基于PTC特性的薄膜电加热器温控方法

王颐壕，刘 壮，谢 龙，马 元，高长水

（1.南京航空航天大学 机电学院，南京210016；2.无锡新辉龙科技有限公司，无锡214174；3.南京航空航天大学无锡研究院，无锡214174）

薄膜电加热器的加热方式主要是依靠贴附在被加热物体上进行加热。为了实现对加热温度的精确控制，在加热过程中需要对被加热物体的温度进行测量。传统测量温度的方式主要是在被加热物体外表面放置大量的温度传感器，如PT100、K-type 热电偶等测温元件。然而，在工业生产中，大量布置温度传感器将会增大测温装置出现故障的机率。另外，在某些空间狭小的应用场合，比如加热膜需要与被加热物体紧密贴合，无法放置温度传感器，此时传统的测温方式已不再适用。因此，为了取代传统的测温方法，实现对加热温度的测量及控制，基于电热丝PTC 特性的温度测控方法应运而生[1-2]。国外许多研究人员开展了相关研究，文献[3]制备了居里温度为34 ℃的新型PTC 材料，提出了将PTC 材料与PID 控制算法相结合的新型温度控制方法。文献[4]首次在BiO+FeO 和ZrO+MnO 样品中发现了PTC效应，将这两种样品的PTC 效应与计算机温度监控系统相结合，分别应用于两种不同的温度测量范围。文献[5]研究了PTC 温度传感器的电阻随微热板温度变化的情况，实现了在气敏传感器系统中放置PTC温度传感器来测量和控制微热板温度的功能。

针对传统测温方式在工业生产中带来的诸多问题，为了取代温度传感器的使用，实现基于电加热丝PTC 特性的温度测量及控制，本文将针对电加热丝的PTC 特性开展研究，并搭建出一种基于电热丝PTC 特性的温度控制装置。

1 温控装置总体方案

温控装置以单片机STM32F103 为CPU，电加热丝作为一个未知电阻被放置在电桥电路中，当电热丝温度变化时，其阻值也会发生变化，电桥电路中的检压计将会检测出两个桥臂间的电压差，并将电压信号传递出去。在信号采集过程中，如果信号过于微弱，很容易受到噪声信号的湮没，甚至会导致信号采集不完整。因此需要设计放大电路，将信号进行放大处理。由于单片机识别的是二进制的数字信号，需要将采集的信号进行AD 转换。信号进入单片机后经过数据处理算法将电阻值转换成此刻的温度值，然后与设定的加热温度范围相比较，并发出对应的命令，传递给继电器驱动电路，控制继电器的通断，以此实现加热过程的开启和停止。温控装置总体设计方案如图1所示。

图1 温控装置总体设计方案Fig.1 Overall design scheme of temperature control device

2 电加热丝材料PTC 特性研究

本文选用在工业中常用的3 种电热合金材料进行研究。这3 种电热合金分别为304 不锈钢、Ni80Cr20镍铬合金、4J36 铁镍合金，合金的厚度为0.05 mm。采用激光切割工艺将电热丝切割成型，在电热丝两侧贴覆导热的聚酰亚胺绝缘膜，引脚处引出导线并用硅橡胶密封，电热丝及加热膜试样如图2所示。

图2 电热丝及加热膜试样Fig.2 Heating wire and heating film sample

采用水浴法测量3 种电热丝阻值随温度变化情况，把加热膜放置在恒温水浴锅中，将水温依次设置为30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃，待水温稳定5 min、10 min、15 min 后记录电热丝阻值，最终结果取其算术平均值，实验结果如图3所示。

图3 三种电热丝的电阻随温度变化情况Fig.3 Temperature dependence of resistance of three kinds of heating wires

2.1 三种电热合金的电阻率-温度计算公式

金属材料的电阻温度系数表示的是金属材料的温度变化1 ℃时，电阻的相对变化量[6]。对于电阻随温度变化近似直线关系的合金，通常计算平均电阻温度系数，其计算公式如下：

式中：RT为T ℃时的电阻值，单位为Ω；RT0为T0℃时的电阻值，单位为Ω；T 为试验温度，单位为℃；T0为参考温度，单位为℃，通常取25 ℃；α¯为T0到T 区间的平均电阻温度系数，单位为1/℃；

金属材料的电阻率通常按照体积电阻率来计算，以25 ℃时的体积电阻率为金属材料的室温电阻率ρ0，计算公式如下：

式中：R 为25 ℃时金属材料的电阻值；S 为金属材料的横截面积；L 为金属材料的长度。

三种合金材料的电阻温度系数及室温电阻率如表1所示。

表1 三种合金的电阻温度系数及室温电阻率Tab.1 Temperature coefficient of resistance and room temperature resistivity of three alloys

金属材料的电阻率由材料自身的属性决定。各种材料的电阻率都随温度而变化。在正常的温度范围内，金属材料的电阻率随温度作线性变化，变化关系可以表示为

式中：ρ 为t ℃时的电阻率，单位为Ω·mm；T 为金属材料的温度，单位为℃。

根据表中的数据，三种合金材料的电阻率-温度计算如下：

304 不锈钢的电阻率-温度计算公式：

Ni80Cr20 铁镍合金的电阻率-温度计算公式：

4J36 铁镍合金的电阻率-温度计算公式：

式中：ΔT=T待测温度-T初始温度，初始温度为25 ℃。

2.2 三种合金的PTC 特性对比

以起始温度25 ℃时的电阻率为初始值ρ0，计算其他各温度点的电阻率相对值ρ/ρ0，绘出ρ/ρ0-T 折线图。根据实验数据，绘制出3 种电热合金的PTC特性图，如图4所示。由图可知，4J36 铁镍合金的PTC特性曲线最为陡峭，原因是4J36 铁镍合金的电阻温度系数较大，电阻率随温度变化的速率快，说明4J36铁镍合金这种材料的电阻率对温度变化比较敏感。304 不锈钢的PTC 特性也比较明显，但没有4J36 铁镍合金的PTC 特性显著，其电阻率比4J36铁镍合金的电阻率变化得慢。三种合金中，以Ni80Cr20 镍铬合金的PTC 特性曲线最为平坦，原因是其电阻温度系数较小，电阻率随温度变化不明显，说明这种材料的电阻率对温度变化不敏感。

图4 三种电热合金材料PTC 性能对比Fig.4 Comparison of PTC properties of three electrothermal alloys

3 温控装置设计

3.1 温度控制模块开发

为了实现对数据的快速采集及运算，本文选用了ST 公司研发的STM32F103ZET6 微处理器。薄膜电加热器在对被加热物体进行加热时，加热温度的调节由控制继电器的通断来实现。通过控制继电器的通断来实现对加热过程的控制，继电器型号为HF49FD012-1H12，额定电压为5 V，三极管型号为SS8050Y1。当单片机输出高电平电压时继电器通电，加热器通电开始进行加热。当单片机输出低电平时，继电器断开，加热器停止加热。

温度控制方法采用通断式控制[7]，将采集的温度值与设定的温度值进行比较，对其差值做相应处理，然后对加热器的通断做出相应的控制。温度控制程序流程如图5所示，将测量的实时温度数据与温度控制设定的上下限值进行比较，当被加热物体温度达到上限值便停止加热，达到下限值开始加热。

3.2 温度采集模块开发

采用非平衡电桥电路用于实时测量电热丝随温度变化的阻值[8]，电桥中有3 个固定阻值的标准电阻，电热丝将作为未知电阻被放置在电桥中。接通电源后，当电热丝温度升高，阻值发生变化，电桥失衡，此时在两个桥臂之间的检压计将检测到桥臂间的电压差，并将信号传递出去。电热丝的阻值范围是0～100 Ω，因此电桥中3 个标准电阻的选值为30 Ω。电热丝的阻值可由下式得到：

式中：UIN1+、UIN1-分别为电桥两个桥臂输出的电压值。数据采集程序流程如图6所示。

图6 数据采集程序流程Fig.6 Flow chart of data acquisition program

数据处理程序是用来对AD 采样的数据进行相应处理。采用中位值平均滤波算法对采集的电压信号进行过滤处理，由式（2）和式（7）可计算出当前电热丝的电阻率，然后由式（6）计算出对应的温度值。将计算结果转化为对应的LCD 显示码以实现LCD的正确显示。数据处理程序流程如图7所示。

图7 数据处理程序流程图Fig.7 Flow chart of data processing program

4 装置测温误差分析

首先设计加热丝的尺寸规格，制备加热膜，然后对装置的测温性能进行测试及校验。使用4J36 铁镍合金材料制备电加热丝，加热丝的设计尺寸为厚度0.03 mm，线宽1.64 mm，线长1462 mm。在30 ℃～100 ℃温度范围内，装置测温误差如图8所示，由实验结果可以看出本装置的测温误差较大，超过了5%，不能满足设计要求，需要对装置进行误差的分析和改进。

图8 校正前的装置测温误差Fig.8 Temperature measurement error of device before correction

分析电热丝引脚处的导线电阻对测量结果的影响，使用HP-3478A 数字万用表测量两根导线的电阻。两根导线的电阻值为0.8 Ω，经过计算，导线电阻对装置产生的测温误差为6.8%。为了减少导线电阻对测温误差的影响，导线应尽量缩短，同时要选用比较粗的导线，并换用电阻率较小的铜线。再次使用测温装置进行实验，校正后的装置测温误差如图9所示。由实验结果可知，校正后的装置测温误差大大缩小，误差控制在3%以内，满足了装置测温精度为5%的设计要求。由此可见，基于加热丝材料PTC 特性的温度测量及控制技术可以用于某些无法布置温度传感器的场合，对于薄膜电热器的应用具有重要意义。

图9 校正后的装置测温误差Fig.9 Temperature measurement error of the device after correction

5 结语

本文设计了一种基于电加热丝PTC 特性的温控方法，介绍了温控装置总体方案。对电热合金的PTC 特性展开了研究，建立了电阻率与温度之间的计算公式，对3 种电热合金的PTC 特性进行了比较，结果表明，4J36 铁镍合金的PTC 特性最显著。对硬件电路进行了设计分析，详细阐明其中的原理，对软件模块进行了设计方案说明，给出了软件设计流程图。最后，将温控试验装置搭建出来，对测温精度进行了误差分析和校准，通过实验手段验证了设计方法的可行性。