原理示意圖。圖2是本發明的在線監測系統電路結構框圖。圖中，1、管狀高壓電極；2、管狀高壓電極；3、管狀接地電極；4、絕緣保護套；5、絕 緣保護套；6、絕緣管；7、物料入口 ；8、物料出口 ；9、冷卻水入口 ；10、冷卻水出口 ；11、第一 處理腔；12、第二處理腔；13-18、一線式數字溫度傳感器；19-22、霍爾傳感器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1所示，管狀接地電極3的一端安裝在第一絕緣保護套4的一端，管狀接地電 極3的另一端安裝在第二絕緣保護套5的一端，第一絕緣保護套4徑向開有物料出口 8，第 二絕緣保護套5徑向開有物料入口 7 ；同軸安裝在管狀接地電極3內的絕緣管6的一端與 第一管狀高壓電極1的一端連接，第一管狀高壓電極1的另一端伸出第一絕緣保護套4外； 同軸安裝在管狀接地電極3內的絕緣管6的另一端與第二管狀高壓電極2的另一端連接， 第二管狀高壓電極2的另一端伸出第二絕緣保護套5外；第一管狀高壓電極1與管狀接地 電極3間和第二管狀高壓電極2與管狀接地電極3間，分別形成第二處理腔12和第一處理 腔11 ；在物料出口 8安裝第一個一線式溫度傳感器14，在物料入口 8安裝第二個一線式溫 度傳感器13，在第一處理腔11的管狀接地電極3內壁從上至下對稱安裝兩個霍爾傳感器 21、22和第三個、第四個一線式溫度傳感器17、18，在第二處理腔12的管狀接地電極3內壁 從下至上對稱安裝另外兩個霍爾傳感器19、20和第五個、第六個一線式溫度傳感器15、16 ； 四個霍爾傳感器和六個一線式溫度傳感器分別與在線監測系統電路連接。所述的兩個管狀高壓電極和管狀接地電極的材料為不鏽鋼316-L，對不鏽鋼表面 進行拋光處理；所述的絕緣管和兩個絕緣保護套的材料為聚四氟乙烯。在管狀高壓電極和 絕緣管中通入冰水用來冷卻電極，9為冷卻水入口，10為冷卻水出口。如圖2所示，所述的在線監測系統電路包括信號調理電路、A/D轉換電路、單片 機和液晶顯示模塊；四個霍爾傳感器分別採集電場強度的霍爾電位差信號，經信號調理電 路、A/D轉換電路接單片機，六個一線式溫度傳感器通過總線接單片機，單片機將參數值通 過接口電路接到液晶顯示模塊進行電場強度和溫度值的顯示。信號調理電路、A/D轉換電 路、單片機和液晶顯示模塊均可按照要求在市場上選購。所述的六個一線式溫度傳感器為 DS18B20 晶片。實施例本發明所涉及的同軸型連續式高壓脈衝電場滅菌處理室將內徑為26mm、外徑為 36mm的管狀接地電極3的一端安裝在第一絕緣保護套4的一端，管狀接地電極3的另一端 安裝在第二絕緣保護套5的一端，第一絕緣保護套4徑向開有物料出口 8，第二絕緣保護套 5徑向開有物料入口 7 ；同軸安裝在管狀接地電極3內的內徑為6mm、外徑為18mm的絕緣管 6的一端與內徑為6mm、外徑為16mm的第一管狀高壓電極1的一端連接，第一管狀高壓電極 1的另一端伸出第一絕緣保護套4外；同軸安裝在管狀接地電極3內的絕緣管6的另一端 與內徑為6mm、外徑為16mm的第二管狀高壓電極2的另一端連接，第二管狀高壓電極2的 另一端伸出第二絕緣保護套5外；第一管狀高壓電極1與管狀接地電極3間和第二管狀高 壓電極2與管狀接地電極3間，分別形成第二處理腔12和第一處理腔11。各個空心管之 間採用密封管螺紋連接，便於清洗和更換。兩個絕緣保護套4、5與管狀高壓電極1、2之間 均採用過盈配合，既起到保護作用，又起到固定接地電極的作用。在高壓脈衝電場滅菌處理 時，管狀高壓電極1、2和管狀接地電極3分別與脈衝發生器的兩個接線端子連接。將脈衝 發生器的輸出電壓調為18kV，在第一處理腔11和第二處理腔12中均產生與液體物料(如 牛奶、果汁等)流動方向垂直的脈衝電場，平均電場強度為36kV/cm。在管狀高壓電極和絕緣管中通入冰水用來冷卻電極，可以將處理過程中的溫度升高控制在10°C以內。整個處理 室不存在「死區」，物料流動更加流暢、均勻。由於採用的是同軸型電極結構，因此，電場強度 分布的均勻性也可以得到保證。 分別在兩個處理腔體11、12的中間位置的內壁處安裝4個霍爾傳感器19-22，霍爾 傳感器由外部電源供電，將採集到的霍爾電位差信號，經過調理電路，消除環境中噪聲的幹 擾，然後由模擬量信號轉換成單片機可以接受的數字量信號，送入單片機中。在處理室的物 料入口 7、物料出口 8、第二處理腔體12的出口處以及第一處理腔體11的入口處安裝6個 一線式溫度傳感器DS18B20晶片13-18，DS18B20晶片採用外部電源供電方式，輸出的數字 信號直接送入單片機中。通過單片機內部構建的模型算法得出處理室內各個位置的電場強 度和處理溫度，最後這些參數值會通過單片機外圍液晶顯示模塊電路實時地顯示。
權利要求
1.一種在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理室，其特徵在於管狀接地 電極(3)的一端安裝在第一絕緣保護套(4)的一端，管狀接地電極(3)的另一端安裝在第 二絕緣保護套(5)的一端，第一絕緣保護套(4)徑向開有物料出口(8)，第二絕緣保護套 (5)徑向開有物料入口(7)；同軸安裝在管狀接地電極(3)內的絕緣管(6)的一端與第一管 狀高壓電極(1)的一端連接，第一管狀高壓電極(1)的另一端伸出第一絕緣保護套(4)外； 同軸安裝在管狀接地電極(3)內的絕緣管(6)的另一端與第二管狀高壓電極(2)的另一端 連接，第二管狀高壓電極(2)的另一端伸出第二絕緣保護套(5)外；第一管狀高壓電極(1) 與管狀接地電極(3)間和第二管狀高壓電極(2)與管狀接地電極(3)間，分別形成第一處 理腔(12)和第二處理腔(11)；在物料出口(8)安裝第一個一線式溫度傳感器(14)，在物料 入口(8)安裝第二個一線式溫度傳感器(13)，在第一處理腔(12)的管狀接地電極(3)內壁 從上至下對稱安裝兩個霍爾傳感器(21、22)和第三個、第四個一線式溫度傳感器(17、18)， 在第二處理腔(11)的管狀接地電極(3)內壁從下至上對稱安裝另外兩個霍爾傳感器(19、 20)和第五個、第六個一線式溫度傳感器(15、16)；四個霍爾傳感器和六個一線式溫度傳感 器分別與在線監測系統電路連接。
2.根據權利要求1所述的一種在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理室， 其特徵在於所述的在線監測系統電路包括信號調理電路、A/D轉換電、單片機和液晶顯示 模塊；四個霍爾傳感器分別採集電場強度的霍爾電位差信號，經信號調理電路、A/D轉換電 路接單片機，六個一線式溫度傳感器通過總線接單片機，單片機將參數值通過接口電路接 到液晶顯示模塊進行電場強度和溫度值的顯示。
3.根據權利要求1所述的一種可在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理 室，其特徵在於所述的六個一線式溫度傳感器為DS18B20晶片。
4.根據權利要求1所述的一種可在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理 室，其特徵在於所述的兩個管狀高壓電極和管狀接地電極的材料為不鏽鋼316-L ；所述的 絕緣管和兩個絕緣保護套的材料為聚四氟乙烯。
全文摘要
本發明公開了一種在線監測電場強度和溫度的高壓脈衝電場滅菌處理室。由兩根管狀高壓電極和管狀接地電極組成兩個同軸型處理腔體，兩根管狀高壓電極中間用絕緣管隔開，並在管狀接地電極兩端套有絕緣保護套，形成同軸型連續式高壓脈衝電場處理室。在處理室內部安裝霍爾元件和一線式數字溫度傳感器，信號經過調理、放大、A/D轉換後送入單片機中，通過液晶顯示模塊顯示各個參數。本發明既可以保證電場分布的均勻性，又使液體物料的流動特性得以改善，使處理流量得以提高，並且避免了「死區」的出現，處理效果明顯提高，並且實現了在線實時定量監測處理室內部電場強度和溫度值，可以為處理系統的仿真建模提供數據支持。
文檔編號G01K7/00GK101999733SQ201010281569
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者餘琳, 王劍平, 蓋玲, 黃康 申請人:浙江大學