静电场控制方法、装置和干燥处理设备

技术领域

本发明涉及干燥控制技术领域，尤其涉及一种静电场控制方法、装置和干燥处理设备。

背景技术

高压电场干燥(High Voltage Electrode Field Drying，HVEFD)是一种利用高压电场作用于物料表面的干燥技术，其原理是，在高压电场作用下，气体分子或原子会失去或获得电子，形成正离子或负离子，通过气流扩散到周围空气中，从而形成离子风，完成物料的干燥过程。

静电干燥处理主要应用于食品或者种子等物料，不同物料对于离子风要求存在差异。在现有技术中，一般通过手动调节电压大小及出风口位置，其存在以下问题：缺乏有效的干燥控制策略和物料处理手段，对于厚度较大或者带表皮的物料(例如葡萄)，如果不对物料进行预处理，会导致干燥速率较慢，影响干燥效果。

发明内容

本发明提供了一种静电场控制方法、装置和干燥处理设备，基于物料及环境特征自动匹配及切换干燥处理策略，解决现有的静电干燥处理缺乏有效的干燥控制策略和物料处理手段，导致干燥速率慢、效果差的问题，提高干燥处理效率。

根据本发明的一方面，提供了一种静电场控制方法，设置脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段，所述方法包括：获取待处理物料的物料及环境特征；根据所述物料及环境特征确定所述脉冲电场处理阶段和所述单极性电场处理阶段的配置参数；其中，所述配置参数包括：脉冲电场参数和脉冲处理时长，单极性电场参数和单极性处理时长，及极板间距；根据所述配置参数控制电极放电，形成处理电场。

可选地，所述静电场控制方法还包括：获取电场离子检测结果；根据所述电场离子检测结果确定电荷分布模型；根据所述电荷分布模型对所述配置参数进行二次调整。

可选地，所述根据所述电荷分布模型对所述配置参数进行二次调整，包括：根据所述电荷分布模型确定当前的实际电场强度；获取所述待处理物料对应的目标电场强度；根据所述实际电场强度和所述目标电场强度确定目标离子风速；根据所述目标离子风速确定目标配置参数；其中，所述目标离子风速与放电电流正相关，所述目标离子风速与所述极板间距负相关。

可选地，所述静电场控制方法还包括：获取电场离子检测结果；根据所述电场离子检测结果确定放电电流和放电速率；根据所述放电电流和所述放电速率确定是否存在放电异常。

可选地，在所述单极性电场处理阶段之前，所述静电场控制方法还包括：对所述待处理物料进行含水量检测，并根据营养成分含量检测结果确定是否结束所述脉冲电场处理阶段；和/或，对所述待处理物料进行营养成分检测，并根据营养成分检测结果确定是否结束所述脉冲电场处理阶段。

可选地，所述根据所述配置参数控制电极放电，形成处理电场，包括：根据所述脉冲电场参数对所述电极提供极性交替变化的脉冲电压，形成脉冲电场；基于所述脉冲电场对所述待处理物料进行预处理；在预处理完成后，根据所述单极性电场参数对所述电极提供单极性电压，形成单极性电场。

可选地，所述根据所述配置参数控制电极放电，形成处理电场，包括：建立电压生成电路，所述电压生成电路的输出电压幅值和极性可调；根据所述配置参数控制所述电压生成电路对所述电极提供正向电压或者反向电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种静电场控制装置，用于执行上述静电场控制方法，所述装置包括：检测模块，用于获取待处理物料的物料及环境特征；参数配置模块，用于根据所述物料及环境特征确定所述脉冲电场处理阶段和所述单极性电场处理阶段的配置参数；其中，所述配置参数包括：脉冲电场参数和脉冲处理时长，单极性电场参数和单极性处理时长，及极板间距；电场控制模块，用于根据所述配置参数控制电极放电，形成处理电场。

可选地，所述电场控制模块包括：电压生成电路，与所述电极连接，所述电压生成电路的输出电压幅值和极性可调；控制电路，用于根据所述配置参数控制所述电压生成电路对所述电极提供正向电压或者反向电压。

可选地，所述电场控制模块还包括：离子检测电路，所述离子检测电路用于获取所述电极之间的电场离子检测结果，并将所述电场离子检测结果转换为数字信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种干燥处理设备，包括上述静电场控制装置。

本发明实施例的技术方案，设置脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段，通过获取待处理物料的物料及环境特征；根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数；在脉冲电场处理阶段，根据脉冲电场参数控制电极放电形成脉冲电场；在单极性电场处理阶段，根据单极性电场参数控制电极放电形成单极性电场，解决了现有的静电干燥处理缺乏有效的干燥控制策略和物料处理手段，导致干燥速率慢、效果差的问题。由此，通过设置脉冲电场和单极性电场对物料进行干燥处理，基于物料及环境特征自动匹配及切换干燥处理策略，有利于提高物料干燥效率，改善物料干燥效果。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种静电场控制方法的流程图。

图2为本发明第一实施例提供的一种脉冲电场的结构示意图。

图3为本发明第一实施例提供的一种单极性高压电场的结构示意图。

图4为本发明第一实施例提供的另一种静电场控制方法的流程图。

图5为本发明第一实施例提供的又一种静电场控制方法的流程图。

图6为本发明第一实施例提供的一种电极放电控制方法的流程图。

图7为本发明第一实施例提供的另一种电极放电控制方法的流程图。

图8为本发明第二实施例提供的一种静电场控制装置的结构示意图。

图9为本发明第二实施例提供的另一种静电场控制装置的结构示意图。

图10为本发明第二实施例提供的又一种静电场控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明第一实施例提供的一种静电场控制方法的流程图，本实施例可适用于对食品及种子等物料进行静电干燥的应用场景，该方法可以由静电场控制装置来执行，该静电场控制装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该静电场控制装置可配置于干燥处理设备中。

本发明的实施例中，该静电场控制方法设置脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段，其中，脉冲电场处理阶段基于脉冲电场对待处理物料进行预处理；单极性电场处理阶段基于单极性高压电场对待处理物料进行干燥处理。通过脉冲电场处理，作用于食品材料中的微生物细胞，使其发生细胞膜破裂和DNA分子断裂等生物学损伤，达到杀菌、杀灭细菌、病毒和真菌等微生物的效果，加速细胞内水分的流失速度，加快干燥效率；通过单极性高压电场的作用，气体分子或原子会失去或获得电子，形成正离子或负离子，通过气流扩散到周围空气中，从而形成离子风，基于离子风对物料进行干燥处理。

如图1所示，该静电场控制方法包括以下步骤：

S1：获取待处理物料的物料及环境特征。

其中，物料及环境特征包括但不限于：待处理物料的物料类型、物料表皮厚度、物料处理区域的环境温湿度和海拔参数等。

S2：根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数。

其中，配置参数包括：脉冲电场参数和脉冲处理时长，单极性电场参数和单极性处理时长，及极板间距。典型地，脉冲电场参数包括但不限于：脉冲幅值、脉宽、脉冲频率和脉冲放电电流。单极性电场参数包括但不限于：单极性电压幅值和单极性放电电流。

示例性地，脉宽越宽，脉冲电场的作用时间越长，对细胞膜和细胞壁的破坏也会越明显，从而有利于水分的释放。但过长的脉宽可能会对食品的营养成分造成破坏，因此，可设置脉宽为1us至10us范围内的任一数值。

脉冲幅值越大，脉冲电场对物料的作用力也越强，对细胞膜和细胞壁的破坏也会越明显。但过高的脉冲幅值可能会导致食品的质地和营养成分的破坏，基于此，可设置脉冲幅值为10至50kV范围内的任一数值。

脉冲频率越高，脉冲电场的变化越快，对食品的作用时间也越短，从而有利于减少食品的营养成分和质地的破坏。但过高的脉冲频率可能会导致食品的处理效果不足。基于此，可设置脉冲频率为10至500Hz范围内的任一数值。

一实施例中，根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数，包括但不限于下述至少一项：根据物料类型和物料表皮厚度确定脉冲电场参数和脉冲处理时长；根据环境温湿度和海拔参数确定脉冲幅值、脉宽、脉冲频率、脉冲放电电流单极性电压幅值和单极性放电电流。

具体地，脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段两个阶段的作业时长呈负相关关系，脉冲处理时长越长，对细胞膜和细胞壁的破坏也会越明显，单极性处理时长越短。但是，在设置脉冲处理时长和单极性处理时长之时，需要同时考虑脉冲电场对物料营养成分的影响，可通过标定建立两个阶段的处理时长比例与物料类型之间的相对最优解。

S3：根据配置参数控制电极放电，形成处理电场。

其中，处理电场包括极性交替变化的脉冲电场和单极性高压电场。

图2为本发明第一实施例提供的一种脉冲电场的结构示意图。图3为本发明第一实施例提供的一种单极性高压电场的结构示意图。

结合图1至图3所示，在执行静电场干燥处理时，将待处理物料放置于发射极极板和接收极极板之间。首先控制系统进入脉冲电场处理阶段，可根据脉冲电场参数对电极针提供极性交替变化的脉冲电压，在发射极极板和接收极极板之间形成脉冲电场，对放置在极板之间的物料进行预处理；在预处理结束后，控制系统进入单极性电场处理阶段，可根据单极性电场参数对电极针提供单极性高压电压，例如输出10kV至60KV的单极性高压电压，在发射极极板和接收极极板之间形成单极性高压电场，对物料进行干燥处理。在整个过程中，不需要移动物料或者拆卸设备，只需要调整极板电压大小和极性即可切换不同的处理阶段。由此，通过设置脉冲电场和单极性电场对物料进行干燥处理，基于物料及环境特征自动匹配及切换干燥处理策略，解决了现有的静电干燥处理缺乏有效的干燥控制策略和物料处理手段，导致干燥速率慢、效果差的问题，有利于提高物料干燥效率，改善物料干燥效果。

可选地，图4为本发明第一实施例提供的另一种静电场控制方法的流程图，在图1的基础上，示例性地示出了一种具有离子检测功能的静电场控制方法。

如图4所示，该静电场控制方法包括以下步骤：

S1：获取待处理物料的物料及环境特征。

S2：根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数。

S3：根据配置参数控制电极放电，形成处理电场。

S210：获取电场离子检测结果。

S220：根据电场离子检测结果确定电荷分布模型。

S230：根据电荷分布模型对配置参数进行二次调整。

一实施例中，根据电荷分布模型对配置参数进行二次调整，包括：根据电荷分布模型确定当前的实际电场强度；获取待处理物料对应的目标电场强度；根据实际电场强度和目标电场强度确定目标离子风速；根据目标离子风速确定目标配置参数；其中，目标离子风速与放电电流正相关，目标离子风速与极板间距负相关。

具体地，离子浓度可用于表征为离子电流大小，通过检测离子浓度，可以判断当前电极针放电的速率是否合适，适应性地调节放电电压、放电电流以及极板间距，有利于优化静电场处理效果。

可选地，图5为本发明第一实施例提供的又一种静电场控制方法的流程图，在图1的基础上，示例性地示出了另一种具有离子检测功能的静电场控制方法。

如图5所示，该静电场控制方法包括以下步骤：

S1：获取待处理物料的物料及环境特征。

S2：根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数。

S3：根据配置参数控制电极放电，形成处理电场。

S310：获取电场离子检测结果。

S320：根据电场离子检测结果确定放电电流和放电速率。

S330：根据放电电流和放电速率确定是否存在放电异常。

具体地，放电异常主要包括下述两种情况：第一种是放电结构异常，离子大量堆积在发射极极板处，此时离子电流会迅速增大，可以通过预设电流阈值及预设放电速率阈值来判断是否发生异常放电；第二种是局部场强过大，击穿空气，产生电弧，此时发射极极板处离子迅速移动至接收极板，离子电流迅速减小，同样可以通过预设电流阈值及预设放电速率阈值来判断是否发生异常放电。通过实时监测电压大小和离子浓度，避免了异常放电现象的发生，并通过控制器自动调节电压，实现了自动调整离子风的速率，提高了静电场控制的稳定性和鲁棒性，能够有效提升工作效率。

可选地，图6为本发明第一实施例提供的一种电极放电控制方法的流程图。

如图6所示，上述步骤S3，包括以下步骤：

S301：根据脉冲电场参数对电极提供极性交替变化的脉冲电压，形成脉冲电场。

S302：基于脉冲电场对待处理物料进行预处理。

一实施例中，在单极性电场处理阶段之前，静电场控制方法还包括：对待处理物料进行含水量检测，并根据营养成分含量检测结果确定是否结束脉冲电场处理阶段；和/或，对待处理物料进行营养成分检测，并根据营养成分检测结果确定是否结束脉冲电场处理阶段。

在脉冲电场处理阶段完成后，执行步骤S303。

S303：根据单极性电场参数对电极提供单极性电压，形成单极性电场。

具体地，上述步骤S301至步骤S303记载了一种根据配置参数形成处理电场的具体实施方式。在处理过程中，通过测定物料的营养成分含量来判断脉冲电场处理阶段结束与否，并记录与之对应的水分含量。在实际的应用过程，则直接通过称重来测定水分含量，判断是否结束脉冲电场处理阶段。

可选地，图7为本发明第一实施例提供的另一种电极放电控制方法的流程图。

如图7所示，上述步骤S3，包括以下步骤：

S304：建立电压生成电路。

其中，电压生成电路的输出电压幅值和极性可调。

S305：根据配置参数控制电压生成电路对电极提供正向电压或者反向电压。

具体地，上述步骤S304至步骤S305记载了另一种根据配置参数形成处理电场的具体实施方式。可基于正极电压生成电路和负极电压生成电路建立电压生成电路。正极电压生成电路和负极电压生成电路均与电极电连接。利用静电干燥自带的高压电发生电路，产生脉冲电场对物料进行预处理，在不额外增加设备和传感器负担的前提下，有效提升了物料干燥的速率。

根据本发明的另一方面，提供了一种静电场控制装置，本发明实施例所提供的静电场控制装置可执行本发明任意实施例所提供的静电场控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

图8为本发明第二实施例提供的一种静电场控制装置的结构示意图。

如图8所示，该静电场控制装置包括：检测模块100，用于获取待处理物料的物料及环境特征；参数配置模块200，用于根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数；电场控制模块300，用于根据配置参数控制电极放电，形成处理电场。

其中，配置参数包括：脉冲电场参数和脉冲处理时长，单极性电场参数和单极性处理时长，及极板间距。典型地，脉冲电场参数包括但不限于：脉冲幅值、脉宽、脉冲频率和脉冲放电电流。单极性电场参数包括但不限于：单极性电压幅值和单极性放电电流。

图9为本发明第二实施例提供的另一种静电场控制装置的结构示意图，在图8的基础上，示例性地示出了一种电场控制模块的具体实施方式。

如图9所示，电场控制模块300包括：电压生成电路310，与电极连接，电压生成电路的输出电压幅值和极性可调；控制电路320，用于根据配置参数控制电压生成电路对电极提供正向电压或者反向电压；电源模块330，用于对系统供电，典型地，电源模块330可输出交流220V供电电压；电源模块330经降压电路340对控制电路320供电，其中，降压电路340可集成交直流转换及降压变换功能模块。

如图9所示，电压生成电路310包括正极高电压生成电路301和负极高电压生成电路302。其中，正极高电压生成电路301和负极高电压生成电路302可采用相似的电路结构，例如，在高压侧设置振荡电路，在低压侧设置升压电路，将电源电压V转换为高电压输出。如图9所示，正极高电压生成电路301和负极高电压生成电路302经稳压二极管接入放电电极，稳压二极管用于防止正极高电压生成电路301与负极高电压生成电路302之间产生倒流现象。

图10为本发明第二实施例提供的又一种静电场控制装置的结构示意图，在图8的基础上，示例性地示出了一种具有离子电流检测功能的静电场控制装置。

如图10所示，电场控制模块300还包括：离子检测电路350，离子检测电路350用于获取电极之间的电场离子检测结果，并将电场离子检测结果转换为数字信号。将高压电发生电路和离子检测电路耦合在一起，提升了一体化程度，便于移植到静电消除，干燥等相关领域的设备中。

如图10所示，该离子检测电路350包括：检测电阻R0、电压变换单元T、放大器U1和模数转换单元ADC。其中，检测电阻R0与极板连接，用于检测电极针附近的离子浓度。在电极针电离空气的过程中，因为电离速率与离子运动速率不平衡，会有部分离子滞留在极板处。通过检测离子浓度，可以计算得到电场离子电流大小。通过检测离子浓度，可以判断当前电极针放电的速率是否合适，从而调整放电电压、放电电流以及极板间距，得到最优的效果。该电路也可以用于检测异常放电

基于上述任一实施例，本发明第三实施例提供了一种干燥处理设备，包括上述任一实施例提供的静电场控制装置，具备该装置的所有功能模块和有益效果。

本发明实施例的干燥处理设备，设置脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段，通过获取待处理物料的物料及环境特征；根据物料及环境特征确定脉冲电场处理阶段和单极性电场处理阶段的配置参数；在脉冲电场处理阶段，根据脉冲电场参数控制电极放电形成脉冲电场；在单极性电场处理阶段，根据单极性电场参数控制电极放电形成单极性电场，解决了现有的静电干燥处理缺乏有效的干燥控制策略和物料处理手段，导致干燥速率慢、效果差的问题。由此，通过设置脉冲电场和单极性电场对物料进行干燥处理，基于物料及环境特征自动匹配及切换干燥处理策略，有利于提高物料干燥效率，改善物料干燥效果。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。