CN117806389A - 一种温度控制系统及其气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度控制系统及其气体检测装置，属于气体检测设备技术领域，气体检测装置包括系统电源、光学模块、数据处理模块和温控电路，光学模块用于实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块；数据处理模块用于对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，发送给上位机进行浓度显示；温控电路用于采集热释电探测器温度，并通过加热膜用于给热释电探测器的工作温度进行控制；通过光学模块、数据处理模块和温控电路的设置，使得本装置能够适用于零下20°的低温环境中CO、CO2气体浓度的检测，具有环境适用性好和自适应温度调节能力强的特点；有效解决了外界温度影响气体检测效果的问题。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测设备技术领域，具体涉及一种温度控制系统及其气体检测装置。
背景技术
在火灾的阴燃阶段，通过检测其产生的CO、CO2的浓度，可以提前预测到火灾的发生，使火灾在未蔓延前得到扑灭。目前，用于气体检测的方法主要有光干涉、载体化学反应、热导、红外等几种方法；在这几种方法中，利用红外线吸收光谱技术对气体浓度进行检测精度高，反应块，测量范围广，寿命长，能进行连续分析，便于自动控制成为科学技术关注的重点。根据比耳-朗格红外吸收定律(I＝I0×e-Kic，其中，I为红外光被气体吸收后的能量，I0为红外光的初始能量，K为与气体有关的常数，i为红外光通过被测气体的厚度，c为被测气体的浓度)；其具体气体检测设备主要包括如专利号CN103189736B公开的气体检测器，，用于在目标区域中的远程气体检测，包括用于将光束发射到目标区域中的光源和用于感测自目标区域返回的光的光传感器；光束以大约气体的吸收波长而被波长调制。控制器操作性连接至光传感器，用于基于由光传感器感测的返回光而检测气体在光束路径上的存在。操作性连接至控制器的指示器指示气体的存在。扫描装置关于光源布置，以便经过目标区域扫描光束，并且关于光传感器如此布置使得光传感器经由扫描装置接收返回光；指示器与扫描装置共操作以指示气体在目标区域中的位置；在使用时能够有效完成对于气体浓度的检测；但是上述检测器仍存在明显的缺点，如
1.该检测器并未设计相应的温控系统，因此在使用时仅能适用于常温条件下的气体浓度检测，而对于我国新疆采棉区、东北地区这些最低作业温度达到零下20°以下的低温环境，由于温度的影响，导致该检测设备就无法实现对于CO、CO2浓度的准确检测；
2.同时上述检测器并不能有效的调节热释电探测器的工作温度，导致由于外部环境的影响而使得热释电探测器的温度在短时间内升高或者降低，进而导致其检测结果精度；
针对以上问题，亟需设计一种温度控制系统及其气体检测装置，以解决上述现有技术存在的问题。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种温度控制系统及其气体检测装置，通过光学模块、数据处理模块和温控电路的设置，能够适用于零下20°的低温环境中CO、CO2气体浓度的检测，具有环境适用性好和自适应温度调节能力强的特点。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种温度控制系统，所述控制系统为温控电路，包括
温度信号采集电路，用于实时采集待检测件温度，并将采集到的温度发送至主控电路；
主控电路，用于接收温度信号采集电路的温度信号，并在处理后产生PWM信号；
加热膜及保温壳体，包括保温壳体，保温壳体内设置有待检测件和加热膜，加热膜用于对待检测件加热；
加热膜驱动电路，用于接收PWM信号，并将PWM信号转化为加热膜工作所需的驱动电压。
优选的，温度信号采集电路包括
PT100热敏电阻，PT100热敏电阻的一端通过电阻RL1连接激励电流源1与差分输入正相端；另一端通过电阻RL2连接激励电流源2与差分输入负相段；
电阻RL3，电阻RL3与PT100热敏电阻连接，且还分别与VRef+基准电压和基准电阻值Rref连接。
优选的，所述的PT100热敏电阻还与主控电路连接，形成反馈调节。
优选的，加热膜驱动电路上还设置有
滤波电容C，用于滤除电源纹波；
电感L，用于限制交流电，保证BUCK降压电路的输出电压质量；
BUCK降压电路，BUCK降压电路的驱动电压与PWM输入信号成线性可调节关系。
优选的，所述的待检测件为热释电探测器，主控电路为STM32F103的主控电路。
一种气体检测装置，包括温度控制系统。
优选的，还包括
系统电源；
光学模块，用于实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，并发送给上位机。
优选的，所述的光学模块包括
凸透镜，用于对经光源发射出的红外光进行汇聚；
分光镜，设置在凸透镜与光声池之间，用于将经凸透镜聚集的红外光反射到光声池；
光声池，用于对红外光进行增强，并发送至热释电探测器。
优选的，所述的数据处理模块通过模拟数字转换器和放大电路与热释电探测器连接。
一种基于气体检测装置的气体检测方法，包括步骤
(1)利用光学模块实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块；
(2)数据处理模块在收到光学模块的电压信号后，对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，并发送给上位机进行浓度显示；
且在上述气体检测过程中，温度信号采集电路实时检测热释电探测器的工作温度，并将检测温度发送至主控电路，主控电路产生PWM信号，PWM信号通过加热膜驱动电路对热释电探测器进行加热；同时PT100热敏电阻还反馈调节主控电路，控制主控电路的PWM信号输出占空比。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种温度控制系统及其气体检测装置，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：
1.本发明设计了一种温度控制系统，具体为温控电路，在使用时能够根据需要控制温度信号采集电路、主控电路7、加热膜及保温壳体、加热膜驱动电路来对加热膜进行加热，进而利用加热膜对热释电探测器进行加热，以保证其在低温下的使用效果；同时通过热敏电阻对主控电路的PWM信号输出占空比进行反馈控制，进而反馈调节对加热膜的加热功率，保证其加热温度满足使用需求，有效保证了本温度控制系统的温度控制效果；
2.本发明设计了一种气体检测装置，在进行气体检测时，首先利用光学模块实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块；数据处理模块在收到光学模块的电压信号后，对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，发送给上位机，并由Zigbee发送给LABVIEW上位机进行浓度显示；能够适用于零下20°的低温环境中CO、CO2气体浓度的检测，具有环境适用性好和自适应温度调节能力强的优点。
附图说明
图1为本发明气体检测装置的结构框图。
图2为本发明温度控制电路的结构框图。
图3为本发明温度控制电路中的温度信号采集电路的示意图。
图4为本发明温度控制电路中的加热膜驱动电路的示意图。
其中：1.系统电源，2.光学模块，3.数据处理模，4.温控电路，5.上位机，6.温度信号采集电路，7.主控电路，8.加热膜及保温壳体，9.加热膜驱动电路。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1：参照附图2-4所示的一种温度控制系统，所述温度控制系统具体为用于自适应控制热释电探测器工作温度的温控电路4；所述温控电路4包括温度信号采集电路6、主控电路7、加热膜及保温壳体8、加热膜驱动电路9；其中
所述温度信号采集电路6用于实时采集热释电探测器的温度，并将采集到的温度发送至主控电路7；
所述主控电路7为STM32F103的主控电路，用于接收温度信号采集电路6传输的热释电探测器的温度信号，并在处理后产生PWM信号；
所述加热膜及保温壳体8包括保温壳体，所述保温壳体内设置有热释电探测器和加热膜，所述加热膜用于对热释电探测器进行加热；
所述加热膜驱动电路9用于接收PWM信号，并将其转化为加热膜工作所需的驱动电压，来驱动加热膜对热释电探测器进行加热。
优选的，为便于实时采集热释电探测器的温度，设计所述的温度信号采集电路6包括PT100热敏电阻；所述PT100热敏电阻为热敏电阻理论电阻值，通过可编程激励电流源的设置，可以消除热敏电阻实际阻值带来的测量误差，且所述PT100热敏电阻设置在激励电流源1与激励电流源2之间，PT100热敏电阻的一端通过电阻RL1连接激励电流源1与差分输入正相端；另一端通过电阻RL2连接激励电流源2与差分输入负相段，PT100热敏电阻还通过电阻RL3连接基准电压VRef+，Rref为基准电阻值。
优选的，为对加热膜进行自适应加热，设计所述的加热膜驱动电路9通过控制加热膜两端的电压值来控制加热功率的大小，以及保温壳内外的最大温差决定加热膜功率；且在加热膜驱动电路9内还设置有滤波电容C、电感L和BUCK降压电路；其中
所述滤波电容C用于滤除电源纹波；
所述电感L用于限制交流电，让直流电顺利通过，保证BUCK降压电路的输出电压质量；
所述BUCK降压电路的驱动电压与PWM输入信号成线性可调节关系，用于提供加热膜工作所需的驱动电压。
优选的，为形成反馈调节，所述的STM32F103的主控电路7的PWM信号输出占空比由热敏电阻反馈回来的温度值控制，且PWM信号的占空比直接控制加热膜的加热功率。
本实施例所述温度控制系统的使用过程和使用原理为：
在使用时，温度信号采集电路6通过PT100热敏电阻实时检测热释电探测器的温度，并将检测温度发送至主控电路7，主控电路7根据设定温度阈值产生PWM信号，利用PWM信号控制加热膜驱动电路9动作，驱动加热膜对热释电探测器进行加热；同时温度信号采集电路6的PT100热敏电阻还与主控电路7连接，形成反馈调节，控制STM32F103的主控电路7的PWM信号输出占空比，进而反馈调节对加热膜的加热功率，保证其加热温度满足使用需求；使用上述温度控制系统，能够实现对于热释电探测器的工作温度的自适应调节，以保证其使用性能。
实施例2：与实施例1不同的是，参照附图1-4所示的一种气体检测装置，包括系统电源1、光学模块2、数据处理模块3、以及如实施例1所述的温控电路4；其中
所述系统电源1用于给光学模块2、数据处理模块3和温控电路4进行供电，满足不同电路的电压需求；
所述光学模块2用于在气体检测过程中实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块3；
所述数据处理模块3用于对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，发送给上位机，并由Zigbee发送给LABVIEW上位机5进行浓度显示；
所述温控电路4用于采集热释电探测器温度，并通过加热膜用于给热释电探测器的工作温度进行控制，保证其在不同温度环境下的使用。
优选的，为便于在气体检测过程中实时获取红外信号，设计所述的光学模块2包括凸透镜、分光镜和光声池；其中
所述凸透镜用于对经光源发射出的红外光进行汇聚，所述光源设置在检测装置的气体入口处，用于发射红外光，红外光在气体检测腔内经衰减后，到凸透镜处被聚集；
所述分光镜设置在凸透镜与光声池之间，用于将经凸透镜聚集的红外光反射到光声池；
所述光声池用于对红外光进行增强，并发送至热释电探测器，光信号由热释电探测器吸收转换为电压信号。
优选的，为便于对电压信号进行处理，将其转化为气体浓度，设计所述的数据处理模块3通过模拟数字转换器(ADC)和放大电路与热释电探测器连接，使用时，通过模拟数字转换器将热释电探测器的电压信号转化为数据处理模块3能够接收的数字形式的离散信号；所述放大电路用于放大传输过程中的信号。
优选的，为便于给检测装置进行加热，保证其在低温环境下的使用，设计所述的温控电路4包括温度信号采集电路6、主控电路7、加热膜及保温壳体8、加热膜驱动电路9；其中
所述温度信号采集电路6用于实时采集热释电探测器的温度，并将采集到的温度发送至主控电路7；
所述主控电路7为STM32F103的主控电路，用于接收温度信号采集电路6采集的热释电探测器温度信号，并在处理后产生PWM信号；
所述加热膜及保温壳体8包括保温壳体，保温壳体内设置有热释电探测器和加热膜，所述加热膜用于对热释电探测器进行加，保温壳体起保温和保护作用，对热释电探测器进行保温和保护；
所述加热膜驱动电路9用于接收PWM信号，并将其转化为加热膜工作所需的驱动电压，来驱动加热膜对热释电探测器进行加热。
优选的，为便于实时采集热释电探测器的温度，设计所述的温度信号采集电路6包括PT100热敏电阻、激励电流源1和激励电流源2；所述PT100热敏电阻为设置在保温壳体内的热敏电阻理论电阻值，通过可编程激励电流源的设置，可以消除热敏电阻实际阻值带来的测量误差，且所述PT100热敏电阻设置在激励电流源1与激励电流源2之间，PT100热敏电阻的一端通过电阻RL1连接激励电流源1与差分输入正相端；另一端另一端通过电阻RL2连接激励电流源2与差分输入负相段，PT100热敏电阻还通过电阻RL3连接基准电压VRef+，Rref为基准电阻值。
优选的，为对加热膜进行自适应加热，设计所述的加热膜驱动电路9通过控制加热膜两端的电压值来控制加热功率的大小，以及保温壳内外的最大温差决定加热膜功率；且在加热膜驱动电路9上还设置有滤波电容C、电感L和BUCK降压电路；其中
所述滤波电容C用于滤除电源纹波；
所述电感L用于限制交流电，让直流电顺利通过，保证BUCK降压电路的输出电压质量；
所述BUCK降压电路的驱动电压与PWM输入信号成线性可调节关系，用于提供加热膜工作所需的驱动电压。
优选的，为形成反馈调节，所述的STM32F103的主控电路7的PWM信号输出占空比由热敏电阻反馈回来的温度值控制，且PWM信号的占空比直接控制加热膜的加热功率。
上述检测装置稳定性高，在使用时能够在零下20°的农业作业低温环境中检测CO、CO2气体浓度，并能够实时在远程LABVIEW上位机进行显示，提前预测火灾的发生，提醒作业人员进行撤离和扑救。
本实施例所述气体检测装置的使用过程和使用原理包括：
在进行气体检测时，首先利用光学模块2实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块3；数据处理模块在收到光学模块2的电压信号后，对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，发送给上位机，并由Zigbee发送给LABVIEW上位机5进行浓度显示；
在上述过程中，温控电路4的温度信号采集电路6用于实时检测热释电探测器的温度，并将检测温度发送至主控电路7，主控电路7根据设定温度阈值产生PWM信号，利用PWM信号控制加热膜驱动电路9动作，驱动加热膜对热释电探测器进行加热；同时温度信号采集电路6的PT100热敏电阻还与STM32F103的主控电路7连接，形成反馈调节，控制STM32F103的主控电路7的PWM信号输出占空比，进而反馈调节对加热膜的加热功率，保证其加热温度满足使用需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种温度控制系统，其特征在于：所述控制系统为温控电路(4)，包括
温度信号采集电路(6)，用于实时采集待检测件温度，并将采集到的温度发送至主控电路(7)；
主控电路(7)，用于接收温度信号采集电路(6)的温度信号，并在处理后产生PWM信号；
加热膜及保温壳体(8)，包括保温壳体，保温壳体内设置有待检测件和加热膜，加热膜用于对待检测件加热；
加热膜驱动电路(9)，用于接收PWM信号，并将PWM信号转化为加热膜工作所需的驱动电压。
2.如权利要求1所述的一种温度控制系统，其特征在于：温度信号采集电路(6)包括
PT100热敏电阻，PT100热敏电阻的一端通过电阻RL1连接激励电流源1与差分输入正相端；另一端通过电阻RL2连接激励电流源2与差分输入负相段；
电阻RL3，电阻RL3与PT100热敏电阻连接，且还分别与VRef+基准电压和基准电阻值Rref连接。
3.如权利要求2所述的一种温度控制系统，其特征在于：所述的PT100热敏电阻还与主控电路(7)连接，形成反馈调节。
4.如权利要求1所述的一种温度控制系统，其特征在于：加热膜驱动电路(9)上还设置有
滤波电容C，用于滤除电源纹波；
电感L，用于限制交流电，保证BUCK降压电路的输出电压质量；
BUCK降压电路，BUCK降压电路的驱动电压与PWM输入信号成线性可调节关系。
5.如权利要求1所述的一种温度控制系统，其特征在于：所述的待检测件为热释电探测器，主控电路(7)为STM32F103的主控电路。
6.一种气体检测装置，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的温度控制系统。
7.如权利要求6所述的一种气体检测装置，其特征在于：还包括
系统电源(1)；
光学模块(2)，用于实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块(3)；
数据处理模块(3)，用于对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，并发送给上位机(5)。
8.如权利要求7所述的一种气体检测装置，其特征在于：所述的光学模块(2)包括
凸透镜，用于对经光源发射出的红外光进行汇聚；
分光镜，设置在凸透镜与光声池之间，用于将经凸透镜聚集的红外光反射到光声池；
光声池，用于对红外光进行增强，并发送至热释电探测器。
9.如权利要求7所述的一种气体检测装置，其特征在于：所述的数据处理模块(3)通过模拟数字转换器和放大电路与热释电探测器连接。
10.一种基于如权利要求7所述装置的气体检测方法，其特征在于：
(1)利用光学模块(2)实时获取红外信号，并将光信号通过热释电探测器转化为电压信号发送至数据处理模块(3)；
(2)数据处理模块(3)在收到光学模块(2)的电压信号后，对电压信号进行处理，将其反演为气体浓度，并发送给上位机(5)进行浓度显示；
且在上述气体检测过程中，温度信号采集电路(6)实时检测热释电探测器的工作温度，并将检测温度发送至主控电路(7)，主控电路(7)产生PWM信号，PWM信号通过加热膜驱动电路(9)对热释电探测器进行加热；同时PT100热敏电阻还反馈调节主控电路(7)，控制主控电路(7)的PWM信号输出占空比。
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