基于硬件PWM的恒溫氣體檢測(cè)池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）16-0024-06

Design of Constant Temperature Gas Detection Cell System Based on HardwarePWM

CHEN Jian， LI Lei， ZENG Jiangyong （Shenzhen Zhonghe Headway Bio-Sciand Tech Co.，Ltd.，Shenzhen 518122， China）

Abstract： In Non-Dispersive Infrared gasanalysis equipment，performance parameters of components such as internal infraredlightsourcs，etetors，ndfltesesesiietoiotaltmperatreiccts temeasuremtabilityofthe instrument.Meanwhile，thetemperatureofthegastobemeasuredalsochanges withtheenvironmentafterenteringthegaschamber. Therefore，thispaper designsaconstanttemperature gas detectioncellbasedonhardware PWM，outlines theoveralldesignsceme， hardware designschemeandstructuraldesign scheme，and explains thedetailed designandcalculation procesesofeachmodule. Throughactualmeasurement，thetemperatureisecurveintheconstanttmperaturecellhasgoodcontiuitywithoutoversotor undershoot，witha temperature stability of ±0.1^°C .It features high precision，low costand easy development，and has a significant effect on improving the measurement stability of infrared spectroscopy gas analysis equipment.

Keywords：Non-Dispersive Infrared; hardware PWM; gas detection cell; low cost

0 引言

隨著體外診斷市場(chǎng)的迅速發(fā)展，終端用戶(hù)對(duì)IVD醫(yī)療設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)確性關(guān)注度也越來(lái)越高，在 CO₂ 氣體濃度檢測(cè)方法上，非色散紅外（NDIR）技術(shù)因選擇性好，靈敏度高，檢測(cè)范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，在空氣檢測(cè)，礦井勘察，醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[，5]，具有較大的商業(yè)價(jià)值。眾所周知， CO₂ 的濃度受環(huán)境壓力、溫度的影響極大，尤其要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量（ 10ppm 量級(jí)）時(shí)，需保證氣體檢測(cè)池內(nèi)的溫度相對(duì)恒定[，同時(shí)，溫度對(duì)紅外光源的功率誤差、探測(cè)器的隨機(jī)噪聲及窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)也存在影響[2，4]。

傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)通常由溫度傳感器、加熱裝置、硬件電路和軟件算法構(gòu)成，軟件算法通常采用數(shù)字增量式PID算法，本文描述的溫控系統(tǒng)僅由硬件構(gòu)成無(wú)須復(fù)雜的軟件算法即可實(shí)現(xiàn)，并且測(cè)溫精度和穩(wěn)定性與采用數(shù)字增量式PID實(shí)現(xiàn)的溫控性能相當(dāng)，具有響應(yīng)快，低成本，易開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)[1]。

1 研究目的

采用MEMS紅外光源與熱釋電探測(cè)器的NDIR氣體分析儀，在未增加溫控裝置的前提下對(duì) CO₂ 濃度的測(cè)量實(shí)測(cè)最高僅能達(dá)到約 ±50ppm 精度，這對(duì)于精度要求較高的如 ¹³CO₂ 檢測(cè)場(chǎng)景尚不滿(mǎn)足要求。為提高NDIR氣體分析儀測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)一種恒溫氣體檢測(cè)池，對(duì)氣體池內(nèi)部溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使其長(zhǎng)期保持在 40±1^°C ，同時(shí)確保穩(wěn)定性滿(mǎn)足 5min 內(nèi)溫度相對(duì)變化 ?0.1^°C ，測(cè)溫范圍滿(mǎn)足 0～60^°C 的性能指標(biāo)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)備的溫控指標(biāo)要求，測(cè)溫范圍 0～60^°C 控溫范圍 40±1^°C ，穩(wěn)定性為 5min 內(nèi)溫度極差 ?0.1^°C 傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)式模擬或數(shù)字電路均難以實(shí)現(xiàn)，其中基于嵌入式軟件算法的PID控制方式可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，但存在設(shè)計(jì)復(fù)雜（需軟硬件專(zhuān)業(yè)人員配合），參數(shù)調(diào)整困難，對(duì)系統(tǒng)依賴(lài)性強(qiáng)等問(wèn)題[。

本方案整體系統(tǒng)框圖如圖1所示，通過(guò)在測(cè)量室盒內(nèi)部安裝溫度傳感器采集實(shí)時(shí)溫度，輸出到前置電路進(jìn)行信號(hào)處理，再設(shè)計(jì)上下峰值與控溫范圍輸出模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的三角波信號(hào)，與前置輸出信號(hào)進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸出到后端功率電路驅(qū)動(dòng)加熱裝置進(jìn)行加熱。其中溫度傳感器安裝于加熱裝置上方，以獲取實(shí)時(shí)溫度。加熱裝置采用硅膠加熱片與金屬板配合，測(cè)量室盒子外部包裹隔熱棉。光源、探測(cè)器、驅(qū)動(dòng)電路板及氣室均處于密閉恒溫盒內(nèi)。

圖1整體系統(tǒng)框圖

2. 1 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，硬件部分主要由溫度傳感器，差分、同相放大器，三角波發(fā)生器，電壓比較器，功率驅(qū)動(dòng)器，加熱裝置組成，同時(shí)預(yù)留外部ADC溫度采集接口實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)當(dāng)前溫度值。

圖2硬件系統(tǒng)圖

2. 1. 1 溫度傳感器

測(cè)量室內(nèi)部安裝有2個(gè)溫度傳感器，如圖1所示，一個(gè)緊貼于底板上方，一個(gè)緊貼于氣室管壁。選用PT100鉑電阻溫度傳感器作為探測(cè)元件，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，溫度與阻值線(xiàn)性關(guān)系好，易于計(jì)算，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間快，金屬鉑固有的抗化學(xué)降解性使其具有較好的耐久性，可用于多種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

PT100溫度傳感器在 0^°C 時(shí)阻值為 100Ω ，溫度每上升 1^°C 電阻值增加約 0.39Ω ，其電阻值與溫度關(guān)系如表1所示。

表1PT100熱電阻阻值溫度對(duì)照表

2.1.2 前置處理電路

前置處理電路由惠斯通電橋和儀表放大器構(gòu)成[7，PT100鉑電阻溫度傳感器精度高，但阻值變化小，本方案選用AD623儀表放大器作為模擬前置運(yùn)放，如圖3所示，AD623是一顆低噪聲、高精度、軌至軌輸出運(yùn)放，非常適用于各種溫度、壓力、流量等傳感器信號(hào)的放大處理。

由測(cè)溫范圍 0～60^°C 可計(jì)算出PT100阻值變化范圍為 100～123.6Ω ，如圖3所示，因測(cè)溫范圍為0^°C 以上，因此不考慮 0^°C 以下場(chǎng)景，當(dāng)PT100阻值等于 100Ω （ 時(shí)，電橋平衡。

根據(jù)惠斯通電橋原理[7]：

V_IN=V₊-V_-

V_our=V_IN×A

式中 V₊ ， V_- 分別為差分放大器同相、反向端電壓， V_IN 、 V_oUT 分別為差分放大器輸入、輸出電壓， V_REF 為參考電壓， R_PT 為 PT100 對(duì)應(yīng)的電阻值。將 V_REF=2500mV ， R₂=R₃=2400Ω ， R₆=100Ω ，R_pT=100～123.6Ω ， A=1+100kΩ/R₁=51 代入式中可計(jì)算出， 0～60^°C 對(duì)應(yīng)的 V_n=0～22.44mV V_our=0～1144.44mV. 0

2.1.3 差分放大器

前置處理后的信號(hào)需要再次進(jìn)行差分放大，一是需要將信號(hào)放大至較高范圍，以便與后端三角波發(fā)生器進(jìn)行比較，二是為了實(shí)現(xiàn)減法器功能，使差分放大增益盡可能高，以得到較寬的調(diào)制電壓范圍。

如圖4所示，通過(guò)在反向端增加 V_L .

當(dāng) V_I⁺?V_I^- 時(shí)輸出為 0v ，當(dāng) V_I⁺gt;V_I^- 時(shí)，輸出為：

式中 V_I+ 為前置電路處理后的溫度傳感器輸出電壓， V_T 為溫度 T 對(duì)應(yīng)的差分放大器輸出電壓，根據(jù)溫度調(diào)制區(qū)間 39.5～40.5^°C 范圍，將 39.5^°C 和40.5^°C 對(duì)應(yīng)的 V_I⁺ 代入式中可計(jì)算出 V_39.5=2538mV ，V_40.5=3481mV 。

2.1.4三角波發(fā)生器與電壓比較器

三角波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)高低幅值與溫度調(diào)制區(qū)間電壓一致的三角波信號(hào)，再通過(guò)比較器將三角波轉(zhuǎn)為方波。如圖5所示，比較器另一輸入端為放大后的溫度傳感器信號(hào)，根據(jù)不同結(jié)果將輸出不同占空比的PWM波。

如圖5所示，三角波發(fā)生器高閾值：

=3395mV

低閾值：

受限于元器件標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)影響，三角波 V_? 、 V_D 與V_39.5 、 V_40.5 存在略微差異，但不會(huì)影響其控溫范圍。

三角波頻率為：

式中 f 為三角波頻率， T_u 、 T_d 分別為充電、放電時(shí)間，將 122=20kΩ ， C26=10μF 代入式中可計(jì)算出

（20 f≈6.64Hz 。硅膠加熱片適合低頻驅(qū)動(dòng)，通常選擇頻率為 5～10Hz 。

2.1.5 功率驅(qū)動(dòng)器

功率驅(qū)動(dòng)器將比較器輸出的PWM波用來(lái)驅(qū)動(dòng)加熱片[9，因加熱片電壓及功率較高，為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)以及防止前級(jí)電路受影響，采用光控MOS固態(tài)繼電器LT218作為功率驅(qū)動(dòng)元件，光控MOS固態(tài)繼電器是利用光控MOS場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)電氣隔離和信號(hào)傳輸?shù)钠骷溆晒饪豈OS場(chǎng)效應(yīng)管和負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路組成，當(dāng)光控MOS場(chǎng)效應(yīng)管受到控制端光信號(hào)激發(fā)時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而控制負(fù)載端的導(dǎo)通或截止。其具有響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10]，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

LT218輸出端串聯(lián)一個(gè)NMOS用于二重失溫防護(hù)，當(dāng)前級(jí)電路出現(xiàn)異常導(dǎo)致加熱溫度持續(xù)升高達(dá)到60^°C 時(shí)，外圍主控板切斷加熱裝置，防止氣體池內(nèi)溫度過(guò)高而損壞內(nèi)部元件，如圖6所示。

圖6功率驅(qū)動(dòng)電路圖

根據(jù)系統(tǒng)控溫需求為 39～41^°C ，設(shè)計(jì)溫度調(diào)制區(qū)間為 39.5～40.5^°C ；當(dāng)溫度上升到 39.5^°C 時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始輸出PWM波，此時(shí)占空比從 100% 開(kāi)始下降，當(dāng)溫度上升至 40.5^°C 時(shí)，占空比下降為 0% ，如圖7所示。

圖7加熱功率與溫度關(guān)系曲線(xiàn)

2.1.6 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

系統(tǒng)從上電運(yùn)行至溫度穩(wěn)定后的各節(jié)點(diǎn)電壓走勢(shì)如圖8所示， V_d 為三角波發(fā)生器低幅值； V_u 為三角波發(fā)生器高幅值； 為初始溫度； T₁ 為目標(biāo)溫度；V_i 為初始溫度 所對(duì)應(yīng)的差分放大器輸出電壓值；V_out 為比較器輸出的PWM波； V_heat 為固態(tài)繼電器輸出的PWM波。

圖8 硬件系統(tǒng)運(yùn)行圖

系統(tǒng)開(kāi)始上電時(shí)，氣體池內(nèi)部溫度較低，此時(shí) V_i 處于 T₀ 位置，加熱片全功率運(yùn)行，氣體池內(nèi)部溫度快速上升，當(dāng) V_i 達(dá)到 V_d 位置時(shí)， V_out 開(kāi)始輸出PWM波，此時(shí)的PWM波占空比與加熱裝置功率成正比，當(dāng) V_i 上升到加熱裝置與外界熱交換達(dá)到平衡時(shí)不再上升，此時(shí)加熱裝置溫度趨于穩(wěn)定，達(dá)到目標(biāo)溫度，如圖8所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖9所示，結(jié)構(gòu)部分主要由氣體檢測(cè)池、加熱裝置、光源探測(cè)器及固定座、氣室、溫度傳感器構(gòu)成。

圖9氣體池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

恒溫盒采用不銹鋼材料制作，與其他金屬材料對(duì)比，不銹鋼的導(dǎo)熱性能相對(duì)較弱，可降低內(nèi)外熱傳遞效率，外層再包裹隔熱棉，可達(dá)到較好的保溫效果。

加熱裝置采用硅膠加熱片與鋁合金底板構(gòu)成，硅膠加熱片比電熱膜有更好的絕緣性與耐用性。

氣室上方溫度傳感器用于觀(guān)測(cè)氣室內(nèi)部溫度穩(wěn)定情況，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始加熱后，底板上方溫度傳感器能較快達(dá)到目標(biāo)溫度，因氣室懸浮于恒溫盒中部，與底板沒(méi)有直接接觸，氣室溫度上升時(shí)間較慢。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)溫控電路各測(cè)試點(diǎn)，內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)及應(yīng)用在NDIR系統(tǒng)后對(duì) ¹³CO₂ 標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如下。

3.1 三角波信號(hào)

三角波信號(hào)實(shí)測(cè)高低幅值、頻率與理論計(jì)算基本一致，如圖10所示。

圖10 三角波信號(hào)

3.2比較器輸入輸出信號(hào)

直線(xiàn)為實(shí)時(shí)溫度對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，PWM為比較器輸出信號(hào)，與理論計(jì)算基本一致，如圖11所示。

圖11比較器輸入輸出信號(hào)

3.3 內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)

通過(guò)外部ADC模塊采集底板上方和氣室上方的溫度傳感器數(shù)值，從系統(tǒng)上電至溫度達(dá)到穩(wěn)定，溫度曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12兩種溫度傳感器上升曲線(xiàn)對(duì)比

設(shè)置底板傳感器溫度采樣率為 1S/s ，管壁傳感器溫度采樣率為 0.2S/s ，從實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)可看出，底板溫度可較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，氣室上方的管壁溫度主要依靠空間熱傳遞，因此溫度上升較慢。

當(dāng)溫度穩(wěn)定后，在后續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)溫度值保持在 40.3^°C 左右，滿(mǎn)足控溫范圍 39～41^°C ，穩(wěn)定性

5min 內(nèi)溫度極差 的指標(biāo)要求。

3.4標(biāo)準(zhǔn)氣測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本文選擇DOB 、DOB （‰ 、DOB （‰ =6 的三組標(biāo)準(zhǔn) ¹³CO₂ 氣體進(jìn)行重復(fù)性、準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)每組氣體連續(xù)測(cè)量10次，觀(guān)察氣體池未增加溫控和增加溫控后紅外光譜儀對(duì) ¹³CO₂ 標(biāo)準(zhǔn)氣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表2所示。

表2加溫控與不加溫控 CO₂ 標(biāo)準(zhǔn)氣DOB測(cè)量對(duì)比

從數(shù)據(jù)看，增加溫控后儀器測(cè)量DOB （‰ 標(biāo)準(zhǔn)氣平均值 0.04‰ 、標(biāo)準(zhǔn)差 0.33‰ ，DOB （‰ ）=4.0 標(biāo)準(zhǔn)氣平均值 3.89‰ 、標(biāo)準(zhǔn)差 0.30‰ ，DOB （‰ ）=6.0 標(biāo)準(zhǔn)氣平均值 5.64‰ 、標(biāo)準(zhǔn)差 0.28‰ ，較無(wú)溫控時(shí)準(zhǔn)確性明顯提升，重復(fù)性提升 200%～30% 。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)各種恒溫模塊原理進(jìn)行研究分析，最終采用了低成本、易開(kāi)發(fā)、穩(wěn)定性高的基于硬件PWM的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)測(cè)溫度穩(wěn)定性可達(dá) ±0.1^°C ，準(zhǔn)確性滿(mǎn)足 39～41^°C 范圍，通過(guò)在紅外光譜儀上增加該溫控系統(tǒng)后， ¹³CO₂ 標(biāo)準(zhǔn)氣測(cè)量準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性顯著提升，精度由 ±0.005% 上升到 ±0.001% ，解決了平均值與標(biāo)準(zhǔn)差不滿(mǎn)足技術(shù)要求的難題。

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