應用PTC電阻精確控溫的實驗研究

程文龍 宋嘉梁 吳萬范

（中國科學技術大學熱科學和能源工程系，合肥 230027）

1 引言

熱控分系統是保障星上儀器設備在良好溫度環境內工作、維持衛星正常運行的重要組成部分。隨著航天技術的不斷發展，某些星載有效載荷對其工作溫度控制精度、溫度穩定度提出了更高的要求［1-3］。因此，對精確溫度控制技術進行研究具有重要的意義。

衛星溫度控制采用被動熱控與主動熱控相結合的方式。被動熱控制技術是一種開環控制，在控制過程中被控對象的溫度無反饋作用［4］。近年來，隨著航天器對溫度控制精度的要求越來越高，利用電加熱的主動熱控技術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熱控系統，即使采用先進、復雜的控制算法，有時也很難達到所需要的控溫精度［5-7］。

正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）電阻是一種具有正溫度系數的熱敏半導體材料，材料的電阻值在一定的范圍內保持基本不變或僅有較小變化，而當溫度達到某個特定溫度時，材料的電阻值隨著溫度的升高發生突變，在一個很小的溫度范圍（通常為幾攝氏度到十幾攝氏度）內迅速增大到原來的103～105倍，此特定溫度被稱為居里溫度。如果主動熱控系統利用PTC 電阻代替普通電阻，當電壓一定時，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略高于其居里溫度的水平。根據被加熱儀器設備的特點，選擇具有特定溫度-電阻特性的PTC電阻及其物理尺寸，從而有可能實現自適應、高精度溫度控制的目的［8-9］；同時，利用PTC電阻的主動熱控系統也具有結構簡單、無需復雜控制器的優點，可以減輕控溫系統的重量。因此，PTC電阻在主動溫度控制領域具有廣闊的潛在應用前景。但是目前關于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溫度控制實驗系統，基于此系統對PTC電阻控溫特性進行了研究，并與普通電阻的熱控性能進行了對比分析。

2 主動溫度控制實驗系統

主動溫度控制實驗系統的示意圖如圖1所示，受控物體為一個28 mm×22 mm×20 mm 的鋁合金長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。實驗所用PTC電阻由湖北宇峰電子公司提供，其居里溫度為60 ℃（由于目前市場上的陶瓷基PTC材料主要應用在家用電器加熱等領域，其居里溫度多集中在50～400 ℃之間，鮮有能夠將居里溫度控制在常溫段附近的PTC 電阻［10］）。為了對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，保證兩者的實驗條件相同。接觸表面均勻涂上導熱硅脂，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境溫度。

圖2 PTC電阻實物圖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量被控鋁塊的表面溫度及環境溫度，使用直流穩壓電源作為加熱源。主動溫度控制實驗系統實物圖如圖3所示。

圖3 主動溫度控制實驗系統實物圖Fig．3 Physical map of active temperature-control system

為了更好地研究PTC電阻的控溫特性，本主動溫度控制系統采用開關控制作為控制方式，系統的控溫方式如下：熱電偶實時測量鋁塊的溫度，與計算機中設定溫度值進行比較，向其LPT 口輸出高低電平來控制繼電器的通斷：設定溫度高于實測溫度時繼電器接通，通過直流穩壓電源對鋁塊進行加熱；設定溫度低于實測溫度時繼電器斷開，不對鋁塊加熱。從而通過改變設定溫度值來達到控制鋁塊溫度的目的。

3 實驗結果與分析

3．1 PTC電阻-溫度曲線

實驗需要首先測量PTC電阻的電阻-溫度特性。將PTC電阻置于恒溫水浴箱中，熱電偶測量其表面溫度，數據采集儀測量其電阻，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，實驗所測PTC電阻的居里溫度與實際吻合，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，電阻（RT）與溫度近似成指數關系。將居里溫度時的電阻-溫度數據進行擬合，其近似關系如下

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境的散熱，在加熱電壓為12V，環境溫度為45 ℃和55 ℃時對被控鋁塊進行了控溫實驗。圖5、6分別為環境溫度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可以發現，環境溫度45 ℃時，控溫點在低于居里溫度時的控溫精度不高，控制溫度的波動有0．05℃；控溫點在居里溫度時由于此時加熱功率急劇降低，控制溫度的波動減小到0．03 ℃；控溫點高于居里溫度時，隨著控溫點的升高，加熱功率進一步降低，控制溫度的波動只有0．01 ℃。從圖6可以看出，環境溫度55 ℃時，控溫點低于居里溫度時，控制溫度的波動有0．1℃，精度較差。這是由于此時加熱功率較大而被控物體表面與環境溫差只有3℃，向環境的散熱損失??；控溫點在居里溫度時由于加熱功率的降低，控制溫度的波動減小到0．07℃；設定溫度高于居里溫度時，加熱功率進一步降低，控制溫度的變化幅度逐漸減小，控溫精度顯著提高。當環境溫度55 ℃，控制溫度65 ℃時到達一個比較好的控溫點，精度能達到±0．03 ℃，如圖6（c）所示。

圖5 環境溫度45 ℃時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 環境溫度55 ℃時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升高，加熱功率越來越小，向環境的散熱越來越多，直至熱流密度不足以維持向環境的散熱而達到熱平衡狀態。

為了研究PTC電阻控溫性能的優勢，與使用普通電阻的直接電加熱控溫進行了對比。實驗條件為兩者在60℃溫度時的加熱功率相同。以此熱流密度匹配一定電壓和電阻值的康銅絲來對被控鋁塊進行加熱。

控溫對象在不同環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 ℃時熱流密度相同，而環境溫度也相同，被控物體溫度的變化是由電阻的加熱功率和其向環境的散熱共同作用的結果。當環境溫度不變時，由于普通電阻不具備PTC電阻的正溫度系數特性，隨著被控溫度的升高，控制溫度以上的溫度波動不會有太大的變化；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，當環境溫度55 ℃、控制溫度65 ℃時，PTC電阻的控溫精度明顯優于同情況下的普通電阻控溫精度。可以發現，居里溫度后隨著控制溫度的升高PTC電阻控溫精度必定優于相同控制溫度下的普通電阻控溫精度。

圖7 環境溫度45 ℃，控制溫度60 ℃時的控溫對比Fig．7 Temperature control comparison when ambient temperature is 45℃and set temperature is 60℃

圖8 環境溫度55 ℃，控制溫度65 ℃時的控溫對比Fig．8 Temperature control comparison when ambient temperature is 55℃and set temperature is 65℃

3．3 與普通電阻自適應控溫能力的對比

為了探討PTC電阻控溫的自適應能力，使繼電器接通路，不斷給被控鋁塊加熱直至其達到熱平衡狀態，在不同環境溫度下分別使用PTC電阻與本文3．2所用普通電阻時被控鋁塊的最終平衡溫度如表1所示。從表1 可以看出，在環境溫度變化10 ℃時，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，鋁塊平衡溫度較高且變化為11．7 ℃。采用普通電阻方式時被控物體平衡溫度的變化遠大于PTC 電阻方式。由此可以看出，由于PTC材料的自適應特性使得被控物體的溫度穩定性增強。

表1 不同環境溫度下分別使用PTC電阻與普通電阻加熱時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 結論

本文搭建了電加熱主動溫度控制實驗系統，基于該系統對PTC 電阻和普通電阻的控溫性能進行了對比研究。研究結果對于利用PTC 電阻實現航天器載荷部件的精確控溫具有一定的指導意義。主要結論如下：

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

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

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

（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，尚有待于進一步的研究。

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