一種便攜式溫濕度發(fā)生器設(shè)計(jì)

梁興忠　馮玉輝　馬嫣　董銳　穆蕾

摘要：本文結(jié)合當(dāng)前的冷鏈物流需要，提出一種便于冷鏈驗(yàn)證現(xiàn)場使用的便攜式溫濕度發(fā)生器，并對該發(fā)生器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：冷鏈驗(yàn)證;溫濕度發(fā)生器;PID控制;輸出電源;測量電路

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0187-02

0 引言

隨著當(dāng)前我國冷鏈物流的不斷發(fā)展，對冷鏈物流的要求也越來越高。如市場中用于冷鏈運(yùn)輸?shù)拇箝l蟹、生鮮食品等，對溫度和濕度都有著嚴(yán)格的要求，一旦溫濕度超出生鮮食品所要求的范圍，會(huì)給商家和物流公司帶來不可估量的損失，所以需要對冷鏈系統(tǒng)中的溫濕度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保溫濕度符合要求。但是冷鏈系統(tǒng)中的傳感器一旦安裝后就不易拆卸，難以送到計(jì)量機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，因此，研究一種便攜式溫濕度校準(zhǔn)的發(fā)生器，成為冷鏈驗(yàn)證的需要。該項(xiàng)目則針對冷鏈驗(yàn)證及其他需求，研制范圍更寬、在濕度控制方面，采用調(diào)濕法對濕度進(jìn)行控制;在溫度控制方面，采用PID控制算法完成對溫度的精準(zhǔn)控制;該發(fā)生器具有獨(dú)立的可調(diào)節(jié)直流輸出電源，并具有5路電壓電流測量電路，能夠獨(dú)立完成現(xiàn)場各類溫濕度儀表的檢測，最后給出上機(jī)位軟件部分的功能模塊和采集裝置。同時(shí)具備溫濕度源與測量功能的便攜式溫濕度發(fā)生器，提供滿足冷鏈驗(yàn)證需求的溫濕度環(huán)境，確保溫濕度傳感器持續(xù)有效，從而為醫(yī)療衛(wèi)生和食品安全提供技術(shù)支撐。

1 本文設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）溫度范圍：-10℃～+60℃;濕度范圍：20%RH～90%RH （20℃）;（2）溫濕度控制精度：溫度±0.10℃;濕度±1.5%RH;（3）均勻度：溫度0.20℃;濕度1.0%RH;（4）波動(dòng)度：溫度±0.05℃;濕度 0.5%RH;（5）腔體容積：圓柱體，半徑15cm，深度為30cm，配透明觀察蓋和可插入傳感器式口蓋;（6）電源輸出：連續(xù)可調(diào)，最大可輸出30V。（7）溫濕度測量精度：溫度±0.1℃;濕度±1.0%RH。

2 便攜式溫濕度發(fā)生器整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文將該便攜式溫濕度發(fā)生器架構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖1所示。該電路包括四部分：電源輸出部分、測量電路、溫濕度源系統(tǒng)、人機(jī)界面部分[1]。

在該整體架構(gòu)中，采用改進(jìn)的分流法原理控制濕度。該方法不是通過嚴(yán)格的計(jì)算并控制干濕氣流量來控制濕度的，而是采用PID調(diào)節(jié)的方式分別控制圖1中的兩個(gè)泵，從而動(dòng)態(tài)的調(diào)整進(jìn)入測試腔體的干氣和濕氣。當(dāng)需要降濕時(shí)，加大通過干燥劑的干氣的流量，同時(shí)降低通過飽和器的濕氣的流量;需要升高濕度時(shí)，則相反。由于本項(xiàng)目要求體積小，且腔體密封，可實(shí)現(xiàn)氣體在內(nèi)部循環(huán)，所以采用改進(jìn)后的分流法，采用PID調(diào)節(jié)干氣和濕氣的流量，盡可能高效利用干燥劑和飽和器，從而既降低腔體內(nèi)濕度的波動(dòng)度又延長干燥劑使用壽命。

考慮到腔體增大和溫度下限降低，為了提供足夠的制冷量，本設(shè)計(jì)采用了復(fù)疊半導(dǎo)體制冷元件，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果調(diào)整了元件數(shù)量。設(shè)計(jì)了電源輸出電路和測量電路，滿足現(xiàn)場儀表需要3.3V、5V、9V、12V、24V電源的要求。提供高測量精度的電測電路，，實(shí)現(xiàn)一臺儀器滿足現(xiàn)場全部需求，提高工作效率。

3 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫濕度源結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)采用雙層套筒，制冷元件置于外層，內(nèi)層為測試腔，外層和內(nèi)層之間僅三個(gè)接觸點(diǎn)用于支撐固定，從而避免直接對測試腔加熱和制冷，減少溫度的波動(dòng)度;內(nèi)層后端通過直流風(fēng)機(jī)形成測試腔—內(nèi)外層夾道—測試腔的風(fēng)道回路，可有效提高溫濕度的均勻性[2]。

3.2 飽和裝置設(shè)計(jì)

飽和裝置用于對通過裝置的氣體加濕，其能達(dá)到的飽和程度將決定溫濕度源的上限濕度。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的冒泡法原理，具體見圖3所示。在圖3中，氣體管路進(jìn)入水槽后，通過盤管方式增加管路在水中的長度，同時(shí)在水面下1/2深度的管路上開孔，空的直徑盡可能小，數(shù)量盡可能多。氣體從空中出來，經(jīng)由水槽中的水飽和，通過水槽頂端的出氣口進(jìn)入測試腔。經(jīng)測試，該飽和裝置可達(dá)到96%RH～98%RH[3]。

3.3 復(fù)疊半導(dǎo)體控溫元件

由帕爾貼效應(yīng)可知，通過在半導(dǎo)體致冷器的兩端加載一個(gè)適當(dāng)?shù)闹绷麟妷海瑹崃烤蜁?huì)從元件的一端流到另一端。此時(shí)，制冷器的一端溫度就會(huì)降低，而另一端的溫度就會(huì)同時(shí)上升。只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。其基本使用方式如圖4所示。

半導(dǎo)體元件的單個(gè)制冷元件的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大。通過使用多級、多塊半導(dǎo)體元件，經(jīng)過PID溫度控制，本設(shè)計(jì)的溫度范圍能夠達(dá)到-10℃～+60℃。

4 溫濕度自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)帶有串口，對于溫濕度傳感器可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)校準(zhǔn)，從而節(jié)省人力，提高效率。校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括筆記本電腦、便攜式溫濕度發(fā)生器和測試軟件。本設(shè)計(jì)的電測電路可同時(shí)校準(zhǔn)5支溫濕度傳感器。其流程圖如圖5所示。

如與證書系統(tǒng)連接，還可實(shí)現(xiàn)電子原始記錄上傳及證書自動(dòng)生成功能。

5 結(jié)語

通過上述的設(shè)計(jì)可以看出，用于冷鏈的溫濕度發(fā)生器，可以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的溫度控制，滿足冷鏈系統(tǒng)要求的2℃甚至更低溫度的要求;能夠自身提供電源電路和測量電路，實(shí)現(xiàn)了便攜性;可實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理、原始記錄生成及證書自動(dòng)生成功能，切實(shí)提高了工作效率，降低了人力成本。受限于半導(dǎo)體元件的性能，更寬溫度范圍還需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 王耀弘，周中木，楊波，等.一種便攜式溫濕度發(fā)生器設(shè)計(jì)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（13）：51+49.

[2] 王敏，周昌文，魏根寶，等.溫濕度傳感器檢定裝置對比實(shí)驗(yàn)與分析[J].氣象水文海洋儀器，2010，27（3）：84-86+93.

[3] 李雪，劉燕，朱二光，馬欣.智能溫度模糊控制PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2018，19（11）：118-120.

Design of a Portable Temperature and Humidity Generator

LIANG Xing-zhong1， FENG Yu-hui2， MA Yan3， DONG Rui2， MU Lei2

（1.Shandong Institute of Metrology ， Jinan Shandong? 250014;

2.Shandong Metrological Testing Center ， Jinan Shandong? 250014;

3.Social Justice Measurement in Shandong Province ， Jinan Shandong? 250014）

Abstract：In this paper a portable temperature and humidity generator for cold chain validation is proposed， and the generator is designed in detail.

Key words：cold chain verification; temperature and humidity generator; PID control; output power supply; measurement circuit