新型水分活度自动检测仪的研制与应用

仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurement5自动化技术与应用62003年第22卷第4期

一种新型水分活度自动检测仪的研制与应用叶继涛,陈儿同,许学勤,赵肖磊(上海理工大学食品与冷冻干燥研究所 上海 200093)

摘要:本文研制了一种能测量不同温度下的食品和医药水分活度的检测仪。仪器主要由半导体恒温器、模块电源、研华公司的数据采集模块以及温度、湿度传感器组成。恒温器中的温度可以调节并恒定在所需要的温度,恒温范围为-50e~50e,控制精度为0.1K。检测软件是利用VB6.0来编程,可以自动存储和打印检测的水分活度和温度数据。关键词:半导体恒温器;水分活度;湿度传感器;检测仪中图分类号:TP274.4 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2003)04-0065-05

DevelopmentandApplicationofaNewandAutomaticWaterActivityDetectorYEJ-itao,CHENEr-tong,XUXue-qin,ZHAOXiao-lei(UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,InstituteofFoodandFreezeDryingEngineering,Shanghai200093,China)Abstract:Adetectorwhichcanmeasurethewateractivityoffoodandmedicineindifferenttemperatureisdeveloped.Itconsistsofsemiconductorthermo-stat,powermodule,anddatercollectormoduleofyanhua,temperaturesensorandhumiditysensor.Thetemperatureofthethermostatcanbeadjustedandkeptataconstanttemperature.Thetemperaturerangecontrolledis-50e~50e,andthefluctuationoftemperatureis0.1K.VB6.0programsthesoftwareofmeasurement.Andthedatercanbestoredandprintedautomatically.Keywords:Semiconductorthermostat;Wateractivity;Humiditysensor;Detector

1 引言为了更好的说明生物组织、食品以及医药中的水分状态,更好地阐明水分含量与生物组织、食品以及医药保藏性能的关系,故在食品分析和检测中引入水分活度(WaterActive)的概念。水分活度可定义为:食品中水的逸度(Fugacity)与纯水的逸度之比值;也可近似地表示为食品中水蒸气的分压力与纯水蒸汽压力

比:Aw=PP0=ERH100;式中Aw为水分活度,P为食品或医药中的水蒸气分压力;P0为在相同情况下的纯水的蒸汽压;ERH为平衡相对湿度(EquilibriumRelativeHumidity),即食品或医药既不被干燥也不被吸湿时的大气相对湿度。Aw值对食品的色、香、味、质

以及食品的稳定性都有重要的影响。一般来说,食品的水分活度越低,其保藏期就越长,但也有例外,例如,如果脂肪中的水分活度过低,则会加快脂肪的酸败[1,3]。因此,食品中水分活度测定的意义十分重大。目前,水分活度检测的方法和仪器主要有[2]:¹Aw测定仪,º扩散法,»溶剂萃取法,¼公式模拟法,½冰点法[4],这些测量方法适用的温度范围较小。由瑞士Rotronic公司生产的数字式水分活度检测仪如图1所示,这种仪器使用的温度为5e~50e,而目前食品的储藏温度范围也远大于这个范围,例如,金枪鱼的储藏温度为-45e以下[5],而一些快餐熟食品要保存在45e以上的温度[6,7],因此对水分活度检测仪提出了更高的要求。65 TechniquesofAutomation&Applications|

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图1 数字式水分活度检测仪表本文研制了一种能在-50e~50e的范围内检测食品的水分活度仪,大大提高了食品水分活度检测的范围。

2 仪器的工作原理2.1 仪器的结构本仪器的结构如图2所示,系统主要由恒温系统和数据检测系统组成。半导体恒温系统包括组件(5-6、8、15、17和20),检测系统包括(1-4、12、和19);在活度检测过程中不能和外界大气有水分交换,所以系统有密封结构(9、13和16);系统中还有(10-11),由电机带动微型风扇转动,可以加快密闭容器中空气与被检测食品间的湿度平衡,从而加快水分活度检测的速度;湿度传感器的稳定性不是很好,即随着时间的变化,其输入量与输出量的关系会发生变化,为了提高水分活度测量的精度,每次测量前都对湿度传感器重新标定,标定溶液一般为饱和的BaCl2溶液[2]。图2 水分活度检测仪的结构图1.PC主机 2.键盘 3.打印机 4.显示器 5.散热风扇 6.散热片 7.研华模块 8.热电堆 9.压环和锁扣 10.风扇 11.电机 12.湿度传感器 13.密封圈 14.模块电源和传感器的线性化电路 15.隔热层 16.密封盖子 17.铜材料 18.标定溶液 19.温度传感器 20.密闭容器 21.被检测的样品2.2 仪器的工作原理仪器的工作原理如图3所示,为了减少干扰,仪器的电源可分为2路。一路直接给电脑供电;另一路经过变压整流器后,分成两路。一路作为12V的大直流电源,给半导体恒温器供电;另一路为5V的直流电源,作为控温电路,线性化电路以及研华4018和4050模块的输入电压。首先,给半导体恒温器供电,使恒温器内的温度恒定在电脑中设定的温度值。恒温器是一个密闭容器,放在恒温器中的被检测食品或药品就会与容器中的空气不断地进行水分交换,如果密闭容器中空气的水蒸气分压力大于被检测物品的水蒸气分压力,空气中的水分就不断地进入到被检测的物品中,反之,被检测物品中的水蒸气就不断地进入到容器的空气中,直到空气中的水蒸气的分压力与被检测物品中水蒸气的分压力相等为止。根据水分活度的定义,检测此时空气中相对湿度,就是检测被检测物品的水分活度,在这种平衡状态下,空气的相对湿度与被检测物品的水分活度值是相等的。因此,通过湿度传感器检测恒温器中的相对湿度,检测所得到的信号经过线性化电路转换为电压信号,经过研华数据采集模块转换后送到电脑中显示其水分活度值。

图3 水分活度检测仪的工作原理图3 恒温原理半导体恒温器由热电堆、散热片、散热风机、保温材料、恒温电路、密闭容器以及温度传感器组成。恒温器的结构如图2所示,因为恒温的最低温度为-50e,本仪器采用多个热电堆片子双级串联而成,为了提高恒温器的控温精度,恒温器采用/金属浴0,即在一个长方体的铜块上加工两个半径相等的容器,在铜块的外表面贴上热电堆片子。把温度传感器固定在铜块与热电堆之间。由于铜材料的导热系数大,热惯性小,这样温度波动小,控温精度高。恒温器是用热电堆(半导体)来加热或制冷,热电堆的工作原理依据的是珀尔帖效应(Peltiereffect):当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,接点上将产生吸热或放66|TechniquesofAutomation&Applications 仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurement5自动化技术与应用62003年第22卷第4期

热现象。对于半导体材料,珀尔帖效应特别显著[8]。当电流方向从空穴半导体流向电子半导体时,接头处温度升高并放出热量;反之,接头处温度降低并从外界吸收热量。半导体制冷器有两个端面,当一个端面为冷端时,另一个端面就为热端,每个端面都可作冷端/热端使用。当温度高于设定温度时,密闭容器需要降温,此时,半导体制冷器工作在制冷状态,与铜块接触的端面为冷端,而与散热器接触的端面为热端。而当密闭容器温度低于设定温度时,需要加热,此时与铜块接触的端面为热端,而与散热器接触的端面为冷端。与其它制冷设备相比,半导体制冷器的最大优点是,只要改变流经半导体制冷器的电流方向,就可以改变其工作状态,制冷或加热。由于半导体制冷/加热器需要的工作电流较大,一般都在几安培以上。本仪器所选半导体制冷器的电流也要10A,所以需要用机械继电器来切换电流方向。温度控制原理图如图4所示,热电堆的工作状态和密闭容器的恒温由继电器J1、J2、J3和J4完成。控温工作过程如下:控制信号从电脑的RS232接口发到89C51芯片,再由P1.1、P1.2和P1.3口发出,经驱动器74LS244后驱动光电耦合器TIL117;当O1为低电平时,光电耦合器中的发光二极管导通,于是其中的光敏三极管导通,使三极管3DG12导通,使J2、J4失电时,J1、J3线圈得电,此时热电堆处于制冷工作状态,当设置温度低于检测温度时,原理同上,使J2、J4得电时,J1、J3线圈失电,热电堆处于加热工作状态,这样就可以使恒温器内的温度恒定在设定的温度值。使用光电耦合器,把继电器的大电流与与控制器系统隔开,提高系统的抗干扰能力。二极管2CP1对继电器起保护作用。图4 控温电路原理图4 重要元件的选择湿度传感器是本仪器的重要元件,其质量决定本仪器的检测精度。本仪器采用FHC-1高分子湿敏电容湿度传感器,此传感器还包括一个C/V转换电路和线性化电路。其特性参数如下:使用温度范围为-50e~80e,感湿范围为0~100%RH,响应时间为5s,输出电容值为65PF?5PF~85PF?5PF,线性度为?0.5%RH,湿漂为?1%RH,湿滞为器厂家提供数据,拟合温度系数与温度的函数,然后通过软件来修正。这种湿度传感器具有输出线性好,反应时间短,灵敏度高,性能稳定,使用寿命长的特点。由于湿度传感器存在/时漂0,为了提高仪器的测量精度,本文对湿度传感器进行实际标定,用表l中的标准标定溶液在25e的恒温密闭环境下[9],测量湿度传感器经C/V转换电路和线性化电路后的输山电压与水分活度值的关系。

图5 标定湿度传感器输出特性的实验装置图实验器材如图5所示,主要是由恒温水浴系统和密闭容器、5V的直流电源和220V的电源以及数字式毫伏表组成。恒温水浴系统是由加热器、水、温度控制器、搅拌器、220V电源、敞口容器和玻璃温度计组成。5V电源作为搅拌器的电源和湿度传感器模块的输入电压,用数字式毫伏表来测量湿度传感器模块的输出电压。实验过程如下:闭合电源,加热器开始工作,通过温度控制器控制敞口容器中的水温,使其恒定在25e,为了使容器中的温度分布均匀,用搅拌器不断地搅拌。用精度高的玻璃温度计来测量恒温水浴的实际温度,如果恒温控制的温度误差较大,可以根据玻璃温度计测得的温度来适当调整。然后把盛有饱和溶液密闭容器放在恒温水浴中恒温,在恒温期间,每10min测量一次湿度传感器模块的电压,直到两次测量的差值小于0.0001V为止。每种标定饱和溶液的测量方法同上。测量的结果见表1。然后根据表中的数据,拟合成活度值Aw与传感器输出电压的关系曲线如图6所示,可以看出传感器模块的输出电压基本上是线性的,通过软件来修正非线性的成分。67 TechniquesofAutomation&Applications|