應(yīng)用PTC電阻精確控溫的實(shí)驗(yàn)研究

程文龍 宋嘉梁 吳萬范

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，合肥 230027）

1 引言

熱控分系統(tǒng)是保障星上儀器設(shè)備在良好溫度環(huán)境內(nèi)工作、維持衛(wèi)星正常運(yùn)行的重要組成部分。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，某些星載有效載荷對(duì)其工作溫度控制精度、溫度穩(wěn)定度提出了更高的要求［1-3］。因此，對(duì)精確溫度控制技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義。

衛(wèi)星溫度控制采用被動(dòng)熱控與主動(dòng)熱控相結(jié)合的方式。被動(dòng)熱控制技術(shù)是一種開環(huán)控制，在控制過程中被控對(duì)象的溫度無反饋?zhàn)饔茫?］。近年來，隨著航天器對(duì)溫度控制精度的要求越來越高，利用電加熱的主動(dòng)熱控技術(shù)在航天器熱控中日漸重要。但是，目前采用普通電阻材料作為熱源的主動(dòng)熱控系統(tǒng)，即使采用先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法，有時(shí)也很難達(dá)到所需要的控溫精度［5-7］。

正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）電阻是一種具有正溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料，材料的電阻值在一定的范圍內(nèi)保持基本不變或僅有較小變化，而當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)特定溫度時(shí)，材料的電阻值隨著溫度的升高發(fā)生突變，在一個(gè)很小的溫度范圍（通常為幾攝氏度到十幾攝氏度）內(nèi)迅速增大到原來的103～105倍，此特定溫度被稱為居里溫度。如果主動(dòng)熱控系統(tǒng)利用PTC 電阻代替普通電阻，當(dāng)電壓一定時(shí)，一旦被控溫度超過居里溫度，則其加熱功率隨著溫度的升高急劇降低，就可以將其溫度控制在一個(gè)略高于其居里溫度的水平。根據(jù)被加熱儀器設(shè)備的特點(diǎn)，選擇具有特定溫度-電阻特性的PTC電阻及其物理尺寸，從而有可能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、高精度溫度控制的目的［8-9］；同時(shí)，利用PTC電阻的主動(dòng)熱控系統(tǒng)也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需復(fù)雜控制器的優(yōu)點(diǎn)，可以減輕控溫系統(tǒng)的重量。因此，PTC電阻在主動(dòng)溫度控制領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。但是目前關(guān)于PTC 電阻控溫特性的研究還比較匱乏，所以該方面的工作顯得尤為重要。本文建立了電加熱主動(dòng)溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于此系統(tǒng)對(duì)PTC電阻控溫特性進(jìn)行了研究，并與普通電阻的熱控性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 主動(dòng)溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

主動(dòng)溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，受控物體為一個(gè)28 mm×22 mm×20 mm 的鋁合金長(zhǎng)方體以模擬電子器件，分別采用PTC鋁片電阻和普通康銅絲作為加熱元件。PTC 電阻額定電壓為12V，尺寸為28mm×22mm×5mm，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所用PTC電阻由湖北宇峰電子公司提供，其居里溫度為60 ℃（由于目前市場(chǎng)上的陶瓷基PTC材料主要應(yīng)用在家用電器加熱等領(lǐng)域，其居里溫度多集中在50～400 ℃之間，鮮有能夠?qū)⒕永餃囟瓤刂圃诔囟胃浇腜TC 電阻［10］）。為了對(duì)比兩種加熱元件的熱控效果，將PTC電阻和康銅絲夾在兩塊尺寸一樣的鋁塊之間，保證兩者的實(shí)驗(yàn)條件相同。接觸表面均勻涂上導(dǎo)熱硅脂，并將其作為整體置于恒溫水浴箱中，水浴箱頂用泡沫與外界絕熱，恒溫水浴用來改變被控鋁塊所處環(huán)境溫度。

圖2 PTC電阻實(shí)物圖Fig．2 Physical map of PTC resistance

將T 型熱電偶固定于鋁塊表面及水浴箱壁面分別測(cè)量被控鋁塊的表面溫度及環(huán)境溫度，使用直流穩(wěn)壓電源作為加熱源。主動(dòng)溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 主動(dòng)溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig．3 Physical map of active temperature-control system

為了更好地研究PTC電阻的控溫特性，本主動(dòng)溫度控制系統(tǒng)采用開關(guān)控制作為控制方式，系統(tǒng)的控溫方式如下：熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量鋁塊的溫度，與計(jì)算機(jī)中設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，向其LPT 口輸出高低電平來控制繼電器的通斷：設(shè)定溫度高于實(shí)測(cè)溫度時(shí)繼電器接通，通過直流穩(wěn)壓電源對(duì)鋁塊進(jìn)行加熱；設(shè)定溫度低于實(shí)測(cè)溫度時(shí)繼電器斷開，不對(duì)鋁塊加熱。從而通過改變?cè)O(shè)定溫度值來達(dá)到控制鋁塊溫度的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 PTC電阻-溫度曲線

實(shí)驗(yàn)需要首先測(cè)量PTC電阻的電阻-溫度特性。將PTC電阻置于恒溫水浴箱中，熱電偶測(cè)量其表面溫度，數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量其電阻，通過改變水浴的溫度，得到其電阻-溫度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)所測(cè)PTC電阻的居里溫度與實(shí)際吻合，在60℃左右。居里溫度后其電阻值隨溫度（T）的升高急劇變大，此時(shí)，電阻（RT）與溫度近似成指數(shù)關(guān)系。將居里溫度時(shí)的電阻-溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其近似關(guān)系如下

圖4 居里溫度為60 ℃的PTC電阻-溫度曲線Fig．4 PTC resistance-temperature curve

3．2 PTC電阻控溫特性及與普通電阻控溫精度對(duì)比

為了研究PTC 電阻的控溫特性，綜合考慮PTC電阻在居里溫度附近的加熱功率以及鋁塊向環(huán)境的散熱，在加熱電壓為12V，環(huán)境溫度為45 ℃和55 ℃時(shí)對(duì)被控鋁塊進(jìn)行了控溫實(shí)驗(yàn)。圖5、6分別為環(huán)境溫度45 ℃和55 ℃，在不同控制溫度下的被控物體溫度變化曲線。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度45 ℃時(shí)，控溫點(diǎn)在低于居里溫度時(shí)的控溫精度不高，控制溫度的波動(dòng)有0．05℃；控溫點(diǎn)在居里溫度時(shí)由于此時(shí)加熱功率急劇降低，控制溫度的波動(dòng)減小到0．03 ℃；控溫點(diǎn)高于居里溫度時(shí)，隨著控溫點(diǎn)的升高，加熱功率進(jìn)一步降低，控制溫度的波動(dòng)只有0．01 ℃。從圖6可以看出，環(huán)境溫度55 ℃時(shí)，控溫點(diǎn)低于居里溫度時(shí)，控制溫度的波動(dòng)有0．1℃，精度較差。這是由于此時(shí)加熱功率較大而被控物體表面與環(huán)境溫差只有3℃，向環(huán)境的散熱損失??；控溫點(diǎn)在居里溫度時(shí)由于加熱功率的降低，控制溫度的波動(dòng)減小到0．07℃；設(shè)定溫度高于居里溫度時(shí)，加熱功率進(jìn)一步降低，控制溫度的變化幅度逐漸減小，控溫精度顯著提高。當(dāng)環(huán)境溫度55 ℃，控制溫度65 ℃時(shí)到達(dá)一個(gè)比較好的控溫點(diǎn)，精度能達(dá)到±0．03 ℃，如圖6（c）所示。

圖5 環(huán)境溫度45 ℃時(shí)被控物體在不同工況下的溫度變化曲線Fig．5 Temperature curve of controlled object in different conditions when ambient temperature is 45℃

圖6 環(huán)境溫度55 ℃時(shí)被控物體在不同工況下的溫度變化曲線Fig．6 Temperature curve of controlled object in different conditions when ambient temperature is 55℃

隨著控制溫度的繼續(xù)升高，加熱功率越來越小，向環(huán)境的散熱越來越多，直至熱流密度不足以維持向環(huán)境的散熱而達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

為了研究PTC電阻控溫性能的優(yōu)勢(shì)，與使用普通電阻的直接電加熱控溫進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)條件為兩者在60℃溫度時(shí)的加熱功率相同。以此熱流密度匹配一定電壓和電阻值的康銅絲來對(duì)被控鋁塊進(jìn)行加熱。

控溫對(duì)象在不同環(huán)境和不同控制溫度下的溫度變化曲線如圖7、8所示。圖7所示兩者控溫精度比較接近，這是由于普通電阻與PTC 電阻在60 ℃時(shí)熱流密度相同，而環(huán)境溫度也相同，被控物體溫度的變化是由電阻的加熱功率和其向環(huán)境的散熱共同作用的結(jié)果。當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，由于普通電阻不具備PTC電阻的正溫度系數(shù)特性，隨著被控溫度的升高，控制溫度以上的溫度波動(dòng)不會(huì)有太大的變化；而由之前的PTC電阻控溫特性看出PTC電阻在居里溫度之后控溫精度隨控制溫度的升高而明顯提高。如圖8所示，當(dāng)環(huán)境溫度55 ℃、控制溫度65 ℃時(shí)，PTC電阻的控溫精度明顯優(yōu)于同情況下的普通電阻控溫精度。可以發(fā)現(xiàn)，居里溫度后隨著控制溫度的升高PTC電阻控溫精度必定優(yōu)于相同控制溫度下的普通電阻控溫精度。

圖7 環(huán)境溫度45 ℃，控制溫度60 ℃時(shí)的控溫對(duì)比Fig．7 Temperature control comparison when ambient temperature is 45℃and set temperature is 60℃

圖8 環(huán)境溫度55 ℃，控制溫度65 ℃時(shí)的控溫對(duì)比Fig．8 Temperature control comparison when ambient temperature is 55℃and set temperature is 65℃

3．3 與普通電阻自適應(yīng)控溫能力的對(duì)比

為了探討PTC電阻控溫的自適應(yīng)能力，使繼電器接通路，不斷給被控鋁塊加熱直至其達(dá)到熱平衡狀態(tài)，在不同環(huán)境溫度下分別使用PTC電阻與本文3．2所用普通電阻時(shí)被控鋁塊的最終平衡溫度如表1所示。從表1 可以看出，在環(huán)境溫度變化10 ℃時(shí)，使用PTC 電阻方式，由于居里溫度之后電阻值急劇變大，加熱功率急劇降低，加熱的熱流密度不足以維持鋁塊向環(huán)境的散熱，鋁塊平衡溫度較低且變化為4．3℃；而使用普通電阻方式時(shí)，鋁塊平衡溫度較高且變化為11．7 ℃。采用普通電阻方式時(shí)被控物體平衡溫度的變化遠(yuǎn)大于PTC 電阻方式。由此可以看出，由于PTC材料的自適應(yīng)特性使得被控物體的溫度穩(wěn)定性增強(qiáng)。

表1 不同環(huán)境溫度下分別使用PTC電阻與普通電阻加熱時(shí)被控鋁塊的平衡溫度Table 1 Equilibrium temperature of the controlled object using PTC and ordinary resistance in different ambient temperatures

4 結(jié)論

本文搭建了電加熱主動(dòng)溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)對(duì)PTC 電阻和普通電阻的控溫性能進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果對(duì)于利用PTC 電阻實(shí)現(xiàn)航天器載荷部件的精確控溫具有一定的指導(dǎo)意義。主要結(jié)論如下：

（1）使用PTC 電阻給被控物體進(jìn)行電加熱控溫，電壓不變時(shí)，在其高于居里溫度時(shí)，控溫精度比低于居里溫度時(shí)顯著提高。

（2）高于居里溫度時(shí)，PTC電阻對(duì)被控物體的控溫精度較使用普通電阻的直接電加熱系統(tǒng)明顯提高。

（3）PTC電阻的自適應(yīng)控溫能力較普通電阻顯著增強(qiáng)，使用PTC電阻加熱時(shí)被控物體的溫度穩(wěn)定性大大提高。

（4）制備居里溫度在不同溫度段的PTC 材料，以適合各種溫度控制需要，尚有待于進(jìn)一步的研究。

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