一種便攜式溫濕度發生器設計

梁興忠　馮玉輝　馬嫣　董銳　穆蕾

摘要：本文結合當前的冷鏈物流需要，提出一種便于冷鏈驗證現場使用的便攜式溫濕度發生器，并對該發生器進行了詳細的設計。

關鍵詞：冷鏈驗證;溫濕度發生器;PID控制;輸出電源;測量電路

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

0 引言

隨著當前我國冷鏈物流的不斷發展，對冷鏈物流的要求也越來越高。如市場中用于冷鏈運輸的大閘蟹、生鮮食品等，對溫度和濕度都有著嚴格的要求，一旦溫濕度超出生鮮食品所要求的范圍，會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中的溫濕度傳感器進行校準，以確保溫濕度符合要求。但是冷鏈系統中的傳感器一旦安裝后就不易拆卸，難以送到計量機構實驗室進行校準，因此，研究一種便攜式溫濕度校準的發生器，成為冷鏈驗證的需要。該項目則針對冷鏈驗證及其他需求，研制范圍更寬、在濕度控制方面，采用調濕法對濕度進行控制;在溫度控制方面，采用PID控制算法完成對溫度的精準控制;該發生器具有獨立的可調節直流輸出電源，并具有5路電壓電流測量電路，能夠獨立完成現場各類溫濕度儀表的檢測，最后給出上機位軟件部分的功能模塊和采集裝置。同時具備溫濕度源與測量功能的便攜式溫濕度發生器，提供滿足冷鏈驗證需求的溫濕度環境，確保溫濕度傳感器持續有效，從而為醫療衛生和食品安全提供技術支撐。

1 本文設計的主要技術指標

（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：連續可調，最大可輸出30V。（7）溫濕度測量精度：溫度±0.1℃;濕度±1.0%RH。

2 便攜式溫濕度發生器整體架構設計

本文將該便攜式溫濕度發生器架構設計為如圖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、人機界面部分[1]。

在該整體架構中，采用改進的分流法原理控制濕度。該方法不是通過嚴格的計算并控制干濕氣流量來控制濕度的，而是采用PID調節的方式分別控制圖1中的兩個泵，從而動態的調整進入測試腔體的干氣和濕氣。當需要降濕時，加大通過干燥劑的干氣的流量，同時降低通過飽和器的濕氣的流量;需要升高濕度時，則相反。由于本項目要求體積小，且腔體密封，可實現氣體在內部循環，所以采用改進后的分流法，采用PID調節干氣和濕氣的流量，盡可能高效利用干燥劑和飽和器，從而既降低腔體內濕度的波動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，本設計采用了復疊半導體制冷元件，并根據實驗效果調整了元件數量。設計了電源輸出電路和測量電路，滿足現場儀表需要3.3V、5V、9V、12V、24V電源的要求。提供高測量精度的電測電路，，實現一臺儀器滿足現場全部需求，提高工作效率。

3 關鍵裝置設計

3.1 溫濕度源結構設計

溫濕度源結構如圖2所示。結構采用雙層套筒，制冷元件置于外層，內層為測試腔，外層和內層之間僅三個接觸點用于支撐固定，從而避免直接對測試腔加熱和制冷，減少溫度的波動度;內層后端通過直流風機形成測試腔—內外層夾道—測試腔的風道回路，可有效提高溫濕度的均勻性[2]。

3.2 飽和裝置設計

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

3.3 復疊半導體控溫元件

由帕爾貼效應可知，通過在半導體致冷器的兩端加載一個適當的直流電壓，熱量就會從元件的一端流到另一端。此時，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。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，在一個熱電制冷器上就可以同時實現制冷和加熱兩種功能。其基本使用方式如圖4所示。

半導體元件的單個制冷元件的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯的方法組合成系統的話，功率就可以做的很大。通過使用多級、多塊半導體元件，經過PID溫度控制，本設計的溫度范圍能夠達到-10℃～+60℃。

4 溫濕度自動校準系統設計

本設計帶有串口，對于溫濕度傳感器可實現全自動校準，從而節省人力，提高效率。校準系統主要包括筆記本電腦、便攜式溫濕度發生器和測試軟件。本設計的電測電路可同時校準5支溫濕度傳感器。其流程圖如圖5所示。

如與證書系統連接，還可實現電子原始記錄上傳及證書自動生成功能。

5 結語

通過上述的設計可以看出，用于冷鏈的溫濕度發生器，可以實現更寬范圍的溫度控制，滿足冷鏈系統要求的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，實現了便攜性;可實現溫濕度傳感器的自動校準、數據處理、原始記錄生成及證書自動生成功能，切實提高了工作效率，降低了人力成本。受限于半導體元件的性能，更寬溫度范圍還需要進一步的研究。

參考文獻

[1] 王耀弘，周中木，楊波，等.一種便攜式溫濕度發生器設計研究[J].科技經濟導刊，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驗與分析[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系統設計[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