CN108112099A - 一种浮空平台抗超低温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮空平台抗超低温系统，包括浮空平台超低温监测单元，用于对浮空平台超低温监测单元进行加热及温度控制的加热及温度控制装置，所述的加热及温度控制装置为多个PTC热敏电阻；所述的浮空平台超低温监测单元机箱为气密舱，气密舱内充氮气；可见光光学镜头，由变焦机构、聚焦机构、调光机构、CCD摄像机和保护玻璃组成，PTC热敏电阻作为加热及温度控制系统分别固定在浮空平台超低温监测单元的待加热部件上。本发明通过PTC热敏电阻进行恒温加热，因PTC热敏电阻元件不仅起到了对待加热部件加热的作用，PTC热敏电阻还具有把待加热部件的温度控制在合理的安全范围内的作用，它在电路中起到了加热和温度控制的双重作用。
Description
技术领域
本发明涉及抗超低温技术领域，尤其涉及一种浮空平台抗超低温系统。
背景技术
浮空平台一般都是应用于高空环境中，随着航天科技的发展，高空环境中，浮空平台不仅面临低温的影响，而且也存在低压环境的影响。针对低温影响，目前，传统的浮空平台抗超低温系统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。适用于对使用空间和重量有限制的情况，适用温度范围可在-60℃~125℃；可以采用多种方式安装，如胶粘和机械固定均可。
应用于浮空平台超低温成像监视设备的传统抗超低温温度控制系统由电源、温度继电器和电加热膜等组成。在电加热膜加热电路中，系统根据温度继电器感应到的当前温度的高、低情况选择是否加热：如果温度继电器感应到的当前温度低于其预设低温整定温度值，温度继电器启动电源开始供电，电加热膜即开始加热；当电加热膜辐射的热量使待加热部件温度达到温度继电器预设高温整定温度值时，温度继电器则断开加热电路，电加热膜即停止加热，以避免电加热膜继续发热致使待加热部件温度升高甚至烧毁待加热部件。
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。
近年来，超低温光学成像探测、监视设备在浮空平台如机载、艇载等高空平台上得到了愈来愈广泛的应用。此类浮空平台工作于6~10km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。大气空气密度随高度的增加而减小，1个标准大气压约为101kPa，10km高空的大气压下降为约0.2个标准大气压，即20kPa左右。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。
一般光学成像探测、监视产品要求工作的低温温度在-40℃左右，设备要在低温-60℃、低气压20kPa条件下工作正常，这比一般产品要求的严苛的多，这给设备的设计、生产、调试带来了很大的困难。寻找一种可靠有效、性价比高的抗超低温、低气压的措施的问题随之而来。
传统的电加热膜加热方法在超低温、常压下（或比常压稍低）可以正常工作，抗超低温功能运行正常。但该方法存在下述应用局限性：即在超低温、低气压（尤其是气压接近真空时）情况下，传统的电加热膜加热方法存在一直加热甚至烧毁待加热部件的隐患。在超低温、常压下，电加热膜散发的热量可以通过空气传导，将热量传导到需要加热的部件；同时加热膜散发的热量经由空气传导散热，将热量传导到温度继电器；随着浮空平台设备机箱内部温度的升高，如果达到温度继电器的高温整定值，温度继电器断开加热电路，电加热膜即停止加热，待加热部件处于安全工作温度范围内。而在超低温、低气压（尤其接近真空）的环境下，因气压极低，虽然浮空平台设备机箱是气密的，因为外部气压过低，致使浮空平台设备机箱内的空气也被抽走，基本上相当于接近真空环境。机箱内气压很低，箱内空气稀少，不利于空气散热和空气传导热量，机箱内的温度继电器难以良好的感应待加热部件附近较高的温度，待加热部件的温度到了温度继电器的高温整定值后，温度继电器因没有及时感应到待加热部件附近较高的温度，温度继电器应该断开加热电路却没有断开，致使电加热膜一直处于加热状态，使得电加热膜和待加热部件温度一直处于升高状态，最终造成待加热部件因温度过高而烧毁。
另外，电加热膜价格高昂，尤其是军品级的电加热膜，每片高达数百甚至上千元。因此，寻找一种加热效果好、性价比较高的加热技术是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮空平台抗超低温系统，能够实现浮空平台抗超低温的自动加热及将温度控制在某一特定安全范围，而且加热的控制效果好、成本低。
本发明采用的技术方案为：
浮空平台抗超低温系统，包括浮空平台超低温监测单元，用于对浮空平台超低温监测单元进行加热及温度控制的加热及温度控制装置，所述的加热及温度控制装置为多个PTC热敏电阻； 所述的浮空平台超低温监测单元机箱为气密舱，气密舱内充氮气；超低温监视单元由可见光光学镜头、加热及温度控制系统、电源模块和自动控制模块等组成；可见光光学镜头，由变焦机构、聚焦机构、调光机构、CCD摄像机和保护玻璃组成，PTC热敏电阻作为加热及温度控制系统分别固定在浮空平台超低温监测单元的待加热部件上。
所述浮空平台超低温监测单元的待加热的部件包括含变焦机构中的变焦电机、聚焦机构中的聚焦电机和调光机构中的调光电机、CCD摄像机和保护玻璃。
所述的PTC热敏电阻通过热缩套管固定在待加热部件上。
所述的热缩套管与PTC热敏电阻和待加热部件中间填充有导热膏。
本发明通过PTC热敏电阻进行恒温加热，因PTC热敏电阻元件不仅起到了对待加热部件加热的作用，PTC热敏电阻还具有把待加热部件的温度控制在合理的安全范围内的作用，它在电路中起到了加热和温度控制的双重作用。本发明相比于传统的电加热膜抗超低温加热技术仅适用于超低温、常压下（或比常压稍低）的局限性，采用PTC热敏电阻加热技术则突破了电加热膜加热技术对气压的限制，试验证明了在温度-60℃、气压低至5000Pa的低温低气压实验室环境下该加热技术的适应性。应用该新型加热方案的小批量产品交付用户后，设备运行正常、稳定，经受住了高空低温、低气压恶劣环境的考验，证明了该技术方案抗超低温设计是有效的、可行的。
附图说明
图1为本发明所述PTC热敏电阻的阻-温特性曲线图；
图2为本发明的电路原理框图。
具体实施方式
如图2所示，本发明包括浮空平台超低温监测单元，用于对浮空平台超低温监测单元进行加热及温度控制的加热及温度控制装置，所述的加热及温度控制装置为多个PTC热敏电阻；所述的浮空平台超低温监测单元机箱为气密舱，气密舱内充氮气；超低温监视单元由可见光光学镜头、加热及温度控制系统、电源模块和自动控制模块等组成；可见光光学镜头，由变焦机构、聚焦机构、调光机构、CCD摄像机和保护玻璃组成，PTC热敏电阻作为加热及温度控制系统分别固定在浮空平台超低温监测单元的待加热部件上。
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，相应其功率较大，PTC热敏电阻能迅速对需加热部件进行加热；当温度逐渐上升到居里温度后，由图1电阻-温度曲线可知，此时PTC热敏电阻的电阻值急剧增大，可增大到原来的103～107倍。如果供电电压保持不变，在恒定电压作用下，因阻值大幅增加，通过电路元件的电流大幅度减小，由可知，PTC热敏电阻发热功率亦减小，相应地，PTC热敏电阻与待加热部件温度亦下降，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→温度降低→电阻减小→发热功率增大→温度升高→电阻增大→发热功率减小……通过上述往复反复过程，PTC热敏电阻和待加热部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待加热部件，也不至于温度太低致使待加热部件无法正常工作。这样，PTC热敏电阻在电路中不但起到了加热的作用，还起到了温度控制的作用。
相对于前述的传统的加热方案，电加热膜抗超低温方案由直流电源、温度继电器和电加热膜组成；而PTC热敏电阻恒温加热方案，因PTC热敏电阻元件不仅起到了对待加热部件加热的作用，PTC热敏电阻还具有把待加热部件的温度控制在合理的安全范围内的作用，它在电路中起到了加热和温度控制的双重作用。这样，PTC热敏电阻加热方案无需复杂温度控制电路，只需由电源和PTC热敏电阻组成。
本方案不再需要昂贵的温度继电器和电加热膜，温度控制系统结构更加简单，只需直流电源和PTC热敏电阻，由于热敏电阻价格及其低廉，这不仅大大节省了费用，还可以减轻温度控制系统的重量，这对对空间和重量要求都极为严格的应用场合尤其重要。
所述的浮空平台超低温监测单元机箱为气密舱，气密舱内充氮气；超低温监视单元由可见光光学镜头、加热及温度控制系统、电源模块和自动控制模块等组成。可见光光学镜头，由变焦机构、聚焦机构、调光机构、CCD摄像机和保护玻璃组成，PTC热敏电阻作为加热及温度控制系统分别固定在浮空平台超低温监测单元的待加热部件上。
所述浮空平台超低温监测单元的待加热的部件包括含变焦机构中的变焦电机、聚焦机构中的聚焦电机、调光机构中的调光电机、CCD摄像机和保护玻璃。所述的PTC热敏电阻使用热缩套管固定在待加热部件上。所述的热缩套管与PTC热敏电阻和待加热部件中间填充有导热膏，以使热敏电阻发散的热量良好的传导到待加热部件。
根据被加热部件的特点，选择具有特定阻值－温度特性曲线、开关温度和物理尺寸的PTC热敏电阻，就可以实现自适应、高精度温度控制的目的，因此，PTC热敏电阻在自动温度控制领域具有愈来愈广泛的应用。
热敏电阻的选择是本应用的关键。PTC电阻阻值的选择是根据之前加热膜的阻值做参考，选取后经过常温试验和低温试验验证，之前加热膜电阻阻值为100Ω，电压28V，并联加热，每片加热膜加热功率为P=U2/R= U2/R=7.8W，总共5片加热膜7.8×5=39 W，符合总体的功率要求，正常低温情况下这个加热功率既可以满足低温下各路电机及CCD的加热需求，又不超过总体的总功率要求，所以热敏电阻的选择也以这些为依据，开关电阻选择100Ω，开关温度选择0°，最大温度选取100°，最大电阻选择1KΩ，具体工作过程如下：当环境温度低于0°时，电阻值约100Ω，每个热敏电阻的加热功率约7.8W，当环境温度高于0°时，电阻值阶跃上升，加热功率迅速下降，功能电机和CCD的温度也迅速下降，不至于因为温度过高烧毁功能电机和CCD。经过试验验证，低温下热敏电阻加热效果明显，当温度升高到开关温度后，电阻阻值阶跃升高，加热功率降低。）
本发明所述PTC热敏元件具有自动控温、安全可靠、效率高、性价比高等优点，在各种应用场合应用越来越广泛。PTC热敏电阻主要优点有以下几点：
安全可靠：PTC热敏电阻具有把待加热部件的温度自动控制在一定的安全范围内的功能，当PTC电阻加电后温度升高，在达到开关温度点之前时，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等待加热部件具备明显的安全优势。选择合理阻值及合适开关温度的PTC热敏电阻，可以保证功能电机、CCD等正常工作，避免温度过高烧毁待加热部件的潜在危险。
加热效率较高：PTC热敏电阻温度升高速度快，热能转换效率高，可以在较短的时间内提高待加热部件的温度，有利于超低温度下设备快速启动工作。
电路设计简单：与采用传统的电加热膜等加热材料对待加热部件进行加热电路相比，PTC热敏电阻加热省去了复杂的自动温度控制的部分电路，因此电路设计部分更为简单。
性价比高：与传统的温度继电器+电加热膜加热方法相比，温度继电器和电加热膜价格较高，温度继电器每只上千元，军品级的电加热膜每片数百元甚至上千元，而PTC热敏电阻每只仅几元，性价比得到了极大的提高。
本发明相比于传统的电加热膜抗超低温加热技术仅适用于超低温、常压下（或比常压稍低）的局限性，采用PTC热敏电阻加热技术则突破了电加热膜加热技术对气压的限制，试验证明了在温度-60℃、气压低至5000Pa的低温低气压实验室环境下该加热技术的适应性。本发明中所述的PTC热敏电阻可以一个部件设置一个，也可以一个部件设置多个PTC热敏电阻，多个PTC热敏电阻可以并联设置，从而根据需要搭配，使其更好的进行加热和温控。应用该新型加热方案的小批量产品交付用户后，设备运行正常、稳定，经受住了高空低温、低气压恶劣环境的考验，证明了该技术方案抗超低温设计是有效的、可行的。
Claims (4)
1.浮空平台抗超低温系统，包括浮空平台超低温监测单元，其特征在于：用于对浮空平台超低温监测单元进行加热及温度控制的加热及温度控制装置，所述的加热及温度控制装置为多个PTC热敏电阻，多个PTC热敏电阻并联设置； 所述的浮空平台超低温监测单元机箱为气密舱，气密舱内充氮气；超低温监视单元由可见光光学镜头、加热及温度控制系统、电源模块和自动控制模块等组成；可见光光学镜头，由变焦机构、聚焦机构、调光机构、CCD摄像机和保护玻璃组成，PTC热敏电阻作为加热及温度控制系统分别固定在浮空平台超低温监测单元的待加热部件上。
2.根据权利要求1所述的浮空平台抗超低温系统，其特征在于：所述浮空平台超低温监测单元的待加热的部件包括含变焦机构中的变焦电机、聚焦机构中的聚焦电机和调光机构中的调光电机、CCD摄像机和保护玻璃。
3.根据权利要求2所述的浮空平台抗超低温系统，其特征在于：所述的PTC热敏电阻通过热缩套管固定在待加热部件上。
4.根据权利要求3所述的浮空平台抗超低温系统，其特征在于：所述的热缩套管与PTC热敏电阻和待加热部件中间填充有导热膏。
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