一种水产品射频解冻装置及其控制系统设计

陈远辉，郭子淳，赵锡和,2，黄家怿,2

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510555）

0 引言

我国是农业大国，但是经过几十年的工业化和城市化发展，国人生活节奏加快，生产效率不断提高，相当一部分上班族没有足够的时间去农贸市场采购新鲜的食材进行加工制作，所以推出健康的冷冻食材及各种风味的冷冻预制菜品种能较好地满足这一群体的需求。

现代食品工业冷冻技术相对较成熟，利用现有的食品冷冻工艺就可以将产自全国乃至世界各地的经冷冻后的新鲜鱼、虾、肉、菜及其预制菜品等实现长时间储存和长距离运输，通过现代物流冷链源源不断输送给全国各地消费者，供应到国人的餐桌上。

由于冷冻食品在加工过程中或消费前均需要进行解冻，最理想的解冻效果是冻结食品在解冻后可以恢复到冰冻前的新鲜状态。为尽可能使冷冻食品恢复到冰冻前所拥有的营养成份和新鲜风味，彭泽宇等[1]的研究表明需要严格控制冻结食品的解冻过程，使其在低温下快速解冻。

1 冻品常见解冻方法

很早以前人类就学会了在冬天将食物置于长期保持低温的地窖等场所中冷冻储存。将冷冻食品放置于暖空气中解冻是最常用的解冻方式之一，属于空气解冻的范畴，随后出现的水解冻和低温库解冻技术目前应用广泛，近年来对冻结食品研究的解冻新法有：超高压解冻、电阻解冻、微波解冻、射频解冻等。

1.1 空气解冻

对冻结食品的空气解冻主要分为自然空气解冻和强制空气对流解冻[2]。前者是直接将冻结食品自然放置在空气中，比如放在桌子上、场地上等利用室温自行解冻，由于解冻时间长、解冻效率低下，仅适用于分散小批量冻结食品的解冻。当需要解冻的食品量较大时，可采用强制空气对流解冻法，建造一间或者多间专门的解冻室，室内安装多层结构用于放置冻结食品，设置诸如鼓风机等通风装置强制对冻结食品表面进行空气对流，辅以对气流的流速控制和解冻室内的温湿度控制，处理能力可以得到很大提升。但是，空气解冻由于解冻过程不易控制，导致解冻后食物与冷冻前的新鲜食物品质上会有较大差距。

1.2 水解冻

冻结食品在水中进行解冻一般常用2 种方法，①将冻结的鱼、肉等直接放入静水中进行解冻，采用此种方法相较于在空气解冻，其解冻时间明显缩短，适用于小批量解冻；②放入流动的水中进行解冻，并在容器中增加鼓泡发生装置，产生有动力的旋涡水流，从而达到快速解冻的目的，此种方法适用于量较大且需要快速解冻的情形。

但是，水解冻过程中如果将冻结食品直接与水接触，会造成鱼类或肉类的营养成份损失较大，影响解冻品质，同时造成水体污染，因此水解冻更加适用于有密封包装的冻结食品，如采用真空等包装的食品。

1.3 低温解冻

此种解冻方法通常用食品级不锈钢壳体作为一个解冻室，里面安装低温加湿装置，解决在低温环境下的加湿问题，同时采用送风机、风道等装置达到均匀输送气流及控制气流风向目的。冻结食品预先放入可移动的货架中并推入到解冻库中进行解冻，此种方法相比于空气解冻可以显著缩短解冻时间，适用于单件体积小、数量多的冻结食品。

1.4 超高压解冻

研究表明，在压强210 MPa 以下纯水的结冰点随着压强的升高而降低。当纯水压强从一个大气压上升到临界压强210 MPa 时，水的结冰点从0 ℃下降到-21 ℃[3]左右，利用这一原理对冻结食品进行快速解冻；具体解冻过程大致可分为3 步：①将冻品压强升高到210 MPa 左右；②使冻品在高压下的冻结纯水的结冰点下降到-21 ℃左右，因为通常冻品的冷冻温度控制在-18 ℃左右，所以在高压下冻结食品的冰晶已转为液相状态，实现了高压状态下解冻成功；③将冻品的高压强实现快速卸压，从而实现超高压的快速解冻。

由于超高压解冻不仅要求装备能承受极高的压强，同时对被解冻食品的温度及传热监控也比较困难，故在工程中实际应用尚需时日。

1.5 电阻加热解冻

电阻加热解冻的原理是将冻结食品作为电路中的终端负载，电流流过作为负载的电阻而产生热量。此种接触式加热解冻方法速度较快，但是由于解冻食品与电极直接接触，可能会造成食品的二次污染；同时如果极板与食物电阻接触不良，会造成接触部分烧焦现象。为了避免出现食品二次污染等不良现象，出现了以水为介质的浸泡式解冻方法。

1.6 微波解冻

在电磁波频谱图中微波的波长最短，其波长范围为0.1 mm～1 m，故其相对应的频率范围从300 MHz～3 000 GHz[4]。微波解冻有2种工作频率：915 MHz或2 450 MHz。虽然工作频率不同，但他们都是利用冻结食品内的极性分子在高频变化的电场力作用下，使冻结食品内产生热量从而使食品快速解冻。

如图1 所示[5]，冻结食品中水分子的“两端”分别带有正电荷和负电荷。正负电荷会与高频交变电场相互作用。假设选择频率为2 450 MHz 的微波解冻，微波电场以每秒钟49 亿次进行正、负极换向，水分子也会跟随此频率快速转向。水分子的高频转向，导致相互之间的剧烈碰撞，热量就在食品内部中产生了。

图1 微波加热极性分子旋转示意图

微波解冻的优点是解冻速度较快，缺点是穿透性能较差，不适合厚度较大的大块物料解冻，存在边角过热现象，降低食品品质。

1.7 射频解冻

现在我们常说的“射频”一词来源于英文“radio frequency”，即无线电频率。射频电路是实现无线电的发射、接收以及信息的加载和提取的电子线路[6]。

通常射频（Radio Frequency）/微波（Microwave）属于在无线电频谱中占据某一特定频段的电磁波。如图2 所示：

图2 电磁波中射频的频率范围

图2 中射频频率范围为10～300 MHz，相比无线电波的频谱范围要窄很多，因此要避免干扰其它通信系统，防止频段重叠所引起相互干扰造成安全事故。美国联邦通信委员会规定了电磁波频率13.56、27.12、40.68 MHz 可应用于工业、科学和医学领域[7]，射频解冻亦通常采用这3 个频率。

2 射频解冻装置研发

目前射频解冻主要有2 种类别：第一种为传统的真空电子管作为核心元件产生27.12 MHz 的射频信号，第二种是通过晶体管电路产生的高频信号，通过滤波放大至射频输出功率。

2.1 射频解冻装置的主要部件

2.1.1 射频加热系统

1）电子管射频加热系统结构。传统的电子管射频加热系统结构主要由高压变压器、整流器、振荡电路、工作回路组成，如图3 所示。其主要优势在于高功率输出水平和能承受与负载不匹配的性能，缺点为体积大、能耗大、工频电压高。

图3 传统电子管射频加热系统结构图

2）晶体管射频加热系统结构。晶体管射频又称固态射频，随着近年来半导体技术的飞速发展，对比传统的电子管射频加热系统由于其体积大、能耗大、需要配置高压升压变压器的缺点，由晶体管电路产生射频信号的固态射频加热系统，近年来经过不断的技术改进，表现出其体积紧凑、价格便宜、工作电压低、工作寿命长的优点，应用前景广阔。

图4 为晶体管射频加热系统的结构图，主要由射频信号源、前置放大电路、功率放大电路、阻抗匹配电路、50 Ω 传输线、控制电路及负载回路组成。

图4 晶体管射频加热系统结构图

2.1.2 晶体管射频加热系统信号源

本文采用的是美国A/D 公司的高集成度频率合成器AD9851 芯片，射频加热系统输出频率为27.12 MHz 正弦波信号，该信号发生器位于射频电源第一级，再经多级放大后提供给负载使用，故此信号源必须提供纯净稳定的高频信号。此芯片采用的是直接数字频率合成（DDS）技术，优点突出 ：输出相位变化连续、较低的相位噪声、32 位的频率调谐字、输出调谐分辨率约0.04 KHz、微秒级的频率切换速度实现全数字编程序控制功能，是各种频率源的优选器件。

AD9851 芯片具有如下主要特性[8]：180 MHz 时钟频率及可选择的6 倍参考时钟倍乘器，内置高性能10 位DAC 和高速比较器，32 位的可调频率控制字，简单的并行或串行控制接口，单电源工作(2.7～5.25 V)，低功耗(180 MHz 工作时555 mW，2.7 V 休眠状态仅4 mW)，具体内部结构如图5 所示。

图5 AD9851 芯片内部结构图

信号发生器的输出信号频率Fout 和系统外部时钟频率fc 及频率控制字FCW 之间如式（1）所示[9]：

式中:

Fout——信号发生器的输出信号频率；

FCW——频率控制字；

fc——系统外部时钟频率；

N——AD9851 相位全加器位数，取值为32 。

外部时钟频率fc 采用的是12 M 有源晶振，故输出频率Fout 范围0～72 MHz，本设计射频输出频率为27.12 Hz，通过调整频率控制字FCW 输入数值，可满足输出频率要求。

2.1.3 晶体管射频加热系统信号放大器

晶体管射频信号源功率非常小，需要经过放大后才能达到输出功率。由于晶体管特性的限制，千瓦级输出功率一般至少需要经过三级放大，分别为一级预放大、二级驱动放大、三级功率放大，直到满足输出功率的需求。

针对功率放大级数，本文采用传统型功率放大器按照晶体管导通角从-θ～+θ 跨度范围的不同，分为4 种类型(如图7 所示)，这4 种类型对信号的功放效率也各不相同。

对常见的窄带信号，功放回路经常使用谐振回路构成负载网络，对信号选频滤波并实现阻抗匹配，这种类型的电路也称为谐振功率放大器，简称谐振功放。为兼顾输出信号的失真及效率，本文的谐振功放采用甲乙类功放类型，晶体管导通角范围为π/2 ＜θ ＜π。高频功率放大器结构图和输出特性如图6 和图7 所示[10]。

图6 高频功率放大器结构图

图7 高频功率放大器输出特性

2.1.4 晶体管射频加热系统阻抗匹配器

为实现无线电信号的远距离发射，发射机需要配置合适的功率放大器（简称功放）放大信号源的功率，同时作为发射电磁波的天线需要与功放输出端的阻抗相匹配，才能得到最大的功率传输效率。当以冻结食品为负载，负载阻抗并非固定不变，因此系统需要能根据不同负载阻抗，自动与放大电路的输出阻抗相匹配。自动阻抗匹配网络总体结构图和实物图如图8 和9 所示，包含4 个模块：中央处理单元、电容调节模块、反射系数检测模块和人机接口模块[11]。系统根据阻抗匹配算法自动输出脉宽调制信号控制电机转动，调节电容C1、C2 的值实现与功放输出端阻抗匹配。

图8 自动阻抗匹配网络总体结构

图9 自动阻抗匹配网络实物图

2.2 射频解冻平台

所建射频解冻平台结构功能如下：采用一台冷水机用于射频电源及阻抗匹配器的循环水冷却；射频加热框设置上下两加热电极板：上极板大小为300×400 mm，下极板大小为980×580 mm，上下极板之间距离的可调节范围是60～200 mm；输送带用于自动送入物料至解冻

框室中并在解冻后将物料送出；设置抽排风机及散热风扇用于排出解冻框内的湿气及射频电源的冷却。图10 为射频解冻装置。

图10 射频解冻装置整体结构实物图

3 射频解冻控制系统设计

本文的射频电源最大输出功率为2 kW，通过控制射频电源的外控接口与4G 物联网触控一体机对接，实现对本射频加热系统的本地及远程操作监控。

3.1 系统总控制流程

整机运行顺序如图11 所示。

图11 系统总控制流程图

3.2 系统监控电路

一体机内置输入输出数据采集控制板，其接线如图12 和图13 所示，图中冷却水流开关检测到冷水机开启后即可启动射频输出安全锁。一个NPN 型光电开关安装在物料入口处并远离解冻腔，用于检测物料进入信息。通过射频电源的外控接口将内部高温报警、安全锁、输出的正向功率及反射功率等信息接入I/O 控制板中进行采集。通过I/O 控制板的输出接口去设定射频输出功率和射频输出的启动、停止，同时协调冷水机、输送带及抽排风机的工作运行。

图12 远程监控DI/DO 接线图

图13 远程监控AI/AO 接线图

3.3 系统监控操作界面

系统监控操作界面如图14 所示，此触摸屏界面可监控射频电源的实时状态信息、射频输出功率设定、射频输出的启动停止、输送带、排风机以及冷水机的运行协调监控信息均可通过此操作界面实现监控。

图14 系统监控操作演示界面

4 水产冻品的射频解冻效果

试验物料：将鱼糜样品切割成300×200×30 mm的尺寸，放进-18 ℃冷库贮藏一定时间后，再进行解冻试验。

测温方法：采用6 个PT100 传感器插入鱼糜物料，待6 个温度测量点显示的温度均高于-3 ℃，视为完全解冻。

设定初始射频功率为1 kW、射频频率27.12 MHz，采用100、140、180 等3 个板间距进行试验，试验结果表明：板间距为100 mm 时解冻时间最短，为10 min 10 s；板间距为140 mm 时解冻时间为12 min10 s；板间距为180 mm 时解冻时间为16 min20 s。这说明了不同的极板间距对鱼糜的解冻效果不相同，当加大两电极之间的距离时，则需通过延长解冻时间才能实现相同的鱼糜解冻效果。

5 结语

本文设计的射频解冻装置及其控制系统，对冻结肉类、水产品等冻结食品进行射频解冻的研究表明，试验温度为-18 ℃的冷冻鱼糜样品，通过调节极板间距及解冻时间，射频解冻后温度可控制在-3 ℃左右。

通过对冷冻鱼糜样品的试验证明，本射频解冻装置对冻结的水产品、肉类均能达到较好的解冻效果，同时本试验平台由于射频的波长较大，相比于微波其对大尺寸的肉块等冻结食品穿透性更好，相比电子管射频其能耗更少，阻抗匹配网络可以自动完成对不同解冻产品的阻抗匹配，可使解冻中的食品获得最大的射频输出功率，相较于电子管射频等其它解冻方法具有更好的推广应用前景。