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多物理模拟：IEEE频谱插入
经理指南

ITW使用多物理模拟来烹饪智能微波炉设计

ITW的工程师使用多物理学模拟和应用程序来分析智能设备设计，改善厨房专业人员需要使用固态，对流加热功能更快，更均匀地烹饪食物。

托马斯·福里斯特（Thomas Forrister）
2019年12月

是什么使电子设备“聪明”？当然，连接性是一个很大的因素，现在使用蓝牙无缝从​​手机或平板电脑切换到计算机很普遍®技术，无线互联网或4G LTE和5G协议。获得智能（有时甚至是人工智能）标签的另一个标志是设备的计算功能，它可以帮助我们更轻松地执行日常任务。以智能家庭概念为例。得益于许多设备的更广泛的软件功能，消费者现在能够通过使用机器人真空吸尘器并在计时器上调整照明和加热设置来自动化自己的生活并节省能源成本。

在厨房内，冰箱，洗碗机和具有智能功能的微波炉等设备正在成为日常生活的一部分。智能电器在专业厨房中也占有一席之地。通过为这些专业空间设计尖端的智能设备，伊利诺伊州工具工程（ITW）食品设备集团是全球最大的商业食品设备公司，正在彻底改变厨师厨师的方式，在服务期间管理时间并建造菜单。

用固态技术生成微波

ITW提供从饮料服务制冷到热持有设备的工业设备产品，并使用Comso乐动体育app无法登录lMultiphysics®软件来构建和分发仿真应用程序，改善制造过程和设计。他们最新的商业产品IBEX（图1）是为专业厨房设计的微波炉和对流烤箱。IBEX产品包含许多智能功能，并改变食物与其他智能组合烤箱的烹饪方式不同。

ITW开发的IBEX固态微波炉的照片。
图1. ITW的IBEX固态微波/对流烤箱。

RF技术在烹饪所需的各种负载条件下提供一致的性能。ITW的工程师正在利用固态RF功率放大器和接收器来利用RF Energy的力量，该功率与传统的磁铁相比，它以更聪明，更均匀，更有效的方式引导能量 - 取决于食物类型或如何很多食物正在加热。这项技术达到了组合烤箱的质量，但烤箱的时间很快。

有针对性的供暖能力有助于自动化厨师和其他厨房工作人员的任务。除了固态加热的效率外，IBEX烤箱还能够使用算法来帮助专业人士编程食谱和自定义菜单，并在其工作上执行共同的功能。没有连接性因素，智能设备将无法完成：IBEX具有一个USB端口，可以通过上传或传输轻松扩展菜单。

添加智能功能有助于厨房专业人士，但是有助于设计设备的工具呢？SR Christopher Hopper说：“当试图用微波/RF能量优化食物加热时，可以使用模拟来获得对期望的近似理解。”ITW的RF系统工程师。“使用仿真来了解固态烤箱中可用的加热模式，可以进行更明智的实验设置。”

他补充说，该团队还节省了粮食和人工成本，因为几乎没有试用实验的试验 - 他们可以提前做到这一切，以找到设备和相关实验的最佳设计。

结合模拟和实验的组合智能工作

首先使用COMSOL®软件和附加RF模块来设置实验，这有助于霍珀和他的团队研究各种负载，均匀性，食物中的热点等等。然后他们利用Livelink™为了MATLAB®通过将参数扫描与复杂的后处理相结合，以减少计算时间。Hopper发现这种接口功能特别有益，因为他广泛使用MATLAB®软件。

他们的重要实验之一认为固态RF IBEX设计的效率。Hopper和他的团队对烤箱能够为具有不同体积和负载分配的不同食品容器保持高效率感兴趣，因此他们使用仿真来帮助他们测试容器并确定在哪里有均匀性改善的空间。比较了薄层和一系列圆柱形载荷的立方排列。对于每种类型的容器，固态烤箱可以保持高效的能量输送到负载。

当前市场上的Rapid-Cook烤箱无法调整参数，例如相位，频率和输出功率，这会在负载量，分布和项目数量变化时会导致效率较大。另外，对流或组合烤箱的有效性取决于负载的表面积，因此增加项目的数量并不一定会导致烹饪或重新加热所需的时间增加。相反，对于多种负载配置，IBEX烤箱的效率保持较高，因此将组合/对流烤箱的质量与商业快速烤烤箱的速度相结合。

但是，仅具有控制频率，相位和输出功率的能力不足以维持高效的能源传递。相反，他们依靠闭环反馈系统来评估改善烹饪配置的机会。与开环类型烤箱相反，闭环允许设备学习初始条件，应用专门的加热配置，并适应烹饪过程中负载的不断变化的物理特性。通过使用闭环作为控制形式，工程师可以将系统的生成的输出馈回系统。通过将实际输出与所需的输出进行比较，他们可以设计此类系统，以自动通过误差信号感知和监视输出的差异，从而改变负载，食物特性和其他条件以改善烹饪过程。

使用来自腔/负载系统的反馈，他们能够运行测试，以查看可以将烹饪配置组合在一起以提高均匀性和一致的能量输送（图2），同时使用较少的名义功率来实现相同的结果。

四个图显示了在结合加热模式时均匀性的改善。
图2.结合不同的加热模式时，改善的均匀性。

从那里开始，团队可以继续完善测试并确认并理解模拟结果。霍珀说：“ ComsolMultiphysics®使我们的团队能够对食品材料或负载进行准确的耦合电磁学和热模拟。”“这些负载的性能随温度和频率而变化，我们发现该软件可以解释这些变化，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。”

比较不同腔模式的电场图案的两个并排图。
图3.微波炉内的负载和卸载腔模式的电场图案比较。

例如，当他们创建负载和卸载腔模式的模拟时，团队可以看到最有可能位于热点的位置（图3）。评估可能使用模拟的可能的加热模式以及潜在的腔体和炊具吸收可以帮助他们构建实验，其中将使用多个频率收集热和电磁数据（图4）。此外，他们可以确保通过在面包和鸡蛋等食物之间产生有意的温度差来确定模拟结果是准确的。

模拟结果显示了微波炉和鸡蛋被加热的探针放置。
S-Parameters比较有或没有架子的微波炉。
图4.左：烤箱中的探针放置以及用于收集热和电磁数据的鸡蛋。右：带有和不带架子的烤箱的S-参数。

智能设备设计厨房中的厨师越多，越好

除了更复杂的模拟外，Hopper还创建了模拟应用程序，以便同事能够通过更改参数（例如频率或相位响应，温度和时间（就食谱创建），样本量和位置效果，介电特性等参数与设计相互作用。， 和更多。

在组织中部署应用程序有许多优势。霍珀说：“在具有不同技能水平和背景的多元化团队中工作时，我发现为一个人的兴趣和工作职责量身定制申请会减轻模拟专家的工作量。”

他还认为构建模拟应用程序是教育他人的机会。实际上，已经创建了IBEX烤箱的某些应用（图5），目的是将新的团队成员和实习生引入波浪干扰，介电和损耗因子依赖性以及RF加热的基础知识。

一个屏幕截图，显示IBEX烤箱仿真应用程序内置于Comsol Multiphysics。
图5. IBEX烤箱仿真应用程序的用户界面。

固态烹饪设备在烹饪艺术中取得了许多有希望的进步，而有针对性的食物供暖仅仅是其中之一。通过继续使用重要成分，例如仿真，应用程序和后处理工具，食品设备行业的工程师和制造商可以为专业和家庭厨房设计更高效，更可靠的智能设备。

蓝牙单词标记是蓝牙Sig，Inc。拥有的注册商标。
MATLAB是Mathworks，Inc。的注册商标。

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