微波源发射功率控制方法及微波发射系统与流程

本发明属于微波能应用领域，特别涉及微波发射功率控制技术，具体是微波源发射功率控制方法及微波发射系统。

背景技术：

近年来，微波能作为一种清洁，绿色的能源迅速在各个领域得到了广泛的应用。目前微波能在工业中的应用主要有冶金，食品处理，废品处理和化工等领域，主要是利用微波进行物料的加热处理。因工业应用的大规模性，微波反应器处理量大，要求馈入的功率也非常高，工业中常常使用磁控管作为微波源对物料进行加热。许多物料在加热过程中除了伴随物理性状的变化往往还涉及化学反应，其介电特性变化复杂，导致物料与微波的相互作用发生改变，特别是物料对于微波的反射性能的变化是一个值得关注的问题。物料微波反射性能的变化，可能导致反射功率突变，引起磁控管跳模，从而影响磁控管的工作状态，甚至导致磁控管损坏，这一定程度上制约了微波在工业上的大规模应用。

在磁控管的实际应用中，为了保护磁控管避免被反射功率烧坏，微波发射系统往往在磁控管与馈波口之间连接了环形器进行保护。但大功率环形器的隔离度通常只有20db左右，而在实际工业应用中，所使用的磁控管的功率都很高。研究表明，-30db～-40db的反射就能使磁控管跳模，从而影响其正常工作。更有甚者，当入射功率很大，反射到达一定数值时，反射功率会加热磁控管。而磁控管的阴极灯丝很脆弱，很小的功率就能使其烧坏，导致磁控管报废。研究及实际应用都发现，磁控管的损坏往往都伴随着反射的骤增。

为了保护微波功率源以及生产安全，现有技术中也有通过监控微波反射功率控制微波源发射功率的技术。但是由于物料介电特性变化的复杂性，效果都不理想。监控阈值设置高一点，反射功率已经产生了作用控制装置还没有动作，可能起不到保护作用。监控阈值设置低一点，往往又会影响物料的加热效率和效果。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种微波源发射功率控制方法及其微波发射系统，根据反射功率及其变化率对微波源功率进行控制。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种微波源发射功率控制方法，其特征在于，包括步骤：

a、设定采样率、反射功率阈值和反射功率变化率阈值；

b、按照设定的采样率采集负载反射功率；

c、根据步骤b采集的反射功率计算反射功率变化率；

d、将采集的反射功率和计算得到的反射功率变化率与设定阈值及进行比较，当反射功率或反射功率变化率超过设定阈值执行步骤e，否则返回步骤b；

e、向微波源发出控制信号调整发射功率；

f、返回步骤b。

进一步的，步骤a中，根据负载特性设定采样率。

进一步的，所述控制信号包括发射功率调整量信息。

具体的，所述微波源为磁控管微波源。

具体的，所述磁控管微波源至少包括2只磁控管。

具体的，所述微波源用于加热物体。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的另一个方面，提供了一种微波发射系统，包括微波源、功率采集装置、控制装置，所述功率采集装置以设定的采样频率采集负载反射的微波功率，所述控制装置与功率采集装置和微波源连接，根据功率采集装置采集的反射功率数据输出控制信号，对微波源输出功率进行控制，其特征在于，还包括计算模块，所述计算模块根据功率采集装置采集的反射功率数据进行计算，得到反射功率变化率；所述控制装置中存储有反射功率阈值和反射功率变化率阈值，根据所述反射功率和反射功率变化率与相应阈值的比较结果输出控制信号，调整微波源的输出功率。

具体的，所述微波源为磁控管微波源。

具体的，所述磁控管微波源由2只以上磁控管构成。

进一步的，所述控制装置根据反射功率大小或反射功率变化率大小输出控制信号，控制微波源输出功率的调整量。

本发明的有益效果是，本发明的微波控制方法和控制装置运用十分广泛，特别是大功率微波应用领域，都可以使用本发明对微波源进行保护。可以用于微波测量系统、微波加热系统等，本发明既可对单一磁控管微波源进行调控，也可对多个磁控管组成的微波源进行调控。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是某微波处理系统中发射功率和反射功率曲线；

图2为实施例1微波发射系统结构示意图；

图3为微波源发射功率控制流程示意图。

其中

10为磁控管微波源；

11为控制装置；

12为反射功率采集装置；

13为功率耦合装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明中所称的负载，是指接受微波作用的物料，如：被微波加热的物料、在微波作用下进行反应的物料、在微波作用下进行测量的物料等，有时负载还包括放置物料的容器、加热腔等。

微波应用系统，特别是涉及微波加热的系统，由于微波对物料的作用，往往伴随物料物理性状的变化，主要是微波的热效应使物料含水量减少。如图1示出了某微波处理系统中发射功率和反射功率曲线。

这是一套工作频率为915mhz的大功率微波加热系统，用于加热核电站废水，将水分蒸发掉，收集带有放射性的盐分。加热40分钟以后，将微波源功率调节至13.1kw并稳定输出。在加热45分钟左右时突然出现反射功率急剧上升的情况，在不到2分钟的时间，反射功率由不到3kw突然上升到超过7kw，反射功率变化率超过2kw/min。而在入射功率由3kw增加到13.1kw的43分钟时间内，反射功率变化都没有超过3kw，平均反射功率变化率不足0.07kw/min。如图1所示。经过分析研究发现，这是由于物料受到微波作用被加热，水分逐渐减少，溶液浓度越来越大，导致整个被加热物料宏观参数改变，特别是微波反射性能突变造成的。虽然此时加热蒸发过程还没有完成，反射功率的大小也还在微波源能承受的范围内，但还是需要迅速调整微波源输出功率，减小微波功率输出，甚至关闭微波源，否则将极有可能出现反射功率加速上升，烧毁微波源的情况。

申请人通过对其他物料的研究发现，很多物料都存在相似情况。即在微波处理系统中，当物料加热到一定程度，微波反射功率都会发生急剧变化，而往往这时负载的反射功率大小可能并没有超出系统承受范围，如果系统不能及时作出反应，反射功率的急剧增加可能会对微波系统造成严重影响，甚至彻底烧毁微波源，特别是对于磁控管微波源更是如此。

在微波加热过程中，物料宏观参数改变，包括微波反射性能的变化非常复杂，要精确检测这些参数变化非常困难，但反射功率变化率的测量却非常简单和方便。而且经过分析，申请人发现，反射功率变化太快会引起磁控管跳模(即破环了磁控管正常工作的π模)，造成磁控管功率完全无法输出，导致磁控管直接损坏，这种情况下，反射功率不一定很大，但还是会造成磁控管损坏。

根据上述研究成果，本发明提出了一种通过检测微波系统负载反射功率及其变化率来实时调控微波源发射功率的技术方案，以实现对微波源的及时有效保护。

下面以磁控管微波源组成的微波加热系统为例，对本发明的技术方案进行详细描述。

实施例1

本例微波发射系统，结构如图2所示，包括磁控管微波源10、功率采集装置12和控制装置11。

本例磁控管微波源10是由4只磁控管构成的大功率微波源，通过功率耦合装置13向负载传输微波能量。

本例功率耦合装置13由大功率环形器构成。

功率采集装置12通过功率耦合装置13以设定的采样频率采集负载反射的微波功率数据。

功率采集装置12可以使用功率计或者功率测量电路等，可以采用一种或多种反射功率测量方式进行微波功率测量。

控制装置11与功率采集装置12和微波源10连接，形成一个闭合反馈控制回路。

控制装置11根据功率采集装置12采集的反射功率数据输出控制信号，对微波源输出功率进行控制。

本例控制装置11中还包括计算模块，能够根据功率采集装置采集的反射功率数据进行计算，得到反射功率变化率。

控制装置11中存储有反射功率阈值和反射功率变化率阈值。

控制装置11根据采集的反射功率和反射功率变化率与相应阈值的比较结果输出控制信号，调整微波源的输出功率。

本例控制装置11硬件平台可以由plc(可编程逻辑电路)、单片机、嵌入式系统、以及fpga(现场可编程门阵列)等组成，能够根据反射功率大小或反射功率变化率大小输出控制信号，控制磁控管微波源输出功率的调整量。

本发明的微波源发射功率控制流程如图3所示，包括如下步骤：

s0、系统上电准备就绪。

s1、在系统中设定采样率、反射功率阈值和反射功率变化率阈值。

采样率的设定可以根据实际情况来决定，包括根据负载(物料)特性来设定；根据微波处理系统功率来设定。

微波处理系统功率越大，物料水分蒸发快，可以设置较高的采样率，反之可以设置较低的采样率。

物料本身的特性随水分蒸发变化快，可以设置较高的采样率，反之可以设置较低的采样率。

s2、按照设定的采样率采集负载反射功率。

该步骤中，可以采用功率计功率测量电路等，采集负载反射的微波功率。

s3、根据步骤s2采集的反射功率，通过计算得到反射功率相对于时间的变化率——反射功率变化率。

该步骤的反射功率变化率可以根据公式：(at1-at2)/t1-t2进行计算；其中at1为t1时刻采集的反射功率；at2为t2时刻采集的反射功率；t1-t2代表两次采样的时间间隔，是一个与采样率相关的数。

对于介电性能对于微波比较敏感的材料，微波反射性能变化比较快，可以设置较短的采样时间间隔，以便及时反映反射功率的变化。

s4、将采集的反射功率和计算得到的反射功率变化率与设定阈值及进行比较，当反射功率或反射功率变化率超过设定阈值执行步骤s5；如果反射功率和反射功率变化率都没有超过其设定阈值则返回步骤s2继续采集负载反射功率进行连续监控。

s5、向微波源发出控制信号调整发射功率，完成微波源功率调整后返回步骤s2，继续采集负载反射功率，进行下一个控制循环。或关闭微波源结束控制流程。

该步骤中，控制信号可以包括发射功率调整量信息。也就是说控制装置可以根据采集的数据(反射功率和反射功率变化率)大小，调整微波源输出微波功率的大小。特别是当反射功率变化率比较大时，可以较大幅度降低微波源输出功率，反之则可以控制微波源输出功率调整较小的幅度。

实施例2

本发明的微波源发射功率控制方法，特别适合微波源为磁控管微波源的微波加热系统，如各种微波加热装置、微波加热反应炉、微波参数测量系统等。特别是由2只以上磁控管组成的大功率微波加热系统，也非常适合采用本发明微波源发射功率控制方法进行微波源功率控制。

对于工业微波加热系统，由于需要非常大的微波功率，通常采用n只磁控管组成大功率微波源。对于n只磁控管组成的大功率微波加热系统，可以将磁控管分成1、2……n个组，每个组分别有k1、k2……kn只磁控管。k1、k2……kn可以相等也可以不相等，根据功率调整量，可以关闭不同数量的磁控管，达到相应的功率调整量。这里n≥2；n≥n。

本例以十只3kw磁控管构成的大功率微波源为例进行描述。

十只磁控管分成4组，即n＝4；

第一组有1只磁控管，即k1＝1；

第二组有2只磁控管，即k2＝2；

第三组有3只磁控管，即k3＝3；

第四组有4只磁控管，即k4＝4。

本例微波源发射功率控制方法具体流程，从系统上电准备就绪到步骤s4都可以参见实施例1的描述，如附图3所示。

本例步骤s5中，控制装置根据反射功率大小或反射功率变化率大小输出控制信号，控制微波源输出功率的调整量的具体流程如下：

如果控制信号包括的发射功率调整量信息为降低微波源输出功率≤3kw，控制装置关闭第一组磁控管。

如果控制信号包括的发射功率调整量信息为降低微波源输出功率＞3kw，且≤6kw，控制装置关闭第二组磁控管。

如果控制信号包括的发射功率调整量信息为降低微波源输出功率＞6kw，且≤9kw，控制装置关闭第三组磁控管；或关闭第一组磁控管和第二组磁控管。

如果控制信号包括的发射功率调整量信息为降低微波源输出功率＞9kw，且≤12kw，控制装置关闭第四组磁控管；或关闭第一组磁控管和第三组磁控管。

如果控制信号包括的发射功率调整量信息为降低微波源输出功率＞12kw，且≤15kw，控制装置关闭第二组磁控管和第三组磁控管；或者关闭第一组磁控管和第四组磁控管。

如果控制信号包括的发射功率调整量信息为降低微波源输出功率＞15kw，且≤18kw，控制装置关闭第二组磁控管和第四组磁控管；或者关闭第一组磁控管、第二组磁控管和第三组磁控管。

以此类推，通过分组控制可以实现不同调整量的微波功率控制。

可以看出，这种分组控制方法，微波功率的调整是以3kw为步长的步进式调整，但对于大功率微波加热系统，这种调整方法是能够满足系统要求，特别是对于处理的物料比较多的情况更是如此。

实现大功率微波源输出功率的控制和调整，控制装置非常复杂。本发明这种分组调整方法，可以通过控制磁控管电源实现磁控管的关断，极大地简化了控制装置结构，而且还可以通过采用较小功率的磁控管来缩短步长，进行比较精细的调整。

本发明也可以通过采用不同功率的磁控管进行混合编组，既可以比较精细的调整微波源输出功率，又可以在简化结构的基础上获得大功率微波源。