一种便携式温湿度发生器设计

梁兴忠　冯玉辉　马嫣　董锐　穆蕾

摘要：本文结合当前的冷链物流需要，提出一种便于冷链验证现场使用的便携式温湿度发生器，并对该发生器进行了详细的设计。

关键词：冷链验证;温湿度发生器;PID控制;输出电源;测量电路

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0187-02

0 引言

随着当前我国冷链物流的不断发展，对冷链物流的要求也越来越高。如市场中用于冷链运输的大闸蟹、生鲜食品等，对温度和湿度都有着严格的要求，一旦温湿度超出生鲜食品所要求的范围，会给商家和物流公司带来不可估量的损失，所以需要对冷链系统中的温湿度传感器进行校准，以确保温湿度符合要求。但是冷链系统中的传感器一旦安装后就不易拆卸，难以送到计量机构实验室进行校准，因此，研究一种便携式温湿度校准的发生器，成为冷链验证的需要。该项目则针对冷链验证及其他需求，研制范围更宽、在湿度控制方面，采用调湿法对湿度进行控制;在温度控制方面，采用PID控制算法完成对温度的精准控制;该发生器具有独立的可调节直流输出电源，并具有5路电压电流测量电路，能够独立完成现场各类温湿度仪表的检测，最后给出上机位软件部分的功能模块和采集装置。同时具备温湿度源与测量功能的便携式温湿度发生器，提供满足冷链验证需求的温湿度环境，确保温湿度传感器持续有效，从而为医疗卫生和食品安全提供技术支撑。

1 本文设计的主要技术指标

（1）温度范围：-10℃～+60℃;湿度范围：20%RH～90%RH （20℃）;（2）温湿度控制精度：温度±0.10℃;湿度±1.5%RH;（3）均匀度：温度0.20℃;湿度1.0%RH;（4）波动度：温度±0.05℃;湿度 0.5%RH;（5）腔体容积：圆柱体，半径15cm，深度为30cm，配透明观察盖和可插入传感器式口盖;（6）电源输出：连续可调，最大可输出30V。（7）温湿度测量精度：温度±0.1℃;湿度±1.0%RH。

2 便携式温湿度发生器整体架构设计

本文将该便携式温湿度发生器架构设计为如图1所示。该电路包括四部分：电源输出部分、测量电路、温湿度源系统、人机界面部分[1]。

在该整体架构中，采用改进的分流法原理控制湿度。该方法不是通过严格的计算并控制干湿气流量来控制湿度的，而是采用PID调节的方式分别控制图1中的两个泵，从而动态的调整进入测试腔体的干气和湿气。当需要降湿时，加大通过干燥剂的干气的流量，同时降低通过饱和器的湿气的流量;需要升高湿度时，则相反。由于本项目要求体积小，且腔体密封，可实现气体在内部循环，所以采用改进后的分流法，采用PID调节干气和湿气的流量，尽可能高效利用干燥剂和饱和器，从而既降低腔体内湿度的波动度又延长干燥剂使用寿命。

考虑到腔体增大和温度下限降低，为了提供足够的制冷量，本设计采用了复叠半导体制冷元件，并根据实验效果调整了元件数量。设计了电源输出电路和测量电路，满足现场仪表需要3.3V、5V、9V、12V、24V电源的要求。提供高测量精度的电测电路，，实现一台仪器满足现场全部需求，提高工作效率。

3 关键装置设计

3.1 温湿度源结构设计

温湿度源结构如图2所示。结构采用双层套筒，制冷元件置于外层，内层为测试腔，外层和内层之间仅三个接触点用于支撑固定，从而避免直接对测试腔加热和制冷，减少温度的波动度;内层后端通过直流风机形成测试腔—内外层夹道—测试腔的风道回路，可有效提高温湿度的均匀性[2]。

3.2 饱和装置设计

饱和装置用于对通过装置的气体加湿，其能达到的饱和程度将决定温湿度源的上限湿度。本设计采用改进的冒泡法原理，具体见图3所示。在图3中，气体管路进入水槽后，通过盘管方式增加管路在水中的长度，同时在水面下1/2深度的管路上开孔，空的直径尽可能小，数量尽可能多。气体从空中出来，经由水槽中的水饱和，通过水槽顶端的出气口进入测试腔。经测试，该饱和装置可达到96%RH～98%RH[3]。

3.3 复叠半导体控温元件

由帕尔贴效应可知，通过在半导体致冷器的两端加载一个适当的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。其基本使用方式如图4所示。

半导體元件的单个制冷元件的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成系统的话，功率就可以做的很大。通过使用多级、多块半导体元件，经过PID温度控制，本设计的温度范围能够达到-10℃～+60℃。

4 温湿度自动校准系统设计

本设计带有串口，对于温湿度传感器可实现全自动校准，从而节省人力，提高效率。校准系统主要包括笔记本电脑、便携式温湿度发生器和测试软件。本设计的电测电路可同时校准5支温湿度传感器。其流程图如图5所示。

如与证书系统连接，还可实现电子原始记录上传及证书自动生成功能。

5 结语

通过上述的设计可以看出，用于冷链的温湿度发生器，可以实现更宽范围的温度控制，满足冷链系统要求的2℃甚至更低温度的要求;能够自身提供电源电路和测量电路，实现了便携性;可实现温湿度传感器的自动校准、数据处理、原始记录生成及证书自动生成功能，切实提高了工作效率，降低了人力成本。受限于半导体元件的性能，更宽温度范围还需要进一步的研究。

参考文献

[1] 王耀弘，周中木，杨波，等.一种便携式温湿度发生器设计研究[J].科技经济导刊，2017（13）：51+49.

[2] 王敏，周昌文，魏根宝，等.温湿度传感器检定装置对比实验与分析[J].气象水文海洋仪器，2010，27（3）：84-86+93.

[3] 李雪，刘燕，朱二光，马欣.智能温度模糊控制PID系统设计[J].信息记录材料，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