基于硬件PWM的恒溫氣體檢測池系統設計

中圖分類號：TN216 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著體外診斷市場的迅速發展，終端用戶對IVD醫療設備測量的準確性關注度也越來越高，在 CO₂ 氣體濃度檢測方法上，非色散紅外（NDIR）技術因選擇性好，靈敏度高，檢測范圍廣，抗干擾能力強，在空氣檢測，礦井勘察，醫療衛生等領域得到廣泛應用[，5]，具有較大的商業價值。眾所周知， CO₂ 的濃度受環境壓力、溫度的影響極大，尤其要實現高精度測量（ 10ppm 量級）時，需保證氣體檢測池內的溫度相對恒定[，同時，溫度對紅外光源的功率誤差、探測器的隨機噪聲及窄帶濾光片的中心波長也存在影響[2，4]。

傳統溫控系統通常由溫度傳感器、加熱裝置、硬件電路和軟件算法構成，軟件算法通常采用數字增量式PID算法，本文描述的溫控系統僅由硬件構成無須復雜的軟件算法即可實現，并且測溫精度和穩定性與采用數字增量式PID實現的溫控性能相當，具有響應快，低成本，易開發的特點[1]。

1 研究目的

采用MEMS紅外光源與熱釋電探測器的NDIR氣體分析儀，在未增加溫控裝置的前提下對 CO₂ 濃度的測量實測最高僅能達到約 ±50ppm 精度，這對于精度要求較高的如 ¹³CO₂ 檢測場景尚不滿足要求。為提高NDIR氣體分析儀測量精度，本文設計一種恒溫氣體檢測池，對氣體池內部溫度進行精準控制，使其長期保持在 40±1^°C ，同時確保穩定性滿足 5min 內溫度相對變化 ?0.1^°C ，測溫范圍滿足 0～60^°C 的性能指標。

2 總體設計方案

根據設備的溫控指標要求，測溫范圍 0～60^°C 控溫范圍 40±1^°C ，穩定性為 5min 內溫度極差 ?0.1^°C 傳統的開關式模擬或數字電路均難以實現，其中基于嵌入式軟件算法的PID控制方式可實現高精度測量，但存在設計復雜（需軟硬件專業人員配合），參數調整困難，對系統依賴性強等問題[。

本方案整體系統框圖如圖1所示，通過在測量室盒內部安裝溫度傳感器采集實時溫度，輸出到前置電路進行信號處理，再設計上下峰值與控溫范圍輸出模擬信號對應的三角波信號，與前置輸出信號進行比較，比較結果輸出到后端功率電路驅動加熱裝置進行加熱。其中溫度傳感器安裝于加熱裝置上方，以獲取實時溫度。加熱裝置采用硅膠加熱片與金屬板配合，測量室盒子外部包裹隔熱棉。光源、探測器、驅動電路板及氣室均處于密閉恒溫盒內。

圖1整體系統框圖

2. 1 硬件設計方案

硬件系統框圖如圖2所示，硬件部分主要由溫度傳感器，差分、同相放大器，三角波發生器，電壓比較器，功率驅動器，加熱裝置組成，同時預留外部ADC溫度采集接口實時觀測當前溫度值。

圖2硬件系統圖

2. 1. 1 溫度傳感器

測量室內部安裝有2個溫度傳感器，如圖1所示，一個緊貼于底板上方，一個緊貼于氣室管壁。選用PT100鉑電阻溫度傳感器作為探測元件，其優點是測量精度高，溫度與阻值線性關系好，易于計算，同時響應時間快，金屬鉑固有的抗化學降解性使其具有較好的耐久性，可用于多種工業應用場景。

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

表1PT100熱電阻阻值溫度對照表

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放，如圖3所示，AD623是一顆低噪聲、高精度、軌至軌輸出運放，非常適用于各種溫度、壓力、流量等傳感器信號的放大處理。

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

根據惠斯通電橋原理[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 對應的電阻值。將 V_REF=2500mV ， R₂=R₃=2400Ω ， R₆=100Ω ，R_pT=100～123.6Ω ， A=1+100kΩ/R₁=51 代入式中可計算出， 0～60^°C 對應的 V_n=0～22.44mV V_our=0～1144.44mV. 0

2.1.3 差分放大器

前置處理后的信號需要再次進行差分放大，一是需要將信號放大至較高范圍，以便與后端三角波發生器進行比較，二是為了實現減法器功能，使差分放大增益盡可能高，以得到較寬的調制電壓范圍。

如圖4所示，通過在反向端增加 V_L .

當 V_I⁺?V_I^- 時輸出為 0v ，當 V_I⁺gt;V_I^- 時，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 對應的差分放大器輸出電壓，根據溫度調制區間 39.5～40.5^°C 范圍，將 39.5^°C 和40.5^°C 對應的 V_I⁺ 代入式中可計算出 V_39.5=2538mV ，V_40.5=3481mV 。

2.1.4三角波發生器與電壓比較器

三角波發生器產生一個高低幅值與溫度調制區間電壓一致的三角波信號，再通過比較器將三角波轉為方波。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，根據不同結果將輸出不同占空比的PWM波。

如圖5所示，三角波發生器高閾值：

=3395mV

低閾值：

受限于元器件標準參數影響，三角波 V_? 、 V_D 與V_39.5 、 V_40.5 存在略微差異，但不會影響其控溫范圍。

三角波頻率為：

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

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

2.1.5 功率驅動器

功率驅動器將比較器輸出的PWM波用來驅動加熱片[9，因加熱片電壓及功率較高，為增強驅動以及防止前級電路受影響，采用光控MOS固態繼電器LT218作為功率驅動元件，光控MOS固態繼電器是利用光控MOS場效應管實現電氣隔離和信號傳輸的器件，其由光控MOS場效應管和負載驅動電路組成，當光控MOS場效應管受到控制端光信號激發時，其內部結構會發生變化，從而控制負載端的導通或截止。其具有響應速度快、壽命長、抗干擾能力強等特點[10]，廣泛應用于工業控制、通信設備、醫療器械等領域。

LT218輸出端串聯一個NMOS用于二重失溫防護，當前級電路出現異常導致加熱溫度持續升高達到60^°C 時，外圍主控板切斷加熱裝置，防止氣體池內溫度過高而損壞內部元件，如圖6所示。

圖6功率驅動電路圖

根據系統控溫需求為 39～41^°C ，設計溫度調制區間為 39.5～40.5^°C ；當溫度上升到 39.5^°C 時，功率驅動器開始輸出PWM波，此時占空比從 100% 開始下降，當溫度上升至 40.5^°C 時，占空比下降為 0% ，如圖7所示。

圖7加熱功率與溫度關系曲線

2.1.6 系統運行示意圖

系統從上電運行至溫度穩定后的各節點電壓走勢如圖8所示， V_d 為三角波發生器低幅值； V_u 為三角波發生器高幅值； 為初始溫度； T₁ 為目標溫度；V_i 為初始溫度 所對應的差分放大器輸出電壓值；V_out 為比較器輸出的PWM波； V_heat 為固態繼電器輸出的PWM波。

圖8 硬件系統運行圖

系統開始上電時，氣體池內部溫度較低，此時 V_i 處于 T₀ 位置，加熱片全功率運行，氣體池內部溫度快速上升，當 V_i 達到 V_d 位置時， V_out 開始輸出PWM波，此時的PWM波占空比與加熱裝置功率成正比，當 V_i 上升到加熱裝置與外界熱交換達到平衡時不再上升，此時加熱裝置溫度趨于穩定，達到目標溫度，如圖8所示。

2.2 結構設計方案

結構設計方案如圖9所示，結構部分主要由氣體檢測池、加熱裝置、光源探測器及固定座、氣室、溫度傳感器構成。

圖9氣體池內部結構圖

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

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測氣室內部溫度穩定情況，當系統開始加熱后，底板上方溫度傳感器能較快達到目標溫度，因氣室懸浮于恒溫盒中部，與底板沒有直接接觸，氣室溫度上升時間較慢。

3 實測數據

對溫控電路各測試點，內部溫度數據及應用在NDIR系統后對 ¹³CO₂ 標準氣體進行測試，數據如下。

3.1 三角波信號

三角波信號實測高低幅值、頻率與理論計算基本一致，如圖10所示。

圖10 三角波信號

3.2比較器輸入輸出信號

直線為實時溫度對應的模擬信號，PWM為比較器輸出信號，與理論計算基本一致，如圖11所示。

圖11比較器輸入輸出信號

3.3 內部溫度實測

通過外部ADC模塊采集底板上方和氣室上方的溫度傳感器數值，從系統上電至溫度達到穩定，溫度曲線如圖12所示。

圖12兩種溫度傳感器上升曲線對比

設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 ，從實測溫度數據可看出，底板溫度可較快達到穩定狀態，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。

當溫度穩定后，在后續較長時間內溫度值保持在 40.3^°C 左右，滿足控溫范圍 39～41^°C ，穩定性

5min 內溫度極差 的指標要求。

3.4標準氣測量實驗

本文選擇DOB 、DOB （‰ 、DOB （‰ =6 的三組標準 ¹³CO₂ 氣體進行重復性、準確性實驗每組氣體連續測量10次，觀察氣體池未增加溫控和增加溫控后紅外光譜儀對 ¹³CO₂ 標準氣的實測數據進行比較，如表2所示。

表2加溫控與不加溫控 CO₂ 標準氣DOB測量對比

從數據看，增加溫控后儀器測量DOB （‰ 標準氣平均值 0.04‰ 、標準差 0.33‰ ，DOB （‰ ）=4.0 標準氣平均值 3.89‰ 、標準差 0.30‰ ，DOB （‰ ）=6.0 標準氣平均值 5.64‰ 、標準差 0.28‰ ，較無溫控時準確性明顯提升，重復性提升 200%～30% 。

4結論

通過對各種恒溫模塊原理進行研究分析，最終采用了低成本、易開發、穩定性高的基于硬件PWM的方案進行設計，經實測溫度穩定性可達 ±0.1^°C ，準確性滿足 39～41^°C 范圍，通過在紅外光譜儀上增加該溫控系統后， ¹³CO₂ 標準氣測量準確性與穩定性顯著提升，精度由 ±0.005% 上升到 ±0.001% ，解決了平均值與標準差不滿足技術要求的難題。

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作者簡介：王昌世（1957一），男，漢族，江西九江人，高級自動化工程師，本科，研究方向：溫度測量與控制。

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作者簡介：陳健（1991—），男，布依族，貴州獨山人，工程師，本科，研究方向：嵌入式硬件系統、醫療器械安規EMC設計方面的研究；李磊（1983一），男，漢族，山西五寨人，高級工程師，碩士，研究方向：嵌入式軟件算法、NDIR氣體檢測方面的研究；曾江勇（1988一），男，漢族，湖南藍山人，工程師，本科，研究方向：機械結構設計、醫療器械DFM和DFA方面的研究。