基于LabVIEW的動(dòng)態(tài)水分吸附測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄧龍龍 鄧國(guó)慶 李斌 李志剛 孫淼 楊柯 張龍 劉勇

摘 要： 食品的水分吸附等溫線作為了解食品物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，一直以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地對(duì)吸附性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，針對(duì)食品水分吸附分析的特點(diǎn)，結(jié)合模塊化的硬件設(shè)備，并以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了適用于食品水分等溫吸附調(diào)控和監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)控制樣品周?chē)鷾貪穸炔⒃诰€記錄樣品質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)，為吸附等溫線的研究提供原始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，溫度誤差小于0.5 ℃，相對(duì)濕度誤差小于2%，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，通信穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 吸附等溫線； 動(dòng)態(tài)水分吸附； 溫濕度控制； 數(shù)據(jù)采集； LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)： TN98?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0142?05

Design of dynamic moisture adsorption measurement and control system

based on LabVIEW

DENG Longlong1， DENG Guoqing1， LI Bin2， LI Zhigang1， SUN Miao1， YANG Ke1， ZHANG Long1， LIU Yong1

（1. Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China；

2. Zhengzhou Tobacco Research Institute， China National Tobacco Corporation， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： The moisture adsorption isotherm of food is an important index to understand the physical property of the food， which is always paid extensive attention by the domestic and foreign scholars. In order to test and evaluate the adsorption property quickly， easily and accurately the moisture adsorption isotherm control and monitoring system suiting for the food was developed according to the characteristics of food moisture adsorption analysis， combining with modular hardware equipments， and taking LabVIEW as the software development platform. The system can automatically control the temperature and humidity around the sample， and record the sample quality and relevant parameters online， which can provide the original data for studying the adsorption isotherm. The experimental results show that the system can work normally， its temperature error is less than 0.5℃， its relative humidity error is less than 2%， its data acquisition accuracy is high， and its communication is stable. The expected target was achieved.

Keywords： adsorption isotherm； dynamic moisture adsorption； temperature and humidity control； data acquisition； LabVIEW

0 引 言

對(duì)食品的吸濕特性的研究對(duì)于食品的加工、存儲(chǔ)、包裝等各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)都具有非常重要的指導(dǎo)意義。食品的吸濕特性和含水率與其所處環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度密切相關(guān)，因此常用吸濕曲線描述特定溫度下材料含水率與相對(duì)濕度的關(guān)系，即等溫吸濕曲線[1?2]。研究食品等溫吸濕曲線可以宏觀地測(cè)試其水分吸附曲線，可以更好地了解食品的物理性質(zhì)。研究和確定食品等物質(zhì)的水分吸附等溫線一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[3?8]，飽和鹽溶液法和自動(dòng)濕度生成設(shè)備是目前測(cè)試等溫吸附線的主要測(cè)試方法。飽和鹽溶液法存在濕度平衡時(shí)間長(zhǎng)、濕度不能在線連續(xù)調(diào)整等缺點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)水分吸附法不僅可以方便地研究樣品和水分在濕度變化過(guò)程中的相互作用，同時(shí)也能更快速準(zhǔn)確地確定樣品的水分吸附特性、水分吸附動(dòng)力學(xué)特性[9]。因而動(dòng)態(tài)水分吸附分析技術(shù)逐漸成為研究物料吸濕或解濕動(dòng)力學(xué)的主要手段。其基本原理是在設(shè)定相對(duì)濕度（RH）環(huán)境、恒溫過(guò)程中研究被測(cè)物質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

本文基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出可以在線調(diào)節(jié)、檢測(cè)樣品實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)溫濕度并可在線測(cè)量樣品質(zhì)量的動(dòng)態(tài)水分吸附測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可產(chǎn)生持續(xù)流動(dòng)的濕氣，能使樣品快速達(dá)到吸濕、解吸平衡，極大地提高了吸濕等溫線的測(cè)試效率，同時(shí)還可以避免樣品在高濕環(huán)境下可能出現(xiàn)的霉變問(wèn)題。樣品質(zhì)量的在線測(cè)量能夠得到樣品在任意確定濕度條件下隨時(shí)間吸附水分的速度變化等水分吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，可為進(jìn)一步的研究提供原始數(shù)據(jù)。所編寫(xiě)的軟件界面簡(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單易用，極大地方便了實(shí)驗(yàn)人員的使用。

1 測(cè)控系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)及硬件組成

1.1 濕度控制原理

動(dòng)態(tài)水分吸附分析技術(shù)的基本原理是在設(shè)定的相對(duì)濕度環(huán)境、恒溫過(guò)程中研究被測(cè)物質(zhì)隨時(shí)間的變化規(guī)律；因此樣品周?chē)鷾貪穸拳h(huán)境的準(zhǔn)確控制是研究的基礎(chǔ)。生成已知濕度量值的標(biāo)準(zhǔn)濕氣的方法有很多，其主要分為飽和鹽溶液法、變溫法、雙壓法以及分流法。分流法濕度發(fā)生器因操作簡(jiǎn)單，能夠迅速連續(xù)地調(diào)整濕度量值等特點(diǎn)而成為使用范圍最廣的濕度標(biāo)準(zhǔn)源。針對(duì)動(dòng)態(tài)水分吸附分析系統(tǒng)對(duì)濕氣的需求，本系統(tǒng)的濕度控制方案采用分流法濕度發(fā)生原理作為濕度控制的理論基礎(chǔ)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

采用干燥的壓縮空氣作為氣源，用兩臺(tái)質(zhì)量流量控制器將其按照不同的比例準(zhǔn)確地分為兩路，其中一路通入到飽和槽中用于產(chǎn)生飽和濕氣（即相對(duì)濕度約為100%RH），之后在相同的溫度下與另一路干氣在混合腔中混合，通過(guò)調(diào)節(jié)兩路氣體的流量，便可在實(shí)驗(yàn)腔中得到相對(duì)濕度恒定且連續(xù)可調(diào)的恒濕氣流。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

李占元等人的研究表明，獲得相對(duì)濕度為U的濕空氣需滿足以下條件[10]：

[U=α1-（1-α）eP×100%RH] （1）

式中：[α]為干、濕氣體分流分?jǐn)?shù)，[α=QWQD+QW]；[QW]（單位：L/min）為濕氣流量；[QD]（單位：L/min）為干氣流量；P為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，其值為101 325 Pa；[e]（單位：Pa）為恒溫槽工作溫度T（單位：K）下的飽和水蒸氣分壓力，其值可由經(jīng)驗(yàn)公式 [11]得到：

[ln e=C1T+C2+C3T+C4T2+C5T3+C6ln T] （2）

式中：

[C1=-5 800.220 6；C2=1.391 499 3； ][C3=-0.048 602 39；C4=0.417 647 68×10-4；][C5=-0.144 520 93×10-7；C6=6.545 967 3 ]

由式（1）、式（2）可知，在恒溫槽溫度及總壓力恒定的環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)環(huán)境的相對(duì)濕度只與分流比有關(guān)，而分流比是由干、濕氣流量共同決定，因此只需控制干、濕氣體的流量就能控制實(shí)驗(yàn)腔中環(huán)境的相對(duì)濕度。質(zhì)量流量控制器V1，V2分別用來(lái)控制干氣和濕氣的流量；飽和槽、混合腔及實(shí)驗(yàn)腔均放置在同一恒溫槽中；恒溫水浴箱中的恒溫介質(zhì)為蒸餾水，用保溫橡膠管將恒溫水浴箱與恒溫槽相連，實(shí)現(xiàn)恒溫介質(zhì)在恒溫槽中的循環(huán)；稱(chēng)重傳感器用以在線測(cè)量樣品的實(shí)時(shí)質(zhì)量。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

在動(dòng)態(tài)水分吸附分析過(guò)程中，需要控制樣品周?chē)臏囟燃皾穸取⒉杉瘶悠返馁|(zhì)量等。這些功能分別由恒溫水浴箱、質(zhì)量流量控制器、天平以及基于RS 232/RS 485總線的設(shè)備間互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)等組成。這些設(shè)備或配備了RS 232或配備了RS 485通信接口，并且提供了相應(yīng)的通信協(xié)議，因此只需要利用總線，便能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與這些設(shè)備之間的通信[12]，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集。為了將多個(gè)設(shè)備方便的與工控機(jī)連接，配備了USB?RS 232/RS 485轉(zhuǎn)換器與工控機(jī)通過(guò)USB接口連接，實(shí)現(xiàn)與上述各器件的數(shù)據(jù)交換，硬件組成圖如圖2所示。

溫濕度傳感器將所檢測(cè)的溫濕度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，溫濕度變送器通過(guò)放大、調(diào)理等環(huán)節(jié)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為適用于變送器傳送的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)采集卡采集。為了實(shí)現(xiàn)上述電流信號(hào)的采集，選擇了阿爾泰公司研發(fā)的ART3059數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集卡的主要性能參數(shù)和特點(diǎn)如下：采樣頻率為10 Hz；分辨率為16 b；精度為[±]0.1%；通道輸入為6路差分、2路單端或8路差分；支持通道量程獨(dú)立配置；電源為未處理DC 10～30 V；功耗為1 W@DC 24 V。

本溫濕度控制系統(tǒng)中氣體流量的混合比是決定濕度值的重要因素，其控制精度直接影響到實(shí)驗(yàn)腔中最終濕度。所選用的CS200?A型氣體質(zhì)量流量控制器是七星電子生產(chǎn)的數(shù)字型產(chǎn)品，為氣體質(zhì)量流量的控制、測(cè)量提供了高準(zhǔn)確度及高可靠性。其測(cè)量控制范圍為0～5 L/min，重復(fù)精度為[±0.2%]FS。該型產(chǎn)品可同時(shí)支持?jǐn)?shù)字信號(hào)，0～5 V模擬信號(hào)，4～20 mA或0～20 mA模擬信號(hào)。其標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放的RS 485通信協(xié)議為系統(tǒng)控制、采集軟件的開(kāi)發(fā)提供了便利。

外置恒溫水浴箱利用循環(huán)水對(duì)恒溫槽的溫度予以控制。恒溫槽的作用是將從質(zhì)量流量控制器出來(lái)的氣體在進(jìn)入飽和槽和混合腔之前預(yù)熱到設(shè)定的溫度，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)腔提供分布均勻且穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。選用的優(yōu)萊博公司的F12?MA程控型加熱浴槽循環(huán)器，其具有PID2和PID3溫度控制技術(shù)，保證溫度控制穩(wěn)定性，且?guī)ё詣?dòng)溫度漂移補(bǔ)償，溫度穩(wěn)定性為[±0.01]℃；自帶循環(huán)泵，適合于浴槽內(nèi)外的溫度控制，尤其適合外部體系的溫度控制與測(cè)量；具有制冷功能，可以創(chuàng)造出低于室溫的恒溫環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫吸附實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展；具有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232通信接口，可以方便測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)。

選用的天平為賽多利斯分析天平，其精度為0.1 mg。此款天平是專(zhuān)為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的天平，能夠在分析稱(chēng)重過(guò)程中得到最高的精度，顯示4位小數(shù)的精確讀數(shù)。同時(shí)天平具有RS 232接口，能方便的與工控機(jī)進(jìn)行通信。

動(dòng)態(tài)水分測(cè)控系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

2 基于LabVIEW環(huán)境下測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

2.1 LabVIEW及VISA簡(jiǎn)介

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶(hù)界面[13]。VISA（Visual Instrument Software Architecture）是一種通用的用于軟件和硬件之間通信的架構(gòu)[14]，包括硬件設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀取、寫(xiě)入等基本控件。它在LabVIEW中的應(yīng)用，使用戶(hù)能與大多數(shù)儀器總線連接，包括GPIB，USB，串口，PXI等。無(wú)論底層是何種硬件接口，用戶(hù)只需面對(duì)統(tǒng)一的編程接口——VISA，即能夠方便進(jìn)行硬件間的通信。

2.2 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)水分吸附測(cè)控系統(tǒng)的目的是測(cè)量確定溫濕度條件下樣品質(zhì)量變化的規(guī)律。其中溫濕度的控制是通過(guò)對(duì)恒溫水浴箱及氣體質(zhì)量流量控制器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)溫度、濕度、總的氣體流量、每個(gè)階段的時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行程序后軟件將自動(dòng)計(jì)算干濕氣體的流量，并完成對(duì)各器件的控制。本系統(tǒng)采用數(shù)組表格的形式對(duì)設(shè)定的參數(shù)予以顯示，如圖4（a）所示。各器件與工控機(jī)的通信均是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)驗(yàn)前需為各器件配置相應(yīng)的串口。

LabVIEW提供的波形圖表能非常清晰地顯示采集到的波形。其中本系統(tǒng)的溫、濕度范圍均為0～100，所以共用左邊的y軸，并將此y軸的范圍固定為0～100；質(zhì)量數(shù)據(jù)匹配為右邊的y軸，并將此y軸設(shè)定為近似調(diào)整上下限，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以清楚的看到樣品質(zhì)量的微小變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)的其他參數(shù)通過(guò)數(shù)值顯示控件予以顯示，其程序前面板如圖4（b）所示。

2.3 程序后面板設(shè)計(jì)

綜合考慮采集卡、天平的最高采樣速率及樣品質(zhì)量變化的特點(diǎn)等因素的影響，測(cè)控系統(tǒng)最終的采樣頻率設(shè)置為1 Hz。由于采樣頻率很低，不僅硬件采樣方式能夠完成采樣工作，而且在LabVIEW環(huán)境下，軟件采樣方式也能很好的完成此項(xiàng)任務(wù)。與采集卡內(nèi)部定時(shí)觸發(fā)的硬件采樣方式相比，軟件采樣具有編程容易、易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因而本測(cè)控軟件采用軟件采樣方式實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的采集。工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡ART3059、干濕氣體質(zhì)量流量控制器以及天平通過(guò)相應(yīng)的串口進(jìn)行通信。在對(duì)通信端口、波特率、數(shù)據(jù)位等重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，將控制指令（依據(jù)各器件的使用手冊(cè)進(jìn)行編寫(xiě)）通過(guò)VISA Write發(fā)送給各器件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡、質(zhì)量流量控制器等器件參數(shù)的設(shè)置和讀取。

動(dòng)態(tài)水分吸附測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的LabVIEW程序模塊如圖5所示。采用定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采樣頻率的控制。計(jì)算機(jī)與各器件的通信由各相應(yīng)的子VI構(gòu)成。首先通過(guò)ART3059子VI完成實(shí)驗(yàn)腔溫濕度的讀??；之后通過(guò)干、濕氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)流量讀取子VI干濕氣體實(shí)時(shí)流量；樣品質(zhì)量的采集由天平讀數(shù)子VI完成；最后將所采集的溫濕度信號(hào)及質(zhì)量信號(hào)合并后顯示在前面板上的溫濕度及質(zhì)量波形圖表上。在定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建兩個(gè)移位寄存器，分別用于采樣時(shí)間及采樣數(shù)據(jù)的打包。

為了便于事后對(duì)數(shù)據(jù)的處理、檢驗(yàn)和計(jì)算，實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)除了在線顯示外，還需要把這些數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)在電腦的硬盤(pán)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)調(diào)用Open/Create/Replace File創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)保存的Microsoft Excel逗號(hào)分隔值文件，接著調(diào)用Write to Text File.VI將經(jīng)過(guò)處理的溫、濕度及干、濕氣體流量值等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存寫(xiě)入創(chuàng)建的文件中。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序如圖6所示，該子程序通過(guò)%2f對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)某煙草樣品水分吸附分析實(shí)驗(yàn)的需要，稱(chēng)取6.274 0 g的樣品利用本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)水分吸附測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。樣品在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先在溫度為22 ℃[±]0.5 ℃、相對(duì)濕度為60%[±]2%的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室放置48 h，以達(dá)到該環(huán)境下的水分吸脫附平衡。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)恒溫槽中水溫為40 ℃，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)能按照預(yù)定的參數(shù)準(zhǔn)確控制樣品周?chē)臏貪穸拳h(huán)境。各階段濕度能迅速調(diào)整到設(shè)定的值，誤差在2%以?xún)?nèi)，滿足吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)濕度值的精度要求。樣品質(zhì)量的微小變化均能在圖上清楚的顯示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采集的溫濕度、質(zhì)量曲線如圖7所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)水分測(cè)控系統(tǒng)包括溫濕度控制及質(zhì)量等數(shù)據(jù)的在線采集，詳細(xì)介紹了各個(gè)部分的原理及實(shí)現(xiàn)途徑。它應(yīng)用模塊化的硬件設(shè)備及LabVIEW圖形化編程軟件，實(shí)現(xiàn)了在Windows環(huán)境下對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與顯示。該動(dòng)態(tài)水分測(cè)控系統(tǒng)具有溫濕度控制準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行食品、藥品、煙草等多類(lèi)樣品的水分吸附實(shí)驗(yàn)，具有廣泛的用途和良好的發(fā)展前景。

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