高頻電熱殺菌腔內粉料食品測溫傳感器的電磁屏蔽研究

陶 意 蔡健榮 張世慶 孫 力 李 馨

(江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

高頻電熱殺菌腔內粉料食品測溫傳感器的電磁屏蔽研究

陶 意 蔡健榮 張世慶 孫 力 李 馨

(江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

設計了高頻電加熱粉料殺菌設備，將殺菌腔內粉料的螺旋推進器作為加熱部件而接通高頻電。高頻電加熱會在周圍產生較強的磁場，干擾鉑電阻對關鍵控制點的準確測溫，需進行電磁屏蔽處理。從理論分析和虛擬仿真兩方面入手，理論分析得到材料的相對磁導率、電導率及厚度影響材料的屏蔽效能，虛擬仿真得到幾種材料以及材料不同厚度的屏蔽效能。找到了合適鉑電阻的屏蔽材料為錳鋅鐵氧體，并確定圓柱形屏蔽罩厚度為3 mm，屏蔽效能可達40 dB以上，經實驗驗證該種屏蔽罩的屏蔽效果符合屏蔽要求。

高頻電熱；殺菌；溫度傳感器；電磁屏蔽；交變磁場；鉑電阻

高頻電加熱殺菌設備是利用高頻電流施加于導體產生趨膚效應，促使其表面發熱[1]。將這種加熱方式用于粉料食品殺菌，可更好地控制殺菌溫度和殺菌時間。由于高頻電流產生的電磁場會影響溫度傳感器的正常使用，研究[2-3]表明：紅外非接觸式測溫傳感器、半導體測溫傳感器對電磁場抗干擾性好，但由于殺菌腔內香辛料粉料的擴散，紅外探頭容易黏上粉料而失去作用；半導體傳感器由于在90～150 ℃的溫度環境下檢測精度低(誤差±5 ℃)，并不適合在本設備中應用。本研究采用測溫范圍為-60～500 ℃，精度為±0.3 ℃的鉑電阻溫度傳感器，但仍需解決交變電磁場對鉑電阻測溫探頭的干擾問題。交變磁場對鉑電阻的影響有兩方面：① 在交變電磁場的作用下，測溫探頭和引線產生感應電流并與實際信號疊加，使信號產生鋸齒狀波紋；② 測溫探頭與引線的感應電流使傳感器自身產生焦耳熱而使所測溫度偏高。

許多學者對鉑電阻抗電磁干擾問題及電磁屏蔽進行了研究，劉華[4]設計了一種通過軟件數學建模來消除鉑電阻測量中可能產生誤差的鉑電阻在線檢測系統，構成的鉑電阻在線檢測系統具有一定的實用性和較高的社會推廣價值；張傳民等[5]采用濾波電路濾除射頻對鉑電阻的干擾，可以滿足大部分工業現場應用要求，定標后測量誤差≤0.5 ℃；丁世敬等[6-7]介紹了電磁屏蔽材料的屏蔽原理、影響材料屏蔽效能的因素，并探討了屏蔽材料未來的發展趨勢；Wilson P F等[8-9]對低頻磁屏蔽理論、影響磁屏蔽效能的各種因素、并采用等效電路法導出了低頻磁屏蔽效能的計算模型。Lee P C等[10-11]研究了復合材料的屏蔽性能，并介紹了符合其應用的領域；Fugetsu B等[12-14]研究了石墨烯納米管的電子屏蔽機理，并實驗驗證了其屏蔽效能。Wu G H等[15]利用數值計算方法及軟件，對部分屏蔽材料的屏蔽效能進行了仿真模擬，對工程實際中磁屏蔽效能的估算有指導意義。

雖然相關鉑電阻抗干擾的研究[16-17]很多，但主要針對測控電路與軟件濾波，對鉑電阻的物理抗電磁干擾方法未做深入研究。現有對電磁屏蔽的研究[18]多集中于新材料的研究與數值分析，對于本文涉及的高頻電加熱設備中鉑電阻的電磁屏蔽問題研究未曾提及。本試驗針對高頻電加熱設備中溫度傳感器遇到電磁干擾的問題，從理論分析入手，應用成熟的虛擬仿真技術，探討不同材料、不同厚度的屏蔽效能，以尋找合適的屏蔽材料，并驗證其屏蔽效果，以解決鉑電阻溫度探頭的電磁干擾問題。

1 屏蔽效能與材料屬性之間的關系

屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)是評價屏蔽體對電磁輻射干擾的屏蔽能力，用dB(分貝)表示[19]。當電磁波入射到假設為無限大的平板屏蔽體時，會產生反射損耗(RM)、吸收損耗(A)和再反射損耗(Rr)。根據傳輸線理論導出屏蔽效能SEH經驗公式[20]：

SEH=RM+A+Rr。

(1)

反射損耗可表示為：

(2)

吸收損耗可表示為：

(3)

再反射損耗表示為：

(4)

式中：

SEH——屏蔽效能，dB；

RM——反射損耗，dB；

A——吸收損耗，dB；

Rr——再反射損耗，dB；

f——頻率，Hz；

μr——屏蔽體材料的相對磁導率；

Gr——該屏蔽材料相對于銅的電導率；

r——平板屏蔽體與源的距離，cm；

t——平板屏蔽體的厚度，mm；

Zm——平板屏蔽體所采用金屬導體的阻抗，Ω；

Zw——波阻抗，Ω。

再反射損耗始終為負數，計算總屏蔽效能時需要減去再反射損耗才能得到正確的屏蔽效能增益。一般當吸收損耗A大于15 dB時，再反射損耗可忽略不記。

采用的測溫探頭為圓柱形，包埋在如圖1所示的圓柱管狀屏蔽罩中，測溫傳感器的引線用特氟龍層隔熱保護，并固定在不銹鋼的保持架上，將帶自制屏蔽罩的探頭插入物料。

屏蔽罩的材料屬性決定了該屏蔽罩的電磁屏蔽效果。由屏蔽效能經驗公式可知，屏蔽罩的屏蔽效能由其相對磁導率、電導率、屏蔽體厚度共同決定。在COMSOL中進行屏蔽效能的仿真試驗，仿真器采用電磁AC物理場模塊，設置了邊界條件和網格劃分；觀測對象為屏蔽罩內及其附近空氣區域，因此該區域進行網格細化處理，其它區域隨物理場設置自由網格劃分。仿真模型如圖2所示，其中發射線圈模型為單匝線圈，通過交變大電流作為交變磁場發射裝置，線圈正下方為管狀屏蔽罩。

以相同材料的不同相對磁導率、電導率、厚度為變量，研究其對屏蔽效能的影響。通過COMSOL中的參數化掃描以及對仿真結果的后處理，分別得到了材料的相對磁導率、電導率以及厚度與屏蔽效能之間的關系。

由圖3(a)可知，交變電流頻率在10 kHz下，相對磁導率在1～1 000時，屏蔽罩的屏蔽效能隨著相對磁導率的增大而急劇上升；當相對磁導率大于1 000時，相對磁導率的增加對屏蔽效能提升不明顯。屏蔽罩的電導率對屏蔽效能的影響見圖3(b)(設相對磁導率為1，厚度為1 mm)，其屏蔽效能隨著材料電導率的增加而增加，即屏蔽罩的電導率越高，渦流屏蔽效果越好。吸收損耗主要取決于屏蔽罩的厚度，其影響見圖3(c)，可見屏蔽材料的厚度越大，屏蔽效果越好。為實現有效電磁屏蔽，屏蔽罩厚度一般>1 mm。

2 屏蔽材料的選擇

選擇了304不銹鋼等5種材料，在1～300 kHz交變電流作用下進行屏蔽效能仿真實驗。由圖4可知，當交變電流頻率<20 kHz時，幾種金屬材料屏蔽罩屏蔽效能隨著交變電流頻率的增加而變大。本設備的工作頻率為10～20 kHz，鐵素體不銹鋼和錳鋅鐵氧體在此區間屏蔽效果好于其他材料。但鑒于10～20 kHz低頻電磁場下以磁屏蔽為主[21]，鐵素體不銹鋼在該頻段會產生焦耳熱，不利于準確測溫，故選擇錳鋅鐵氧體作為屏蔽材料。

Figure 4 Relationship between four metal frequencies and shielding effectiveness under 1～300 kHz alternating current

由于測溫探頭及屏蔽罩為圓柱體，建立如圖5所示柱坐標系，空心屏蔽罩垂直于磁場H，屏蔽罩內外徑分別為a和b，屏蔽罩材料的相對磁導率為μr。

由于錳鋅鐵氧體電導率極低，因此屏蔽罩內的磁壓Vm的表達式可用柱坐標系拉普拉斯方程解出：

(5)

2Vm=0。

(6)

屏蔽罩及傳感器垂直于磁場方向，因此屏蔽管的軸向(z向)磁壓分量為0，式(5)和式(6)可簡化為：

(7)

此時的邊界條件：

① 距離屏蔽罩較遠處的磁場均勻；

② 在r=b和r=a界面處的磁壓近似為常數；

③ 穿越屏蔽體內外壁的磁場在垂直于壁面的分量連續。

根據邊界條件，可以得到磁屏蔽的屏蔽效能表達式[22]：

(8)

式中：

SE——屏蔽效能，dB；

k=b2/a2；

H0、H1——分別為屏蔽管外部和內部的磁場強度，T。

選取的鉑電阻傳感器直徑為4 mm，因此采用外徑為10 mm、內徑為4 mm的錳鋅鐵氧體屏蔽管作為屏蔽裝置。經計算k值為25。由式(8)可知，當屏蔽材料的相對磁導率為1時，屏蔽效能SE為0，即沒有磁屏蔽效果。隨著屏蔽罩相對磁導率的增加，其磁屏蔽效果越好。為了更直觀地了解相對磁導率對磁屏蔽效能的影響，可由式(8)得到如圖6所示相對磁導率與屏蔽效能的曲線圖，當材料的相對磁導率在0～100時，屏蔽效能上升速度較快，當相對磁導率從100增加至2 000時，屏蔽效能的增速減緩。

3 屏蔽效果驗證

為了驗證錳鋅鐵氧體的屏蔽性能，選用初始相對磁導率為1 196的屏蔽罩，根據式(8)計算可知，其磁屏蔽效能為49.17 dB。在1～20 kHz交變電流下進行驗證，圖7為驗證實驗示意圖。由信號發生器發出交變信號，經放大器連接發射天線產生1～20 kHz交變電磁場，接收線圈連接示波器與電腦。

Figure 6 The relationship between the relative permeability and the shielding effectiveness of magnetic shielding

以無交變電流干擾為基準，對比了在交變電流作用下有無屏蔽罩對測溫傳感器電壓的影響，試驗時間為1 000 ms。表1的統計結果顯示，無電磁干擾和加屏蔽罩的條件下，電壓變化較小，而未加屏蔽罩的傳感器電壓變化較大，從而證明錳鋅鐵氧體可濾除絕大部分低頻電磁干擾。

將加裝錳鋅鐵氧體屏蔽罩的測溫傳感器安裝于殺菌設備進行連續升溫試驗，其實際測溫曲線見圖8。結果表明，未加屏蔽罩的測溫探頭升溫曲線有明顯鋸齒波且溫飄嚴重，而加裝屏蔽罩后所測升溫曲線平滑且與實際溫度吻合。

4 結論

本試驗就高頻電加熱殺菌設備中測溫的工程實際問題，從電磁屏蔽原理出發，分析影響材料屏蔽效能的因素，結合COMSOL多物理場仿真模擬，篩選了5種材料，最終確定錳鋅鐵氧體為鉑電阻溫度探頭合適的屏蔽材料，并確定圓柱形的屏蔽罩厚度為3 mm，通過實際實驗驗證這種屏蔽罩滿足要求。本研究僅針對特定設備中靜態電磁場的電磁屏蔽，對

于動態或旋轉電磁場的屏蔽機理及措施未做進一步研究，這也是該領域繼續研究的方向。

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Study on electromagnetic shielding of temperature sensor which measures the temperature of powder food in high frequency electrothermal sterilization equipment

TAO YiCAIJian-rongZHANGShi-qingSUNLiLIXin

(JiangsuUniversity,SchoolofMechanicalEngineering,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)

One kind of heat treatment machine for powder material was designed to use the metal screw impellor inside the sterilization chamber as the heating component connected to high frequency electricity. As strong magnetic field was generated during the process, the accuracy of temperature at critical control point (CCP) of the material measured by platinum resistor would be influenced, and this entailed the electromagnetic shielding (EM shielding). Based on both theoretical analysis and virtual simulation, our research was intended to design the shielding device. The relationships between the shielding effectiveness and the relative permeability, relative conductivity and thickness of different materials were analyzed. After narrowed down to several kinds of materials with various thickness, the shielding effectiveness of these materials was calculated by virtual simulation. It was found that Mn-Zn ferrite would be the proper shielding material for platinum resistor and the effectiveness of a 3 mm thick Mn-Zn ferrite cylinder shield could be higher than 40 dB. The shielding effect of this device prototype was proved to be acceptable in this study.

high frequency heating; sterilization; temperature sensor; electromagnetic shielding; alternating magnetic field; platinum resistance

江蘇省高校自然科學研究重大項目(編號：15KJA550001)；江蘇省2015年度普通高校研究生實踐創新計劃項目(編號：SJZZ15_0130)；國家科技支撐計劃(編號：2015BAD19B00)

陶意，男，江蘇大學在讀碩士研究生。

蔡健榮(1966—)，男，江蘇大學教授，博士。 E-mail: 1196186958@qq.com

2016—11—08

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.015