一种基于场路结合获取微波加热系统参数的方法、装置

1.本发明涉及一种基于场路结合获取微波加热系统参数的方法、装置，属于微波加热建模仿真领域。


背景技术：

2.微波加热技术集电磁场和热学两大热门研究领域于一身，通过被加热物料对微波能的吸收，将微波能转化为热能，实现对物料的加热。微波加热具有高效节能、选择加热、清洁无污染等优点，已经在冶金，化工，药品食品等方面有了广泛运用。
3.在对微波加热的分析中，想要得到被加热物料的温度，对物料所处的电磁场分布的分析至关重要，微波谐振腔内的电磁场的分布问题，在数学物理方法上归结为边值问题的求解。
4.发展至今，电磁分布边值问题求解主要有以下四种方法：
5.(1)图解法
6.图解法的使用有很长的历史时期。其优点是比较直观，缺点是计算精度不高，远远不能满足现代工程计算的需求。
7.(2)解析法
8.解析法是至今发展比较成熟的方法，在基于计算机技术的数值分析问世之前，对于电磁分布的边值问题主要是用解析法来求解。
9.(3)模拟法
10.模拟法是通过实验测量具有相同场域方程、相同交界条件下和边界条件的静态电磁场，实现对电磁场分布的仿真模拟。
11.(4)数值分析法
12.随着现代计算机高速发展，基于场理论的电磁场全波分析方法成为可能，通过高性能的计算机以数值的、程序的形式代替解析形式来描述电磁场问题，通过差分代替微分、用有限求和代替积分，将解析问题化为求解差分方程或代数方程问题。
13.由于微波加热的加热腔体往往是一个有限密闭空间，微波在有限空间中存在多种分布模式，对于这种复杂电磁场，有限元法以其处理不规则几何和边界条件、空间和时间特性变化的能力，在建模中得到了广泛的应用。但是在comsol等基于有限元法的商业软件中，分析微波加热系统时需要划分大量网格，求解过程十分缓慢，在一些工程应用中，往往会受计算机存储容量、执行时间的限制，亟需一种有效解决上述问题的方法。


技术实现要素：

14.本发明提供了一种基于场路结合获取微波加热系统参数的方法、装置，通过对加热系统的三维建模，对三维模型的二端口网络划分，并将场分析和电路分析结合，进而可以有效求得微波加热系统中被加热物料整体所处电磁场的参数。
15.本发明的技术方案是：一种基于场路结合获取微波加热系统参数的方法，包括：
16.step1、确定微波加热系统三维模型结构组成；
17.step2、依据微波加热系统三维模型结构组成，建立三维微波加热系统三维模型，并设定微波入射端口1；
18.step3、通过假想平面5将三维微波加热系统三维模型中腔体3中存在的被加热物料、虹膜2分别构建二端口网络；
19.step4、对每个二端口网络分别进行场分析，最终求出二端口网络对应的被加热物料和虹膜散射参数；
20.step5、对应微波加热系统三维模型，建立微波加热系统定性等效电路模型；其中，微波场源对应等效电路模型电流源，微波场中的散射参数对应等效电路模型中的阻抗参数；
21.step6、依据散射参数，求解等效电路模型，获取被加热物料整体所处电磁场电场的幅值。
22.所述微波加热系统三维模型结构组成包括虹膜2、腔体3、微波波导4、被加热物料；被加热物料包括被加热物料的材料种类、性质和尺寸，被加热物料的性质包括介电常数。
23.每个二端口网络采用两个与y轴垂直的假想平面；其中，y轴与虹膜2垂直，虹膜2与入射端口1平行。
24.所述被加热物料存在一个，则对被加热物料、虹膜2分别构建二端口网络；所述被加热物料存在多个，对于腔体中基于y轴存在交叉的被加热物料共用一个二端口网络，否则，采用单独构建的二端口网络。
25.所述step4具体为：采用有限元方法求出微波加热系统三维模型中被加热物料和虹膜散射参数。
26.所述采用有限元方法求出微波加热系统三维模型中被加热物料和虹膜散射参数，具体步骤如下：
27.step4.1、根据散射参数的求解对象，选取需要求解的二端口网络，并确定二端口网络入射端口、二端口网络反射端口；其中，二端口网络中靠近微波入射端口1的假想平面为二端口网络入射端口，二端口网络中远离微波入射端口1的假想平面为二端口网络反射端口；
28.step4.2、根据求解域的几何特征，将整个求解域进行网格单元剖分；
29.step4.3、根据所剖分单元节点数目以及对近似精度的要求，选择满足要求的插值函数作为单元基函数，并将求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近，从而获得含有特定系数的代数方程式；
30.step4.4、将整个求解域中的单元有限元方程进行总体合成，得到整个求解域散射参数，作为step4.1选择的求解对象的散射参数。
31.所述微波场中的散射参数对应等效电路模型中的阻抗参数，具体为：阻抗参数的实部对应通过散射参数转化得到的虹膜等效阻抗实部和被加热物料等效阻抗实部，虚部对应通过散射参数转化得到的腔体短路端的等效阻抗虚部和被加热物料等效阻抗虚部。
32.用等效电路模型中的负载电压值表示被加热物料整体所处电磁场电场的幅值。
33.一种基于场路结合获取微波加热系统参数的装置，包括：
34.确定模块，用于确定微波加热系统三维模型结构组成；
35.第一建立模块，用于依据微波加热系统三维模型结构组成，建立三维微波加热系统三维模型，并设定微波入射端口1；
36.构建模块，用于通过假想平面5将三维微波加热系统三维模型中腔体3中存在的被加热物料、虹膜2分别构建二端口网络；
37.执行模块，用于对每个二端口网络分别进行场分析，最终求出二端口网络对应的被加热物料和虹膜散射参数；
38.第二建立模块，用于对应微波加热系统三维模型，建立微波加热系统定性等效电路模型；其中，微波场源对应等效电路模型电流源，微波场中的散射参数对应等效电路模型中的阻抗参数；
39.获取模块，用于依据散射参数，求解等效电路模型，获取被加热物料整体所处电磁场电场的幅值。
40.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述中任一项所述的基于场路结合获取微波加热系统参数的方法。
41.本发明的有益效果是：本发明具有建模方法简单、模型直观可靠、参数选择合理等特点，在保留一定精确性的前提下，简化数值分析过程，可以解决数值模拟技术过度占用计算机处理器时间和存储器内存的问题，同时提高了仿真结果的可靠性，避免反复的仿真和试验调整，节约大量人力、物力、财力，提高工作效率和工作效果；具体地：通过对加热系统的三维建模，对三维模型的二端口网络划分，并将场分析和电路分析结合，进而可以有效求得微波加热系统中被加热物料整体所处电磁场的参数，其具备的精确性和快速性特性，减轻了对加热腔体进行场分析困难，更加适用于工程应用。
附图说明
42.图1为本发明的流程示意图；
43.图2为本发明中建立的微波加热系统三维模型；
44.图3为本发明基于场路结合分析微波加热系统的设计思路图；
45.图4为本发明中对三维仿真模型的二端口网络的划分图的侧视图；
46.图5为本发明中微波加热腔体和波导整体的等效电路图。
47.图中各标号为：1-微波入射端口，2-虹膜，3-腔体、4-微波波导、5-假想平面、6-莫来石棒。
具体实施方式
48.下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
49.实施例1：如图1-5所示，一种基于场路结合获取微波加热系统参数的方法，包括：
50.step1、确定微波加热系统三维模型结构组成；
51.step2、依据微波加热系统三维模型结构组成，在cmosol软件中建立三维微波加热系统三维模型，并设定微波入射端口1；
52.step3、通过假想平面5将三维微波加热系统三维模型中腔体3中存在的被加热物
料、虹膜2分别构建二端口网络；
53.step4、对每个二端口网络分别进行场分析，最终求出二端口网络对应的被加热物料和虹膜散射参数；
54.step5、对应微波加热系统三维模型，建立微波加热系统定性等效电路模型；其中，微波场源对应等效电路模型电流源，微波场中的散射参数对应等效电路模型中的阻抗参数；
55.step6、依据散射参数，求解等效电路模型，获取被加热物料整体所处电磁场电场的幅值；用等效电路模型中的负载电压值表示被加热物料整体所处电磁场电场的幅值。
56.可选地，所述微波加热系统三维模型结构组成包括虹膜2、腔体3、微波波导4、被加热物料；被加热物料包括被加热物料的材料种类、性质和尺寸，被加热物料的性质包括介电常数。
57.可选地，每个二端口网络采用两个与y轴垂直的假想平面；其中，y轴与虹膜2垂直，虹膜2与入射端口1平行。
58.可选地，所述被加热物料存在一个，则对被加热物料、虹膜2分别构建二端口网络；所述被加热物料存在多个，对于腔体中基于y轴存在交叉的被加热物料共用一个二端口网络，否则，采用单独构建的二端口网络(如有两个被加热物料，如果在y轴上存在交叉，即存在检同的y坐标，则两个被加热物料共用一个共端口网络；如果有两个被加热物料，在y轴上不存在交叉，即分离的，即各自采用一个二端口网络，两个被加热物料构建两个二端口网络；另外的虹膜2构建一个二端口网络)。
59.可选地，所述step4具体为：采用有限元方法求出微波加热系统三维模型中被加热物料和虹膜散射参数。
60.可选地，所述采用有限元方法求出微波加热系统三维模型中被加热物料和虹膜散射参数，具体步骤如下：
61.step4.1、根据散射参数的求解对象，选取需要求解的二端口网络，并确定二端口网络入射端口、二端口网络反射端口；其中，二端口网络中靠近微波入射端口1的假想平面为二端口网络入射端口，二端口网络中远离微波入射端口1的假想平面为二端口网络反射端口；如果求解的为被加热物料，则选取被加热物料对应的二端口网络，其它同理；
62.step4.2、根据求解域的几何特征，将整个求解域进行网格单元剖分；
63.step4.3、根据所剖分单元节点数目以及对近似精度的要求，选择满足要求的插值函数作为单元基函数，并将求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近，从而获得含有特定系数的代数方程式；
64.step4.4、将整个求解域中的单元有限元方程进行总体合成，得到整个求解域散射参数，作为step4.1选择的求解对象的散射参数。
65.可选地，所述微波场中的散射参数对应等效电路模型中的阻抗参数，具体为：阻抗参数的实部对应通过散射参数转化得到的虹膜等效阻抗实部和被加热物料等效阻抗实部，虚部对应通过散射参数转化得到的腔体短路端的等效阻抗虚部和被加热物料等效阻抗虚部。
66.实施例2：如图1-5所示，下面对本发明一种可选的具体方式进行详细说明。本发明实施例以微波加热单模腔加热莫来石棒为例子，获取加热系统在二维仿真电路中的等效模
型和相关参数。
67.微波加热系统三维模型如图2所示，呈矩形体结构，x轴为宽度方向，y轴为长度方向，z轴为高度方向；包括微波入射端口1、虹膜2、腔体3、微波波导4、假想平面5、莫来石棒6，微波由此通过微波波导4和虹膜2进入腔体3，虹膜2为腔体3和微波波导4的分界，边界条件设置为散射边界条件，腔体3为金属材质，设置为理想边界条件，腔体中为空气域，为微波能转化为热能的能量交换场所，莫来石棒6置于腔体3中，通过假想平面5将腔体3中存在的莫来石棒6、虹膜2分别构建二端口网络，每个二端口网络采用两个与y轴垂直的假想平面，对于腔体中基于y轴存在交叉的莫来石棒6共用一个二端口网络，否则，采用单独构建的二端口网络；如本发明实例中，给出的莫来石棒6为一个，因此整个腔体中建立了两个二端口网络；分别求每个二端口网络的散射参数，再通过散射参数转化为阻抗参数实现场路结合。
68.图3为本发明场路结合的设计思路图，在电路分析中，电路元件主要包括电流源项和阻抗项。电流源项对应微波加热系统三维模型的微波源；阻抗项的损耗对应微波在系统中的损耗，阻抗项分为实部和虚部，实部对应虹膜的等效阻抗实部和被加热物料的等效阻抗的实部，虚部对应腔体短路端等效阻抗虚部和被加热物料的等效阻抗虚部。本发明通过对加热系统的三维建模，对三维模型的二端口网络划分，并将场分析和电路分析结合(体现在散射参数与阻抗参数的转换)，进而可以有效求得微波加热系统中被加热物料整体所处电磁场电场的幅值。
69.图4与图5为三维模型与等效电路的对应，图4为图2的侧视图，包括入射端口1、虹膜2、腔体3、微波波导4、划分二端口网络的假想平面5、莫来石棒6，虹膜2对应图5中port，腔体3对应图5中传输线，划分二端口网络的假想平面5对应图5中的1、2、3、4四个假想平面，莫来石棒6对应图5中的sample。
70.等效电路的电源，阻抗等参数与电磁场的电场，散射参数等参数的关系可表示为：
71.1、微波源入射功率与空腔电场幅值关系可表示为：
[0072][0073]
其中，e0表示空腔电场幅值；p表示微波源入射功率；ω表示微波波角频率；ε0表示真空介电常数；v表示腔体体积。
[0074]
2、虹膜等效阻抗za与散射参数关系可表示为：
[0075][0076]
其中：
[0077]
3、被加热物料等效阻抗zb、zc与散射参数关系可表示为：
[0078][0079][0080]
4、各假设平面右侧部分等效阻抗与散射参数关系分别表示为，即以图5所示结构为例，z4表示标号4所在平面右侧部分的阻抗，即对应腔体短路端的等效阻抗；z3表示标号3所在平面右侧部分的阻抗，即对应腔体短路端的等效阻抗 被加热物料的等效阻抗；z2表示
标号2所在平面右侧部分的阻抗，即对应腔体短路端的等效阻抗 被加热物料的等效阻抗 传输损耗；z1表示标号1所在平面右侧部分的阻抗，即对应腔体短路端的等效阻抗 被加热物料的等效阻抗 传输损耗 虹膜等效阻抗，即等效电路模型中的阻抗和，即图3中阻抗；如果存在多个被加热物料二端口网络，求解的方式同理：
[0081]
z4＝jtan(k
10
l2)
ꢀꢀ
(5)
[0082][0083][0084][0085]
5、被加热物料所处电场与空腔电场和等效电流源关系可表示为：
[0086][0087]
其中：e表示被加热物料整体所处电磁场电场的幅值；is表示电流源；gs、g
x
、b
x
、y0可由z1得到。
[0088]
实施例3：一种基于场路结合获取微波加热系统参数的装置，其特征在于：包括：确定模块，用于确定微波加热系统三维模型结构组成；第一建立模块，用于依据微波加热系统三维模型结构组成，在cmosol软件中建立三维微波加热系统三维模型，并设定微波入射端口1；构建模块，用于通过假想平面5将三维微波加热系统三维模型中腔体3中存在的被加热物料、虹膜2分别构建二端口网络；执行模块，用于对每个二端口网络分别进行场分析，最终求出二端口网络对应的被加热物料和虹膜散射参数；第二建立模块，用于对应微波加热系统三维模型，建立微波加热系统定性等效电路模型；其中，微波场源对应等效电路模型电流源，微波场中的散射参数对应等效电路模型中的阻抗参数；获取模块，用于依据散射参数，求解等效电路模型，获取被加热物料整体所处电磁场电场的幅值。需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，例如，对于后者，可以通过以下方式实现：上述各个模块可以位于同一处理器中；和/或，上述各个模块以任意组合的方式位于不同的处理器中。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。
[0089]
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述中任意一项所述的基于场路结合获取微波加热系统参数的方法。
[0090]
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述中任意一项所述的基于场路结合获取微波加热系统参数的方法。
[0091]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。