浮空平臺抗超低溫技術研究

作者/王雙、王世昌，中國電子科技集團公司第二十七研究所

浮空平臺抗超低溫技術研究

作者/王雙、王世昌，中國電子科技集團公司第二十七研究所

近年來，超低溫監視設備在浮空平臺如機載、艇載等產品平臺上得到了愈來愈廣泛的應用。隨著設備工作環境高度的增加，隨之出現溫度降低氣壓減小等現象，尋找可靠有效、性價比較高的抗低溫低氣壓的措施的問題隨之而來。文章先介紹了傳統的電加熱膜抗超低溫技術，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。試驗結果顯示，PTC熱敏電阻加熱方法可有效抗超低溫，且自適應能力強、性價比較高。本方法對于利用PTC熱敏電阻實現浮空平臺抗超低溫具有實際應用意義。

超低溫；電加熱膜；PTC熱敏電阻

引言

近年來，超低溫監視設備在浮空平臺如機載、艇載等一些產品平臺上得到了廣泛的應用。此類浮空平臺工作于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個標準大氣壓為101kpa，10km高空的大氣壓下降為約0.25個標準大氣壓，即25kpa左右。

某項目的浮空平臺監視設備，實際工作于高度約為6～10km的高空。為了模擬用戶實際使用環境，設備需要在氣壓20kpa、溫度—60℃條件下正常工作。一般產品要求工作的低溫溫度在—40℃左右，某項目要求設備在—60℃條件下工作正常，這比一般產品要求的嚴苛的多，這給設備的生產、調試帶來了較大的困難。尋找一種可靠有效、性價比較高的抗超低溫低氣壓的措施的問題隨之而來。

1. 傳統的抗超低溫方法

傳統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熱的半透明聚酰亞胺柔性薄膜材料，可訂制復雜的幾何形狀，具有柔性好、厚度薄、絕緣強度高、預熱速度快、使用壽命長等特點。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，如膠粘或機械固定均可。

浮空平臺超低溫監視設備的抗超低溫控制系統由溫控器、溫度感應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器。系統根據溫度感應器感應到的當前溫度的高、低情況選擇是否加熱。如果溫度感應器感應到的當前溫度低于其預設低溫整定溫度值，溫度感應器通過信號啟動溫控器導通電路，電加熱膜即開始加熱；當電加熱膜輻射的熱量使待加熱設備溫度達到預設高溫整定溫度時，溫度感應器通過信號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發熱損毀待加熱設備。

正確的安裝對電加熱膜傳熱性能非常重要。氣體可以阻礙熱傳導，形成熱阻，并導致在電加熱膜局部產生過熱點，所以電加熱膜必須與待加熱設備表面緊密接觸。對需要加熱的部件，如功能電機、電路器件等，根據其形狀及面積大小，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，以便電加熱膜散發的熱量良好的傳導到這些需要加熱的部件。

傳統的電加熱膜加熱方法在低溫下可以正常工作，但電加熱膜價格高昂，尤其是軍品級的電加熱膜，每片高達數百元。因此，尋找一種加熱效果好、性價比較高的加熱技術是有必要的。

2. PTC熱敏電阻加熱方案

2.1 熱敏電阻簡介

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

熱敏電阻是應用極為廣泛的低成本溫度傳感器，其典型特點是對溫度極為敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值。PTC電阻在溫度越高時阻值越大，NTC電阻在溫度越高時阻值越低。熱敏電阻以極高的精確度、穩定性、微型化、價格低、靈敏度高、時間響應快等優點使其應用越來越廣泛。根據實際應用情況，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個主要特性，即電阻—溫度特性、電流—電壓特性及電流—時間特性。

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系。零功率電阻是指在某一溫度下測量PTC熱敏的電阻值時，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。額定零功率電阻指環境溫度25℃條件下測得的零功率電阻值。阻—溫特性的典型曲線如圖1。

圖1 電阻溫度特性

PTC元件有一個突變點，稱為開關溫度，也稱居里溫度。當溫度低于居里溫度時，電阻值將隨溫度的升高而減少，表現為負溫度特性，一般為（—1～—3）%/℃，這時的PTC熱敏電阻是良好的導體，其阻值變化很小；而在溫度超過居里溫度后，其阻值呈現階躍性增大，溫度系數可達（15～60）%/℃，在幾十度的溫度范圍內，其電阻率可增大到原來的103～107倍，即產生所謂的PTC效應。利用這一特性，PTC元件可用于電動機線圈過熱保護、電流控制、溫度報警和恒溫發熱等場合。

2.2.2 電流-電壓特性（靜態特性）

圖2 電流—電壓特性

電流—電壓特性，即伏—安特性，是PTC元件在實際工作狀態下的電流和電壓之間的關系，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整，基本保持不變，稱為等功率段。就是說，當電路工作在正常狀態時，PTC元件就處于低阻狀態，一旦電路出現故障或過載使工作電流增大，PTC元件處于高阻狀態, 促使電流自動降下來，形成PTC元件著名的自動控制功能。在CD段，因受電壓效應的影響，電阻阻值增大速度減慢，電流變化逐漸趨于平穩。超過D點即進入負阻區，電流開始回升。靜態伏—安特性是確定PTC元件最佳工作狀態的主要依據，根據這一特性，PTC元件可用于過流保護，恒溫發熱等場合。

2.2.3 電流-時間特性( 動態特性)

電流—時間特性，它表示在PTC元件兩端加上額定工作電壓時，流過元件的電流隨時間而變化的特性，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，隨著時間的推移，PTC元件自身發熱，進入正溫度系數特性區域，電阻阻值急劇增加，電流大幅度下降，最后達到穩定狀態。根據這一特性，PTC熱敏元件可應用于電動機的啟動、繼電器接點保護、延遲開關及彩色電視機的自動消磁等。

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PTC熱敏電阻通電時，溫度較低，此時電阻較小，功率較大，熱敏電阻能迅速對需加熱元件進行加熱；當溫度逐漸上升到居里溫度時，由電阻—溫度曲線圖1可知，此時PTC熱敏電阻的電阻值急劇增大，增大可達原來的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熱敏電阻發熱功率亦減小，相應地，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減小。因電壓恒定，由P=U2/ R可知，電阻的減小又導致PTC熱敏電阻元件發熱功率增大，隨之導致其溫度升高→電阻增大→發熱功率減小。通過上述往復重復過程，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，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控制溫度的作用。由于PTC熱敏電阻元件具有自動調節溫度的作用，它在電路中實際上起到了加熱器和溫度控制器的雙重作用。

根據被加熱設備的特點，選擇具有特定阻值－溫度特性的PTC熱敏電阻及其物理尺寸，可以實現自適應、高精度溫度控制的目的；同時，利用PTC熱敏電阻的自動控溫系統具有結構簡單、無需復雜溫度控制系統的優點，可以減輕溫度控制系統的重量，這對空間和重量要求極為嚴格的應用場合尤其重要。因此，PTC熱敏電阻在自動溫度控制領域具有愈來愈廣闊的潛在應用前景。

2.4 PTC熱敏電阻發熱材料主要優點

PTC熱敏元件具有自動控溫、安全可靠、效率高、價格低廉等優點，在各行業和各種應用場合應用愈來愈廣泛。PTC熱敏電阻主要優點如下：

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

自動控制溫度功能對功能電機、CCD等加熱應用具備明顯的安全優勢。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、CCD等正常工作，避免溫度過高燒毀電機及CCD的潛在危險。

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

（3）簡化控制電路：與采用傳統的電加熱膜等加熱材料對設備進行加熱電路相比，PTC熱敏電阻加熱省去了復雜的自動控制溫度的部分電路，因此電路設計部分更為簡單。

（4）價格低廉：與傳統的電加熱膜相比，加熱膜價格較高，尤其是軍品級的電加熱膜每片數百元，而PTC熱敏電阻每只僅幾元，性價比極高。

3. PTC熱敏電阻加熱方案試驗驗證推廣

為了驗證上述PTC熱敏電阻加熱技術方案的有效性和可行性，對某項目的多套產品按上述加熱方案進行PTC熱敏電阻加熱技術改造，隨后在低溫低氣壓試驗箱進行例行試驗。試驗表明，該批次的多套產品均通過了低溫低氣壓試驗，初步驗證了該技術方案的可行性。該批次產品交付用戶后，設備隨用戶某平臺進行了多次高空長時間飛行，設備運行正常、穩定，經受住了惡劣的低溫低氣壓環境的嚴苛考驗，證明了該技術方案抗超低溫設計是有效的、可行的。

4. 結論

通過批量產品實驗驗證，PTC熱敏電阻具有自動控制溫度在一定的安全范圍內的特性，其兼具加熱器及溫度控制器的雙重作用。與傳統的電加熱膜加熱控制系統相比，PTC熱敏電阻自動控溫系統具有升溫速度快、控溫精度高、自適應能力強、控制電路簡單、價格低廉等優點。本文的實驗驗證結果對于利用PTC熱敏電阻實現浮空平臺監視設備自動控制溫度以抵抗超低溫具有實際的指導意義。

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