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基质微波消毒设备设计

时间:2017-03-17 09:28来源:未知 作者:admin 点击:
基质微波消毒设备设计
周雪青,张晓文,邹岚,白洪涛( 北京市农业机械研究所,北京100096)

0 引言
基质作为栽培的核心,是决定植物根系生长环境的最主要因素,也是病虫害传播的媒介和繁殖场所。一方面,连作后自毒产物增多、抵抗力下降,加剧病菌传播; 另一方面,基质本身有害虫、杂草种子,使作物产量降低、品质下降。因此在设施栽培中,基质消毒是非常重要的作业环节。微波消毒兼有热效应和生物效应,其杀菌效率和效果远优于其他物理消毒方法,而且操作简便,无任何毒性、无污染和无残留,国内外科学家一直在不懈地研究和改进微波消毒技术。近年来,随着相关技术的发展,其潜在的广阔应用前景日益引起各国政府和科学家的关注,并认为这是抢占绿色农产品国际市场及其安全生产关键和重要的技术。
开发设施农业无土栽培基质消毒设备不仅可以解决目前设施农业生产中的土传病害问题,填补该项技术的国内空白,而且更能够促进我国设施农业生产装备的进一步发展。本研究根据当前设施农业的生产需求,基于微波消毒机理和特点,设计开发了基质微波消毒设备。
 
1 微波消毒机理
微波是指频率在300 ~ 300GHz 范围内的具有穿透性的电磁波,波长1 mm ~ 1 m。按其波长可分为分米波、厘米波和毫米波3 个波段( 表1) 。
电磁波的波谱
根据目前生物学、生物物理学、生态学和电磁学的研究,微波消毒土壤的机理包括微波的热效应和生物效应( 非热效应) 。热效应是指物料吸收微波能,基质中微生物体内的水、蛋白质和核酸等由于微波的高频特性会剧烈振荡,相互摩擦产生热,使微生物体温度升高,体内的蛋白质和核酸等分子结构变性或失活,从而导致微生物体受到损害而死亡。而非热效应是指生物体内的极性分子在微波场内产生强烈的旋转效应,这种强烈的旋转使微生物的营养细胞失去活性或破坏微生物细胞内的酶系统,造成微生物死亡。
 
2 基质微波消毒设备总体设计
2. 1 整机结构及工作原理
基质微波消毒设备主要由微波箱体、电源架、微波发生器、转盘系统和自动控制系统等组成,其总体结构及样机如图1 所示,系统工作流程如图2所示。

基质微波消毒设备,系统工作流程
设 备运行时首先对ARM处理器进行复位操作,红外测温仪测定基质的温度,并以表格的形式存入存储器中,读出数据后,采用PID 算法对温度值进行分析处理,然后将采集到的温度值和设定的温度值同时送入控制电路,经过控制器运算得到输出控制量; 输出控制量控制驱动电路进行微波发生器的开闭和转盘系统的启停,振荡电路产生的电磁波经馈口装置输入微波腔体中,基质中的病原菌则被微波电磁场作用所产生的生物效应和热效应杀灭。由于微波是直接作用于基质,所以杀菌效果好、速度快。
2. 2 主要技术参数确定
基质微波消毒设备的主要技术参数见表2。
基质微波消毒设备主要技术参数
2. 2. 1 频率选择
目前,消毒常用的微波频率有( 915 ± 25) MHz与( 2 450 ± 50) MHz 两种。微波消毒效果与频率有关,频率低,穿透力强,加热速度慢; 频率越高,升温越快,杀菌作用越强,但穿透力差。考虑到基质的材质较为松软,结构稀松,因此微波消毒频率选择高频率2 450 MHz。
2. 2. 2 功率确定
基质消毒设备功率确定依据: 提供足够大的微波功率,使基质在较短时间内达到杀菌温度点,且保证加热的均匀性。按工作效率120 kg/h 计算,根据经验,每小时出3 批,即进料量为40 kg/批。进料、杀菌和出料时间为20 min,实际杀菌时间取18 min,其中升温时间取7 ~ 8 min。则需要的微波功率:
P = [0. 8 × 120 × ( 75 - 25) + 6 × 540]/860/0. 7
≈13. 36 kW
土壤的比热取3. 35 J/ ( g·℃) ,蒸发的水量5%× 120 = 6 kg,水的蒸发潜热取2 260 kJ/kg,微波吸收效率取70%,初始温度25 ℃,杀菌温度75 ℃( 后续的保温时间仍会有所升温) ,因此,该设备的
功率确定为15 kW。
2. 2. 3 测温方式选择
在微波消毒设备中,传统的接触测温方式测量误差大,并且不易测量,而采用非接触式测温可以解决这些问题。非接触式测温中运用最多的是辐射测温,而辐射测温中运用最多的是红外测温方式,所以,在测温方式上选择红外测温。
(责任编辑:admin)
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