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1、哈尔滨理工大学学士学位论文方波脉冲电压下液体食品阻抗参数测量摘要在食品工业中，食品杀菌是一个重要的操作单元。非热力杀菌技术是目前食品研究领域的一个焦点。高压脉冲电场杀菌技术因其杀菌时间短、效率高、能耗少等特点在液体食品灭菌中发挥着越来越重要的作用。常用的脉冲波形有方波、单指数衰减波和振荡波，从杀菌效果上来讲，方波脉冲最好。本文应用555定时器、74LS14反相器、IR2110等芯片制作了一个方波脉冲电压源。阻抗参数测量在现代科学研究和生产生活中有重要的地位。对于液体材料，其测量电极应导电性能好、电极与试样不发生相互作用。此外，由于杂质对液体的阻抗测量十分敏感，还要求电极应便于安装及拆洗。电极选
2、择的好坏对测量结果影响很大。本文第一章给出了国内外有关液体食品脉冲电场灭菌方面的技术进展；第二章提出了一个用于测量液体在方波脉冲下阻抗参数的方波脉冲电压源技术方案，并对该方案进行了仿真分析、设计及制作,最终得到了周期为23s、幅值为110V的方波脉冲电压；第三章分析并选择了用于测量液体食品阻抗参数的电极系统，选取油杯作为试验电极装置；第四章利用方波脉冲电源和电极系统对普通水在方波脉冲电压作用下的阻抗参数测量方法进行了分析。关键词方波脉冲；脉冲电场灭菌；液体食品；阻抗测量Measurement of impedance parameters of liquid food under Square
3、 wavepulsevoltageAbstractIn the food industry, foodsterilizationis an importantoperating unit. Non-heatsterilizationtechnology is a focus of food research areas. High-voltagepulsed electric field sterilizationtechniques isplayinganincreasingly importantroleinthesterilizationofliquid food because oft
4、hesterilization time is short, high efficiency and lessenergy consumption.Commonly usedpulse waveform are square wave,single-exponential decaywave andSasser. Square wave pulse is the best fromthebactericidal effect. In this paper, 555 timer, 74LS14 inverter and IR2110 are used to produce a square wa
5、ve pulse voltage source.Impedance parametersmeasurementhas an importantposition in modern scientificresearchand productionlife. Forliquidmaterials, themeasuring electrodeshould beagoodconductive properties, and the electrodes do not interact with the sample. Inaddition,impedancemeasurementson the li
6、quidis very sensitive toimpurities,also requirestheelectrodeshould beeasy to installandtake apart and wash. Electrode selection is good or bad impact greatly on the measurement results.The first chapter summarizes thetechnical progressof pulsed electric field sterilizationofliquid food at home and a
7、broad; In the second chapter, putting forward a technicalprogramofthevoltage source depending square wave pulse to measuretheimpedanceparameters oftheliquidinasquare wavepulse, and the programconducted asimulation analysis,design and production. Finally get the square wavepulse voltage which the cyc
8、le is 23s and the amplitude is 110V; Designing of and choose theelectrode systemused to measuretheimpedance parametersofliquid food in the third chapter, and select the oil cup as the test electrode device. The measurement methods on the impedance parametersof the water in the square wavepulse volta
9、geare analyzed using the squarewave power supplyandelectrode system in the fourth chapter.Keywords square wavepulse; pulsed electric field sterilization; liquid food; impedance measurements不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 液体食品脉冲电场灭菌的技术进展21.2.1 高压脉冲电场技术简介21.2.2 脉冲电场杀菌
10、装置21.2.3 高压脉冲波形41.2.4 PEF技术国内外研究现状51.3 本章小结7第2章 方波脉冲电压源82.1 方波脉冲电压源技术方案82.1.1 整流滤波电路82.1.2 场效应晶体管（MOSFET）的设计与选取102.1.3 驱动电路的选择与设计112.1.4 主电路、驱动电路详图及元器件参数的选取162.2 方波脉冲电压源技术方案仿真分析182.2.1 NI Multisim 仿真软件简介182.2.2 驱动电路及主电路的仿真分析192.3 本章小结24第3章 电极系统的选择253.1 液体试样所用电极简介253.2 液体试样电极系统263.3 本章小结27第4章 液体阻抗参数测
11、量方法概述28结论31致谢32参考文献33附录34千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义在食品工业中，各种各样食品的防腐保鲜是一个非常重要的问题。据估计，全世界每年约有10%-20%的食品由于腐败而废弃，给社会造成巨大的经济损失的同时还污染了环境。食品灭菌技术在食品生产中有举足轻重的地位，也是保持食品品质的最重要途径之一。目前所广泛采用的杀菌技术主要是热力杀菌技术，也是研究最早和最为成熟的技术，但热力杀菌也有其自身的缺点。传统的低温加
12、热不能将食品中的微生物全部杀灭，而高温加热又会不同程度的破坏一些营养成分，如食品的蛋白质层，纤维层和某些天然特性（包括口感、色泽和香味等）。对于液体食品，高温灭菌方法显然更不适用。因此，非热杀菌技术的研究与应用已逐渐成为食品杀菌技术发展的主要方向，也是目前食品领域的一个焦点。非热杀菌技术很多，主要有超高压杀菌、高压脉冲电场杀菌、臭氧灭菌、紫外照射技术等。其中高压脉冲电场杀菌具有杀菌时间短、能耗低及对食品质量影响小等特点, 在果汁及其它液体可泵食品的加工中已显示出特有的优越性, 有望取代或补充热力杀菌技术。对于液体食品脉冲电场灭菌来说，能量相同、电压或波形不同的高压脉冲电场, 杀菌效果不同。能量
13、及电压相同的方波形脉冲电场比指数形高压脉冲电场杀菌效果好。指数形双极性高压脉冲电场比指数形单极性高压脉冲电场杀菌效果好1。因此对于方波脉冲电压下液体特性的研究具有十分重要的意义。其中，液体的阻抗参数，作为液体电气性能中的重要组成部分，更应对其给与重视及充分探究。综上，通过对方波脉冲电压下液体食品阻抗参数的测量，可以对方波脉冲电压源及液体食品处理电极系统有个较深入的认识，从基础上理解方波脉冲的产生，控制及测量。为脉冲电场灭菌在液体食品工业中的实际应用打下坚实的基础，为此，对方波脉冲电压下液体食品阻抗参数的研究是十分必要的。1.2 液体食品脉冲电场灭菌的技术进展1.2.1 高压脉冲电场技术简介高压
14、脉冲电场技术(High-pulsed electric field，简称PEF) 是利用在两个电极间产生的瞬时高压，以脉冲电场作用于食品介质进行灭菌处理，是近年来研究最多的食品非热处理技术之一。PEF不但具有良好的灭菌、钝酶效果，还能最大限度地维持了食品的天然特性，处理是在室温或温升很小，处理时间短，通常在数秒内完成，节省能源、无环境污染。该处理方法具有两个显著特点:一是由于灭菌时间短，处理过程的能耗远小于热处理等其他方法;二是由于整个处理过程是在常温、常压下进行，处理后食品与新鲜食品在物理性质、化学性质、营养成分上改变甚小，风味、滋味在感官上无明显差异。因此，脉冲电场食品非热处理技术己经成为
15、近20年来最有前途实现工业化应用的非热灭菌技术。1.2.2 脉冲电场杀菌装置PEF技术研究中重要部分是对PEF杀菌装置的研究，其主要包括5个部分：高压电源装置、脉冲发生装置（电容和控制开关）、处理室、冷却系统和电压、温度测定系统。如图1-1所示，为江南大学实验用的PEF处理单元图。图1-1 实验室规模的脉冲处理单元高压电源装置和脉冲发生装置可以概括为高压脉冲发生器。高压脉冲发生器应该被设计成可以控制脉冲的峰值电压，观测电压、电流的波形，调节放电频率和放电时间等。食品在处理室内受到高压脉冲电场作用时，要避免电火花的产生。一旦产生电火花电极就会被腐蚀，食品被电解，产生气泡。因此，在设计食品处理室时，应着重解决好以下问题：电极表面要尽可能光滑以减少电子的逸出采用圆形电极以避免电场集中，为食品提供一个均匀的高压脉冲电场。根据物料是否流动，处理室分为静态式和动态式；根据电极形式分为平板式、同轴式和同场式三种（如图 1-2所示）2。 (a) 平板式 （b）同轴式 （c）同场式图1-2 PEF动态处理室三种不同的结构图 平板式处理室平板式处理室中两个电
