Have you ever sat down to a microwaved meal only to have one bite burn your mouth while the next bite is still completely frozen? This is because conventional microwave ovens don’t always heat food evenly. But there’s hope for those of us who can’t wait to chow down. Illinois Tool Works (ITW) Food Equipment Group is using new heating methods with simulation to create smart appliances that can cook a variety of foods simultaneously to the desired temperature.
用固态RF技术加热微波炉设计
我们可以理所当然地认为在现代准备食物是多么容易和方便，部分原因是微波炉不起眼。有了几个按钮，我们可以在几分钟之内享用一袋爆米花，并将剩下的剩菜冻结而不拉出多个锅碗瓢盆。但是，正如您可能发现的那样，常规微波炉上的除霜设置不如应有的效果。
尽管传统的微波炉改变了我们在家和专业环境中烹饪的方式，但自微波炉升级以来已经很长时间了。实际上，传统微波使用最初使用的磁控管技术第二次世界大战期间的雷达系统。
基于磁控管的系统有许多局限性，包括：
- 低功率和相控制
- 腔/负载的反馈
- Short lifetime
- Use of high-voltage power supplies
这些限制是由于基于磁控管的RF系统是开路。Therefore, these systems are only able to deliver an approximate energy output that decreases over time, as they have trouble adapting to irradiated energy and the energy reflected from the food into the cavity as the food is heated. The rotating turntable inside of the microwave oven isn’t enough to ensure even distribution of that energy.
最初的腔磁铁，由伯明翰大学的约翰·兰德尔（John Randall）和哈里·布特（Harry Boot）于1940年开发。伦敦科学博物馆/科学与社会图片库的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 2.0, viaWikimedia Commons。
幸运的是，工程师找到了一种解决这些问题并更均匀加热食物的方法。固态RF技术的进步使工程师能够利用RF能源为烹饪设备以外的许多应用领域，包括更多的自然照明，医疗设备和汽车点火系统。对于微波炉，与开环磁铁系统相反，RF固态烹饪使用闭环反馈系统，该系统可以适应各种负载并在烹饪过程中的任何时间测量食物的性质。
In a closed-loop feedback system, engineers can maintain a desired level of control in a process (in this case, the cooking and heating process) by “feeding” the output (or feedback signal) that is produced back into the system. Then, they can improve control by measuring the actual output and seeing how it compares to the desired output. This type of system can be set up by starting out with an open-loop system, then adding in some feedback paths between the input and output. That way, the output is returned to the system. So, in the cooking process in a microwave oven, a closed-loop feedback system can continuously measure and monitor the output and adjust the conditions as necessary. This level of precision means that the appliance can perform efficient targeted heating, zapping away those cold spots in your dinner.
A diagram of a single input, single output closed-loop feedback system. Image by Orzetto — Own work. Licensed underCC BY-SA 4.0, viaWikimedia Commons。
用于专业厨房的市售固态微波烤箱已经在市场上投放市场。这些设备正在重新思考厨师烹饪饭菜的方式，甚至是它们的制造和编程菜单。想象一下，例如，用单个设备烹饪五道菜的餐点，烘烤一批蓬松的羊角面包或在短时间内烤整只鸡。所有这些都是可以使用固态烹饪和新电器内置的智能功能的。
Engineers from ITW Food Equipment Group are using simulation, interfacing products, and simulation applications to design smart appliances that harness RF solid-state technology with variable output, improved phase and frequency control, real-time feedback from the cavity and load, and more. Using the COMSOL Multiphysics® software, they have been able to develop smart rapid-cook ovens with solid-state microwave generation and convection heating, like the IBEX, shown below.
ITW开发的IBEX固态微波/对流烤箱。图片由ITW提供。
使用COMSOLMultiphysics®设计实验和智能微波
ITW的RF系统工程师Christopher Hopper及其团队使用仿真来设置实验并比较结果以改善烹饪设备的设计。Hopper解释说，模拟不仅可以帮助团队了解固态烤箱中可用的加热模式，而且还可以进行更明智的实验设置。除了从一开始就不必建造昂贵的原型外，模拟的另一个优点是，它节省了劳动和食物的成本，因为基本上没有试验的实验运行。
例如，当寻求优化腔和负载系统的设计时，该团队使用仿真将其固态烤箱设计与基于木ementron的烤箱设计进行比较，用于三种不同类型的食物分布：立方，薄层和小圆柱体。结果如预期的那样，表明固态加热对于所有三种形状都更有效。工程师还看到了进一步改进设计的机会。他们发现，如果他们结合了烹饪配置，可以提高整体均匀性和能量输送，并且具有一致的效率可以使用较小的功率来产生相同的结果。
The potential for uniformity improvement. Image courtesy ITW.
为了研究潜在的腔和炊具吸收以及他们认为最有可能发生的加热模式的地方，霍珀和他的工程师设计了实验，以收集热和电磁数据，同时使用多个频率和相位。这使他们能够快速看到这种类型的对特定食物（例如鸡蛋）的加热中容器的影响。
Left: The S-parameters for a generic oven rack vs. S-parameters for an empty oven. Right: Probe placement within eggs to study and improve heating. Images courtesy ITW.
为了确保他们的结果准确，团队测试在实验室中模拟，优化的烹饪算法，鸡蛋和面包等产品：乐动体育app无法登录
Measured temperatures of the pre-cooked egg using different algorithms. The chart on the left is unoptimized, while the chart on the right is optimized. Image courtesy ITW.
算法中使用的样品/频率相组合的模拟温度差异。图片由ITW提供。
有了可用的工具comsol多物理学和附加组件RF Module，这些类型的实验有助于ITW团队对食品材料或负载进行准确的电磁和热模拟。霍珀说：“这些负载的性能随温度和频率而变化，我们发现Comsol®可以解释这些变化，并为加热模式，电磁场幅度和功率损耗密度提供良好的近似值。”
他们还可以使用仿真比较加载和卸载的腔模式。霍珀解释说：“食物的复杂性带来了最大，最有趣的挑战。”“在加热过程中发生了物理和化学变化，通常负载是由多个组件制成的，可能是异质的。”仿真可以帮助团队更好地理解和预测负载和负载属性中的这些变化，最终使目标加热系统更加适应性。
左：预测热点的位置。右：带有两个来源的波导，中间加载。图像由ITW提供。
用额外的装饰增强模拟
In addition to the COMSOL® software, Hopper uses the LiveLink™为了MATLAB®接口产品广泛地减少了计算时间，将参数扫描与复杂的后处理相结合。此过程有助于完善实验并验证结果。例如，霍珀回忆起编写基于物理的算法，使用comsolMultiphysics®与Livelink™进行模拟为了MATLAB®, and running the experiment in the lab. “After capturing a series of compilation thermal images while heating the food, we separated individual heating patterns and found that they matched quite well with what had been simulated.”
团队改善流程和工作流程的另一种方式是通过基于模型创建应用程序。这样，同事可以自己研究更改参数（例如频率/相响应，样本量，温度和时间等），从而为模拟专家提供了时间。Hopper还为IBEX构建了应用程序，以向新的团队成员和实习生介绍波浪干扰，介电/损耗因素依赖性和RF供暖的基础知识。
Learn more about ITW and their development of solid-state microwaves inMultiphysics Simulation2019年IEEE Spectrum插入。
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