CN114063676A - 一种基于电热丝ptc特性的薄膜电加热器温控方法 - Google Patents

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刘壮
高长水
刘鑫
王颐壕
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Abstract

一种基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，其特征包括如下步骤：1、获得薄膜加热器电热丝材料PTC特性；2、确定电热丝的加热功率、保温结构的散热损失值；3、采用有限元分析软件计算温控对象在稳态加热时的温度分布情况，建立电热丝与温控对象的温度对应关系，确定电热丝温度上限；4、针对加热过程中温度超调问题，采用有限元分析软件计算合适的加热阶段时长及测温阶段时长，以及电热丝温度下限；5、对温控对象进行周期性加热与测温，在加热阶段接通加热电路，在测温阶段接通测温电路。本发明利用电热丝PTC特性实现薄膜加热器的温度控制，此方法与传统温控方法相比，无需布置温度传感器，占用空间减小，适用于加热装置安装空间狭小的场合。

Description

一种基于电热丝PTC特性的薄膜电加热器温控方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜电加热温控技术，尤其涉及一种无传感器的加热电路的温控技术，具体地说是一种基于电热丝PTC特性的薄膜电加热器温控方法。
背景技术
薄膜电加热器是一种面状发热的薄膜，具有可弯曲、能折叠、加热效率高等优势，在医疗、半导体、航空航天等很多领域中得到应用。薄膜电加热器通常由电加热薄膜和温控装置等部分组成。其中，电加热薄膜包含有金属加热层和绝缘隔热层,金属加热层紧密贴覆在绝缘隔热层之上；金属加热层为片状金属线路电热丝，厚度在数十微米至一百余微米之间，一般采用铁镍合金或者不锈钢薄片加工制备而成；绝缘隔热层一般采用硅胶薄膜。温控装置实现加热过程中的温度调节。
传统温控方式是通过在被加热物体上布置许多温度传感器来实时采集加热过程中的被加热物体表面温度值，传感器将所采集温度值反馈给温控器。若温度值超出温控范围上限，温控器则断开加热电路；若温度值低于温控范围下限，温控器则接通加热电路。但是，在一些对加热装置尺寸空间有严格限制的场合(如比较狭小空间)，在放置了加热薄膜后，已没有多余的空间可以放置温度传感器，这时传统的温控方法已不再适用，需要探索新的温控方法。一般而言，对于电加热丝的合金材料，其电阻率具有随温度变化而变化的特性，这种特性的典型描述方式是正温度系数特性(Positive Temperature Coefficient,PTC)。有鉴于此，完全可以利用材料的PTC特性来检测电加热丝当前的温度值，并替代温度传感器对被加热物体进行温度控制，从而避免布置大量的温度传感器，降低成本、缩小薄膜加热器的体积。
发明内容
本发明的目的是针对一些对加热装置安装空间有严格限制的场合，仅能放下电加热薄膜而无法放置温度传感器所产生的难以实现温控的问题。发明一种基于电热丝PTC特性的薄膜电加热器温控方法，利用材料的PTC特性来检测电加热丝的实时温度值，通过有限元分析方法建立电热丝温度与温控对象温度之间的对应关系，通过加热电路和测温电路对电热丝交替进行加热与测温。与传统的温控方法相比，采用此方法的温控装置占用空间减小，生产成本降低，适用于加热装置安装布置空间狭小的场合。
本发明的技术方案是：
一种基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1、通过仪器自行检测、或者根据公开文献资料获得薄膜加热器电热丝材料的PTC特性；
步骤2、确定温控对象的温度控制范围，确定电热丝的加热功率W、保温结构的散热损失值Q；
步骤3、根据电热丝加热功率W、保温结构散热损失值Q，采用有限元分析软件计算温控对象在稳态加热时的温度分布情况，建立电热丝与温控对象的温度对应关系，确定电热丝在加热过程中的温度上限TH；
步骤4、针对加热过程中温度超调问题，采用有限元分析软件计算不同加热周期下温控对象的温度分布情况，从而确定加热阶段时长th以及电热丝温度下限TL；
步骤5、接通加热电路，对温控对象进行加热；
步骤6、判断是否到达加热时长th，若未到达，继续通电加热；若到达加热时长，断开加热电路，接通测温电路；
步骤7、通过测温电路测量电热丝当前温度，具体方法是：首先获得电热丝当前的电阻值，再根据电热丝截面积及长度计算电热丝材料当前的电阻率，再由电热丝材料PTC特性，通过电阻率—温度计算公式得出电热丝当前温度T；
步骤8、判断电热丝温度T是否低于温度下限TL，若T<TL，返回到步骤5；若T>TL，返回到步骤7。
本发明采用周期性加热方式加热温控对象：在加热阶段，电热丝与加热电路接通，对被加热物体进行加热；在测温阶段，电热丝与测温电路接通，实现对电加热丝温度的测量。
对于电热丝温度测量则是采用基于PTC特性的方法，即：直接测量电热丝电阻值，根据电热丝电阻值、电热丝长度及截面积推算电阻率，再根据已有电热丝材料PTC特性数据推算电热丝温度。
本发明可通过预先计算获得加热过程中电热丝温度与温控对象温度之间的对应关系，利用电热丝温度推算温控对象的温度，并基于电热丝温度值控制加热电路的通断。
本发明的有益效果是：
采用基于电热丝PTC特性的温控方法实现对被加热对象的温度控制，避免在薄膜加热器中布置数量众多的温度传感器，可以降低成本并减小薄膜加热器的体积。采用周期性加热与测温方式对电加热丝进行加热与温控。适用于加热装置尺寸布置空间狭小的场合。
附图说明
图1是本发明的基于电热丝PTC特性的薄膜电加热器温控方法原理示意图。
图2是本发明所述的电热丝温度测量方法原理示意图。
图3是本发明所述的具体实施例中4J36铁镍合金电热丝PTC特性示意图。
图4是本发明所述的周期性加热及测温示意图，其中U1表示加热电路施加的电压，U2表示测温电路施加的电压，th表示加热时长，tm表示测温时长。
图5是本发明的一个针对管道加热的具体实施例示意图。
图6是本发明所述的具体实施的周期性加热时长仿真计算结果。
其中：1、管道，2、电加热薄膜，3、保温结构，4、气体流入，5、气体流出，6、控制器，7、加热装置，8、测温装置，9、加热停止后管道内壁面温度过冲阶段，10、加热停止后管道中心点温度过冲阶段，11、测温结束后管道内壁面温度过调阶段，12、测温结束后管道中心点温度过调阶段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示。
针对如图5所示的加热需求为例来说明本发明的具体实施方式。具体工况如下：管道外径100mm、壁厚5mm、长度1000mm、材质为304不锈钢，管道内部流动混合气体，混合气体在管道内的流速是1m/s，气体密度为1.29kg/m3，管道入口处气体温度为25℃，管道出口处气体温度范围要求是102℃～108℃，采用薄膜电加热器加热并控温，采用PTC特性较为显著的4J36铁镍合金制作电加热丝材料。
如图1所示，采用本发明所述的一种基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，它包括以下步骤：
步骤1、在输送管道的外侧布置薄膜加热器，薄膜加热器上的电加热丝材料为4J36铁镍合金，密度为8100kg/m3，导热系数为34.83w/(m2*k)，电热丝加热功率P＝155W、保温结构的散热损失值q＝45.2W/m2；
步骤2、选用4J36铁镍合金作为薄膜加热器中的金属加热丝材料，其中镍元素含量是36％，根据理论计算获得其PTC特性，如图3所示。可以进一步得到4J36铁镍合金的电阻率-温度计算模型：
ρ4J36＝0.94×10-3(1+1.5×10-3ΔT)#
式中，ΔT＝T待测温度-T初始温度，初始温度设定为25℃；
步骤3、根据电热丝加热功率P、保温结构散热损失值q，采用ANSYS有限元分析软件计算温控对象在稳态加热时的温度分布情况，建立电热丝与管道中心气体的温度对应关系：
To＝TH-3.6
，To为管道中心点气体的温度，从而确定电热丝温度上限TH为111.6℃；
步骤4、针对加热过程中温度超调问题，采用有限元分析软件计算不同加热周期下管道出口端内壁面及中心点处的温度分布情况，最终得到：当一个加热周期为15s,即th＝11s、tm＝4s时，加热阶段和测温阶段的温度超调量均为0，由此可以确定加热阶段时长th＝11s，以及电热丝温度下限TL＝102.4℃(此时管道内壁面温度为106℃，管道中心点温度为102℃，)，如图6所示；
步骤5、接通加热电路，对温控对象进行加热，如图5所示；
步骤6、判断是否到达加热时长th，若未到达，继续通电加热；若到达加热时长，断开加热电路，接通测温电路，如图4所示；
步骤7、通过测量电热丝电阻值，根据电热丝横截面积S及长度L(此例中S＝2.41×10-7m2，L＝7.25m)，计算出电热丝电阻率，再由电阻率及电热丝材料4J36的PTC特性(如图3所示)，通过电阻率—温度计算模型(步骤2中所示)得出电热丝当前温度T，如图2所示；
步骤8、判断电热丝温度T是否低于温度下限TL，若T<TL，返回到步骤5；若T>TL，返回到步骤7，直至薄膜电加热器结束工作。
本发明未涉及部分与现有技术在工作相同或可采用现有技术实现。

Claims (4)

1.一种基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1、通过仪器自行检测、或者根据公开文献资料获得薄膜加热器电热丝材料的PTC特性；
步骤2、确定温控对象的温度控制范围，确定电热丝的加热功率、保温结构的散热损失值；
步骤3、根据电热丝加热功率、保温结构散热损失值，采用有限元分析软件计算温控对象在稳态加热时的温度分布情况，建立电热丝与温控对象的温度对应关系，确定电热丝在加热过程中的温度上限T H ；
步骤4、针对加热过程中温度超调问题，采用有限元分析软件计算不同加热周期下温控对象的温度分布情况，从而确定加热阶段时长t h 以及电热丝温度下限T L ；
步骤5、接通加热电路，对温控对象进行加热；
步骤6、判断是否到达加热时长t h ，若未到达，继续通电加热；若到达加热时长，断开加热电路，接通测温电路；
步骤7、通过测温电路测量电热丝当前温度，具体方法是：首先获得电热丝当前的电阻值，再根据已知的电热丝横截面积及长度计算电热丝材料当前的电阻率；再根据电热丝材料PTC特性，通过电阻率—温度计算公式得出电热丝当前温度T；
步骤8、判断电热丝温度T是否低于温度下限T L ，若T<T L ，返回到步骤5；若T>T L ，返回到步骤7，继续测量电热丝当前温度值。
2.根据权利要求1所述的基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，其特征在于：采用周期性加热方式加热温控对象：在加热阶段，电热丝与加热电路接通，对被加热物体进行加热；在测温阶段，电热丝与测温电路接通，实现对电加热丝温度的测量。
3.根据权利要求1所述的基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，其特征在于：对于电热丝温度测量采用基于PTC特性的方法，即：直接测量电热丝电阻值，根据电热丝电阻值、电热丝长度及横截面积计算电阻率，再根据已有电热丝材料PTC特性数据计算电热丝温度。
4.根据权利要求1所述的基于电热丝PTC特性的薄膜加热器温控方法，其特征在于：通过预先计算获得加热过程中电热丝温度与温控对象温度之间的对应关系，利用电热丝温度计算温控对象的温度，并基于电热丝温度值交替接通加热电路与测温电路。
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