基于LabVIEW的动态水分吸附测控系统的设计

邓龙龙 邓国庆 李斌 李志刚 孙淼 杨柯 张龙 刘勇

摘 要： 食品的水分吸附等温线作为了解食品物理性质的重要指标，一直以来受到国内外学者的广泛关注。为了快速、简便、准确地对吸附性能进行测试与评价，针对食品水分吸附分析的特点，结合模块化的硬件设备，并以LabVIEW为软件开发平台，开发了适用于食品水分等温吸附调控和监视系统。该系统能自动控制样品周围温湿度并在线记录样品质量等相关参数，为吸附等温线的研究提供原始数据。实验结果表明，系统工作正常，温度误差小于0.5 ℃，相对湿度误差小于2%，数据采集准确，通信稳定，达到了预期的目标。

关键词： 吸附等温线； 动态水分吸附； 温湿度控制； 数据采集； LabVIEW

中图分类号： TN98?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 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

对食品的吸湿特性的研究对于食品的加工、存储、包装等各个技术环节都具有非常重要的指导意义。食品的吸湿特性和含水率与其所处环境的温度和相对湿度密切相关，因此常用吸湿曲线描述特定温度下材料含水率与相对湿度的关系，即等温吸湿曲线[1?2]。研究食品等温吸湿曲线可以宏观地测试其水分吸附曲线，可以更好地了解食品的物理性质。研究和确定食品等物质的水分吸附等温线一直是国内外学者关注的热点[3?8]，饱和盐溶液法和自动湿度生成设备是目前测试等温吸附线的主要测试方法。饱和盐溶液法存在湿度平衡时间长、湿度不能在线连续调整等缺点，采用动态水分吸附法不仅可以方便地研究样品和水分在湿度变化过程中的相互作用，同时也能更快速准确地确定样品的水分吸附特性、水分吸附动力学特性[9]。因而动态水分吸附分析技术逐渐成为研究物料吸湿或解湿动力学的主要手段。其基本原理是在设定相对湿度（RH）环境、恒温过程中研究被测物质质量随时间的变化规律。

本文基于LabVIEW平台设计开发出可以在线调节、检测样品实验腔内温湿度并可在线测量样品质量的动态水分吸附测控系统。该系统可产生持续流动的湿气，能使样品快速达到吸湿、解吸平衡，极大地提高了吸湿等温线的测试效率，同时还可以避免样品在高湿环境下可能出现的霉变问题。样品质量的在线测量能够得到样品在任意确定湿度条件下随时间吸附水分的速度变化等水分吸附动力学数据，可为进一步的研究提供原始数据。所编写的软件界面简洁、简单易用，极大地方便了实验人员的使用。

1 测控系统方案的实现及硬件组成

1.1 湿度控制原理

动态水分吸附分析技术的基本原理是在设定的相对湿度环境、恒温过程中研究被测物质随时间的变化规律；因此样品周围温湿度环境的准确控制是研究的基础。生成已知湿度量值的标准湿气的方法有很多，其主要分为饱和盐溶液法、变温法、双压法以及分流法。分流法湿度发生器因操作简单，能够迅速连续地调整湿度量值等特点而成为使用范围最广的湿度标准源。针对动态水分吸附分析系统对湿气的需求，本系统的湿度控制方案采用分流法湿度发生原理作为湿度控制的理论基础，其系统组成如图1所示。

图1 结构示意图

采用干燥的压缩空气作为气源，用两台质量流量控制器将其按照不同的比例准确地分为两路，其中一路通入到饱和槽中用于产生饱和湿气（即相对湿度约为100%RH），之后在相同的温度下与另一路干气在混合腔中混合，通过调节两路气体的流量，便可在实验腔中得到相对湿度恒定且连续可调的恒湿气流。其结构示意图如图1所示。

李占元等人的研究表明，获得相对湿度为U的湿空气需满足以下条件[10]：

[U=α1-（1-α）eP×100%RH] （1）

式中：[α]为干、湿气体分流分数，[α=QWQD+QW]；[QW]（单位：L/min）为湿气流量；[QD]（单位：L/min）为干气流量；P为一个标准大气压力，其值为101 325 Pa；[e]（单位：Pa）为恒温槽工作温度T（单位：K）下的饱和水蒸气分压力，其值可由经验公式 [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，在恒温槽温度及总压力恒定的环境中，实验腔内环境的相对湿度只与分流比有关，而分流比是由干、湿气流量共同决定，因此只需控制干、湿气体的流量就能控制实验腔中环境的相对湿度。质量流量控制器V1，V2分别用来控制干气和湿气的流量；饱和槽、混合腔及实验腔均放置在同一恒温槽中；恒温水浴箱中的恒温介质为蒸馏水，用保温橡胶管将恒温水浴箱与恒温槽相连，实现恒温介质在恒温槽中的循环；称重传感器用以在线测量样品的实时质量。

1.2 系统硬件组成

在动态水分吸附分析过程中，需要控制样品周围的温度及湿度、采集样品的质量等。这些功能分别由恒温水浴箱、质量流量控制器、天平以及基于RS 232/RS 485总线的设备间互联通信网络等组成。这些设备或配备了RS 232或配备了RS 485通信接口，并且提供了相应的通信协议，因此只需要利用总线，便能实现计算机与这些设备之间的通信[12]，实现对各个设备的实时控制和数据采集。为了将多个设备方便的与工控机连接，配备了USB?RS 232/RS 485转换器与工控机通过USB接口连接，实现与上述各器件的数据交换，硬件组成图如图2所示。

温湿度传感器将所检测的温湿度转换为电流信号，温湿度变送器通过放大、调理等环节将电信号转换为适用于变送器传送的4～20 mA标准电流信号，最后由数据采集卡采集。为了实现上述电流信号的采集，选择了阿尔泰公司研发的ART3059数据采集卡。该数据采集卡的主要性能参数和特点如下：采样频率为10 Hz；分辨率为16 b；精度为[±]0.1%；通道输入为6路差分、2路单端或8路差分；支持通道量程独立配置；电源为未处理DC 10～30 V；功耗为1 W@DC 24 V。

本温湿度控制系统中气体流量的混合比是决定湿度值的重要因素，其控制精度直接影响到实验腔中最终湿度。所选用的CS200?A型气体质量流量控制器是七星电子生产的数字型产品，为气体质量流量的控制、测量提供了高准确度及高可靠性。其测量控制范围为0～5 L/min，重复精度为[±0.2%]FS。该型产品可同时支持数字信号，0～5 V模拟信号，4～20 mA或0～20 mA模拟信号。其标准开放的RS 485通信协议为系统控制、采集软件的开发提供了便利。

外置恒温水浴箱利用循环水对恒温槽的温度予以控制。恒温槽的作用是将从质量流量控制器出来的气体在进入饱和槽和混合腔之前预热到设定的温度，同时为实验腔提供分布均匀且稳定的温度场。选用的优莱博公司的F12?MA程控型加热浴槽循环器，其具有PID2和PID3温度控制技术，保证温度控制稳定性，且带自动温度漂移补偿，温度稳定性为[±0.01]℃；自带循环泵，适合于浴槽内外的温度控制，尤其适合外部体系的温度控制与测量；具有制冷功能，可以创造出低于室温的恒温环境，能够实现低温吸附实验的开展；具有标准的RS 232通信接口，可以方便测试程序的开发。

选用的天平为赛多利斯分析天平，其精度为0.1 mg。此款天平是专为实验室设计的天平，能够在分析称重过程中得到最高的精度，显示4位小数的精确读数。同时天平具有RS 232接口，能方便的与工控机进行通信。

动态水分测控系统主程序流程图如图3所示。

2 基于LabVIEW环境下测控软件设计

2.1 LabVIEW及VISA简介

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面[13]。VISA（Visual Instrument Software Architecture）是一种通用的用于软件和硬件之间通信的架构[14]，包括硬件设备的打开、关闭、读取、写入等基本控件。它在LabVIEW中的应用，使用户能与大多数仪器总线连接，包括GPIB，USB，串口，PXI等。无论底层是何种硬件接口，用户只需面对统一的编程接口——VISA，即能够方便进行硬件间的通信。

2.2 系统前面板设计

动态水分吸附测控系统的目的是测量确定温湿度条件下样品质量变化的规律。其中温湿度的控制是通过对恒温水浴箱及气体质量流量控制器的控制来实现。实验前需对温度、湿度、总的气体流量、每个阶段的时间等参数进行设置，运行程序后软件将自动计算干湿气体的流量，并完成对各器件的控制。本系统采用数组表格的形式对设定的参数予以显示，如图4（a）所示。各器件与工控机的通信均是通过串口实现，因此实验前需为各器件配置相应的串口。

LabVIEW提供的波形图表能非常清晰地显示采集到的波形。其中本系统的温、湿度范围均为0～100，所以共用左边的y轴，并将此y轴的范围固定为0～100；质量数据匹配为右边的y轴，并将此y轴设定为近似调整上下限，实验过程中可以清楚的看到样品质量的微小变化。实验过程中系统的其他参数通过数值显示控件予以显示，其程序前面板如图4（b）所示。

2.3 程序后面板设计

综合考虑采集卡、天平的最高采样速率及样品质量变化的特点等因素的影响，测控系统最终的采样频率设置为1 Hz。由于采样频率很低，不仅硬件采样方式能够完成采样工作，而且在LabVIEW环境下，软件采样方式也能很好的完成此项任务。与采集卡内部定时触发的硬件采样方式相比，软件采样具有编程容易、易于设计实现等优点。因而本测控软件采用软件采样方式实现各信号的采集。工控机与数据采集卡ART3059、干湿气体质量流量控制器以及天平通过相应的串口进行通信。在对通信端口、波特率、数据位等重要参数进行设置后，将控制指令（依据各器件的使用手册进行编写）通过VISA Write发送给各器件，从而实现对数据采集卡、质量流量控制器等器件参数的设置和读取。

动态水分吸附测控系统数据实时采集的LabVIEW程序模块如图5所示。采用定时循环结构实现采样频率的控制。计算机与各器件的通信由各相应的子VI构成。首先通过ART3059子VI完成实验腔温湿度的读取；之后通过干、湿气体质量流量计实时流量读取子VI干湿气体实时流量；样品质量的采集由天平读数子VI完成；最后将所采集的温湿度信号及质量信号合并后显示在前面板上的温湿度及质量波形图表上。在定时循环结构中创建两个移位寄存器，分别用于采样时间及采样数据的打包。

为了便于事后对数据的处理、检验和计算，实验中采集的数据除了在线显示外，还需要把这些数据记录、存储在电脑的硬盘中。实验结束时调用Open/Create/Replace File创建用于数据保存的Microsoft Excel逗号分隔值文件，接着调用Write to Text File.VI将经过处理的温、湿度及干、湿气体流量值等实验数据存写入创建的文件中。数据存储子程序如图6所示，该子程序通过%2f对存储数据格式进行了设置。

3 实验结果

针对某烟草样品水分吸附分析实验的需要，称取6.274 0 g的样品利用本文所设计的动态水分吸附测控系统进行实验。样品在实验前预先在温度为22 ℃[±]0.5 ℃、相对湿度为60%[±]2%的恒温恒湿实验室放置48 h，以达到该环境下的水分吸脱附平衡。实验开始时恒温槽中水温为40 ℃，设定的实验参数如表1所示。

实验证明，此系统能按照预定的参数准确控制样品周围的温湿度环境。各阶段湿度能迅速调整到设定的值，误差在2%以内，满足吸附实验对湿度值的精度要求。样品质量的微小变化均能在图上清楚的显示。实验过程中所采集的温湿度、质量曲线如图7所示。

4 结 语

本文设计的动态水分测控系统包括温湿度控制及质量等数据的在线采集，详细介绍了各个部分的原理及实现途径。它应用模块化的硬件设备及LabVIEW图形化编程软件，实现了在Windows环境下对仪器进行自动控制及数据的自动采集与显示。该动态水分测控系统具有温湿度控制准确，操作简单方便等优点，可以进行食品、药品、烟草等多类样品的水分吸附实验，具有广泛的用途和良好的发展前景。

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