连续生产型冻干设备的物料测温系统和方法

摘要

一种连续生产型冻干设备的物料测温系统，所述冻干设备包括冷冻干燥仓和设置在冷冻干燥仓内部的干燥加热装置，所述干燥加热装置具有多层层叠的加热板，所述物料测温系统包括设置在所述干燥加热装置的加热板上的多个测温装置，所述测温装置包括测温元件、行程杆以及控制所述测温元件伸展和内缩的液压油缸，当所述物料沿所述冷冻干燥仓从入料端移动至出料端时，所述测温装置实时检测所述物料各个升华界面的温度参数。由于测温装置采用可伸缩设计的接触式测温元件，并配合以液压油缸，可以精确测量物料表面直至内部的升华界面的温度变化。而且，测温装置沿冻干设备的入料端至出料端分布设置，可对冻干产品生产过程中的温度变化做到精确的反馈和控制。

说明书

技术领域

本发明涉及冷冻干燥系统，尤其涉及一种连续生产型冻干设备的物料测温系统和方法。

背景技术

冻干设备又称真空冷冻干燥设备，是将食品、药品等物料冻结到其共晶点温度以下，使其中的水分变成固态的冰，然后在真空的环境下，使冰直接升华为水蒸汽，再用捕水器将水蒸汽冷凝而最终使物品干燥。例如，现有技术的冻干设备，根据冻干仓的加热体积，可以一次性地将相应数量的物料送入仓体进行真空干燥，全部物料通过速冻隧道进行降温，使物料的温度低于其共晶点，然后采用真空干燥工艺，将物料内的水分从固态直接升华成气态迅速蒸发。形成的冻干制品呈海绵状、无干缩、复水性好且含水分极少，保持了制品原有的结构性能和营养成分，在进行相应包装后可在常温下长时间保存和运输。而在物料的冻干过程中，对物料的精确温度测量则与冻干过程的优化有着重要的关系。例如，在升华干燥过程中，需要控制被干燥物料的温度低于其共熔点或塌陷温度，提高传质速率；在解吸干燥过程中，需要控制被干燥物料的温度低于其塌陷温度或变性温度，控制其残余水分含量等。

然而，现有技术的温度测量大多采用接触式的测温方法，测温元件大多为热电偶或热敏电阻，在冻干物品生产时将其插入物料的内部接近中心位置，然后将热电偶插头安装在固定位置的插座上，一方面测量的温度比较单一，尤其是无法测量物料升华界面的温度变化，另一方面因其安装位置固定，不适用于连续生产型的冻干设备。发明名称为“真空冷冻干燥机红外线测温系统”的第201410157245.5号中国发明专利申请，公开了一种红外测温技术，可以使红外线准确地照射在冻干仓内的物料上，因为是无线测温，不用与被测物料直接接触，故也适用于连续生产型的冻干设备。但是，红外测温装置只能测量物料的表面温度，无法测量物料中心位置的温度，故对于冻干产品生产过程中的温度变化却无法做到精确的反馈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种连续生产型冻干设备的物料测温系统和方法。

根据本发明的一个方面，提供一种连续生产型冻干设备的物料测温系统，所述冻干设备包括冷冻干燥仓和设置在冷冻干燥仓内部的干燥加热装置，所述干燥加热装置具有多层层叠的加热板，所述物料测温系统包括设置在所述干燥加热装置的加热板上的多个测温装置，所述测温装置包括测温元件、行程杆以及控制所述测温元件伸展和内缩的液压油缸，当所述物料沿所述冷冻干燥仓从入料端移动至出料端时，所述测温装置实时检测所述物料各个升华界面的温度参数。

所述液压油缸为薄型液压油缸。

所述的系统还包括设置在所述冷冻干燥仓仓体外侧的气液转换器。

所述测温元件为可伸缩的接触式热电偶。

所述测温元件为铂电阻传感器。

所述测温装置设置在所述干燥加热装置的顶层加热板上。

所述测温装置沿所述冷冻干燥仓的入料端至出料端分布设置。

根据本发明的另一方面，提供一种连续生产型冻干设备的物料测温方法，所述冻干设备包括冷冻干燥仓和设置在冷冻干燥仓内部的干燥加热装置，所述干燥加热装置具有多层层叠的加热板，所述方法包括如下步骤：

A.采用可伸缩的接触式测温元件对送入顶层加热板的物料进行测温；

B.持续测量物料各个升华界面的温度；

C.当判断测温元件测得物料中央升华界面的温度时记录该中央升华界面温度；

D.当判断测温元件测得物料中心位置的温度时记录该中心位置温度；

E.计算该中心位置温度与该中央升华界面温度的温差。

所述步骤A还包括使所述测温元件与被测物料保持接触一个预定时间的步骤。

所述方法还包括计算并存储该预定时间内的平均温度的步骤。

根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统和方法，由于测温装置采用可伸缩设计的接触式测温元件，并配合以液压油缸控制测温元件的动作，可以精确测量物料表面直至内部的升华界面的温度变化。而且，测温装置沿冻干设备的入料端至出料端分布设置，可以对冻干产品生产过程中的温度变化做到精确的反馈和控制，提高了冻干产品的品质。

附图说明

图1是表示根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统所应用的一个冻干设备的整体示意图。

图2A是图1所示冻干设备的一个物料入料端的示意图。

图2B是表示送料装置将装载有物料的托盘送入图2A所示干燥加热装置的示意图。

图3是表示根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统的一个测温装置的示意图。

图4是图3所示测温装置的放大示意图。

图5是表示图4所示测温装置的一个测温元件的结构示意图。

图6是表示根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温方法的流程示意图。

图7是表示图6所示的物料测温方法应用于一种冻干米饭产品的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1是表示根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统所应用的一个冻干设备的整体示意图，图2A是图1所示冻干设备的一个物料入料端的示意图，图2B是表示送料装置将装载有物料的托盘送入图2A所示干燥加热装置的示意图。图中部分示出了根据本发明的物料测温系统，也部分示出了冷冻干燥仓的仓内结构。结合参见图1、图2A和图2B，连续生产型冻干设备包括冷冻干燥仓30以及分别设置在冷冻干燥仓30前后的入料过渡仓31和出料过渡仓32。入料过渡仓31和出料过渡仓32又分别设置有入料装置311和出料装置321。入料装置311用以将承载物料的料盘连续地送入冷冻干燥仓30的仓内，后者设置有送料装置，所述送料装置包括用以连续地将来自所述入料过渡仓的料盘连续并循环地分送至所述冷冻干燥仓30内部的干燥加热装置34的升降装置33。干燥加热装置34包括有多层层叠的加热板341，升降装置33将料盘10送入干燥加热装置34的第一层加热板341后，继续升降动作，并将后续的料盘10送入至第二层加热板341，以此类推并循环操作。被送入干燥加热装置34的物料在仓体30内进行长时间的干燥加热后，最终从冷冻干燥仓的出料端送出，可以通过出料装置321下料进入打包车间包装。较佳的，仓体30的内部例如设置有左右两侧基本对称的干燥加热装置34。连续生产型冻干设备例如采用双侧交替式冷阱的冷冻干燥设备，其配合交替式的制冷捕水和融霜排水，可以实现连续不间断的冻干产品的生产。由于采用交替式冷阱的冻干设备可以根据各种物品包括食品的不同工艺指定时间进行交替融霜，即，一侧冷阱进行制冷捕水，另一侧冷阱进行融霜排水，故冻干效率比传统的仅采用单一冷阱的设备要高。

图3是表示根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统的一个测温装置的示意图，图4是图3所示测温装置的放大示意图。结合参见图1至图4，根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统包括测温装置36，该测温装置36例如设置在冷冻干燥仓30内的干燥加热装置34的顶层加热板341上。较佳的，在冷冻干燥仓30的物料入料端至出料端的干燥加热装置34的加热板341的整个区域内设置多个测温装置36。由于被加工物料是从连续生产型冻干设备的入料端逐渐移送至出料端，故沿着入料端至出料端分布的多个测温装置36可以实时检测物料升华界面的温度变化情况，包括物料表面的实时温度直至物料中心位置的温度。而升华界面是指物料中的冰晶脱离物料升华成水蒸气的分界面，因为真空干燥过程中物料中的水分蒸发是由表面至内部的一个过程，故在冻干生产过程中，物料的升华界面是从表面移动至内部，最终至中心位置即表示物料完成了脱水干燥的过程。根据本发明，该测温装置36例如包括测温元件361、液压油缸362和行程杆363。测温元件361例如采用接触式的热电偶元件，液压油缸362例如为薄型液压油缸，前者可以在液压油缸362和行程杆363的控制下向外伸展或者向内收缩且测量行程可调。较佳的，根据本发明的物料测温系统还包括设置在仓体30外侧的气液转换器365，薄型液压油缸362与气液转换器365搭配使用，一方面无需使用液压站，另一方面气液转换器365内部例如装有抗磨耐压油，通过压缩空气推动气液转换器当中的抗磨耐压油，然后通过油管和液压油缸362连接推动行程杆363动作，可以将测温元件361的探头稳稳地插入物料内部并控制其伸缩自如。这是因为液压油缸相对气缸的机械动作较稳定，而且还可以通过调节压缩空气的压力来调节测温元件361的动作速度，做到了伸缩动作的速度可调，从而使得测温数据更加稳定。

图5是表示图4所示测温装置36的一个测温元件361的结构示意图。结合参见图1至图5，测温元件361例如为一种铂电阻温度传感器，其结构例如包括不锈钢台阶管3611、不锈钢压簧3612和镀镍铜螺纹头3613等。当物料例如由托盘承载通过入料过渡仓31送至仓体30内部的干燥加热装置34的加热板341上后，一开始由于物料经过先前的速冻后整体凝结成块，物料表面较为坚硬，故在真空干燥初期，靠近仓体30的入料端的测温元件361的探头内缩，只能接触到物料的表面测得表面温度。随着时间的推移，物料的干燥程度提升，表面变得酥脆，内部相对松散，设置在仓体30后续位置的测温元件361的探头在液压油缸362和行程杆363的控制下，可以逐渐向物料的内部插入进行测温，持续测量物料各个升华界面的温度参数，直至物料在真空干燥末期完成了脱水干燥的过程，测温元件361的探头可以插入到物料内部的中心位置测得物料的核心温度，由此可以根据物料水分升华的工艺变化，获得物料升华界面的温度变化参数以及物料内部的干燥温度参数。

图6是表示根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温方法的流程示意图。结合参见图1至图6，步骤S61，系统启动测温装置36，对由升降装置33送至干燥加热装置34的顶层加热板341的托盘内的物料进行测温。第一次测温由于物料经过先前的速冻后整体凝结成块，物料表面较为坚硬，此时测温元件361测得的是物料的表面温度。随着时间的推移，物料的干燥程度提升，后续测温元件361的探头逐步可以由浅入深地插入物料的内部，持续测量物料各个升华界面的温度参数。步骤S62，系统判断测温装置36是否测得物料中央升华界面的温度，如否，系统返回步骤S61，继续下一轮的测温；如是，系统在步骤S63记录该中央升华界面的温度，并继续下一个测温。步骤S64，系统判断测温装置36是否测得物料中心位置的温度，如否，继续等待物料的进一步干燥后测温；如是，系统在步骤S65记录物料中心位置的温度。步骤S66，当系统计算物料中心位置的温度与物料中央升华界面的温度在预定的温差范围内时，判断物料已完成干燥。

上述流程中，步骤S62和S65，例如系统可以根据测温元件361插入物料内部的深度判断是否测得物料中央升华界面的温度和物料中心位置的温度，也可以根据生产过程中累积的统计数据，或者根据托盘在冷冻干燥仓30内移动的时间和/或位置做出判断。

图7是表示图6所示的物料测温方法应用于一种冻干米饭产品的流程示意图。结合参见图6和图7，步骤S71，系统启动测温装置36，对顶层加热板341的托盘内的物料进行测温，例如，当第一次进行测温时，液压油缸362驱动测温元件361向外伸展与被测物料的表面接触一个预定时间。步骤S72，系统判断测温是否已达到该预定时间，如否，继续等待，如是，系统在步骤S73计算并存储该预定时间内的平均温度。步骤S74，系统判断测温装置36是否测得物料中央升华界面的温度，如否，系统返回步骤S71，继续下一轮的测温；如是，系统在步骤S75记录该中央升华界面的温度，并继续下一个测温。步骤S76，系统判断测温装置36是否测得物料中心位置的温度，如否，继续等待物料的进一步干燥后测温；如是，系统在步骤S77测量并记录物料中心位置的温度。步骤S78，当系统计算物料中心位置的温度与物料中央升华界面的温度在预定的温差范围内时，判断冻干米饭已完成干燥。

上述流程中，步骤S71至S74例如可以有多次循环，而每次循环测温都是测得物料由外至内逐步移动的升华界面的温度。根据本发明的一个实施例，例如测温的时间可以设计以升降装置33将托盘送至干燥加热装置34的顶层加热板341的1和4的公倍数来计算。例如，设计第一次的测温是在升降装置33第一次将托盘送至顶层加热板341的时间，设计第二次的测温是在升降装置33第四次将托盘送至顶层加热板341的时间，设计第三次的测温是在升降装置33第八次将托盘送至顶层加热板341的时间，以此类推。根据本发明的另一个实施例，例如设定冻干米饭的工艺时间为16小时，并假定在工艺时间为13小时时，物料的升华界面约移动至其内部中心位置，此时测得的温度例如称为物料中央升华界面的温度。由于此时物料中心位置的冰晶尚未完全升华，故加热还需继续。而在工艺时间达到16小时时，物料中心位置的冰晶也完全升华，此时测得的温度例如称为物料中心位置的温度。例如，当系统计算物料中心位置的温度与物料中央升华界面的温差在正负1℃时，则表明冻干米饭完成了干燥工艺。

根据本发明的连续生产型冻干设备的物料测温系统，所述系统配置有处理器，用以执行如上所述的方法。

根据本发明的构思，本领域的技术人员还可以对此作出各种变化和修改，但这些变化和修改均属于本发明权利要求范围以内。