浮空平台抗超低温技术研究

2017-08-09作者王双王世昌中国电子科技集团公司第二十七研究所

电子制作 2017年15期

作者/王双、王世昌，中国电子科技集团公司第二十七研究所

浮空平台抗超低温技术研究

作者/王双、王世昌，中国电子科技集团公司第二十七研究所

近年来，超低温监视设备在浮空平台如机载、艇载等产品平台上得到了愈来愈广泛的应用。随着设备工作环境高度的增加，随之出现温度降低气压减小等现象，寻找可靠有效、性价比较高的抗低温低气压的措施的问题随之而来。文章先介绍了传统的电加热膜抗超低温技术，随后介绍了一种利用PTC热敏电阻的温度敏感特性抗超低温的新方法。试验结果显示，PTC热敏电阻加热方法可有效抗超低温，且自适应能力强、性价比较高。本方法对于利用PTC热敏电阻实现浮空平台抗超低温具有实际应用意义。

超低温；电加热膜；PTC热敏电阻

引言

近年来，超低温监视设备在浮空平台如机载、艇载等一些产品平台上得到了广泛的应用。此类浮空平台工作于6～10km左右的高空，由于高度每增加1km，气温大约下降6℃，因此，浮空平台工作的温度可低至—60℃左右。大气中空气密度随高度的增加而减小，1个标准大气压为101kpa，10km高空的大气压下降为约0.25个标准大气压，即25kpa左右。

某项目的浮空平台监视设备，实际工作于高度约为6～10km的高空。为了模拟用户实际使用环境，设备需要在气压20kpa、温度—60℃条件下正常工作。一般产品要求工作的低温温度在—40℃左右，某项目要求设备在—60℃条件下工作正常，这比一般产品要求的严苛的多，这给设备的生产、调试带来了较大的困难。寻找一种可靠有效、性价比较高的抗超低温低气压的措施的问题随之而来。

1. 传统的抗超低温方法

传统的抗超低温方法是采用电加热膜加热。电加热膜是一种通电后能发热的半透明聚酰亚胺柔性薄膜材料，可订制复杂的几何形状，具有柔性好、厚度薄、绝缘强度高、预热速度快、使用寿命长等特点。非常适用于使用空间和重量都有限制的情况，适用温度范围可在—60℃～125℃；可以采用多种方式安装，如胶粘或机械固定均可。

浮空平台超低温监视设备的抗超低温控制系统由温控器、温度感应器和电加热膜等组成。在电加热膜加热电路中，温控器分别连接电源、电加热膜和温度感应器。系统根据温度感应器感应到的当前温度的高、低情况选择是否加热。如果温度感应器感应到的当前温度低于其预设低温整定温度值，温度感应器通过信号启动温控器导通电路，电加热膜即开始加热；当电加热膜辐射的热量使待加热设备温度达到预设高温整定温度时，温度感应器通过信号反馈到温控器切断电源停止供电，电加热膜即停止加热，以避免电加热膜继续发热损毁待加热设备。

正确的安装对电加热膜传热性能非常重要。气体可以阻碍热传导，形成热阻，并导致在电加热膜局部产生过热点，所以电加热膜必须与待加热设备表面紧密接触。对需要加热的部件，如功能电机、电路器件等，根据其形状及面积大小，选用大小形状匹配、阻值合适的电加热膜包裹处理。电加热膜紧密地贴在这些需要加热部件的表面，以便电加热膜散发的热量良好的传导到这些需要加热的部件。

传统的电加热膜加热方法在低温下可以正常工作，但电加热膜价格高昂，尤其是军品级的电加热膜，每片高达数百元。因此，寻找一种加热效果好、性价比较高的加热技术是有必要的。

2. PTC热敏电阻加热方案

2.1 热敏电阻简介

热敏电阻，属半导体器件，利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成的温度敏感元件，按其温度特性分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻和临界温度系数（CTR）热敏电阻等几类。

热敏电阻是应用极为广泛的低成本温度传感器，其典型特点是对温度极为敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。PTC电阻在温度越高时阻值越大，NTC电阻在温度越高时阻值越低。热敏电阻以极高的精确度、稳定性、微型化、价格低、灵敏度高、时间响应快等优点使其应用越来越广泛。根据实际应用情况，需选择PTC热敏电阻作为加热材料。

2.2 PTC热敏电阻三大特性

PTC热敏电阻具有3个主要特性，即电阻—温度特性、电流—电压特性及电流—时间特性。

2.2.1 电阻-温度特性

电阻—温度特性常简称为阻—温特性，它是PTC热敏电阻最基本的特性，表示在规定的电压下PTC热敏电阻零功率电阻与电阻本体温度之间的关系。零功率电阻是指在某一温度下测量PTC热敏的电阻值时，加在PTC热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可忽略不计。额定零功率电阻指环境温度25℃条件下测得的零功率电阻值。阻—温特性的典型曲线如图1。

图1 电阻温度特性

PTC元件有一个突变点，称为开关温度，也称居里温度。当温度低于居里温度时，电阻值将随温度的升高而减少，表现为负温度特性，一般为（—1～—3）%/℃，这时的PTC热敏电阻是良好的导体，其阻值变化很小；而在温度超过居里温度后，其阻值呈现阶跃性增大，温度系数可达（15～60）%/℃，在几十度的温度范围内，其电阻率可增大到原来的103～107倍，即产生所谓的PTC效应。利用这一特性，PTC元件可用于电动机线圈过热保护、电流控制、温度报警和恒温发热等场合。

2.2.2 电流-电压特性（静态特性）

图2 电流—电压特性

电流—电压特性，即伏—安特性，是PTC元件在实际工作状态下的电流和电压之间的关系，典型曲线如图2所示。其特性曲线可粗略分为AB、BC、CD三部分。在AB段，由于PTC元件两端所加电压较低，由功耗引起的温升电阻变化很小，称为等电阻段。在BC段，由于元件的功耗P=U2/R可以通过自身电阻的变化调整，基本保持不变，称为等功率段。就是说，当电路工作在正常状态时，PTC元件就处于低阻状态，一旦电路出现故障或过载使工作电流增大，PTC元件处于高阻状态, 促使电流自动降下来，形成PTC元件著名的自动控制功能。在CD段，因受电压效应的影响，电阻阻值增大速度减慢，电流变化逐渐趋于平稳。超过D点即进入负阻区，电流开始回升。静态伏—安特性是确定PTC元件最佳工作状态的主要依据，根据这一特性，PTC元件可用于过流保护，恒温发热等场合。

2.2.3 电流-时间特性( 动态特性)

电流—时间特性，它表示在PTC元件两端加上额定工作电压时，流过元件的电流随时间而变化的特性，两种电压下的典型特性曲线如图3所示。

图3 两种电压下的电流—时间特性

在PTC元件两端施加某一电压的瞬间，由于其初始阻值小，电流迅速增大。然后，随着时间的推移，PTC元件自身发热，进入正温度系数特性区域，电阻阻值急剧增加，电流大幅度下降，最后达到稳定状态。根据这一特性，PTC热敏元件可应用于电动机的启动、继电器接点保护、延迟开关及彩色电视机的自动消磁等。

2.3 PTC热敏电阻恒温加热原理

PTC热敏电阻具有恒温加热作用。当PTC热敏电阻通电时，温度较低，此时电阻较小，功率较大，热敏电阻能迅速对需加热元件进行加热；当温度逐渐上升到居里温度时，由电阻—温度曲线图1可知，此时PTC热敏电阻的电阻值急剧增大，增大可达原来的103～107倍。如果供电电压保持不变，在恒定电压作用下，通过电路元件的电流大幅度减小，由P=U2/R可知，PTC热敏电阻发热功率亦减小，相应地，PTC热敏电阻与待加热元件元件温度亦下降，PTC热敏电阻温度下降后其电阻值相应减小。因电压恒定，由P=U2/ R可知，电阻的减小又导致PTC热敏电阻元件发热功率增大，随之导致其温度升高→电阻增大→发热功率减小。通过上述往复重复过程，PTC热敏电阻和待加热元件的温度就能保持在一定的安全温度范围内，不至于温度升高太高而烧毁器件，也不至于温度太低致使功能元件无法正常工作。这样，PTC热敏电阻元件就起到了自动控制温度的作用。由于PTC热敏电阻元件具有自动调节温度的作用，它在电路中实际上起到了加热器和温度控制器的双重作用。

根据被加热设备的特点，选择具有特定阻值－温度特性的PTC热敏电阻及其物理尺寸，可以实现自适应、高精度温度控制的目的；同时，利用PTC热敏电阻的自动控温系统具有结构简单、无需复杂温度控制系统的优点，可以减轻温度控制系统的重量，这对空间和重量要求极为严格的应用场合尤其重要。因此，PTC热敏电阻在自动温度控制领域具有愈来愈广阔的潜在应用前景。

2.4 PTC热敏电阻发热材料主要优点

PTC热敏元件具有自动控温、安全可靠、效率高、价格低廉等优点，在各行业和各种应用场合应用愈来愈广泛。PTC热敏电阻主要优点如下：

（1）安全可靠：PTC热敏电阻具有自动控制温度在一定的安全范围内的功能，当PTC元件加电后温度升高时，在达到居里温度点之前时，其电阻率基本保持不变或仅仅有很小的变化，而当温度超过PTC热敏电阻的居里温度点后，其电阻会阶跃性增大，使其发热功率急速下降致使其温度同步下降，达到自动控制温度的目的。

自动控制温度功能对功能电机、CCD等加热应用具备明显的安全优势。选择阻值及居里温度合适的PTC热敏电阻，可以保证功能电机、CCD等正常工作，避免温度过高烧毁电机及CCD的潜在危险。

（2）效率较高：PTC热敏电阻元件温度升高速度快，热能转换效率高，可以在较短的时间内提高待加热设备元件的温度，有利于超低温度下设备快速启动工作。

（3）简化控制电路：与采用传统的电加热膜等加热材料对设备进行加热电路相比，PTC热敏电阻加热省去了复杂的自动控制温度的部分电路，因此电路设计部分更为简单。

（4）价格低廉：与传统的电加热膜相比，加热膜价格较高，尤其是军品级的电加热膜每片数百元，而PTC热敏电阻每只仅几元，性价比极高。

3. PTC热敏电阻加热方案试验验证推广

为了验证上述PTC热敏电阻加热技术方案的有效性和可行性，对某项目的多套产品按上述加热方案进行PTC热敏电阻加热技术改造，随后在低温低气压试验箱进行例行试验。试验表明，该批次的多套产品均通过了低温低气压试验，初步验证了该技术方案的可行性。该批次产品交付用户后，设备随用户某平台进行了多次高空长时间飞行，设备运行正常、稳定，经受住了恶劣的低温低气压环境的严苛考验，证明了该技术方案抗超低温设计是有效的、可行的。

4. 结论

通过批量产品实验验证，PTC热敏电阻具有自动控制温度在一定的安全范围内的特性，其兼具加热器及温度控制器的双重作用。与传统的电加热膜加热控制系统相比，PTC热敏电阻自动控温系统具有升温速度快、控温精度高、自适应能力强、控制电路简单、价格低廉等优点。本文的实验验证结果对于利用PTC热敏电阻实现浮空平台监视设备自动控制温度以抵抗超低温具有实际的指导意义。

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