浮空平臺(tái)抗超低溫技術(shù)研究

作者/王雙、王世昌，中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所

浮空平臺(tái)抗超低溫技術(shù)研究

作者/王雙、王世昌，中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所

近年來，超低溫監(jiān)視設(shè)備在浮空平臺(tái)如機(jī)載、艇載等產(chǎn)品平臺(tái)上得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。隨著設(shè)備工作環(huán)境高度的增加，隨之出現(xiàn)溫度降低氣壓減小等現(xiàn)象，尋找可靠有效、性價(jià)比較高的抗低溫低氣壓的措施的問題隨之而來。文章先介紹了傳統(tǒng)的電加熱膜抗超低溫技術(shù)，隨后介紹了一種利用PTC熱敏電阻的溫度敏感特性抗超低溫的新方法。試驗(yàn)結(jié)果顯示，PTC熱敏電阻加熱方法可有效抗超低溫，且自適應(yīng)能力強(qiáng)、性價(jià)比較高。本方法對(duì)于利用PTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)浮空平臺(tái)抗超低溫具有實(shí)際應(yīng)用意義。

超低溫；電加熱膜；PTC熱敏電阻

引言

近年來，超低溫監(jiān)視設(shè)備在浮空平臺(tái)如機(jī)載、艇載等一些產(chǎn)品平臺(tái)上得到了廣泛的應(yīng)用。此類浮空平臺(tái)工作于6～10km左右的高空，由于高度每增加1km，氣溫大約下降6℃，因此，浮空平臺(tái)工作的溫度可低至—60℃左右。大氣中空氣密度隨高度的增加而減小，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101kpa，10km高空的大氣壓下降為約0.25個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即25kpa左右。

某項(xiàng)目的浮空平臺(tái)監(jiān)視設(shè)備，實(shí)際工作于高度約為6～10km的高空。為了模擬用戶實(shí)際使用環(huán)境，設(shè)備需要在氣壓20kpa、溫度—60℃條件下正常工作。一般產(chǎn)品要求工作的低溫溫度在—40℃左右，某項(xiàng)目要求設(shè)備在—60℃條件下工作正常，這比一般產(chǎn)品要求的嚴(yán)苛的多，這給設(shè)備的生產(chǎn)、調(diào)試帶來了較大的困難。尋找一種可靠有效、性價(jià)比較高的抗超低溫低氣壓的措施的問題隨之而來。

1. 傳統(tǒng)的抗超低溫方法

傳統(tǒng)的抗超低溫方法是采用電加熱膜加熱。電加熱膜是一種通電后能發(fā)熱的半透明聚酰亞胺柔性薄膜材料，可訂制復(fù)雜的幾何形狀，具有柔性好、厚度薄、絕緣強(qiáng)度高、預(yù)熱速度快、使用壽命長等特點(diǎn)。非常適用于使用空間和重量都有限制的情況，適用溫度范圍可在—60℃～125℃；可以采用多種方式安裝，如膠粘或機(jī)械固定均可。

浮空平臺(tái)超低溫監(jiān)視設(shè)備的抗超低溫控制系統(tǒng)由溫控器、溫度感應(yīng)器和電加熱膜等組成。在電加熱膜加熱電路中，溫控器分別連接電源、電加熱膜和溫度感應(yīng)器。系統(tǒng)根據(jù)溫度感應(yīng)器感應(yīng)到的當(dāng)前溫度的高、低情況選擇是否加熱。如果溫度感應(yīng)器感應(yīng)到的當(dāng)前溫度低于其預(yù)設(shè)低溫整定溫度值，溫度感應(yīng)器通過信號(hào)啟動(dòng)溫控器導(dǎo)通電路，電加熱膜即開始加熱；當(dāng)電加熱膜輻射的熱量使待加熱設(shè)備溫度達(dá)到預(yù)設(shè)高溫整定溫度時(shí)，溫度感應(yīng)器通過信號(hào)反饋到溫控器切斷電源停止供電，電加熱膜即停止加熱，以避免電加熱膜繼續(xù)發(fā)熱損毀待加熱設(shè)備。

正確的安裝對(duì)電加熱膜傳熱性能非常重要。氣體可以阻礙熱傳導(dǎo)，形成熱阻，并導(dǎo)致在電加熱膜局部產(chǎn)生過熱點(diǎn)，所以電加熱膜必須與待加熱設(shè)備表面緊密接觸。對(duì)需要加熱的部件，如功能電機(jī)、電路器件等，根據(jù)其形狀及面積大小，選用大小形狀匹配、阻值合適的電加熱膜包裹處理。電加熱膜緊密地貼在這些需要加熱部件的表面，以便電加熱膜散發(fā)的熱量良好的傳導(dǎo)到這些需要加熱的部件。

傳統(tǒng)的電加熱膜加熱方法在低溫下可以正常工作，但電加熱膜價(jià)格高昂，尤其是軍品級(jí)的電加熱膜，每片高達(dá)數(shù)百元。因此，尋找一種加熱效果好、性價(jià)比較高的加熱技術(shù)是有必要的。

2. PTC熱敏電阻加熱方案

2.1 熱敏電阻簡介

熱敏電阻，屬半導(dǎo)體器件，利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化的性質(zhì)制成的溫度敏感元件，按其溫度特性分為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻等幾類。

熱敏電阻是應(yīng)用極為廣泛的低成本溫度傳感器，其典型特點(diǎn)是對(duì)溫度極為敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。PTC電阻在溫度越高時(shí)阻值越大，NTC電阻在溫度越高時(shí)阻值越低。熱敏電阻以極高的精確度、穩(wěn)定性、微型化、價(jià)格低、靈敏度高、時(shí)間響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，需選擇PTC熱敏電阻作為加熱材料。

2.2 PTC熱敏電阻三大特性

PTC熱敏電阻具有3個(gè)主要特性，即電阻—溫度特性、電流—電壓特性及電流—時(shí)間特性。

2.2.1 電阻-溫度特性

電阻—溫度特性常簡稱為阻—溫特性，它是PTC熱敏電阻最基本的特性，表示在規(guī)定的電壓下PTC熱敏電阻零功率電阻與電阻本體溫度之間的關(guān)系。零功率電阻是指在某一溫度下測(cè)量PTC熱敏的電阻值時(shí)，加在PTC熱敏電阻上的功耗極低，低到因其功耗引起的PTC熱敏電阻的阻值變化可忽略不計(jì)。額定零功率電阻指環(huán)境溫度25℃條件下測(cè)得的零功率電阻值。阻—溫特性的典型曲線如圖1。

圖1 電阻溫度特性

PTC元件有一個(gè)突變點(diǎn)，稱為開關(guān)溫度，也稱居里溫度。當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，電阻值將隨溫度的升高而減少，表現(xiàn)為負(fù)溫度特性，一般為（—1～—3）%/℃，這時(shí)的PTC熱敏電阻是良好的導(dǎo)體，其阻值變化很??；而在溫度超過居里溫度后，其阻值呈現(xiàn)階躍性增大，溫度系數(shù)可達(dá)（15～60）%/℃，在幾十度的溫度范圍內(nèi)，其電阻率可增大到原來的103～107倍，即產(chǎn)生所謂的PTC效應(yīng)。利用這一特性，PTC元件可用于電動(dòng)機(jī)線圈過熱保護(hù)、電流控制、溫度報(bào)警和恒溫發(fā)熱等場(chǎng)合。

2.2.2 電流-電壓特性（靜態(tài)特性）

圖2 電流—電壓特性

電流—電壓特性，即伏—安特性，是PTC元件在實(shí)際工作狀態(tài)下的電流和電壓之間的關(guān)系，典型曲線如圖2所示。其特性曲線可粗略分為AB、BC、CD三部分。在AB段，由于PTC元件兩端所加電壓較低，由功耗引起的溫升電阻變化很小，稱為等電阻段。在BC段，由于元件的功耗P=U2/R可以通過自身電阻的變化調(diào)整，基本保持不變，稱為等功率段。就是說，當(dāng)電路工作在正常狀態(tài)時(shí)，PTC元件就處于低阻狀態(tài)，一旦電路出現(xiàn)故障或過載使工作電流增大，PTC元件處于高阻狀態(tài), 促使電流自動(dòng)降下來，形成PTC元件著名的自動(dòng)控制功能。在CD段，因受電壓效應(yīng)的影響，電阻阻值增大速度減慢，電流變化逐漸趨于平穩(wěn)。超過D點(diǎn)即進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，電流開始回升。靜態(tài)伏—安特性是確定PTC元件最佳工作狀態(tài)的主要依據(jù)，根據(jù)這一特性，PTC元件可用于過流保護(hù)，恒溫發(fā)熱等場(chǎng)合。

2.2.3 電流-時(shí)間特性( 動(dòng)態(tài)特性)

電流—時(shí)間特性，它表示在PTC元件兩端加上額定工作電壓時(shí)，流過元件的電流隨時(shí)間而變化的特性，兩種電壓下的典型特性曲線如圖3所示。

圖3 兩種電壓下的電流—時(shí)間特性

在PTC元件兩端施加某一電壓的瞬間，由于其初始阻值小，電流迅速增大。然后，隨著時(shí)間的推移，PTC元件自身發(fā)熱，進(jìn)入正溫度系數(shù)特性區(qū)域，電阻阻值急劇增加，電流大幅度下降，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)這一特性，PTC熱敏元件可應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、繼電器接點(diǎn)保護(hù)、延遲開關(guān)及彩色電視機(jī)的自動(dòng)消磁等。

2.3 PTC熱敏電阻恒溫加熱原理

PTC熱敏電阻具有恒溫加熱作用。當(dāng)PTC熱敏電阻通電時(shí)，溫度較低，此時(shí)電阻較小，功率較大，熱敏電阻能迅速對(duì)需加熱元件進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度逐漸上升到居里溫度時(shí)，由電阻—溫度曲線圖1可知，此時(shí)PTC熱敏電阻的電阻值急劇增大，增大可達(dá)原來的103～107倍。如果供電電壓保持不變，在恒定電壓作用下，通過電路元件的電流大幅度減小，由P=U2/R可知，PTC熱敏電阻發(fā)熱功率亦減小，相應(yīng)地，PTC熱敏電阻與待加熱元件元件溫度亦下降，PTC熱敏電阻溫度下降后其電阻值相應(yīng)減小。因電壓恒定，由P=U2/ R可知，電阻的減小又導(dǎo)致PTC熱敏電阻元件發(fā)熱功率增大，隨之導(dǎo)致其溫度升高→電阻增大→發(fā)熱功率減小。通過上述往復(fù)重復(fù)過程，PTC熱敏電阻和待加熱元件的溫度就能保持在一定的安全溫度范圍內(nèi)，不至于溫度升高太高而燒毀器件，也不至于溫度太低致使功能元件無法正常工作。這樣，PTC熱敏電阻元件就起到了自動(dòng)控制溫度的作用。由于PTC熱敏電阻元件具有自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的作用，它在電路中實(shí)際上起到了加熱器和溫度控制器的雙重作用。

根據(jù)被加熱設(shè)備的特點(diǎn)，選擇具有特定阻值－溫度特性的PTC熱敏電阻及其物理尺寸，可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、高精度溫度控制的目的；同時(shí)，利用PTC熱敏電阻的自動(dòng)控溫系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、無需復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可以減輕溫度控制系統(tǒng)的重量，這對(duì)空間和重量要求極為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合尤其重要。因此，PTC熱敏電阻在自動(dòng)溫度控制領(lǐng)域具有愈來愈廣闊的潛在應(yīng)用前景。

2.4 PTC熱敏電阻發(fā)熱材料主要優(yōu)點(diǎn)

PTC熱敏元件具有自動(dòng)控溫、安全可靠、效率高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)和各種應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用愈來愈廣泛。PTC熱敏電阻主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）安全可靠：PTC熱敏電阻具有自動(dòng)控制溫度在一定的安全范圍內(nèi)的功能，當(dāng)PTC元件加電后溫度升高時(shí)，在達(dá)到居里溫度點(diǎn)之前時(shí)，其電阻率基本保持不變或僅僅有很小的變化，而當(dāng)溫度超過PTC熱敏電阻的居里溫度點(diǎn)后，其電阻會(huì)階躍性增大，使其發(fā)熱功率急速下降致使其溫度同步下降，達(dá)到自動(dòng)控制溫度的目的。

自動(dòng)控制溫度功能對(duì)功能電機(jī)、CCD等加熱應(yīng)用具備明顯的安全優(yōu)勢(shì)。選擇阻值及居里溫度合適的PTC熱敏電阻，可以保證功能電機(jī)、CCD等正常工作，避免溫度過高燒毀電機(jī)及CCD的潛在危險(xiǎn)。

（2）效率較高：PTC熱敏電阻元件溫度升高速度快，熱能轉(zhuǎn)換效率高，可以在較短的時(shí)間內(nèi)提高待加熱設(shè)備元件的溫度，有利于超低溫度下設(shè)備快速啟動(dòng)工作。

（3）簡化控制電路：與采用傳統(tǒng)的電加熱膜等加熱材料對(duì)設(shè)備進(jìn)行加熱電路相比，PTC熱敏電阻加熱省去了復(fù)雜的自動(dòng)控制溫度的部分電路，因此電路設(shè)計(jì)部分更為簡單。

（4）價(jià)格低廉：與傳統(tǒng)的電加熱膜相比，加熱膜價(jià)格較高，尤其是軍品級(jí)的電加熱膜每片數(shù)百元，而PTC熱敏電阻每只僅幾元，性價(jià)比極高。

3. PTC熱敏電阻加熱方案試驗(yàn)驗(yàn)證推廣

為了驗(yàn)證上述PTC熱敏電阻加熱技術(shù)方案的有效性和可行性，對(duì)某項(xiàng)目的多套產(chǎn)品按上述加熱方案進(jìn)行PTC熱敏電阻加熱技術(shù)改造，隨后在低溫低氣壓試驗(yàn)箱進(jìn)行例行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該批次的多套產(chǎn)品均通過了低溫低氣壓試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性。該批次產(chǎn)品交付用戶后，設(shè)備隨用戶某平臺(tái)進(jìn)行了多次高空長時(shí)間飛行，設(shè)備運(yùn)行正常、穩(wěn)定，經(jīng)受住了惡劣的低溫低氣壓環(huán)境的嚴(yán)苛考驗(yàn)，證明了該技術(shù)方案抗超低溫設(shè)計(jì)是有效的、可行的。

4. 結(jié)論

通過批量產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，PTC熱敏電阻具有自動(dòng)控制溫度在一定的安全范圍內(nèi)的特性，其兼具加熱器及溫度控制器的雙重作用。與傳統(tǒng)的電加熱膜加熱控制系統(tǒng)相比，PTC熱敏電阻自動(dòng)控溫系統(tǒng)具有升溫速度快、控溫精度高、自適應(yīng)能力強(qiáng)、控制電路簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)于利用PTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)浮空平臺(tái)監(jiān)視設(shè)備自動(dòng)控制溫度以抵抗超低溫具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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