在電路設(shè)計(jì)理論里實(shí)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(shí)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(shí)元器件簡(jiǎn)單且具有可靠的失效率參數(shù),風(fēng)險(xiǎn)可控,非常適合航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。
電路框圖
傳感器芯體上面集成了測(cè)溫電阻與加熱電阻,測(cè)溫電阻能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器芯體的當(dāng)前溫度,且反饋到控制電路的輸入端,作為溫度誤差信號(hào)的一個(gè)輸入端,形成閉環(huán)控制。
電路框圖如圖1 所示,測(cè)溫電路把當(dāng)前芯體溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值,該值是一個(gè)微弱信號(hào)值,必須經(jīng)過(guò)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(guò)系統(tǒng)放大,然后輸送給PID 環(huán)節(jié)進(jìn)行控制輸出,控制輸出產(chǎn)生寬度可調(diào)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)加熱電路,給傳感器芯體加熱。傳感器當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度溫差值越大,誤差電壓信號(hào)越大,經(jīng)過(guò)PID 控制輸出脈寬開(kāi)通時(shí)間越長(zhǎng),加熱功率越大,反之亦然,從而實(shí)現(xiàn)了恒溫控制。
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(fù)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(lái)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(shí)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(fù)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(duì)流及熱傳導(dǎo)帶來(lái)的熱能轉(zhuǎn)移。這種正熱能與負(fù)熱能對(duì)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(duì)流損失的負(fù)熱能為某個(gè)可測(cè)量值且保持恒定,那么該點(diǎn)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(diǎn)溫度,若環(huán)境溫度上下波動(dòng),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(diǎn)溫度,只需要調(diào)節(jié)芯體上電流的大小。在25℃環(huán)境下,實(shí)際測(cè)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(shí)芯體即可穩(wěn)定工作在設(shè)定溫度80℃。
溫度測(cè)量
為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量敏感芯體溫度場(chǎng)的溫度,在氫敏芯體上集成了一個(gè)測(cè)溫電阻與一個(gè)加熱電阻。測(cè)溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)溫度場(chǎng)仿真實(shí)現(xiàn)最佳耦合。因而測(cè)溫電阻能真實(shí)反映氫敏電阻當(dāng)前工作溫度。測(cè)溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成,實(shí)際測(cè)試的測(cè)溫電阻溫度特性如圖3 所示,從圖中可以看出測(cè)溫電阻具有良好的溫度線性關(guān)系。該測(cè)溫電阻的溫度系數(shù)因?yàn)椴捎帽∧こ练e工藝制備,溫度系數(shù)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)PT100 大,但并不影響使用。
電阻經(jīng)過(guò)測(cè)溫電橋檢測(cè),輸出反映溫度的電壓信號(hào)。這個(gè)信號(hào)在控制區(qū)域非常微弱,為了提高溫度測(cè)量精度,采用四線制檢測(cè)電路,減少測(cè)溫鉑電阻引線長(zhǎng)度與鉑電阻通電電流對(duì)溫度測(cè)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(wú)論是加熱還是制冷,芯體對(duì)溫度都有快速響應(yīng),采用比例積分控制就可以獲得不錯(cuò)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(guò)大容易震蕩。電路如圖4 所示,其增益為 - RP1 /RP2,試驗(yàn)測(cè)試比例系數(shù)為- 4 時(shí)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(dāng)系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí),積分環(huán)節(jié)的輸出會(huì)持續(xù)增大使得控制作用加強(qiáng),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(shí)間常數(shù)RI1CI1為4.7s 比較合適。
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(huì)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(huì)帶來(lái)壞的影響,但是為了調(diào)整最大加熱功率以達(dá)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(duì)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(duì)環(huán)境溫度波動(dòng)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。
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PWM 產(chǎn)生電路
PWM 電路采用簡(jiǎn)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(guò)積分電路充放電產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)加熱電路。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
樣機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)定動(dòng)態(tài)過(guò)程的短時(shí)間測(cè)試和穩(wěn)定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。短時(shí)間測(cè)試樣機(jī)溫度曲線如圖8 所示,其中可以看出樣機(jī)到達(dá)溫度設(shè)定點(diǎn)90% 的時(shí)間非常短,大概為120s,整體控溫精度在0.15℃以內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)控溫點(diǎn)會(huì)隨著擾動(dòng),很快就能回到設(shè)定的溫度值,動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常快.
樣機(jī)控溫效果穩(wěn)定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)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(shuō)明樣機(jī)電路控溫點(diǎn)不會(huì)隨時(shí)間飄移,也不隨環(huán)境緩慢變化的溫度波動(dòng)漂移。
PID 脈寬溫度控制電路,所用元器件較少,調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單,控制精度可以達(dá)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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