基于PTC特性的薄膜電加熱器溫控方法

王頤壕，劉 壯，謝 龍，馬 元，高長水

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京210016；2.無錫新輝龍科技有限公司，無錫214174；3.南京航空航天大學(xué)無錫研究院，無錫214174）

薄膜電加熱器的加熱方式主要是依靠貼附在被加熱物體上進(jìn)行加熱。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的精確控制，在加熱過程中需要對(duì)被加熱物體的溫度進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量溫度的方式主要是在被加熱物體外表面放置大量的溫度傳感器，如PT100、K-type 熱電偶等測(cè)溫元件。然而，在工業(yè)生產(chǎn)中，大量布置溫度傳感器將會(huì)增大測(cè)溫裝置出現(xiàn)故障的機(jī)率。另外，在某些空間狹小的應(yīng)用場(chǎng)合，比如加熱膜需要與被加熱物體緊密貼合，無法放置溫度傳感器，此時(shí)傳統(tǒng)的測(cè)溫方式已不再適用。因此，為了取代傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的測(cè)量及控制，基于電熱絲PTC 特性的溫度測(cè)控方法應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。國外許多研究人員開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[3]制備了居里溫度為34 ℃的新型PTC 材料，提出了將PTC 材料與PID 控制算法相結(jié)合的新型溫度控制方法。文獻(xiàn)[4]首次在BiO+FeO 和ZrO+MnO 樣品中發(fā)現(xiàn)了PTC效應(yīng)，將這兩種樣品的PTC 效應(yīng)與計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，分別應(yīng)用于兩種不同的溫度測(cè)量范圍。文獻(xiàn)[5]研究了PTC 溫度傳感器的電阻隨微熱板溫度變化的情況，實(shí)現(xiàn)了在氣敏傳感器系統(tǒng)中放置PTC溫度傳感器來測(cè)量和控制微熱板溫度的功能。

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫方式在工業(yè)生產(chǎn)中帶來的諸多問題，為了取代溫度傳感器的使用，實(shí)現(xiàn)基于電加熱絲PTC 特性的溫度測(cè)量及控制，本文將針對(duì)電加熱絲的PTC 特性開展研究，并搭建出一種基于電熱絲PTC 特性的溫度控制裝置。

1 溫控裝置總體方案

溫控裝置以單片機(jī)STM32F103 為CPU，電加熱絲作為一個(gè)未知電阻被放置在電橋電路中，當(dāng)電熱絲溫度變化時(shí)，其阻值也會(huì)發(fā)生變化，電橋電路中的檢壓計(jì)將會(huì)檢測(cè)出兩個(gè)橋臂間的電壓差，并將電壓信號(hào)傳遞出去。在信號(hào)采集過程中，如果信號(hào)過于微弱，很容易受到噪聲信號(hào)的湮沒，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)采集不完整。因此需要設(shè)計(jì)放大電路，將信號(hào)進(jìn)行放大處理。由于單片機(jī)識(shí)別的是二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，需要將采集的信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理算法將電阻值轉(zhuǎn)換成此刻的溫度值，然后與設(shè)定的加熱溫度范圍相比較，并發(fā)出對(duì)應(yīng)的命令，傳遞給繼電器驅(qū)動(dòng)電路，控制繼電器的通斷，以此實(shí)現(xiàn)加熱過程的開啟和停止。溫控裝置總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 溫控裝置總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme of temperature control device

2 電加熱絲材料PTC 特性研究

本文選用在工業(yè)中常用的3 種電熱合金材料進(jìn)行研究。這3 種電熱合金分別為304 不銹鋼、Ni80Cr20鎳鉻合金、4J36 鐵鎳合金，合金的厚度為0.05 mm。采用激光切割工藝將電熱絲切割成型，在電熱絲兩側(cè)貼覆導(dǎo)熱的聚酰亞胺絕緣膜，引腳處引出導(dǎo)線并用硅橡膠密封，電熱絲及加熱膜試樣如圖2所示。

圖2 電熱絲及加熱膜試樣Fig.2 Heating wire and heating film sample

采用水浴法測(cè)量3 種電熱絲阻值隨溫度變化情況，把加熱膜放置在恒溫水浴鍋中，將水溫依次設(shè)置為30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃，待水溫穩(wěn)定5 min、10 min、15 min 后記錄電熱絲阻值，最終結(jié)果取其算術(shù)平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種電熱絲的電阻隨溫度變化情況Fig.3 Temperature dependence of resistance of three kinds of heating wires

2.1 三種電熱合金的電阻率-溫度計(jì)算公式

金屬材料的電阻溫度系數(shù)表示的是金屬材料的溫度變化1 ℃時(shí)，電阻的相對(duì)變化量[6]。對(duì)于電阻隨溫度變化近似直線關(guān)系的合金，通常計(jì)算平均電阻溫度系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中：RT為T ℃時(shí)的電阻值，單位為Ω；RT0為T0℃時(shí)的電阻值，單位為Ω；T 為試驗(yàn)溫度，單位為℃；T0為參考溫度，單位為℃，通常取25 ℃；αˉ為T0到T 區(qū)間的平均電阻溫度系數(shù)，單位為1/℃；

金屬材料的電阻率通常按照體積電阻率來計(jì)算，以25 ℃時(shí)的體積電阻率為金屬材料的室溫電阻率ρ0，計(jì)算公式如下：

式中：R 為25 ℃時(shí)金屬材料的電阻值；S 為金屬材料的橫截面積；L 為金屬材料的長度。

三種合金材料的電阻溫度系數(shù)及室溫電阻率如表1所示。

表1 三種合金的電阻溫度系數(shù)及室溫電阻率Tab.1 Temperature coefficient of resistance and room temperature resistivity of three alloys

金屬材料的電阻率由材料自身的屬性決定。各種材料的電阻率都隨溫度而變化。在正常的溫度范圍內(nèi)，金屬材料的電阻率隨溫度作線性變化，變化關(guān)系可以表示為

式中：ρ 為t ℃時(shí)的電阻率，單位為Ω·mm；T 為金屬材料的溫度，單位為℃。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，三種合金材料的電阻率-溫度計(jì)算如下：

304 不銹鋼的電阻率-溫度計(jì)算公式：

Ni80Cr20 鐵鎳合金的電阻率-溫度計(jì)算公式：

4J36 鐵鎳合金的電阻率-溫度計(jì)算公式：

式中：ΔT=T待測(cè)溫度-T初始溫度，初始溫度為25 ℃。

2.2 三種合金的PTC 特性對(duì)比

以起始溫度25 ℃時(shí)的電阻率為初始值ρ0，計(jì)算其他各溫度點(diǎn)的電阻率相對(duì)值ρ/ρ0，繪出ρ/ρ0-T 折線圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出3 種電熱合金的PTC特性圖，如圖4所示。由圖可知，4J36 鐵鎳合金的PTC特性曲線最為陡峭，原因是4J36 鐵鎳合金的電阻溫度系數(shù)較大，電阻率隨溫度變化的速率快，說明4J36鐵鎳合金這種材料的電阻率對(duì)溫度變化比較敏感。304 不銹鋼的PTC 特性也比較明顯，但沒有4J36 鐵鎳合金的PTC 特性顯著，其電阻率比4J36鐵鎳合金的電阻率變化得慢。三種合金中，以Ni80Cr20 鎳鉻合金的PTC 特性曲線最為平坦，原因是其電阻溫度系數(shù)較小，電阻率隨溫度變化不明顯，說明這種材料的電阻率對(duì)溫度變化不敏感。

圖4 三種電熱合金材料PTC 性能對(duì)比Fig.4 Comparison of PTC properties of three electrothermal alloys

3 溫控裝置設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制模塊開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速采集及運(yùn)算，本文選用了ST 公司研發(fā)的STM32F103ZET6 微處理器。薄膜電加熱器在對(duì)被加熱物體進(jìn)行加熱時(shí)，加熱溫度的調(diào)節(jié)由控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)。通過控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱過程的控制，繼電器型號(hào)為HF49FD012-1H12，額定電壓為5 V，三極管型號(hào)為SS8050Y1。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平電壓時(shí)繼電器通電，加熱器通電開始進(jìn)行加熱。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，繼電器斷開，加熱器停止加熱。

溫度控制方法采用通斷式控制[7]，將采集的溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，對(duì)其差值做相應(yīng)處理，然后對(duì)加熱器的通斷做出相應(yīng)的控制。溫度控制程序流程如圖5所示，將測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與溫度控制設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)被加熱物體溫度達(dá)到上限值便停止加熱，達(dá)到下限值開始加熱。

3.2 溫度采集模塊開發(fā)

采用非平衡電橋電路用于實(shí)時(shí)測(cè)量電熱絲隨溫度變化的阻值[8]，電橋中有3 個(gè)固定阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，電熱絲將作為未知電阻被放置在電橋中。接通電源后，當(dāng)電熱絲溫度升高，阻值發(fā)生變化，電橋失衡，此時(shí)在兩個(gè)橋臂之間的檢壓計(jì)將檢測(cè)到橋臂間的電壓差，并將信號(hào)傳遞出去。電熱絲的阻值范圍是0～100 Ω，因此電橋中3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的選值為30 Ω。電熱絲的阻值可由下式得到：

式中：UIN1+、UIN1-分別為電橋兩個(gè)橋臂輸出的電壓值。數(shù)據(jù)采集程序流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集程序流程Fig.6 Flow chart of data acquisition program

數(shù)據(jù)處理程序是用來對(duì)AD 采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。采用中位值平均濾波算法對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行過濾處理，由式（2）和式（7）可計(jì)算出當(dāng)前電熱絲的電阻率，然后由式（6）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值。將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的LCD 顯示碼以實(shí)現(xiàn)LCD的正確顯示。數(shù)據(jù)處理程序流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理程序流程圖Fig.7 Flow chart of data processing program

4 裝置測(cè)溫誤差分析

首先設(shè)計(jì)加熱絲的尺寸規(guī)格，制備加熱膜，然后對(duì)裝置的測(cè)溫性能進(jìn)行測(cè)試及校驗(yàn)。使用4J36 鐵鎳合金材料制備電加熱絲，加熱絲的設(shè)計(jì)尺寸為厚度0.03 mm，線寬1.64 mm，線長1462 mm。在30 ℃～100 ℃溫度范圍內(nèi)，裝置測(cè)溫誤差如圖8所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本裝置的測(cè)溫誤差較大，超過了5%，不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)裝置進(jìn)行誤差的分析和改進(jìn)。

圖8 校正前的裝置測(cè)溫誤差Fig.8 Temperature measurement error of device before correction

分析電熱絲引腳處的導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使用HP-3478A 數(shù)字萬用表測(cè)量兩根導(dǎo)線的電阻。兩根導(dǎo)線的電阻值為0.8 Ω，經(jīng)過計(jì)算，導(dǎo)線電阻對(duì)裝置產(chǎn)生的測(cè)溫誤差為6.8%。為了減少導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫誤差的影響，導(dǎo)線應(yīng)盡量縮短，同時(shí)要選用比較粗的導(dǎo)線，并換用電阻率較小的銅線。再次使用測(cè)溫裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，校正后的裝置測(cè)溫誤差如圖9所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，校正后的裝置測(cè)溫誤差大大縮小，誤差控制在3%以內(nèi)，滿足了裝置測(cè)溫精度為5%的設(shè)計(jì)要求。由此可見，基于加熱絲材料PTC 特性的溫度測(cè)量及控制技術(shù)可以用于某些無法布置溫度傳感器的場(chǎng)合，對(duì)于薄膜電熱器的應(yīng)用具有重要意義。

圖9 校正后的裝置測(cè)溫誤差Fig.9 Temperature measurement error of the device after correction

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于電加熱絲PTC 特性的溫控方法，介紹了溫控裝置總體方案。對(duì)電熱合金的PTC 特性展開了研究，建立了電阻率與溫度之間的計(jì)算公式，對(duì)3 種電熱合金的PTC 特性進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，4J36 鐵鎳合金的PTC 特性最顯著。對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，詳細(xì)闡明其中的原理，對(duì)軟件模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案說明，給出了軟件設(shè)計(jì)流程圖。最后，將溫控試驗(yàn)裝置搭建出來，對(duì)測(cè)溫精度進(jìn)行了誤差分析和校準(zhǔn)，通過實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。