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設(shè)計詳解:氣體傳感器PID恒溫控制電路

發(fā)布時間:2015-07-02 責任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】氣敏芯體在半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器中是很敏感的,氣體傳感器還能利用化學(xué)反應(yīng)測量氣體濃度。本文要詳解的是氣體傳感器PID脈寬控制恒溫電路的設(shè)計過程。滿足了低功耗、高精度、高可靠性的特點。

在電路設(shè)計理論里實現(xiàn)恒溫控制的方式有很多,傳感器的特殊應(yīng)用決定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模擬電路實現(xiàn)方案非常適合。PID脈寬控制恒溫模擬電路具有非常好的控溫精度,同時元器件簡單且具有可靠的失效率參數(shù),風險可控,非常適合航天產(chǎn)品的設(shè)計要求。

電路框圖

傳感器芯體上面集成了測溫電阻與加熱電阻,測溫電阻能實時監(jiān)測傳感器芯體的當前溫度,且反饋到控制電路的輸入端,作為溫度誤差信號的一個輸入端,形成閉環(huán)控制。

電路框圖如圖1 所示,測溫電路把當前芯體溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值,該值是一個微弱信號值,必須經(jīng)過高信噪比前置放大電路放大到合適的電壓輸出值,再經(jīng)過系統(tǒng)放大,然后輸送給PID 環(huán)節(jié)進行控制輸出,控制輸出產(chǎn)生寬度可調(diào)脈沖信號驅(qū)動加熱電路,給傳感器芯體加熱。傳感器當前溫度與設(shè)定溫度溫差值越大,誤差電壓信號越大,經(jīng)過PID 控制輸出脈寬開通時間越長,加熱功率越大,反之亦然,從而實現(xiàn)了恒溫控制。

氣體傳感器PID恒溫控制電路
圖1 恒溫控制電路框圖

溫度與加熱功率

傳感器芯體溫度與加載在芯體上的正熱能與負熱能大小有關(guān)。若傳感器芯體溫度維持在環(huán)境溫度以上,則傳感器芯體加載的正熱能來自電能,由焦耳定律可以知道若給定電阻R 上加熱電流為I,加熱時間為T,那么有I2 * R* T 的電能轉(zhuǎn)換成熱能; 而傳感器芯體加載的負熱能可以是傳感器芯體與周圍環(huán)境的溫度差而產(chǎn)生的熱對流及熱傳導(dǎo)帶來的熱能轉(zhuǎn)移。這種正熱能與負熱能對溫度的影響體現(xiàn)為傳感器芯體的加熱功率與制冷功率,它們共同決定了傳感器芯體的穩(wěn)定溫度。

假設(shè)傳感器芯體工作環(huán)境溫度為25℃,傳感器芯體氣體濃度響應(yīng)最佳溫度為80℃,因熱傳導(dǎo)和熱對流損失的負熱能為某個可測量值且保持恒定,那么該點環(huán)境下芯體溫度只與加熱功率有關(guān)。如上所述,給芯體合適電流,那芯體就可以維持設(shè)定點溫度,若環(huán)境溫度上下波動,芯體加熱與制冷的功率隨溫度發(fā)生變化,要使芯體繼續(xù)維持在設(shè)定點溫度,只需要調(diào)節(jié)芯體上電流的大小。在25℃環(huán)境下,實際測得加熱功率與芯體溫度的關(guān)系如圖2 所示,加熱功率為0.45W 時芯體即可穩(wěn)定工作在設(shè)定溫度80℃。

溫度測量

為了更加準確地測量敏感芯體溫度場的溫度,在氫敏芯體上集成了一個測溫電阻與一個加熱電阻。測溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設(shè)計經(jīng)過溫度場仿真實現(xiàn)最佳耦合。因而測溫電阻能真實反映氫敏電阻當前工作溫度。測溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成,實際測試的測溫電阻溫度特性如圖3 所示,從圖中可以看出測溫電阻具有良好的溫度線性關(guān)系。該測溫電阻的溫度系數(shù)因為采用薄膜沉積工藝制備,溫度系數(shù)沒有標準PT100 大,但并不影響使用。

氣體傳感器PID恒溫控制電路
圖2 芯體加熱功率與溫度曲線
氣體傳感器PID恒溫控制電路
圖3 測溫電阻阻值隨溫度變化曲線

電阻經(jīng)過測溫電橋檢測,輸出反映溫度的電壓信號。這個信號在控制區(qū)域非常微弱,為了提高溫度測量精度,采用四線制檢測電路,減少測溫鉑電阻引線長度與鉑電阻通電電流對溫度測量的影響。
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溫度控制環(huán)路

通常溫度系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng),具有較大的滯后性,往往需要具有超前調(diào)節(jié)的微分環(huán)節(jié)。氣體傳感器芯體體積很小,無論是加熱還是制冷,芯體對溫度都有快速響應(yīng),采用比例積分控制就可以獲得不錯的效果。

比例環(huán)節(jié)

比例環(huán)節(jié)具有快速調(diào)節(jié)能力,比例系數(shù)越大靜差越小,過大容易震蕩。電路如圖4 所示,其增益為 - RP1 /RP2,試驗測試比例系數(shù)為- 4 時控制效果較好。

積分環(huán)節(jié)

積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)靜差,當系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差時,積分環(huán)節(jié)的輸出會持續(xù)增大使得控制作用加強,從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。積分系數(shù)越小,積分作用越明顯,控制精度越高。積分電路如圖5 所示,其增益為- 1 /RI1 * CI1 * S,其中S 為拉式算子。經(jīng)調(diào)整時間常數(shù)RI1CI1為4.7s 比較合適。

氣體傳感器PID恒溫控制電路
采用PWM 通斷控制模式,能最大化利用加熱功率。在導(dǎo)通瞬間,加熱電壓完全加載在加熱電阻上,電流峰值會比較大,因此需要控制加熱電阻合適的阻值。另外PWM 控制存在完全導(dǎo)通的情況,雖然在本電路應(yīng)用中不會帶來壞的影響,但是為了調(diào)整最大加熱功率以達到控制最大加熱溫度的目的,在PID 輸出環(huán)節(jié)采用穩(wěn)壓二極管,控制PID 輸出電壓的幅度,保證PWM 能夠輸出一定寬度的死區(qū)。

微分電路

微分環(huán)境對輸入快速變化的情況具有較大的反應(yīng)輸出,能提高控溫系統(tǒng)對環(huán)境溫度波動的快速響應(yīng)能力。微分環(huán)節(jié)具有超前調(diào)節(jié)的作用,具體電路如圖6 所示。

氣體傳感器PID恒溫控制電路
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PWM 產(chǎn)生電路

PWM 電路采用簡單分立器件搭建,具體電路如圖7 所示,主要構(gòu)成有比較器產(chǎn)生限閾值翻轉(zhuǎn)波形,然后經(jīng)過積分電路充放電產(chǎn)生標準鋸齒波,鋸齒波在與PID 環(huán)節(jié)輸出電壓比較,產(chǎn)生脈寬隨溫度誤差調(diào)整的波形,該波形輸出給驅(qū)動加熱電路。

氣體傳感器PID恒溫控制電路
圖7 PWM 電路

實驗結(jié)果

樣機進行了穩(wěn)定動態(tài)過程的短時間測試和穩(wěn)定點長時間測試。短時間測試樣機溫度曲線如圖8 所示,其中可以看出樣機到達溫度設(shè)定點90% 的時間非常短,大概為120s,整體控溫精度在0.15℃以內(nèi)。當環(huán)境溫度波動時控溫點會隨著擾動,很快就能回到設(shè)定的溫度值,動態(tài)響應(yīng)非???

氣體傳感器PID恒溫控制電路
圖8 控溫穩(wěn)定過程

樣機控溫效果穩(wěn)定點長時間監(jiān)測曲線如圖9 所示,從該圖可知整體控溫精度在0.15℃以內(nèi)更加明顯,說明樣機電路控溫點不會隨時間飄移,也不隨環(huán)境緩慢變化的溫度波動漂移。

氣體傳感器PID恒溫控制電路
圖9 長時間穩(wěn)定性

PID 脈寬溫度控制電路,所用元器件較少,調(diào)節(jié)簡單,控制精度可以達到±0.15℃,完全滿足氣體傳感器應(yīng)用需求。在可行性、可靠性、安全性方面特別適合航天產(chǎn)品的需求,可在氣體傳感器中應(yīng)用推廣。

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