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 機電學院，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行加熱。為了實現對加熱溫度的精確控制，在加熱過程中需要對被加熱物體的溫度進行測量。傳統測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 熱電偶等測溫元件。然而，在工業生產中，大量布置溫度傳感器將會增大測溫裝置出現故障的機率。另外，在某些空間狹小的應用場合，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，此時傳統的測溫方式已不再適用。因此，為了取代傳統的測溫方法，實現對加熱溫度的測量及控制，基于電熱絲PTC 特性的溫度測控方法應運而生[1-2]。國外許多研究人員開展了相關研究，文獻[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 控制算法相結合的新型溫度控制方法。文獻[4]首次在BiO+FeO 和ZrO+MnO 樣品中發現了PTC效應，將這兩種樣品的PTC 效應與計算機溫度監控系統相結合，分別應用于兩種不同的溫度測量范圍。文獻[5]研究了PTC 溫度傳感器的電阻隨微熱板溫度變化的情況，實現了在氣敏傳感器系統中放置PTC溫度傳感器來測量和控制微熱板溫度的功能。

針對傳統測溫方式在工業生產中帶來的諸多問題，為了取代溫度傳感器的使用，實現基于電加熱絲PTC 特性的溫度測量及控制，本文將針對電加熱絲的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STM32F103 為CPU，電加熱絲作為一個未知電阻被放置在電橋電路中，當電熱絲溫度變化時，其阻值也會發生變化，電橋電路中的檢壓計將會檢測出兩個橋臂間的電壓差，并將電壓信號傳遞出去。在信號采集過程中，如果信號過于微弱，很容易受到噪聲信號的湮沒，甚至會導致信號采集不完整。因此需要設計放大電路，將信號進行放大處理。由于單片機識別的是二進制的數字信號，需要將采集的信號進行AD 轉換。信號進入單片機后經過數據處理算法將電阻值轉換成此刻的溫度值，然后與設定的加熱溫度范圍相比較，并發出對應的命令，傳遞給繼電器驅動電路，控制繼電器的通斷，以此實現加熱過程的開啟和停止。溫控裝置總體設計方案如圖1所示。

圖1 溫控裝置總體設計方案Fig.1 Overall design scheme of temperature control device

2 電加熱絲材料PTC 特性研究

本文選用在工業中常用的3 種電熱合金材料進行研究。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，在電熱絲兩側貼覆導熱的聚酰亞胺絕緣膜，引腳處引出導線并用硅橡膠密封，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，將水溫依次設置為30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃，待水溫穩定5 min、10 min、15 min 后記錄電熱絲阻值，最終結果取其算術平均值，實驗結果如圖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-溫度計算公式

金屬材料的電阻溫度系數表示的是金屬材料的溫度變化1 ℃時，電阻的相對變化量[6]。對于電阻隨溫度變化近似直線關系的合金，通常計算平均電阻溫度系數，其計算公式如下：

式中：RT為T ℃時的電阻值，單位為Ω；RT0為T0℃時的電阻值，單位為Ω；T 為試驗溫度，單位為℃；T0為參考溫度，單位為℃，通常取25 ℃；αˉ為T0到T 區間的平均電阻溫度系數，單位為1/℃；

金屬材料的電阻率通常按照體積電阻率來計算，以25 ℃時的體積電阻率為金屬材料的室溫電阻率ρ0，計算公式如下：

式中：R 為25 ℃時金屬材料的電阻值；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及室溫電阻率如表1所示。

表1 三種合金的電阻溫度系數及室溫電阻率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，金屬材料的電阻率隨溫度作線性變化，變化關系可以表示為

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

根據表中的數據，三種合金材料的電阻率-溫度計算如下：

304 不銹鋼的電阻率-溫度計算公式：

Ni80Cr20 鐵鎳合金的電阻率-溫度計算公式：

4J36 鐵鎳合金的電阻率-溫度計算公式：

式中：ΔT=T待測溫度-T初始溫度，初始溫度為25 ℃。

2.2 三種合金的PTC 特性對比

以起始溫度25 ℃時的電阻率為初始值ρ0，計算其他各溫度點的電阻率相對值ρ/ρ0，繪出ρ/ρ0-T 折線圖。根據實驗數據，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較小，電阻率隨溫度變化不明顯，說明這種材料的電阻率對溫度變化不敏感。

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

3 溫控裝置設計

3.1 溫度控制模塊開發

為了實現對數據的快速采集及運算，本文選用了ST 公司研發的STM32F103ZET6 微處理器。薄膜電加熱器在對被加熱物體進行加熱時，加熱溫度的調節由控制繼電器的通斷來實現。通過控制繼電器的通斷來實現對加熱過程的控制，繼電器型號為HF49FD012-1H12，額定電壓為5 V，三極管型號為SS8050Y1。當單片機輸出高電平電壓時繼電器通電，加熱器通電開始進行加熱。當單片機輸出低電平時，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定的溫度值進行比較，對其差值做相應處理，然后對加熱器的通斷做出相應的控制。溫度控制程序流程如圖5所示，將測量的實時溫度數據與溫度控制設定的上下限值進行比較，當被加熱物體溫度達到上限值便停止加熱，達到下限值開始加熱。

3.2 溫度采集模塊開發

采用非平衡電橋電路用于實時測量電熱絲隨溫度變化的阻值[8]，電橋中有3 個固定阻值的標準電阻，電熱絲將作為未知電阻被放置在電橋中。接通電源后，當電熱絲溫度升高，阻值發生變化，電橋失衡，此時在兩個橋臂之間的檢壓計將檢測到橋臂間的電壓差，并將信號傳遞出去。電熱絲的阻值范圍是0～100 Ω，因此電橋中3 個標準電阻的選值為30 Ω。電熱絲的阻值可由下式得到：

式中：UIN1+、UIN1-分別為電橋兩個橋臂輸出的電壓值。數據采集程序流程如圖6所示。

圖6 數據采集程序流程Fig.6 Flow chart of data acquisition program

數據處理程序是用來對AD 采樣的數據進行相應處理。采用中位值平均濾波算法對采集的電壓信號進行過濾處理，由式（2）和式（7）可計算出當前電熱絲的電阻率，然后由式（6）計算出對應的溫度值。將計算結果轉化為對應的LCD 顯示碼以實現LCD的正確顯示。數據處理程序流程如圖7所示。

圖7 數據處理程序流程圖Fig.7 Flow chart of data processing program

4 裝置測溫誤差分析

首先設計加熱絲的尺寸規格，制備加熱膜，然后對裝置的測溫性能進行測試及校驗。使用4J36 鐵鎳合金材料制備電加熱絲，加熱絲的設計尺寸為厚度0.03 mm，線寬1.64 mm，線長1462 mm。在30 ℃～100 ℃溫度范圍內，裝置測溫誤差如圖8所示，由實驗結果可以看出本裝置的測溫誤差較大，超過了5%，不能滿足設計要求，需要對裝置進行誤差的分析和改進。

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

分析電熱絲引腳處的導線電阻對測量結果的影響，使用HP-3478A 數字萬用表測量兩根導線的電阻。兩根導線的電阻值為0.8 Ω，經過計算，導線電阻對裝置產生的測溫誤差為6.8%。為了減少導線電阻對測溫誤差的影響，導線應盡量縮短，同時要選用比較粗的導線，并換用電阻率較小的銅線。再次使用測溫裝置進行實驗，校正后的裝置測溫誤差如圖9所示。由實驗結果可知，校正后的裝置測溫誤差大大縮小，誤差控制在3%以內，滿足了裝置測溫精度為5%的設計要求。由此可見，基于加熱絲材料PTC 特性的溫度測量及控制技術可以用于某些無法布置溫度傳感器的場合，對于薄膜電熱器的應用具有重要意義。

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

5 結語

本文設計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算公式，對3 種電熱合金的PTC 特性進行了比較，結果表明，4J36 鐵鎳合金的PTC 特性最顯著。對硬件電路進行了設計分析，詳細闡明其中的原理，對軟件模塊進行了設計方案說明，給出了軟件設計流程圖。最后，將溫控試驗裝置搭建出來，對測溫精度進行了誤差分析和校準，通過實驗手段驗證了設計方法的可行性。